鋼-玄武巖纖維透水混凝土力學(xué)性能及抗凍性研究

文章通過孔隙率試驗(yàn)、透水性試驗(yàn)、工作性試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗凍性試驗(yàn)，研究鋼纖維和玄武巖纖維對透水混凝土力學(xué)性能和抗凍性的影響規(guī)律，結(jié)果表明：與單摻纖維相比，混雜纖維對透水混凝土的孔隙率和透水性影響較大，工作性下降更多，但對抗壓強(qiáng)度和抗凍性改善效果更為明顯，且當(dāng)鋼纖維摻量為0.75%、玄武巖纖維摻量為0.25%時，透水混凝土的抗凍性最佳。

透水混凝土；混雜纖維；工作性；抗壓強(qiáng)度；抗凍性

U416.03A160474

作者簡介：

溫振國（1993—），碩士，工程師，主要從事道路總體的設(shè)計(jì)與研究工作。

0" 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷加快，以傳統(tǒng)的混凝土路面作為城市道路的鋪裝材料，雖然耐用、強(qiáng)度高，但由于不透水、不飽水，增加了城市排水系統(tǒng)的壓力，容易產(chǎn)生城市內(nèi)澇，也易引起城市熱島效應(yīng)。為解決城市內(nèi)澇，合理收集利用雨水資源，“海綿城市”這個概念應(yīng)運(yùn)而生，通過健全排水體系，合理利用水資源，從而穩(wěn)定生態(tài)環(huán)境［1-3］。透水混凝土是海綿城市建設(shè)中的重要組成部分，作為一種生態(tài)環(huán)保型路面鋪裝材料，其具有良好的透水性和透氣性，起到補(bǔ)充地下水、降低路表溫度、緩解城市熱島效應(yīng)等作用。

透水混凝土與普通混凝土相比，雖能提高路面的透水性，但由于其多孔結(jié)構(gòu)，使其力學(xué)性能和耐久性變差，尤其是抗凍性下降最為明顯，導(dǎo)致在嚴(yán)寒地區(qū)難以推廣使用［4］。通過各國學(xué)者的研究，證明纖維具有阻裂增強(qiáng)的作用，可以有效提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性。王博等［5］摻入90～120 g的鋼纖維，可使透水混凝土的抗壓強(qiáng)度提高10%～25%。Liu等［6］和陳祥生［7］通過試驗(yàn)，證明摻入一定量的玄武巖纖維能夠提高透水混凝土的抗凍性。而單一纖維對混凝土的提升效果較為局限，將不同類型的纖維進(jìn)行混摻，能夠充分發(fā)揮纖維的協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步提升混凝土的性能。

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要考慮單一纖維對透水混凝土性能的影響，而對混摻纖維透水混凝土的研究較少。因此，本文結(jié)合鋼纖維和玄武巖纖維的特點(diǎn)，通過改變纖維的總摻量和比例，研究單摻纖維和混摻纖維對透水混凝土孔隙率、透水系數(shù)、工作性、抗壓強(qiáng)度及抗凍性的影響，為實(shí)際工程應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

1" 原材料

（1）水泥：本試驗(yàn)選用四川雙馬品牌的P.O42.5R型普通硅酸鹽水泥，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

（2）粗集料：為保證透水混凝土的力學(xué)性能和透水性，透水混凝土多采用單一骨料級配，本試驗(yàn)選擇粒徑為5～10 mm的碎石，其堆積密度為1 617 kg/m3，表觀密度為2 606.2 kg/m3。

（3）減水劑：為改善透水混凝土的工作性，本試驗(yàn)選用聚羧酸高效減水劑，減水率為30%。

（4）纖維：本試驗(yàn)選用山東某工程材料有限公司生產(chǎn)的鋼纖維，選用河南某工程材料有限公司生產(chǎn)的玄武巖纖維，其性能指標(biāo)如表2所示。

（5）粘結(jié)劑：選用四川某科技集團(tuán)有限公司提供的粘結(jié)劑，其摻量為水泥用量的2%。

（6）水：試驗(yàn)所用拌和水為實(shí)驗(yàn)室自來水。

2" 試驗(yàn)方法及正交試驗(yàn)

