纖維改性再生骨料透水混凝土力學(xué)性能透水性和耐磨性研究

郭 磊，劉思源，陳守開(kāi)，汪倫焰，薛志龍

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纖維改性再生骨料透水混凝土力學(xué)性能透水性和耐磨性研究

郭 磊1,2,3，劉思源1,3，陳守開(kāi)1,2,3※，汪倫焰1,2,3，薛志龍1,2,3

（1. 華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，鄭州 450045；2. 河南省水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)院士工作站，鄭州 450002； 3. 河南省水環(huán)境模擬與治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450002）

再生骨料透水混凝土是利用再生骨料制備透水混凝土，具備再生混凝土和透水混凝土的功能優(yōu)勢(shì)，但導(dǎo)致強(qiáng)度、耐磨性變差，故該文進(jìn)行再生骨料透水混凝土改性研究。將聚丙烯纖維和碳纖維以不同的體積分?jǐn)?shù)（其中聚丙烯纖維摻量分別為0.3%、0.6%、0.9%、1.2%，碳纖維摻量分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%）摻入再生透水混凝土中，采用WAW-1000電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定力學(xué)強(qiáng)度，自制透水裝置測(cè)定透水系數(shù)，洛杉磯磨耗試驗(yàn)機(jī)測(cè)定耐磨性，獲取不同種類(lèi)和摻量纖維對(duì)透水性、力學(xué)性能和耐磨性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，聚丙烯纖維和碳纖維的摻入對(duì)混凝土的孔隙率和透水系數(shù)影響不大，但可提高強(qiáng)度和耐磨性。隨著纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度呈先增大后減少的趨勢(shì)；質(zhì)量損失率也先減少后增大趨勢(shì)。經(jīng)優(yōu)化分析可知聚丙烯纖維最優(yōu)摻量為0.6%，碳纖維最優(yōu)摻量為0.4%。該成果可為纖維改性混凝土以及再生骨料透水混凝土的推廣應(yīng)用提供參考。

混凝土；纖維；再生骨料；透水混凝土；力學(xué)性能；耐磨性能

0 引 言

透水混凝土（pervious concrete，PC），又稱多孔混凝土，通常由水泥、水、粗骨料（少或無(wú)細(xì)骨料）組成，與常規(guī)混凝土相比，空隙率大，透水性高，具有很好的透水、抗噪性能，廣泛用于地下停車(chē)場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)跑道、公園路面。用于透水路面的透水混凝土通常具有尺寸為2～8 mm的孔隙，孔隙率為18%～35%，抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低，僅為2.8～28.0 MPa[1]，水泥漿粘結(jié)層非常薄，故混凝土的強(qiáng)度主要取決于膠結(jié)料水泥漿的強(qiáng)度[2]。由于骨料強(qiáng)度通常高于水泥漿和水泥漿與骨料之間的結(jié)合面，因此可適當(dāng)降低骨料強(qiáng)度，即采用再生骨料作為粗骨料，并獲得與天然骨料制成的透水混凝土類(lèi)似的性能[3-7]。再生骨料透水混凝土（recycled aggregate pervious concrete，RAPC），既能將建筑垃圾回收利用，又能減少城市的積水，降低城市的噪音和熱島效應(yīng)，符合可持續(xù)發(fā)展的理念，還能應(yīng)用于海綿城市的建設(shè)，具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[8]。

