塑鋼纖維改性透水混凝土及力學(xué)性能研究

史國慶

(咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽 712000)

為了解決傳統(tǒng)混凝土路面給城市造成的內(nèi)澇以及路面破損等問題,透水混凝土的研究成為科學(xué)發(fā)展的一個重點(diǎn)。對此,許多學(xué)者針對透水混凝土的改性進(jìn)行了大量研究。例如,宋元遠(yuǎn)等[1]制備了不同減水劑含量以及不同減水率的透水混凝土,并研究其強(qiáng)度、透水性以及耐久性。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)透水混凝土中聚羧酸減水劑摻量為0.2%時,減水率達(dá)到0.08,此時,材料抗壓強(qiáng)度對比基準(zhǔn)試件提升了5 MPa,透水系數(shù)也提高1.8 mm/s,該材料的抗凍融效果也較好[1]。而嚴(yán)超群等[2]則廢舊資源有效利用,提出一種廢舊橡膠改性透水混凝土,并對其性能進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)橡膠粒徑為0.30 mm,摻量小于6%時,透水混凝土性能最好[2]。除此之外,王博等[3]通過在透水混凝土中加入鋼纖維進(jìn)行改性,并對材料的強(qiáng)度、透水性進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)試件中摻入90～120 g鋼纖維、碎石粒徑10～16 mm、集料配合比為1 ∶0.3 ∶3.9時,材料強(qiáng)度、透水性最優(yōu)[3]。以上學(xué)者的試驗(yàn)都為透水混凝土的改性研究發(fā)展提供了參考。同時,剛性聚丙烯粗纖維具有輕質(zhì)、經(jīng)濟(jì)性以及力學(xué)性能優(yōu)異的特點(diǎn),基于此,試驗(yàn)選擇了剛性聚丙烯粗纖維作為塑鋼纖維,來代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼纖維材料對透水混凝土進(jìn)行改性,并對其性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料。P.O 42.5普通硅酸鹽水泥(工業(yè)純,無錫市江淮建材);粉煤灰(工業(yè)純,石家莊安百礦業(yè));粗骨料碎石(工業(yè)純,靈壽縣梓舒礦產(chǎn),粒徑5～10 mm);聚丙烯粗纖維(工業(yè)純,北京融耐爾工程材料,長度為20、40、60 mm);PC-1009型聚羧酸減水劑(化學(xué)分析純,濟(jì)南福鑫精細(xì)化工)。

主要設(shè)備。WD-300型立式攪拌桶(濟(jì)寧威達(dá)機(jī)械);BMB224型電子天平(佛山市中淮衡器);JJ-1BA型攪拌器(宜興春澤源環(huán)保設(shè)備);DYJG-9023型烘箱(杭州億捷科技);CJJT1335型透水系數(shù)測定儀(滄州華屹試驗(yàn)儀器);JITAI-S10KN型電子多功能試驗(yàn)機(jī)(北京吉泰科儀檢測設(shè)備);NS-2型混凝土耐磨試驗(yàn)機(jī)(內(nèi)蒙古華科嘉誠科技)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料配比設(shè)計

試驗(yàn)中采用的塑鋼纖維為剛性聚丙烯粗纖維,并針對塑鋼纖維設(shè)計了20、40、60 mm三種不同長度,以及3、6、9 kg/m3三種不同摻量的配比試件,具體配比見表1。

表1 透水混凝土材料配比設(shè)計Tab.1 Design of test proportioning for permeable concrete

1.2.2 塑鋼纖維改性透水混凝土的制備

(1)在攪拌桶中加入一定量的碎石和塑鋼纖維,設(shè)置攪拌時間為1 min,充分混合均勻,然后在攪拌桶中加入少量水,繼續(xù)攪拌1 min混合均勻。

(2)加入膠凝材料以及適量減水劑,在攪拌1 min后,再加入剩下的水和減水劑,設(shè)置攪拌時間為2 min,充分混合,獲得塑鋼纖維改性透水混凝土漿料。

(3)將步驟(2)中的漿料分三層倒入模具中,插搗成型后,用抹灰刀抹平試件表面多余的漿料,然后在振動臺上振實(shí)處理1 min,排出攪拌過程中漿料內(nèi)部的氣泡。

(4)將混凝土模具放置在養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)1 d,設(shè)置養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃左右,濕度90%左右,然后脫模,繼續(xù)在養(yǎng)護(hù)室內(nèi)以相同溫度和濕度養(yǎng)護(hù)28 d,得到塑鋼纖維改性透水混凝土試件。

