無機納米與有機纖維改性復材對透水混凝土耐久性影響研究

張小平 范乾松 甄東華 王民豪 李雨棟

摘 要：為提高基坑施工安全，設計透水混凝土支護樁，研究無機納米SiO2材料和玄武巖纖維有機材料含量對透水混凝土耐久性的影響，采用5種不同摻量的納米SiO2和5種不同含量的玄武巖纖維進行實驗。結果表明，當納米SiO2摻量為7%時，納米SiO2顯著提高了透水混凝土抗碳化性；當納米SiO2摻量為7%時，添加適量的玄武巖纖維可提高透水混凝土的抗凍融性和抗裂性，且隨著玄武巖纖維含量的增加，含有無機材料的納米SiO2透水混凝土的抗凍融性增加，抗裂性逐漸降低。

關鍵詞：玄武巖纖維；納米SiO2；透水混凝土；基坑支護

中圖分類號：TQ327.3;TU502

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0114-04

Study on effect of inorganic nano and organic fiber modified composite on durability of pervious concrete

ZHANG Xiaoping1，2，FAN Gansong1，2，ZHEN Donghua1，2，WANG Minhao1，2，LI Yudong1，2

（1.The Third Bureau of Metallurgical Geology Administration of China，Taiyuan 030000，China;

2.Shanxi Metallurgical Geotechnical Engineering Investigation Co.，Ltd.，Taiyuan 030000，China

）

Abstract：In order to improve the safety of foundation pit construction，pervious concrete supporting pile was designed，and the influence of inorganic nano-SiO2 material and basalt fiber organic material content on the durability of pervious concrete was studied.The experiment was carried out with 5 different contents of nano-SiO2 and 5 different contents of basalt fiber.The results showed that when the content of nano-SiO2 was 7%，nano-SiO2 significantly improved the carbonization resistance of pervious concrete.When the content of nano-SiO2 was 7%，adding an appropriate amount of basalt fiber could improve the freeze-thaw resistance and crack resistance of pervious concrete，and with the increase of the content of basalt fiber，the freeze-thaw resistance of nano-SiO2 pervious concrete containing inorganic materials increases，while the crack resistance gradually decreased

Key words：basalt fiber;nano-SiO2; permeable concrete;foundation pit support

隨著城市建設速度不斷加快，對于軟土及黏土地區，由于土體含水量高，且土體易受外荷載作用發生破壞［1］，極易發生基坑失穩，給施工安全帶來極大的隱患。在過去的二十年中，很多學者對玄武巖纖維增強混凝土的耐久性、物理化學性能進行試驗，均指出玄武巖纖維用于混凝土具有一定可行性。雖然透水混凝土復合材料的力學性及耐久性可以通過玄武巖纖維的加入來提高，但在惡劣和高腐蝕性環境中使用的透水混凝土仍然需要提高其耐久性。無機納米SiO2材料表現出獨特的納米效應，并且具有較大的比表面積，界面能量，納米SiO2的加入可以改善硬化水泥漿的性能和骨料與水泥漿之間的結合性能。基于此，研究通過耐久性實驗來確定納米SiO2與玄武巖纖維對混凝土耐久性的影響。

1 試樣材料與方法

1.1 試驗材料

水泥使用42.5R級普通硅酸鹽水泥，其28 d抗壓強度為52.5 MPa，終凝時間為286 min。礦物摻合料使用了I級粉煤灰（從燃煤電廠獲得），SO3占比1.22%，密度為2.35 kg/m3。粗骨料碎石最大粒徑為26.5 mm，細骨料細度模數為2.6。研究中使用的玄武巖有機材料纖維由當地市場購得，其性能如表1所示。同時在實驗中添加了無機材料納米SiO2（為松散非晶粉末形式），SiO2質量分數大于99%，平均粒徑為30 nm，比表面積為200 m2 /g，體積密度為0.05 g/cm3。本文設定采用5種不同摻量的無機材料納米SiO2（1%、3%、5%、7%和9%）和5種不同質量分數的玄武巖纖維有機材料（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%）。