RAPC作為一種新型的生態(tài)混凝土，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了對(duì)其孔隙率、透水系數(shù)、強(qiáng)度以及耐久性的研究。Otani等[9]研究了4種不同骨料下透水混凝土的強(qiáng)度，結(jié)果表明，透水混凝土的強(qiáng)度受骨料密度的影響，在給定的孔隙率下，使用低模量骨料體會(huì)顯著降低抗壓強(qiáng)度。Sata等[10]研究結(jié)果表明，含再生骨料（recycled aggregate，RA）的透水混凝土比含天然骨料（natural aggregate，NA）的力學(xué)性能較差。Gaedicke等[11]研究了在磨細(xì)粒狀高爐礦渣不同替代水平下天然和再生骨料透水混凝土的耐磨性，評(píng)估了旋轉(zhuǎn)切割和沖擊磨損2種試驗(yàn)方法在透水混凝土耐磨性測(cè)定中的有效性。Zhang等[12]發(fā)現(xiàn)骨料的壓碎指標(biāo)的增加對(duì)RAPC的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗彎強(qiáng)度和凍融耐久性有顯著影響，但對(duì)RAPC滲透系數(shù)和總空隙率的影響可以忽略不計(jì)。Zaetang等[13]利用2種再生骨料（concrete block aggregate，RBA和recycled concrete aggregate，RCA）替代天然骨料，發(fā)現(xiàn)除了在100%的替代水平之外，RBA和RCA都提高了透水混凝土的抗壓強(qiáng)度，且RCA在所有替代水平上都提高了耐磨性，而RBA只有在20%的替代水平時(shí)耐磨性才得到改善。

由于再生骨料在機(jī)械破碎過(guò)程產(chǎn)生微裂紋，再生骨料表面的舊砂漿與新拌水泥漿體粘結(jié)不牢固，存在界面薄弱區(qū)，因此由再生骨料制得的透水混凝土強(qiáng)度普遍較低。而纖維具有抗拉強(qiáng)度高，阻止開(kāi)裂作用，能夠顯著提高混凝土的韌性，是防止微裂紋和裂紋擴(kuò)展以及補(bǔ)償混凝土抗拉強(qiáng)度弱點(diǎn)的有效手段[14]。雖然采用纖維對(duì)普通混凝土改性已應(yīng)用于工程，但采用纖維對(duì)再生骨料透水混凝土改性還停留在初步研究階段。Hesami等[15]研究了體積摻量為0.2%的玻璃纖維、0.5%的鋼纖維和0.3%的聚苯硫醚纖維對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響，在水灰比為0.33時(shí)，相較于對(duì)照組（無(wú)纖維），抗壓強(qiáng)度分別提高了46%、40%和50%，抗拉強(qiáng)度分別提高了28%、33%和37%，抗彎強(qiáng)度分別提高了17%、19%和21%。Rangelov等[16]將固化碳纖維復(fù)合材料（cured carbon fiber composite material，CCFCM）的不同尺寸片段以3個(gè)體積分?jǐn)?shù)摻入透水混凝土混合物中，與對(duì)照組相比，摻入CCFCM后透水混凝土呈現(xiàn)更高的滲透速率，同時(shí)觀察到在28 d抗壓強(qiáng)度、7 d抗拉強(qiáng)度和彈性模量力學(xué)性能中的改善，分別提高了4%～11%，11%～46%和6%～45%。

為改善再生骨料透水混凝土的性能，本文采用聚丙烯纖維和碳纖維對(duì)混凝土進(jìn)行改性研究，測(cè)定在聚丙烯纖維和碳纖維不同摻量下再生透水混凝土的力學(xué)性能、透水性能、耐磨性能，以期獲得聚丙烯纖維和碳纖維在再生骨料透水混凝土中的最優(yōu)摻量。

1 材料與方法

1.1 原材料

1.1.1 粗骨料

本次試驗(yàn)采用單級(jí)配，選取天然骨料和再生骨料，其中RA取自廢棄混凝土路面，經(jīng)顎式破碎機(jī)和人工破碎后，并由人工篩料和機(jī)器篩分，得到粒徑10~20mm的再生粗骨料。由天然骨料制備的透水混凝土為天然對(duì)照組，由再生骨料制備且不摻入纖維的透水混凝土為再生對(duì)照組。骨料的性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.1.2 水泥和水