1.3 性能測試

1.3.1 透水性試驗(yàn)

通過定水頭法和透水系數(shù)測定儀對試件進(jìn)行透水性試驗(yàn),計算透水系數(shù),具體公式如下[4-5]:

(1)

式中:KT為水溫T ℃時;混凝土的透水系數(shù),單位mm/s;Q為t時間內(nèi)透水量,單位m3;L為試件厚度,單位m;A為試件上表面積,單位m2;H為定水頭高度差,單位m;t為試驗(yàn)測定時間,單位s。

1.3.2 抗壓強(qiáng)度測試

通過多功能試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試,試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,抗壓強(qiáng)度具體計算公式如下:

(2)

式中:fc為抗壓強(qiáng)度,單位MPa;F為破壞荷載,單位N;A為承壓面積,單位mm2。

1.3.3 抗折強(qiáng)度測試

通過多功能試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行抗折強(qiáng)度測試,試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm,抗折強(qiáng)度具體計算公式如下:

(3)

式中:ff為抗折強(qiáng)度,單位MPa;F為破壞荷載,單位N;L為試驗(yàn)支架間跨度,單位mm;b為試件截面寬度,單位mm;h為試件截面高度,單位mm。

1.3.4 耐久性試驗(yàn)

通過耐磨試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行測試,并根據(jù)試件質(zhì)量損失率分析其耐久性,其中,試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 透水性試驗(yàn)

2.1.1 塑鋼纖維長度的影響(圖1)

圖1 透水系數(shù)曲線Fig.1 Permeability coefficient curve

由圖1可知,當(dāng)改性透水混凝土試件中的塑鋼纖維長度增加時,其透水系數(shù)下降。當(dāng)塑鋼纖維長度為20 mm時,3 kg/m3摻量、6 kg/m3摻量以及9 kg/m3摻量試件的透水系數(shù)分別為5.55、5.18、4.65 mm/s,對比基準(zhǔn)試件降幅分別為5.9%、12.2%和21.2%;當(dāng)塑鋼纖維長度為40 mm時,3 kg/m3摻量、6 kg/m3摻量以及9 kg/m3摻量試件的透水系數(shù)分別為5.43、4.95、4.64 mm/s,對比基準(zhǔn)試件降幅分別為8.0%、16.1%和21.4%;當(dāng)塑鋼纖維長度為60 mm時,3 kg/m3摻量、6 kg/m3摻量以及9 kg/m3摻量試件的透水系數(shù)分別為5.35、4.82、4.49 mm/s,對比基準(zhǔn)試件降幅分別為9.3%、18.3%和23.9%。因此,在透水混凝土中摻入的塑鋼纖維的長度越長,材料的透水系數(shù)越小,透水性越差。

2.1.2 塑鋼纖維摻量的影響(圖2)

圖2 透水系數(shù)曲線Fig.2 Permeability coefficient curve

由圖2可知,當(dāng)透水混凝土中塑鋼纖維摻量不斷增多時,材料透水系數(shù)不斷降低。當(dāng)塑鋼纖維摻量為9 kg/m3時,長度20 mm、長度40 mm以及長度60 mm試件的透水系數(shù)分別為4.66 mm/s、4.62 mm/s和4.51 mm/s,這與基準(zhǔn)試件的透水系數(shù)相比下降幅度較大,降幅分別為18.7%、19.4%和21.3%。發(fā)生這些變化主要有兩個原因,一是當(dāng)透水混凝土中的塑鋼纖維摻量增加時,這些塑鋼纖維會在一定程度上填補(bǔ)透水混凝土基體間的孔隙,因此,透水混凝土內(nèi)部的孔隙數(shù)量變少從而導(dǎo)致材料的透水系數(shù)減小;二是因?yàn)楫?dāng)在透水混凝土中摻入塑鋼纖維時,試件表面會在材料成型過程中附帶一部分漿料,這些漿料會形成一些水泥漿棒,會進(jìn)一步填補(bǔ)透水混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),增加材料緊密型,因此,材料透水系數(shù)不斷降低[6-7]。