2.1" 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)需設(shè)計(jì)試驗(yàn)變量，將鋼纖維和玄武巖纖維分別作為試驗(yàn)變量X、Y。為確保試驗(yàn)規(guī)范有效，且最大化減少試驗(yàn)次數(shù)，通過前期預(yù)試驗(yàn)和文獻(xiàn)參考［8-10］，確定了鋼纖維摻量≤1%，玄武巖纖維摻量≤0.5%。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見式（1）：

0≤X≤1.0

0≤Y≤0.5（1）

X+Y≤1.0

式中：X——鋼纖維占纖維總摻量的比率；

Y——玄武巖纖維占纖維總摻量的比率，兩種纖維摻量的比率和≤1。

按照《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T135-2009）中的設(shè)計(jì)規(guī)程對鋼-玄武巖纖維改性透水混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終得到的配合比設(shè)計(jì)如表3所示。

2.2" 制備工藝

為保證纖維在混凝土中分散均勻，試件在制備過程中采用多次加料攪拌方式，先將稱量好的水泥、骨料、粘結(jié)劑等攪拌1 min，再加入纖維，再繼續(xù)攪拌2～4 min，直到纖維分散均勻，再加入40%的水繼續(xù)攪拌2 min，待攪拌均勻后，加入60%的水和減水劑，繼續(xù)攪拌3 min，攪拌過程如圖1所示。

鋼-玄武巖纖維透水混凝土力學(xué)性能及抗凍性研究/溫振國

2.3" 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)按照《透水混凝土》（JCT 2558-2020）和《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082-2009）進(jìn)行。其中，透水系數(shù)采用穩(wěn)定水壓法進(jìn)行測定；實(shí)測孔隙率基于重量法原理進(jìn)行測試；工作性采用坍落度試驗(yàn)；力學(xué)性能測試主要對透水混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，制作尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的混凝土試件；考慮到透水混凝土自身結(jié)構(gòu)特性，其抗凍性選用快凍法，制作100 mm×100 mm×400 mm的試件，測試透水混凝土的質(zhì)量損失率和相對動彈性模量。

3" 結(jié)果與分析

3.1" 孔隙率

由圖2可知，單摻鋼纖維和玄武巖纖維后，對透水混凝土的孔隙率影響各不相同。當(dāng)鋼纖維摻量增加到1%時，透水混凝土的孔隙率隨著鋼纖維摻量的增加逐漸減小。當(dāng)玄武巖纖維摻量增加到0.5%時，其孔隙率隨著摻量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在鋼纖維與玄武巖纖維混摻后，透水混凝土的孔隙率隨著鋼纖維摻量的增加逐漸減小，玄武巖纖維摻量＞0.25%后孔隙率逐漸增大。當(dāng)鋼纖維摻量為0.5%、玄武巖纖維摻量為0.25%時，其孔隙率最小，與FPC0相比，孔隙率下降了41.2%。這是由于鋼纖維的摻入，在混凝土內(nèi)起到了加筋作用，增強(qiáng)了混凝土的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，堵塞部分孔隙，降低了孔隙率；當(dāng)摻入少量的玄武巖纖維后，與骨料和漿體充分粘結(jié)，使結(jié)構(gòu)更為致密，從而降低了孔隙率，當(dāng)摻入纖維過多時，水泥漿體對骨料的包裹程度減少，導(dǎo)致漿體減少，孔隙增多［11］，從而增大了混凝土的孔隙率。

3.2 "透水性

由圖3可知，當(dāng)單摻纖維時，隨著鋼纖維摻量的增加，透水混凝土的透水系數(shù)減小。隨著玄武巖纖維摻量的增加，透水系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。與FPC0相比，當(dāng)鋼纖維摻量為1%時，透水系數(shù)下降了23.8%。當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.5%時，透水系數(shù)增大了28.5%。將鋼纖維與玄武巖纖維混摻后，在固定總摻量的情況下，鋼纖維摻量增加，玄武巖纖維摻量減少，透水混凝土的透水系數(shù)逐漸減小。當(dāng)鋼纖維摻量為0.5%、玄武巖纖維摻量為0.5%時，與FPC0相比，透水系數(shù)增大了81%。通過與圖1對比分析，可以發(fā)現(xiàn)纖維的摻入對透水混凝土透水性的影響與孔隙率相似。這是由于隨著混凝土的孔隙率增大，混凝土內(nèi)部的孔隙增加，水分流通的孔道增大，導(dǎo)致水流過的阻力減少，水分通過的數(shù)量和速率增加［12］，從而提高了混凝土的透水系數(shù)。