水泥選擇P.O42.5普通硅酸鹽水泥，生產(chǎn)廠家為河南風(fēng)博天瑞水泥有限公司，性能指標(biāo)見(jiàn)表2。試驗(yàn)拌合用水為自來(lái)水。

表1 天然骨料和再生骨料的基本性能

表2 水泥的基本性能

1.1.3 纖維

聚丙烯纖維廠家為廊坊德凱保溫材料銷(xiāo)售有限公司，碳纖維廠家為滄州中麗新材料科技有限公司，性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 聚丙烯纖維和碳纖維性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究聚丙烯纖維和碳纖維對(duì)再生骨料透水混凝土的影響，設(shè)置不摻纖維空白對(duì)照組和不同摻量聚丙烯纖維試驗(yàn)組、碳纖維試驗(yàn)組，纖維以體積百分比摻入再生透水混凝土，摻量參照文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)，配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 透水混凝土配合比設(shè)計(jì)

注：NAPC為天然骨料透水混凝土；RAPC為再生骨料透水混凝土；PRPC為聚丙烯纖維再生骨料透水混凝土；CRPC為碳纖維再生骨料透水混凝土，下同。

Note: NAPC represents natural aggregate pervious concrete; RAPC represents recycled aggregate pervious concrete；PRPC represents polypropylene fiber recycled aggregate pervious concrete; CRPC represents carbon fiber recycled aggregate pervious concrete, the same as below.

1.3 試驗(yàn)方法

首先將稱取的骨料和纖維放入臥軸攪拌機(jī)中攪拌50s，使纖維與骨料混合均勻，考慮到再生骨料的吸水率較大，先加入40%的水預(yù)濕骨料，攪拌50 s，再加入水泥攪拌60 s，然后加入剩余的水量攪拌60 s，模具為150 mm′150 mm′150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊和100 mm′200 mm的圓柱體試塊，分2層裝料，每層插搗25下，并置于振動(dòng)臺(tái)上振搗1次。在室溫下24 h成型后拆模，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d，選取相應(yīng)的試塊分別做抗壓試驗(yàn)，劈裂抗拉試驗(yàn)，孔隙率試驗(yàn)，透水試驗(yàn)以及耐磨試驗(yàn)。

1.3.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)根據(jù)ASTM C39/C39M標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[17]，試驗(yàn)儀器為WAW-1000電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試齡期為28 d，加載速率為0.20 MPa/s。試驗(yàn)結(jié)果取3個(gè)100 mm′200 mm圓柱體試樣的平均值。

1.3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)根據(jù)ASTM C496/C496M標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[18]，試驗(yàn)儀器為WAW-1000電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試齡期為28 d，加載速率為1.2 MPa/min。試驗(yàn)結(jié)果取3個(gè)100 mm′200 mm圓柱體試樣的平均值。

1.3.3 連續(xù)孔隙率測(cè)定

參照CJJ/T253-2016《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》測(cè)定連續(xù)孔隙率[19]，將150 mm′150 mm′150 mm試塊從養(yǎng)護(hù)室取出放入（105±5）℃的烘箱中烘至質(zhì)量恒定，取出冷卻至室溫，用直尺量出試件的尺寸，并計(jì)算出其體積。將試件完全浸泡在水中，待無(wú)氣泡出現(xiàn)時(shí)測(cè)量試件在水中的質(zhì)量1。取出試件，放在60 ℃烘箱中烘24 h后稱量試件的質(zhì)量2。試塊的孔隙率按式（1）計(jì)算。

式中為試塊的孔隙率，%；1為試件在水中的質(zhì)量，g；2為試塊在烘箱中烘24 h后的質(zhì)量，g；為水的密度，g/cm3；為試塊的體積，cm3。

1.3.4 透水系數(shù)測(cè)定

參照CJJ/T 135-2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》[20]，采用固定水頭法測(cè)定透水系數(shù)，自制透水裝置如圖1所示。