2.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.2.1 塑鋼纖維長度的影響

圖3為當(dāng)塑鋼纖維摻量為6 kg/m3時,不同塑鋼纖維長度試件的抗壓強(qiáng)度。由圖3可知,當(dāng)透水混凝土中塑鋼纖維長度從20 mm增加到60 mm時,試件的抗壓強(qiáng)度從19.5 MPa增加到20.4 MPa,抗壓強(qiáng)度增加不到1 MPa,由此可得,塑鋼纖維長度對改性透水混凝土的抗壓強(qiáng)度影響較小。這種現(xiàn)象可能是因?yàn)樵谕杆炷林苽涔に囍卸啻瓮读蠑嚢?使得較長的塑鋼纖維也能在材料中均勻分布,因此,透水混凝土中塑鋼纖維長度的變化對其抗壓強(qiáng)度無較大影響。因此,透水混凝土的抗壓強(qiáng)度與塑鋼纖維長度關(guān)系較小。

圖3 抗壓強(qiáng)度曲線Fig.3 Compressive strength curve

2.2.2 塑鋼纖維摻量的影響

圖4為當(dāng)試件中摻入的塑鋼纖維長度為40 mm時,不同塑鋼纖維摻量的抗壓強(qiáng)度。由圖4可知,未摻入塑鋼纖維的空白試件抗壓強(qiáng)度為16.1 MPa,而摻入塑鋼纖維改性的試件抗壓強(qiáng)度均比空白試件高;當(dāng)試件中塑鋼纖維摻量增多時,抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象,并且在塑鋼纖維摻量為6 kg/m3時達(dá)到峰值,為20.6 MPa,這比空白試件提升了28.0%。發(fā)生這些現(xiàn)象的原理是,在透水混凝土中摻入適量的塑鋼纖維,可以增強(qiáng)材料內(nèi)部骨料與骨料、骨料與纖維間的粘結(jié)性,使材料緊密性提高,進(jìn)而提高抗壓強(qiáng)度;同時,當(dāng)受到外部應(yīng)力作用時,塑鋼纖維能起到應(yīng)力分散作用,協(xié)同其他材料基體共同均勻受力,因此,透水混凝土抗壓強(qiáng)度增加[8]。但是,在透水混凝土中摻入過多的塑鋼纖維,會使?jié){料的流動性能下降,同時,塑鋼纖維摻量過多會導(dǎo)致其在材料內(nèi)部雜亂分布,出現(xiàn)團(tuán)聚效應(yīng),這進(jìn)一步增大了透水混凝土的裂縫、孔隙等缺陷,因此,塑鋼纖維摻量過多,會降低材料抗壓強(qiáng)度[9-10]。綜合分析可知,當(dāng)塑鋼纖維摻量在6 kg/m3時,透水混凝土的抗壓強(qiáng)度良好。

圖4 抗壓強(qiáng)度曲線Fig.4 Compressive strength curve

2.3 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

2.3.1 塑鋼纖維長度的影響

圖5為當(dāng)塑鋼纖維摻量為6 kg/m3時,不同塑鋼纖維長度試件的抗折強(qiáng)度。由圖5可知,塑鋼纖維長度與試件抗折強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系,當(dāng)摻入的塑鋼纖維長度從20 mm增加到60 mm時,透水混凝土試件抗折強(qiáng)度從3.1 MPa上升到3.6 MPa,增幅為16.1%。這種現(xiàn)象表明,當(dāng)在透水混凝土中摻入較長的塑鋼纖維時,可以提高材料韌性。因此,長塑鋼纖維對增強(qiáng)透水混凝土的抗折強(qiáng)度效果明顯。

圖5 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Bending strength test results

2.3.2 塑鋼纖維摻量的影響

圖6為當(dāng)摻入的塑鋼纖維長度為40 mm時,不同塑鋼纖維摻量的抗折強(qiáng)度。由圖6可知,在一定程度上,透水混凝土的抗折強(qiáng)度與其中塑鋼纖維摻量呈正相關(guān)關(guān)系;對于未摻入塑鋼纖維的空白試件,其抗折強(qiáng)度為2.4 MPa,而摻入塑鋼纖維后透水混凝土的抗折強(qiáng)度明顯提升;當(dāng)在透水混凝土中摻入3 kg/m3塑鋼纖維時,試件抗折強(qiáng)度增幅為29.1%;當(dāng)塑鋼纖維摻量為6 kg/m3時,試件抗折強(qiáng)度增幅為37.5%;當(dāng)在透水混凝土中摻入9 kg/m3塑鋼纖維時,試件抗折強(qiáng)度最高,為3.6 MPa,對比空白試件增幅為50.0%。發(fā)生這些現(xiàn)象的原理是,塑鋼纖維的摻入,可以增強(qiáng)透水混凝土基體間的粘結(jié)性,增強(qiáng)材料整體性,同時,塑鋼纖維在材料內(nèi)部的應(yīng)力分散作用也會使試件韌性增加,因此,塑鋼纖維摻入透水混凝土,可以使其抗折強(qiáng)度提升[11-12]。