3.3" 工作性

由圖4可知，未摻入纖維的透水混凝土坍落度最大，工作性能表現(xiàn)最佳，摻入纖維后，混凝土的坍落度都有所降低。在單摻情況下，隨著纖維摻量的增大，混凝土的坍落度逐漸減小。當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.5%時，與FPC0相比，坍落度下降了61.5%。當(dāng)兩種纖維按照比例進(jìn)行混摻后，相比鋼纖維，玄武巖纖維對坍落度的影響效果明顯。這是因?yàn)樾鋷r纖維具有親水性，在拌和過程中會吸收一部分拌和用水，且本來用于包裹骨料的水泥漿體用來包裹纖維［13］，從而降低了混凝土的坍落度，導(dǎo)致混凝土的工作性下降。

3.4" 抗壓強(qiáng)度

由圖5可知，在單摻纖維的情況下，當(dāng)鋼纖維增加到1%時，透水混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維的增加呈現(xiàn)增大的趨勢。與FPC0相比，當(dāng)摻量為1%時，抗壓強(qiáng)度增大了73.2%。當(dāng)單摻玄武巖纖維時，隨著摻量的增加，透水混凝土28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；當(dāng)摻量為0.25%時，28 d抗壓強(qiáng)度與FPC0相比增大了6.3%。當(dāng)纖維過多時，由于玄武巖纖維具有一定的吸水性，吸收部分拌和用水，相當(dāng)于減少了水灰比，使纖維難以分散均勻，產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，增加了薄弱面［14］，從而降低了抗壓強(qiáng)度。在鋼纖維與玄武巖纖維混摻后，隨著鋼纖維摻量的增加，玄武巖纖維摻量減少，混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的趨勢。這是因?yàn)殇摾w維能夠起到骨架支撐的作用，玄武巖纖維細(xì)小，能夠起到微加筋的作用，從而提高混凝土的整體性，結(jié)構(gòu)更為密實(shí)。當(dāng)鋼纖維摻量為0.75%、玄武巖纖維摻量為0.25%時，28 d抗壓強(qiáng)度提高了59.9%。

3.5" 抗凍性

由圖6可知，在100次的凍融循環(huán)下，單摻纖維時，F(xiàn)PC0～FPC4的質(zhì)量損失率曲線呈現(xiàn)上升趨勢，表明隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土出現(xiàn)不同程度的質(zhì)量損失，且FPC4gt;FPC0gt;FPC3gt;FPC1gt;FPC2。在纖維混摻后，F(xiàn)PC5、FPC7、FPC9在凍融前25次表現(xiàn)出質(zhì)量損失下降的趨勢，當(dāng)凍融次數(shù)達(dá)到50次后，這三組的質(zhì)量損失呈上升趨勢；而FPC6和FPC8的質(zhì)量損失隨著凍融次數(shù)增加表現(xiàn)出上升趨勢，且FPC8gt;FPC6gt;FPC0gt;FPC5gt;FPC7gt;FPC9。這是因?yàn)殇摾w維與玄武巖纖維混摻后，在混凝土內(nèi)部雜亂分布，鋼纖維的骨架支撐作用能夠抑制混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)展，玄武巖纖維比表面積大，能夠改善早期裂縫的出現(xiàn)，更早地分擔(dān)內(nèi)部壓力［15］，因此混摻后能夠在不同程度上抑制裂縫的發(fā)展，從而減少質(zhì)量損失。

由圖7可知，透水混凝土的相對動彈性模量隨著凍融次數(shù)的增加呈現(xiàn)下降趨勢，且與質(zhì)量損失率表現(xiàn)一致。當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到100次后，相對動彈性模量為FPC9gt;FPC7gt;FPC2gt;FPC5gt;FPC1gt;FPC3gt;FPC0gt;FPC6gt;FPC8。其中，F(xiàn)PC8和FPC4的動彈性模量下降最快。當(dāng)鋼纖維摻量為0.75%、玄武巖纖維摻量為0.25%時，相對動彈性模量較素混凝土增大了20.5%，這表明混摻后的纖維對混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了正面效應(yīng)，從而改善了混凝土的抗凍性能。