圖1 自制透水測(cè)定裝置

將成型的150 mm′150 mm′150 mm試塊側(cè)面涂抹水泥，放入裝置后用橡皮泥將試塊四周的縫隙進(jìn)行密封，確保水流僅從試塊表面滲透。打開(kāi)供水閥門(mén)，使水流透過(guò)試塊表面進(jìn)入裝置中，等裝置底部溢流孔有水流出時(shí)，調(diào)整進(jìn)水量，使透水裝置內(nèi)保持一定的水位，待進(jìn)水口與溢流孔的流水量穩(wěn)定后，用量筒從出水口接水，記錄相應(yīng)時(shí)間內(nèi)流出的水量，測(cè)量3次，取平均值。透水系數(shù)K可由式（2）計(jì)算。

式中為透水系數(shù)，cm/s；為透水量，ml；為透水混凝土試塊的高度，cm；為水頭差，cm；為透水混凝土試塊的表層面積，cm2；為透水時(shí)間，s。

1.3.5 耐磨性試驗(yàn)

根據(jù)ASTM C1747/ C1747M[21]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行耐磨試驗(yàn)，將成型的3個(gè)100mm′200mm圓柱體試塊取出，稱得質(zhì)量1，放入洛杉磯磨耗機(jī)中以30r/min的速率旋轉(zhuǎn)500轉(zhuǎn)，如圖2所示。取出剩余試塊過(guò)篩19.5 mm，水洗后稱得剩余質(zhì)量2，根據(jù)公式（3）計(jì)算質(zhì)量損耗率。

式中1為磨損前的原始質(zhì)量，kg；2為磨損后的剩余質(zhì)量，kg；為質(zhì)量損耗率，%。

圖2 洛杉磯磨耗試驗(yàn)機(jī)

Fig.2 Los Angeles abrasion machine

2 結(jié)果與分析

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得透水混凝土的連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和質(zhì)量損耗率，結(jié)果如表5所示。

表5 透水混凝土試驗(yàn)結(jié)果

從表5來(lái)看，再生骨料透水混凝土的連續(xù)孔隙率和透水系數(shù)均低于天然骨料透水混凝土，這是因?yàn)樵偕橇媳砻娲植谟猩倭课⒘鸭y，且內(nèi)部缺陷多，在拌合過(guò)程中容易破碎產(chǎn)生少量細(xì)小顆粒，增加的小顆粒填塞了再生骨料之間的孔隙，從而導(dǎo)致連續(xù)孔隙率的降低。

雖然再生骨料的密度低、壓碎指標(biāo)大且本身強(qiáng)度較低，從表知，再生骨料透水混凝土的抗壓強(qiáng)度為8.07 MPa，天然骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度為6.24MPa，增大率為29.33%，再生骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度大于天然骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度，這是因?yàn)榻?jīng)破碎獲得的再生骨料表面粗糙，能更好地和水泥漿接觸，增大水泥包裹骨料及骨料之間接觸的面積，因而抗壓強(qiáng)度增大。從表5可知，再生骨料透水混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度較天然骨料透水混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度減少18.12%，這是由于再生骨料在機(jī)械破碎過(guò)程中產(chǎn)生了微小裂紋，微裂紋的存在使得混凝土受到拉應(yīng)力時(shí)容易產(chǎn)生破壞[22-25]。

由于再生骨料的性能低于天然骨料，使用再生骨料的透水混凝土的質(zhì)量損耗率高于天然骨料透水混凝土，增大率為11.26%，即其耐磨性能低于天然骨料透水混凝土。

2.1 纖維對(duì)再生透水混凝土透水性能的影響

透水性是透水混凝土的一項(xiàng)重要的物理特性，用于城市道路、機(jī)場(chǎng)跑道、地下停車(chē)場(chǎng)時(shí)其透水性需滿足工程應(yīng)用要求。連續(xù)孔隙率和透水系數(shù)是表征其透水性的主要技術(shù)指標(biāo)，這里考察摻入不同體積分?jǐn)?shù)的纖維的透水混凝土連續(xù)孔隙率和透水系數(shù)的變化，以期確定纖維最優(yōu)摻量。