圖6 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Bending strength test results

2.4 耐久性試驗(yàn)

2.4.1 塑鋼纖維長度的影響(圖7)

圖7 試件質(zhì)量損失率Fig.7 Mass loss rate of test piece

由圖7可知,當(dāng)透水混凝土試件中摻入的塑鋼纖維長度增加,其質(zhì)量損失率提高。當(dāng)塑鋼纖維長度為20 mm時,對于3、6、9 kg/m3摻量的試件,其質(zhì)量損失率分別為1.78%、1.53%和0.95%;而當(dāng)塑鋼纖維長度為60 mm時,對于3、6、9 kg/m3摻量的試件,其質(zhì)量損失率增幅分別為4.3%、6.5%和45.3%?？梢钥吹?當(dāng)塑鋼纖維過長時,摻入9 kg/m3塑鋼纖維的透水混凝土質(zhì)量損失率增加幅度最大。另外,當(dāng)摻入6 kg/m3塑鋼纖維時,材料質(zhì)量損失率有少量下降,這可能與試驗(yàn)誤差有關(guān)。因此,長塑鋼纖維會增加材料的質(zhì)量損失率,降低透水混凝土的耐磨性能。

2.4.2 塑鋼纖維摻量的影響(圖8)

圖8 試件質(zhì)量損失率Fig.8 Mass loss rate of test piece

由圖8可知,當(dāng)透水混凝土中的塑鋼纖維摻量增多時,可以大幅度降低材料的質(zhì)量損失率。當(dāng)塑鋼纖維摻量為3 kg/m3時,對于纖維長度20、40、60 mm的試件,其質(zhì)量損失率分別為1.78%、1.89%和2.21%;當(dāng)塑鋼纖維摻量為6 kg/m3時,對于纖維長度20、40、60 mm的試件,其質(zhì)量損失率對比3 kg/m3時降幅分別為 14.6%、20.1%和25.3%;當(dāng)塑鋼纖維摻量為9 kg/m3時,對于纖維長度20、40、60 mm的試件,其質(zhì)量損失率對比3 kg/m3時降幅分別為46.1%、40.7%和38.9%。發(fā)生這些現(xiàn)象的原理主要有兩個,一是塑鋼纖維對于透水混凝土基體間有“加筋”作用,可以增強(qiáng)基體間的粘結(jié)性,材料整體性增強(qiáng),因此,在摩擦試驗(yàn)中,透水混凝土試件上的碎塊等不易剝落,質(zhì)量損失率降低;二是當(dāng)透水混凝土中的塑鋼纖維較多時,塑鋼纖維從材料基體中剝落需要耗費(fèi)更多的摩擦功,而且,隨著透水混凝土中塑鋼纖維摻量增多,材料中的塑鋼纖維會與骨料等基體間的摩擦力會不斷增加,從而減少材料基體脫落,減少試件質(zhì)量損失[13-15]。因此,當(dāng)在透水混凝土中摻入9 kg/m3時塑鋼纖維時,其質(zhì)量損失率下降,材料耐磨性良好。

3 結(jié)論

綜上,試驗(yàn)以剛性聚丙烯粗纖維作為塑鋼纖維,對透水混凝土進(jìn)行改性,并研究塑鋼纖維長度、摻量對材料性能的影響,具體結(jié)論如下:

1)塑鋼纖維過長或塑鋼纖維摻量過多時,會降低透水混凝土的透水系數(shù),使材料的透水性能下降;

2)塑鋼纖維長度對透水混凝土的抗壓強(qiáng)度影響較小。當(dāng)塑鋼纖維長度為40 mm、摻量在6 kg/m3時,透水混凝土的抗壓強(qiáng)度良好,為20.6 MPa;

3)當(dāng)塑鋼纖維的長度和摻量增加時,透水混凝土抗折強(qiáng)度增強(qiáng);

4)當(dāng)材料中塑鋼纖維長度增加時,會增加質(zhì)量損失率,降低材料耐久性;當(dāng)材料中塑鋼纖維摻量增加時,會降低質(zhì)量損失率下降,增加材料耐久性;

5)試驗(yàn)確定最適宜的塑鋼纖維長度為40 mm,摻量為6 kg/m3,此時,透水混凝土的透水性良好,力學(xué)性能較好,耐久性較好。