4" 結(jié)語

（1）通過實(shí)測孔隙率得出透水混凝土的孔隙率隨著鋼纖維摻量的增加逐漸減小；隨著玄武巖纖維摻量的增加先減小后增大。當(dāng)鋼纖維摻量為0.5%，玄武巖纖維為0.25%進(jìn)行混雜時，其孔隙率最小，與FPC0相比，孔隙率下降了41.2%。

（2）采用穩(wěn)定水壓法得出，當(dāng)單摻纖維時，隨著鋼纖維摻量的增加，透水混凝土的透水系數(shù)減小。隨著玄武巖纖維摻量的增加，透水系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。二者混摻后，當(dāng)鋼纖維為0.5%、玄武巖纖維為0.5%時，與FPC0相比，透水系數(shù)增大了81%。

（3）通過坍落度試驗(yàn)，摻入纖維后，混凝土的坍落度都有所降低。在同一單摻情況下，玄武巖纖維對其影響效果明顯大于鋼纖維。當(dāng)兩種纖維進(jìn)行混摻后，隨著總摻量的增加，混凝土的坍落度逐漸減小。

（4）通過抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后，在單摻纖維的情況下，隨著鋼纖維的增加，28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的趨勢。隨著玄武巖纖維摻量的增加，透水混凝土28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在鋼纖維與玄武巖纖維混摻后，隨著鋼纖維摻量的增加，玄武巖纖維摻量減少，混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的趨勢。

（5）通過快凍法得出，透水混凝土的質(zhì)量損失率和相對動彈性模量隨著凍融次數(shù)的增加呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)鋼纖維摻量為0.75%、玄武巖纖維摻量為0.25%時，透水混凝土的抗凍性能最佳。

［1］HeBJ，ZhuJ. Co-benefits approach：Opportunities for implementing sponge city and urban heat island mitigation［J］. Land Use Policy， 2019（86）：147-197.

［2］冉茂清，馮文博，王崇禎，等.透水混凝土在海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用［J］.建筑技術(shù)開發(fā)，2022，49（16）：143-145.

［3］蔣建忠.海綿城市建設(shè)中透水路面在市政道路中的應(yīng)用［J］.四川水泥，2021（12）：121-122.

［4］趙文豪，程海麗.幾種纖維對透水混凝土抗凍性影響綜述［J］.山西建筑，2023，49（3）：112-114，126.

［5］王" 博，劉" 飛，王飛宇，等.鋼纖維透水混凝土性能研究［J］.施工技術(shù)（中英文），2021，50（24）：45-47，151.

［6］LIU R Y，CHI Y，CHEN S Y，et al.Influence of pore structure characteristics on the mechanical and durability behavior of pervious concrete material based on image analysis［J］.International Journal of Concrete Structures and Materials，2020，14（15）：547-555.

［7］陳祥生. 玄武巖纖維透水混凝土抗凍性能研究［D］.長春：長春工程學(xué)院，2021.

［8］劉朝正.硅灰/鋼-玄武巖混雜纖維高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2021.

［9］陳寶全.鋼纖維-玄武巖纖維高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能及抗裂性能研究［D］.淮南：安徽理工大學(xué)，2019.

［10］楊" 益，寧翠萍，程瑞芳，等.摻鋼和玄武巖纖維混凝土的凍融循環(huán)試驗(yàn)研究［J］.水資源與水工程學(xué)報，2017，28（4）：182-186，192.

［11］郭振東，李" 峰，萬書金，等.玄武巖纖維對透水混凝土基本性能的影響研究［J］.粉煤灰綜合利用，2023，37（1）：36-39，131.

［12］朱金忠. 玄武巖纖維透水混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬［D］.長春：長春工程學(xué)院，2022.

［13］楊" 航. 混雜纖維透水混凝土物理力學(xué)性能及抗凍性研究［D］.綿陽：西南科技大學(xué)，2022.

［14］張亞茹. 透水混凝土的基本力學(xué)性能及凍融、干濕循環(huán)試驗(yàn)研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2020.

［15］李國東，張" 楠.混雜纖維混凝土抗鹽凍性能試驗(yàn)研究［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，42（2）：165-171.

20240301