2.1.1 連續(xù)孔隙率

透水混凝土的孔隙包括連續(xù)孔隙和封閉孔隙，對(duì)透水起作用的只是連續(xù)孔隙，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)孔隙率的測(cè)定也只是對(duì)連續(xù)孔隙及半封閉孔隙進(jìn)行測(cè)定，而透水混凝土的孔隙率主要受骨料種類(lèi)、粒徑及級(jí)配的影響[26]，骨料粒徑越大、類(lèi)型單一及單級(jí)配時(shí)，孔隙率相對(duì)較大。圖3為纖維摻量對(duì)連續(xù)孔隙率的影響。

圖3 纖維摻量對(duì)連續(xù)孔隙率的影響

如圖3所示，摻入纖維后，混凝土的孔隙率在一定的范圍內(nèi)變化，但變化幅度不大，含聚丙烯纖維變幅最大值僅為11.8%；含碳纖維變幅最大值僅為13.1%。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是纖維占用了透水混凝土連通孔隙的一部分體積，致使連續(xù)孔隙率降低，但同時(shí)在硬化的混凝土中，纖維與水泥基材界面的粘結(jié)力相對(duì)較差，水分在壓力作用下，易進(jìn)入纖維與基材接口，致使接口處相互連通，致使連續(xù)孔隙率增加。由于纖維的摻量總體上較小，摻入纖維后對(duì)混凝土的孔隙率影響有限。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，含聚丙烯纖維再生透水混凝土連續(xù)孔隙率范圍為18.6%～20.8%，含碳纖維再生透水混凝土連續(xù)孔隙率范圍為19.2%～21.7%，根據(jù)《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，連續(xù)孔隙率不得低于10%，故所獲連續(xù)孔隙率均在合理的范圍內(nèi)。

2.1.2 透水系數(shù)

混凝土的透水系數(shù)一般取決于連續(xù)孔隙率的大小，如圖4所示，摻入纖維后，透水系數(shù)改變，這可能是因?yàn)樵谟不幕炷林校肿釉趬毫ψ饔孟?，易進(jìn)入纖維與水泥基材接口,致使接口處形成相互連通的通道，透水系數(shù)因此增加，當(dāng)纖維的摻入占用骨料之間的連續(xù)孔隙，堵塞了水流通道時(shí)，透水系數(shù)反而有所降低?？傮w來(lái)看，隨著纖維摻量的改變，透水系數(shù)變化范圍不大，摻入聚丙烯纖維的透水系數(shù)為3.87～4.17 mm/s，摻入碳纖維的透水系數(shù)為4.02～4.16 mm/s，《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定透水系數(shù)不低于0.5 mm/s，故滿足透水混凝土路面的應(yīng)用要求。

圖4 纖維摻量對(duì)透水系數(shù)的影響

2.2 纖維對(duì)再生透水混凝土力學(xué)性能影響

圖5為纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。

圖5 纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

由圖5a可知，摻聚丙烯纖維試塊的抗壓強(qiáng)度均較再生對(duì)照組抗壓強(qiáng)度低。而碳纖維的摻入則使得試塊抗壓強(qiáng)度高低不一，0.2%～0.6%摻量碳纖維試快的抗壓強(qiáng)度較再生對(duì)照組抗壓強(qiáng)度略有增加，且在摻量為0.4%，抗壓強(qiáng)度最大，為9.20 MPa，較再生對(duì)照組提高14%。這主要是由于摻入短而細(xì)且均勻分布的纖維后，纖維與水泥基復(fù)合材料包裹或填充再生粗骨料表面，增強(qiáng)骨料顆粒之間的黏結(jié)作用，由于混凝土的抗拉強(qiáng)度和極限拉應(yīng)變相對(duì)較低，混凝土在約束狀態(tài)下極易發(fā)生裂縫，而纖維的阻裂效應(yīng)[27-30]，限制了混凝土內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，為混凝土抵抗應(yīng)變而產(chǎn)生的拉應(yīng)力分擔(dān)應(yīng)力份額。

