玄武巖纖維對(duì)透水混凝土性能的研究

陳亞曼，黃金林，李 青，方翼瓊，徐文超，陳國(guó)偉，歐洛君

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院 廣州510642）

0 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，綠色、環(huán)保、可持續(xù)的觀念深入人心，政府對(duì)海綿城市的建設(shè)也越來(lái)越重視。海綿城市能儲(chǔ)存雨水，補(bǔ)充地下水，緩解城市內(nèi)澇和熱島效應(yīng)，能夠調(diào)節(jié)城市生態(tài)環(huán)境，減少自然災(zāi)害的發(fā)生［1-4］。所以透水混凝土在海綿城市中得到了廣泛應(yīng)用和研究［5-8］。進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)在透水混凝土的研究和應(yīng)用方面不斷加大投入力度。透水混凝土又稱多孔混凝土，是一種不含細(xì)骨料的多孔混凝土，從而具有良好的透水性，但這種孔隙也導(dǎo)致了透水混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部粘結(jié)不緊密，強(qiáng)度不高、耐久性較差。為得到抗壓強(qiáng)度不得小于30 MPa，滲透系數(shù)大于1 mm/s 的透水混凝土，本實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)通過(guò)摻加玄武巖纖維或硅灰，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部連接和密實(shí)度，提高透水混凝土的力學(xué)性能，研究玄武巖纖維對(duì)透水混凝土的影響。

1 試驗(yàn)方案確定

1.1 原材料選擇

水泥作為膠凝材料在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，對(duì)混凝土的性能產(chǎn)生很大影響，選用普通硅酸鹽水泥P.O42.5R 作為本實(shí)驗(yàn)的膠凝材料，28 d 抗壓強(qiáng)度為51.10 MPa。玄武巖纖維密度為2 650 kg/m3，當(dāng)量直徑是 0.15 μm，長(zhǎng)度范圍在 13～18 mm 之間，拉伸強(qiáng)度在3 000～4 800 MPa 之間。選用 5～10 mm 粒徑的單一級(jí)配輝綠巖骨料作為實(shí)驗(yàn)粗集料，其堆積密度為1 750 kg/m3，表觀密度為2900kg/m3。用活性成分大于90%的QS-8020聚羧酸高效減水劑。硅灰的SiO2含量為93.58%。

1.2 試驗(yàn)配合比

由前期實(shí)驗(yàn)［4］可得 5～10 mm 的單一級(jí)配的輝綠巖骨料最佳配合比為：水膠比0.25，設(shè)計(jì)孔隙率為18%。以普通透水混凝土的研究為基礎(chǔ)，找到合適的摻量：將不同體積摻量玄武巖纖維（0.05%、0.1%、0.2%）和硅灰（0、3%、6%）加入透水混凝土中，并測(cè)試其抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、滲透性等性能。

1.3 制備工藝

攪拌時(shí)應(yīng)注意攪拌方式和時(shí)間混凝土攪拌時(shí)先將骨料、水泥、硅灰放入攪拌機(jī)攪拌90 s，然后倒入纖維攪拌30 s，再加入水和減水劑混合溶液，攪拌90 s，使其混合均勻，直至骨料均勻被水泥漿包裹。成型方法選擇人工插搗成型和靜壓成型，人工插搗成型時(shí)，攪拌好的混凝土分三層放入模具中，每層插搗60 下。采用壓力成型的透水混凝土采用試驗(yàn)機(jī)靜壓3 min，抗壓試塊壓力控制在1.5 MPa?；炷猎嚰?jīng)過(guò)24 h成型后，脫模，放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d，再進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 僅摻玄武巖纖維時(shí)透水混凝土性能的變化

在普通透水混凝土基礎(chǔ)上摻入體積摻量為0.05%、0.1%、0.2%的玄武巖纖維，得到的玄武巖纖維透水混凝土的滲透系數(shù)和力學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果如表1 所示。

表1 玄武巖纖維對(duì)透水混凝土性能的影響Tab.1 Effect of Basalt Fiber on Performance of Permeable Concrete

2.1.1 抗壓強(qiáng)度

摻入0.05%、0.1%、0.2%纖維后，和普通透水混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度30.05 MPa 相比，抗壓強(qiáng)度分別提高了5.82%、16.51%、0.23%，強(qiáng)度先增大后減小，最大為35.01 MPa，此時(shí)玄武巖纖維摻入了0.1%。

2.1.2 抗折強(qiáng)度

其變化曲線和抗壓強(qiáng)度大致相同，加入纖維（0.05%、0.1%、0.2%）后的混凝土抗折強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度為4.12 MPa 的普通透水混凝土對(duì)比提高了13.35%、41.26%、5.34%，其強(qiáng)度最大時(shí)，玄武巖纖維摻量為0.1%，值為 5.82 MPa。

實(shí)驗(yàn)可知，摻入適量的玄武巖纖維可對(duì)抗折強(qiáng)度有增強(qiáng)的效果，但過(guò)多纖維，會(huì)對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。玄武巖纖維可增加骨料之間的接觸面積，使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部粘結(jié)力增強(qiáng)，纖維將形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將混凝土基體進(jìn)行搭接，限制裂縫的發(fā)展。當(dāng)加入過(guò)多纖維時(shí)，纖維難以分散均勻易與水泥漿結(jié)團(tuán)，將會(huì)降低混凝土間的粘結(jié)，從而削弱強(qiáng)度的提升。

2.1.3 滲透系數(shù)

