植物纖維改良透水再生混凝土性能試驗(yàn)研究

作者簡介：

潘芳祿（1986—），碩士，副教授，工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)工程、市政工程。

摘要：為改善透水再生混凝土的脆性，提高透水再生混凝土的抗裂性，文章采用不同形態(tài)植物纖維對透水再生混凝土進(jìn)行改良試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：絲狀植物纖維對于透水再生混凝土綜合性能的提升效果優(yōu)于粉末狀植物纖維；當(dāng)摻入3 kg/m3絲狀植物纖維后，透水再生混凝土的各項(xiàng)綜合性能最佳，實(shí)際孔隙率和透水系數(shù)分別可以達(dá)到19.3%和4.53 mm/s；將改良后的透水再生混凝土應(yīng)用于路面鋪裝，每延米的工程造價(jià)將比普通混凝土路面降低54.2元；植物纖維改良透水再生混凝土不僅具備良好的工程力學(xué)性能，還具備良好的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，可在實(shí)際工程中予以推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：植物纖維；透水再生混凝土；實(shí)際孔隙率；透水系數(shù)；工程造價(jià)

中圖分類號：U414.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 14 041 3

0 引言

普通不透水混凝土路面鋪裝雖然具有光滑平整的效果，但是在強(qiáng)降雨作用下，很容易發(fā)生城市洪澇，同時(shí)也加重了城市“熱島效應(yīng)”。為解決這一問題，透水混凝土受到廣泛關(guān)注和研究［1-2］。

在城市化進(jìn)程中，會產(chǎn)生大量的建筑垃圾，嚴(yán)重浪費(fèi)社會資源，對環(huán)境也造成了極大的污染，因此利用建筑廢料來生產(chǎn)透水再生混凝土已成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱門話題。然而，透水再生混凝土普遍存在的問題是脆性大和抗裂性差，需要想辦法解決傳統(tǒng)透水再生混凝土的這些缺點(diǎn)［3-5］。植物纖維具有綠色環(huán)保的特性，通過加入植物纖維不僅可以提升透水再生混凝土的抗裂性，還能抑制其收縮變形，對于透水混凝土而言具有很好的改善效果。我國是稻谷種植大國，每年都會產(chǎn)生大量的稻草，如果能將稻草纖維應(yīng)用到透水再生混凝土的制備中，不僅可以減少對環(huán)境的污染，還能提升其性能，且改良纖維易得、價(jià)格便宜，經(jīng)濟(jì)效益很好［6-7］。

本文擬通過對不同摻量植物纖維改良透水再生混凝土進(jìn)行不同類型的試驗(yàn)［8-9］，得出纖維的最佳摻入形態(tài)和摻量，為提升透水再生混凝土工程力學(xué)性能提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其比表面積為341 m2/kg，初凝和終凝時(shí)間分別為170 min和255 min，氯離子含量為0.035%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26.7%，28 d抗折和抗壓強(qiáng)度分別為8 MPa和50.9 MPa。

粗骨料：粒徑為9.5～16 mm的天然骨料和再生骨料，天然骨料表觀密度為2 720 kg/m3，堆積密度為1 662 kg/m3，吸水率為0.65%，壓碎指標(biāo)為11%，含泥量為0.1%；再生骨料表觀密度為2 620 kg/m3，堆積密度為1 670 kg/m3，吸水率為3.4%，壓碎指標(biāo)為16.6%，含泥量為0.98%。