由圖5b可知，隨著纖維摻量的增加，劈裂抗拉強(qiáng)度先升高后降低。對(duì)于聚丙烯纖維，在0.6%的摻量下，劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值2.00 MPa，較再生對(duì)照組提高52.67%。對(duì)于碳纖維，在0.4%的摻量下，劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值1.78 MPa，較再生對(duì)照組提高35.88%，相比之下，聚丙烯纖維對(duì)再生骨料透水混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的改善優(yōu)于碳纖維。再生骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度提高的幅度小于劈裂抗拉強(qiáng)度，主要是由于混凝土內(nèi)部存在不同尺度的微裂縫，而微裂縫對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度，由于纖維對(duì)微裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展有很好的抑制作用，因此纖維對(duì)再生透水混凝土的抗拉強(qiáng)度的改善高于抗壓強(qiáng)度。

2.3 纖維對(duì)再生透水混凝土耐磨性能的影響

耐磨性能是衡量混凝土路面性能的一個(gè)重要指標(biāo)，主要取決于混凝土強(qiáng)度、骨料性能及面層混凝土質(zhì)量。本文對(duì)表4中10個(gè)配比，共30個(gè)試塊進(jìn)行磨耗試驗(yàn)，以碳纖維摻量0.4%時(shí)為例（圖6），給出從試塊沖擊磨損前后對(duì)比圖，觀察磨損后的局部放大圖，可以清楚看到碳纖維附著在骨料表面，有效地發(fā)揮了纖維的阻裂效應(yīng)，使混凝土在磨損過(guò)程中始終保持其整體性，纖維的連結(jié)作用又使骨料之間不致于破損，從而保證了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，而材料的整體性直接增強(qiáng)了其抵抗沖擊磨損破壞的能力，因此纖維摻入混凝土中，對(duì)于提高混凝土本身的耐磨性有很大幫助。

圖6 碳纖維摻量為0.4%的試塊沖擊磨損前后對(duì)比

磨損試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可知，纖維的摻入使得耐磨性能得到改善，且在各種摻量下的質(zhì)量損耗率均低于未摻纖維組。聚丙烯纖維在0.9%的摻量下，對(duì)再生透水混凝土耐磨性能的提升最高，使質(zhì)量損耗率較對(duì)照組降低41.2%，碳纖維的最優(yōu)摻量為0.4%，質(zhì)量損耗率較對(duì)照組降低29.4%，且聚丙烯纖維對(duì)耐磨性能的改善要優(yōu)于碳纖維。

圖7 纖維對(duì)耐磨性能的影響

2.4 再生透水混凝土纖維最優(yōu)摻量的確定

纖維最優(yōu)摻量的再生透水混凝土應(yīng)為性能最優(yōu)的再生透水混凝土，這是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化的問(wèn)題，優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)為再生透水混凝土強(qiáng)度、透水性和耐磨性。求解多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，首先明確優(yōu)化目標(biāo)之間的關(guān)系，采用目標(biāo)函數(shù)加權(quán)求和法求解，該方法的主要思想是通過(guò)對(duì)優(yōu)化問(wèn)題中的每個(gè)子目標(biāo)函數(shù)乘以一個(gè)權(quán)值，然后對(duì)這些目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求和。用這樣的方式就能夠?qū)?duì)多目標(biāo)問(wèn)題變成一個(gè)單目標(biāo)問(wèn)題，然后再用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法對(duì)其求解。

因纖維摻量和強(qiáng)度之間為正相關(guān)性，與質(zhì)量損失率呈負(fù)相關(guān)性，與透水性呈正相關(guān)性，故纖維最摻量?jī)?yōu)化模型見(jiàn)式（4）。