1.2 試驗方法

1.2.1 抗碳化試驗

使用CCB-70A型碳化箱進行抗碳化試驗。碳化箱是一個帶有氣密門的封閉容器。盒子里有一個二氧化碳氣體分析儀，可以監測二氧化碳的濃度。CO2氣體通過管道從鋼瓶供應到碳化箱。立方體碳化試樣的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。試件的碳化深度可用于評估透水混凝土的抗碳化能力。每組包括3個樣品，平均碳化深度為最終碳化深度。試驗前，將試件在溫度（20±2） ℃、相對濕度大于95%的條件下，固化至28 d；然后，將樣品放置在溫度為60 ℃的干燥箱中48 h。干燥后，除了2個對稱的側表面外，樣品的表面被一層薄薄的熔融石蠟覆蓋。在將試樣放入碳化箱之前，使用彩色筆在未密封表面上標記一系列平行線，以幫助測量碳化深度。試驗完成后，將試樣一分為二，并在斷裂表面噴灑質量分數為1%的酚酞醇溶液。大約30～60 s后，試樣碳化部分的顏色發生了變化。此外，用鋼尺測量每個測量點上試樣的碳化深度，可以成功地測量試樣的平均碳化深度。

1.2.2 滲透性試驗

抗滲透性測試的圓形截錐試樣的尺寸為175 mm×150 mm×185 mm 。抗滲透性試驗使用全自動滲透機（HP-40）。試樣在水壓下的透水深度可用于評估透水混凝土的滲透性。每組6個樣品，以平均透水深度作為結論性透水深度。在測試期間，將試樣在1.2 MPa的壓力下加壓24 h，然后撤回壓力，將標本分成兩半。在試樣的分割表面上，在10條等距線上的每一條線上放置點以指示透水深度，取10個點的平均透水深度作為試件的透水深度。

1.2.3 抗凍融測試

透水混凝土的抗凍融性可以通過速凍法在試樣經過一定次數的凍融循環后進行評估。凍融樣品的尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。將透水混凝土在澆注后置于環境溫度下養護24 h。脫模后，在溫度（20±2 ℃）、相對濕度大于95%條件下，將其養護28 d；之后，將試樣浸入溫度為（20±2 ）℃的水中4 d，取出測量其質量和動態彈性模量。然后將試樣放入HC-HDK凍融試驗機進行冷凍。凍融循環每25次后測定試件相對動態彈性模量，得到相對動態彈性模量。通過測定100次凍融循環試件的相對動態彈性模量，評價透水混凝土復合材料的抗凍融性能。

1.2.4 抗裂試驗

根據規范標準進行抗裂試驗。試件由方形角鋼模具限制［11］，模具周圍通過加強筋加固。每組包括2個試件。試樣在恒定的特定溫度（20±2 ）℃和相對濕度（60±5）%下鑄造，然后使用裂紋寬度測量裝置逐個測量試樣表面的裂紋寬度。根據測量的裂縫寬度，分層測量裂縫長度。試驗期間，記錄初始開裂時間、裂縫長度、裂縫寬度和裂縫數量;平均裂縫面積、單位面積裂縫數量、單位面積開裂面積和單位面積開裂面積可分別計算如下：

a=12N∑NiWi×Li（1）

b=NA（2）

C=a×b（3）

式中：a為單個裂紋的平均開裂面積，mm2；N為裂縫總數；Wi為第i條裂紋的最大寬度，mm；Li為第i條裂紋的長度，mm；b為試樣每單位面積的裂紋數量；A為試樣表面的面積（0.36 m2）；C為試樣每單位面積的總開裂面積，mm2/m2。

2 結果和討論

2.1 抗碳化性

圖1為不同碳化時間下試樣碳化深度隨無機材料納米SiO2含量增加的變化。

由圖1可以看出，試樣的碳化深度隨著碳化年齡的增加而增加。當無機材料納米SiO2摻量達到7%時，觀察到最小碳化深度，其中碳化深度比不含納米SiO2的透水混凝土碳化深度小22.7%。這表明，當無機材料納米SiO2摻量為7%時，透水混凝土抗碳化性能最低。