細(xì)骨料：特細(xì)砂，平均粒徑lt;0.25 mm，細(xì)度模數(shù)為0.75，含泥量為2%。

植物纖維：取自稻草，分為直徑6～10 mm的絲狀稻草纖維和0～1 mm的粉末狀稻草纖維兩類。

減水劑：聚羧酸高性能減水劑，含固量為10.3%，含氣量為4.5%，平均減水率為29%。

水：實(shí)驗(yàn)室自來水。

1.2 試驗(yàn)配合比方案

采用體積法進(jìn)行透水混凝土配合比設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C20（抗折強(qiáng)度≥2.5 MPa），設(shè)計(jì)孔隙率為15%，透水混凝土的水膠比設(shè)計(jì)為0.3，再生粗骨料和天然粗骨料摻量分別為總粗骨料的30%和70%，細(xì)骨料（砂）摻量為6.1%，減水劑摻量為1.1%。分別向透水混凝土中摻入絲狀纖維和粉末狀纖維，植物纖維的摻量分別為0 kg/m3、1.5 kg/m3、3 kg/m3和4.5 kg/m3。具體試驗(yàn)配合比方案見表1。

1.3 試驗(yàn)方法

由于植物纖維與膠凝材料之間的粘接性能較差，會導(dǎo)致透水混凝土的性能降低，故而在摻入植物纖維之前，需要先對植物纖維進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理方法為將植物纖維放到4%的NaOH溶液中浸泡0.5 d，然后按照表1中的試驗(yàn)配合比進(jìn)行混凝土試件拌制。拌制方法為：（1）將天然和再生粗骨料混合攪拌0.5 min；（2）將植物纖維倒入混合料中攪拌0.5～1 min；（3）將水泥、砂和減水劑倒入混合料中，繼續(xù)攪拌1～1.5 min；（4）將拌和物分上下兩層倒入模具進(jìn)行振搗；（5）將脫模后的試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d。對養(yǎng)護(hù)后的試件進(jìn)行實(shí)際孔隙率、透水系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗凍性能等多項(xiàng)性能指標(biāo)的測試，選出最佳纖維摻入形態(tài)和摻入量。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 實(shí)際孔隙率

不同種類植物纖維摻量下透水再生混凝土的實(shí)際孔隙率變化特征見圖1。從圖1中可知：隨著植物纖維摻量的增加，混凝土的實(shí)際孔隙率呈線性增大的變化趨勢。相同摻量下，絲狀纖維混凝土的實(shí)際孔隙率要大于粉末狀纖維混凝土，每增加1 kg/m3的絲狀纖維，混凝土的實(shí)際孔隙率將增加約2.614%，每增加1 kg/m3的粉末狀纖維，混凝土的實(shí)際孔隙率僅增加0.696%。植物纖維之所以能夠提升混凝土的實(shí)際孔隙率，是因?yàn)楦男灾参锢w維與水泥基體之間存在不相容的問題，導(dǎo)致植物纖維與水泥界面過渡區(qū)容易形成孔隙，而較長的絲狀纖維更容易與骨料和基體形成更多的交錯連接，這些網(wǎng)狀連接會形成很多小孔隙，故而孔隙率提高；粉末狀纖維的長度小，很容易粘附在骨料基體上，在水化反應(yīng)過程中纖維會吸收水分收縮，因而對于孔隙率的提升效果一般。

2.2 透水性能

不同種類植物纖維摻量下透水再生混凝土的透水系數(shù)變化特征見圖2。從圖2中可知：隨著植物纖維摻量的增加，混凝土的透水系數(shù)逐漸增大。相比未摻入植物纖維試驗(yàn)組，摻入1.5 kg/m3、3 kg/m3和4.5 kg/m3絲狀纖維的混凝土透水系數(shù)分別提升了69%、142.2%和339.6%，而摻入1.5 kg/m3、3 kg/m3和4.5 kg/m3粉末狀纖維的混凝土透水系數(shù)僅僅分別提升了13.3%、40.6%和63.1%。由此可見，絲狀纖維對于透水混凝土透水性能的改善效果更好，這主要是因?yàn)榻z狀纖維在骨料和水泥集體之間能夠形成更多連通的孔隙，因而透水性能更好。