權(quán)重的確定可通過(guò)纖維摻量對(duì)不同性能（透水性、強(qiáng)度和耐磨性）的敏感性程度分析得到，這里敏感度為當(dāng)自變量纖維摻量發(fā)生變化時(shí)所引起的因變量性能的變化率[31]。敏感性分析一般包括以下步驟：1）確定敏感性分析的指標(biāo)，這里選擇典型再生透水混凝土性能的指標(biāo)值，透水系數(shù)，連續(xù)孔隙率，抗壓強(qiáng)度，劈裂抗拉強(qiáng)度和質(zhì)量損失率；2）設(shè)定不確定因素及其變化幅度，結(jié)合前面研究成果，不確定因素為兩種纖維摻量，聚丙烯纖維摻量分別為0.3%、0.6%、0.9%、1.2%，碳纖維摻量分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%；3）分析、計(jì)算不確定因素的變化對(duì)指標(biāo)的影響程度即敏感度參數(shù)，計(jì)算式見(jiàn)式（5）；4）求出敏感因素，具體是指各個(gè)不確定因素在相同變化幅度的條件下，影響目標(biāo)較大的因素。

式中Δ/為影響因素的相對(duì)變化率，Δ/為評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)變化率。

根據(jù)公式（5）計(jì)算聚丙烯纖維和碳纖維摻量對(duì)再生透水混凝土的力學(xué)性能、透水性能、耐磨性能的敏感度，如表6所示。

表6 敏感性分析結(jié)果

從表6知，聚丙烯纖維和碳纖維對(duì)再生透水混凝土性能敏感度影響一致，摻量對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)（抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度）和耐磨性指標(biāo)（質(zhì)量損失率）影響較大，對(duì)透水性指標(biāo)（透水系數(shù)和連續(xù)孔隙率）影響較小，敏感度低于13.02，故透水系數(shù)和連續(xù)孔隙率權(quán)重可忽略，基于上述結(jié)果確定1=2=3=1/3，4=5=0。通過(guò)公式（4）計(jì)算得到聚丙烯纖維最優(yōu)摻量為0.6%，碳纖維最優(yōu)摻量為0.4%。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)纖維改善再生骨料透水混凝土性能的研究，得出以下結(jié)論：

1）再生骨料透水混凝土的孔隙率和透水系數(shù)主要受骨料粒徑和級(jí)配影響，纖維對(duì)其作用不大；再生骨料透水混凝土的抗壓強(qiáng)度大于天然骨料透水混凝土，劈裂抗拉強(qiáng)度小于天然骨料透水混凝土；使用再生骨料的透水混凝土的質(zhì)量損耗率高于天然骨料透水混凝土，即其耐磨性能低于天然骨料透水混凝土。

2）聚丙烯纖維降低了再生骨料透水混凝土的抗壓強(qiáng)度，碳纖維提高了再生骨料透水混凝土的抗壓強(qiáng)度，兩者均明顯提高了再生骨料透水混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度；聚丙烯纖維和碳纖維顯著增強(qiáng)了再生骨料透水混凝土的耐磨性。

3）通過(guò)聚丙烯纖維和碳纖維對(duì)再生透水混凝土性能的影響分析，采用多目標(biāo)優(yōu)化和敏感度分析理論，可得出聚丙烯纖維最優(yōu)摻量為0.6%，碳纖維最優(yōu)摻量為0.4%。

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Research on mechanical properties, permeability and abrasion resistance of fibers modified recycled aggregate pervious concrete

Guo Lei1,2,3, Liu Siyuan1,3, Chen Shoukai1,2,3※, Wang Lunyan1,2,3, Xue Zhilong1,2,3

(1.,,450045,; 2.,450002,; 3.,450002,)