不同含量的玄武巖纖維對(duì)透水混凝土滲透性的影響不同，加入0.05%、0.1%、0.2%纖維的透水混凝土，其滲透系數(shù)相比于普通透水混凝土滲透系數(shù)3.11 mm/s逐漸增加，分別增加了11.58%、21.22%、30.55%，最大滲透系數(shù)為4.06 mm/s。適量的玄武巖纖維含量即可增加透水混凝土強(qiáng)度，也能增加其滲透性。

綜合上述，若要同時(shí)滿足混凝土強(qiáng)度要求和透水性要求，0.1%為玄武巖纖維最佳摻量，透水混凝土此時(shí)的抗壓強(qiáng)度為35.01 MPa，抗折強(qiáng)度為5.82 MPa，滲透系數(shù)為3.77mm/s。

2.2 透水混凝土同時(shí)摻入硅灰和玄武巖纖維時(shí)性能的影響

同時(shí)摻入玄武巖纖維（0.05%、0.1%、0.2%）和硅灰（3%、6%）的透水混凝土的強(qiáng)度、滲透系數(shù)如表2 所示。

表2 雙摻玄武巖纖維和硅灰對(duì)透水混凝土性能的影響Tab.2 Effect of Basalt Fiber and Silica Fume on Permeable Concrete Performance

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

如表2 所示，在玄武巖纖維含量相同的條件下，硅灰含量越高，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度越高。相比于普通透水混凝土，當(dāng)無(wú)硅灰摻入時(shí)，摻量為0.05%、0.1%、0.2%的玄武巖纖維透水混凝土，其抗壓強(qiáng)度增加了5.82%、16.51%、0.23%；當(dāng)硅灰含量為3%或6%時(shí)，不同玄武巖纖維摻量下透水混凝土抗壓強(qiáng)度分別提高了 20.40%、31.95%、10.95%或 45.32%、60.70%、39.07%。其變化規(guī)律如圖1 所示，最高值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的纖維摻量為0.1%。在玄武巖纖維和硅灰的共同作用下，抗壓強(qiáng)度值可得到顯著地提升，因?yàn)楣杌姨钚?yīng)和火山灰效應(yīng)，增強(qiáng)透水混凝土材料間的粘結(jié)力和整體性，從而提高抗壓強(qiáng)度，由前述實(shí)驗(yàn)可得，玄武巖纖維有提升混凝土強(qiáng)度值的作用，所以硅灰和玄武巖纖維的“合作”能進(jìn)一步強(qiáng)化透水混凝土。

圖1 硅灰摻量對(duì)玄武巖纖維透水混凝土強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of Silica Fume Content on Strength of Basalt Fiber Permeable Concrete

2.2.2 抗折強(qiáng)度

如圖1 所示，可看出玄武巖纖維和硅灰對(duì)透水混凝土抗折強(qiáng)度的影響。透水混凝土隨著硅灰摻量的增加，其抗折強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量的增加有先上升后降低的趨勢(shì)，當(dāng)硅灰含量為3%時(shí)，玄武巖纖維含量為0.05%、0.1%、0.2%的透水混凝土相較于原先增加了66.02%、79.85%、49.27%；當(dāng)硅灰含量為6%時(shí)，則增加了79.61%、90.53%、72.82%，最大值均在纖維摻量為0.1%處。在條件相同的情況下，硅灰含量越大，抗折強(qiáng)度值越大。圖1 中最高點(diǎn)值的硅灰摻量為6%，玄武巖纖維摻量為0.1%，抗折強(qiáng)度為7.85 MPa。由此可見(jiàn)，同時(shí)加入硅灰和玄武巖纖維可明顯提升抗折強(qiáng)度，改善混凝土的力學(xué)性能。

2.2.3 滲透系數(shù)

表1、表2 進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，可得出結(jié)論：總體來(lái)說(shuō)，玄武巖纖維透水混凝土（未摻硅灰）的滲透系數(shù)要大于加入3%、6%硅灰的玄武巖纖維透水混凝土滲透系數(shù)，相同的纖維摻量，硅灰含量越高，滲透性越低，這是因?yàn)楣杌液扛撸退嗟乃磿?huì)更加充分，骨料外邊包圍更多的膠凝材料，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部密實(shí)，孔隙率小，導(dǎo)致透水性差。3%和6%硅灰含量的玄武巖纖維透水混凝土的滲透系數(shù)比未摻硅灰的玄武巖纖維透水混凝土滲透系數(shù)相比降低了8.07%、34.75%、20.69%和9.52%、23.34%、47.04%。

綜上，考慮到對(duì)抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和孔透水性的綜合影響，雙摻玄武巖纖維和硅灰時(shí)，令玄武巖纖維體積摻量為0.1%、硅灰為6%作為最優(yōu)摻量，此時(shí)力學(xué)性能較好且透水性也滿足大于1 mm/s 的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)摻入硅灰和玄武巖纖維摻量的改變，研究透水混凝土的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和滲透性，望找出高性能且耐久性好的透水混凝土。通過(guò)試驗(yàn)得出：

⑴ 玄武巖纖維可增強(qiáng)透水混凝土的力學(xué)性能和滲透性。單摻玄武巖纖維，透水混凝土則在在玄武巖纖維摻量為0.1%時(shí)整體表現(xiàn)最佳，其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、滲透系數(shù)分別為 35.01 MPa、5.82 MPa、為 3.77 mm/s。

⑵ 硅灰的作用在于讓玄武巖纖維透水混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，增強(qiáng)混凝土的整體性，硅灰和玄武巖纖維可使透水混凝土性能有更加顯著的提升。同時(shí)摻入玄武巖纖維和硅灰的最優(yōu)摻量分別為：0.1%、6%，得到的玄武巖纖維透水混凝土的抗壓強(qiáng)度為48.29 MPa、抗折強(qiáng)度7.85 MPa、滲透系數(shù)為2.89 mm/s。