為進一步探究玄武巖纖維有機材料含量對試件碳化深度的影響，設定7%無機納米SiO2條件下不同質量分數玄武巖纖維用量之間的關系如圖2所示。

由圖2可以看出，當碳化齡期從3 d增到14 d時，含納米顆粒的玄武巖纖維加固透水混凝土的碳化深度穩步增加，并且當養護齡期從14 d增到28 d時觀察到碳化深度顯著增加。此外，玄武巖纖維的摻入對含有納米顆粒的透水混凝土的碳化深度有顯著影響，當玄武巖纖維質量分數由0%～1.5%時，玄武巖纖維的碳化深度呈下降趨勢；當玄武巖纖維質量分數為2.5%時，碳化深度增加。在無機納米SiO2摻量達7%時，觀察到最小碳化深度。與無玄武巖纖維的對照透水混凝土相比，1.5%玄武巖纖維加固的透水混凝土試件的碳化深度降低了15.4%。

2.2 抗裂性

圖3和圖4為不同玄武巖纖維對透水混凝土抗裂性評估參數的影響。

由圖3可知，玄武巖纖維含量越高，裂紋區域越小。此外，當玄武巖纖維質量分數從1.5%增到2.0%時，裂紋數量明顯減少。當玄武巖纖維質量分數從0%增到2.5%時，試樣表面的開裂面積從777 mm2減少到248.3 mm2，減少68.1%。

由圖4可知，與沒有玄武巖纖維的透水混凝土相比，2.5%玄武巖纖維加固的透水混凝土中的裂縫數量從5減少到2。

透水混凝土基質中的玄武巖纖維隨機分布，可以支撐骨料防止骨料下沉。減少了復合材料的表面崩解［16］，使混凝土均勻度得到改善。因此，纖維在混凝土中起到了很好的預防作用。

2.3 抗凍特性

抗凍特性是評估透水混凝土結構在寒冷環境中最重要的耐久性能之一。透水混凝土的凍融損壞是由于在每個凍融循環中充滿水的小內部裂縫的結果。

圖5為在不同玄武巖纖維摻量7%無機納米二氧化硅后，混凝土相對動態彈性模量變化規律。

由圖5可以看出，當凍融循環次數小于50次時，每組的相對動態彈性模量相似。然而，當凍融循環次數超過50次時，相對動態彈性模量明顯降低。隨著玄武巖纖維有機材料用量的增加，試樣的相對動彈性模量逐漸增大。與無玄武巖纖維透水混凝土相比，試件經過50次循環后，2.5%玄武巖纖維加筋透水混凝土的相對動彈性模量提高了59.2%。當凍融循環次數達到100次時，不含玄武巖纖維的試樣和摻量0.5%玄武巖纖維的試樣全部被破壞。

2.4 抗滲透性

滲透性是表征透水混凝土耐久性的基本材料特性，透水混凝土是一種高度多孔的復合材料，其抗滲透性可能受到不同測量方法的影響。因此，研究采用透水深度評價透水混凝土的抗滲透性。圖6為在摻量為7%無機納米SiO2的情況下，透水混凝土試件的滲透深度隨玄武巖纖維摻量的增加而發生的變化。

由圖6可知，隨著玄武巖纖維用量的增加，透水混凝土試樣的滲透深度也呈遞增變化。因此，玄武巖纖維的加入將提高透水混凝土的拉伸性能，這將有效地限制初始裂縫的形成和發展，從而有助于改善其滲透性能。

3 結語

（1）納米SiO2含量在摻量合適的情況下，納米SiO2的應用可以顯著提高透水混凝土的抗碳化性。但過多的納米SiO2無機材料會對透水混凝土的耐久性產生不利影響；

（2）加入適量的玄武巖纖維提高了納米SiO2透水混凝土的抗滲透性、抗裂性、抗凍融性和抗碳化性；然而，過量的玄武巖纖維會降低試樣的抗碳化能力。此外，玄武巖纖維的加入降低了納米SiO2增強的復合材料的抗滲透性，透水混凝土的抗裂性逐漸降低。

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收稿日期：2023-06-15；修回日期：2023-09-18

作者簡介：張小平（1980-），男，碩士，高級工程師，研究方向：巖土工程等；E-mail：zhangxpwat080@126.com。

引文格式：張小平，范乾松，甄東華，等.無機納米與有機纖維改性復材對透水混凝土耐久性影響研究［J］.粘接，2023，50（11）：114-117.