Recycled aggregate pervious concrete are made by cement, water and recycled aggregates, which conforms to the concept of sustainable development, can be used to construction of the sponge city, and has important social and economic benefits. In order to study the application of fiber in recycled aggregate pervious concrete (RAPC), RAPC was prepared with waste prefabricated pavement concrete as the source of recycled aggregate,natural concrete pervious concrete (NAPC) was prepared as a comparison. Two series of fibers added in RAPC were designed, which contained 0.3%, 0.6%, 0.9%, 1.2% polypropylene fiber (PF), and 0.2%, 0.4%, 0.6%, 0.8% carbon fiber (CF) by volume fraction, respectively,RAPC without PF and CF showed as control group. With the experiment on test cubes under standard maintenance, compressive strength, splitting tensile strength, the continuous porosity, the permeability coefficient and the abrasion resistance were measured. The results showed that: 1) Compared with NAPC, the continuous porosity and permeability coefficient of RAPC are lower than those of NAPC, the compressive strength of RAPC has improved by 29.33%, the splitting tensile strength has reduced by 18.12%, the mass loss ratio of RAPC has improved by 11.26%; 2) By adding the fibers to RAPC, the continuous porosity with different volume fractions of fibers varies in a certain range. The continuous porosity of RAPC containing PF ranges from 18.6% to 20.8%, and that of RAPC containing CF ranges from 19.2% to 21.7%. In general, the permeability coefficient changes in a small rang with the changing of fiber content. The permeability coefficient of RAPC with PF ranges from 3.87-4.17 mm/s, and the permeability coefficient of RAPC containing CF ranges from 4.02 - 4.16 mm/s. The effects of PF and CF on the continuous porosity and permeability coefficient of RAPC are similar. 3) By adding PF in RAPC, compressive strength of RAPC is lower than that of control group. By adding CF in RAPC, compressive strength of RAPC increased first and then decreased with the increase of CF content. When the amount of CF up to 0.4%, the compressive strengthreached a maximum value of 9.2 MPa which is higher than 14% that of control group. The splitting tensile strength increased first and then decreased with the increase of fiber content. For PF, when the amount of PF up to 0.6%, the compressive strengthreached a maximum value of 2.0 MPa which is higher than that of control group (52.67%). For carbon fiber, when the amount of CF up to 0.4%, the compressive strengthreached a maximum value of 1.78 MPa which is higher than that of control group (35.88%). 4) PF is better than CF for improving abrasion resistance. When the amount of PF up to 0.9%, the abrasion resistancereached a minimum value, which is lower than that of control group (41.2%). When the amount of CF up to 0.4%, the abrasion resistancereached a minimum value which is lower than that of control group (29.4%). 5) With the application of optimization theory, the optimum amount of PF in RAPC is 0.6%, and the optimal amount of CF in RAPC is 0.4%.The results can provide reference for the promotion and application of fiber-modified concrete and recycled aggregate pervious concrete.

concrete; fiber; recycled aggregate; pervious concrete; mechanical property; abrasion resistance

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.020

TU528.04

A

1002-6819(2019)-02-0153-08

2018-08-02

2019-01-02

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51679092）；國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（51309101）；河南省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（172102210372）；河南省產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目（182107000031）

郭 磊，博士，副教授，研究方向：混凝土材料試驗(yàn)及水工混凝土結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真。Email：glboss@126.com

陳守開(kāi)，博士，副教授，研究方向：水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Email：man200177@163.com

郭 磊，劉思源，陳守開(kāi)，汪倫焰，薛志龍. 纖維改性再生骨料透水混凝土力學(xué)性能透水性和耐磨性研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(2)：153－160. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.020 http://www.tcsae.org

Guo Lei, Liu Siyuan, Chen Shoukai, Wang Lunyan, Xue Zhilong. Research on mechanical properties, permeability and abrasion resistance of fibers modified recycled aggregate pervious concrete[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 153－160. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.020 http://www.tcsae.org