2.3 力學(xué)性能

不同種類植物纖維摻量對混凝土抗壓、劈拉和抗折強(qiáng)度影響規(guī)律見圖3。從圖3中可知：隨著植物纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度呈逐漸減小的變化特征。相同摻量下，摻入絲狀纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度小于粉末狀纖維，當(dāng)絲狀纖維摻量達(dá)到4.5 kg/m3后，抗壓強(qiáng)度已不能滿足C20設(shè)計(jì)要求。纖維對劈拉強(qiáng)度有一定的改善效果，當(dāng)絲狀纖維摻量達(dá)到3 kg/m3后，劈拉強(qiáng)度相比未摻入纖維組提升了12.1%，但是當(dāng)繼續(xù)摻入絲狀纖維后，劈拉強(qiáng)度反而降低，這可能與絲狀纖維摻量過多容易膠結(jié)成團(tuán)，不易分散，導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)薄弱界面；而摻入粉末狀纖維則不會存在這種情況，當(dāng)摻入4.5 kg/m3的粉末狀纖維后，混凝土劈拉強(qiáng)度提升了6.7%，提升幅度lt;3 kg/m3絲狀纖維摻量組。抗折強(qiáng)度的變化趨勢與劈拉強(qiáng)度表現(xiàn)一致，絲狀纖維摻量在3 kg/m3時(shí)抗折強(qiáng)度最大，達(dá)到4.02 MPa，粉末狀纖維摻量達(dá)到4.5 kg/m3時(shí)抗折強(qiáng)度僅為3.71 MPa，對于抗折強(qiáng)度的提升幅度也小于前者，因此絲狀纖維對于混凝土劈拉和抗折強(qiáng)度的提升效果優(yōu)于粉末狀纖維，且摻量應(yīng)≤3 kg/m3。

2.4 抗凍性能

不同種類植物纖維摻量對混凝土抗凍性能影響情況見圖4。從圖4中可知：當(dāng)纖維摻量lt;3 kg/m3時(shí)摻入絲狀纖維的混凝土抗凍性強(qiáng)于摻入粉末狀纖維的混凝土，當(dāng)摻量達(dá)到4.5 kg/m3后摻入絲狀纖維的混凝土抗凍性弱于摻入粉末狀纖維的混凝土；再生透水混凝土的抗凍性隨絲狀纖維摻量增加呈先增強(qiáng)后減弱的變化特征，隨粉末狀纖維摻量增加呈逐漸增強(qiáng)的變化特征，但影響不是很大。

3 經(jīng)濟(jì)效益對比

通過對不同形態(tài)和摻量下改性植物纖維再生透水混凝土的各項(xiàng)性能試驗(yàn)結(jié)果可以看出：采用絲狀纖維對于混凝土綜合性能的提升效果要優(yōu)于粉末狀纖維，且最佳摻量宜控制在3 kg/m3，在采用透水混凝土后，路面可以不再配置排水設(shè)施。對每延米傳統(tǒng)普通混凝土路面和纖維透水再生混凝土路面的造價(jià)進(jìn)行了初步分析（假設(shè)面層鋪裝后度為20 cm），結(jié)果見表2。從表2中可以看到：采用改性植物纖維透水再生混凝土的每延米造價(jià)相比普通混凝土路面而言，可以降低54.2元，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

本文對不同形態(tài)和摻量改性植物纖維透水再生混凝土的各項(xiàng)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

（1）相比粉末狀纖維，絲狀纖維對于透水再生混凝土性能的改善作用更加顯著，但是摻入纖維會降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，摻入過量纖維也會影響劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗凍性能。

（2）摻入3 kg/m3絲狀纖維透水再生混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)最佳。在此摻量下，透水混凝土的實(shí)際孔隙率可以達(dá)到19.3%，透水系數(shù)可以達(dá)到4.53 mm/s，抗壓和抗折強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，抗凍性能也相對最佳。

（3）采用3 kg/m3絲狀纖維透水再生混凝土路面的每延米造價(jià)相比普通混凝土路面可以降低54.2元，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

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