鋼纖維透水混凝土的應(yīng)用研究

溫茂增，黃金林，李梓淵，謝詠麒，侯奕霖，陳源爵

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

0 引言

透水混凝土是由粗骨料、水泥和水及添加物拌制而成的一種多孔混凝土，具有透氣、透水和重量輕等特點(diǎn)［1］。透水混凝土的應(yīng)用與研究始于上世紀(jì)六十年代，它既有一定的強(qiáng)度又有一定的透水性。目前對(duì)于透水混凝土已經(jīng)進(jìn)行了研究推廣［2］。由于其多孔性質(zhì)造成其強(qiáng)度不高、耐久性差等問題，因而限制了其廣泛發(fā)展與應(yīng)用。近幾年有不少學(xué)者［3-5］提出在透水混凝土中加入纖維，也取得良好的效果，但目前的研究還處于初步探索階段，大部分實(shí)驗(yàn)因素為纖維種類、纖維摻量、水膠比等基本參數(shù)，并且研究其對(duì)透水混凝土基本力學(xué)性能的影響；另外，硅灰的物理性質(zhì)決定了其微小顆粒具有高度的分散性，摻入水泥中可以充分填充在水泥顆粒之間，提高漿體硬化后的密實(shí)度［6］。本文提出通過添加鋼纖維及硅灰來提高透水混凝土強(qiáng)度和改善其滲透性問題，探究鋼纖維對(duì)透水混凝土性能的作用。

1 原材料與配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

原材料采用P.O42.5R 普通硅酸水泥；SiO2含量97%的硅灰；聚羧酸高性能減水劑；普通自來水；上海貝卡爾特公司的Dramix 鋼纖維，其物理性能指標(biāo)如下：長(zhǎng)度為35 mm，直徑為0.55 mm，長(zhǎng)徑比為64，抗拉強(qiáng)度為1 150 MPa，密度為7 800 kg/m3。骨料為粒徑范圍為5～10 mm的輝綠巖骨料，其物理性能指標(biāo)如下：輝綠巖集料表觀密度為2 900 kg/m3，緊密堆積密度為1 750 kg/m3，壓碎值為1%，含泥量為0.2%。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)作者前期研究成果［7］，骨料為粒徑為5～10 mm的輝綠巖透水混凝土最優(yōu)配合比為水膠比為0.25、孔隙率為18%，本文在研究鋼纖維透水混凝土性能時(shí)，在此配合比的基礎(chǔ)上，選擇摻量為0.5%，1.0%，1.5%的鋼纖維和0%，3%，6%的硅灰進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 成型與施工工藝

攪拌時(shí)應(yīng)先將鋼纖維、硅灰、水泥、輝綠巖骨料放入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌3 min，使其充分混合均勻。接著加入已充分溶解減水劑的水，攪拌3 min。攪拌均勻后進(jìn)行插搗/靜壓成型，分三層將拌合物裝入模具，抗壓試塊每層需插搗約15 次，抗折試塊每層需插搗約60 次，后將裝有拌合物的模具放至壓力試驗(yàn)機(jī)靜壓3 min，壓力1.5 MPa。成型24 h 后拆模，然后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d，然后進(jìn)行相關(guān)抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、滲透系數(shù)的測(cè)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 鋼纖維透水混凝土性能的影響試驗(yàn)

摻入0.5%、1.0%、1.5%鋼纖維的透水混凝土力學(xué)性能和滲透系數(shù)如表1 所示。普通透水混凝土的抗壓強(qiáng)度是30.05 MPa，摻入0.5%、1.0%、1.5%鋼纖維后。對(duì)比普通透水混凝土，抗壓強(qiáng)度分別減少了11.9%，23.0%，20.8%，最高抗壓強(qiáng)度為26.48 MPa；可以得出結(jié)論，摻入鋼纖維對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度有減弱作用。這是由于鋼纖維的彈性模量比透水混凝土的彈性模量低，在鋼纖維混凝土受到壓力作用時(shí)，透水混凝土變化幅度大于鋼纖維，在混凝土與鋼纖維接觸的地方，二者容易分離，鋼纖維因被拔出使得裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，降低整體抗壓值；其次，鋼纖維在混凝土中的雜亂分布使其密實(shí)度降低，鋼纖維摻量越多降低越明顯［8］。

表1 鋼纖維的摻量對(duì)普通透水混凝土性能的影響Tab.1 Effect of the Amount of Steel Fiber on the Performance of Ordinary Pervious Concrete

加入鋼纖維后的混凝土滲透系數(shù)變化趨勢(shì)則與抗壓強(qiáng)度相反，普通透水混凝土的滲透系數(shù)為3.11 mm/s，摻入0.5%、1.0%、1.5%鋼纖維后，滲透系數(shù)分別增加了38.9%，74.0%，77.8%。滲透系數(shù)顯著增加，這是由于隨著鋼纖維摻量的增加，加上鋼纖維攪拌不均勻，水泥漿體與鋼纖維成團(tuán)，使得內(nèi)部孔隙加大造成；摻入鋼纖維可有效提高透水混凝土的孔隙率與透水性能，這也是導(dǎo)致鋼纖維透水混凝土強(qiáng)度降低的原因之一［9］。

加入鋼纖維后，透水混凝土的抗折強(qiáng)度得到了顯著增加，普通透水混凝土的抗折強(qiáng)度為4.12 MPa，摻入0.5%、1.0%、1.5%鋼纖維后，抗折強(qiáng)度分別增加了39.3%，93.2%，16.7%。最高抗折強(qiáng)度為7.96 MPa。在透水混凝土中加入鋼纖維，相當(dāng)于在骨料之間加強(qiáng)連結(jié)，骨料與骨料之間的粘結(jié)力變大，加強(qiáng)了骨料間的約束作用，使得骨料之間連接更加緊密而不易分離，提高了透水混凝土的抗折強(qiáng)度；再者，從材料力學(xué)角度解釋，混凝土的抗壓性能優(yōu)異但其抗折性能較差，而鋼纖維抗折性能優(yōu)異，因此，在混凝土中添加鋼纖維，鋼纖維能承擔(dān)部分彎折應(yīng)力，透水混凝土的抗折強(qiáng)度得到提升。與此同時(shí)，由于鋼纖維較為細(xì)長(zhǎng)，混凝土中的孔隙不易被其所填充，因此在增強(qiáng)鋼纖維透水混凝土強(qiáng)度的同時(shí)，其透水性也得到了保證。

綜上所述，同時(shí)考慮透水混凝土強(qiáng)度和滲透性的要求，單摻鋼纖維時(shí)，其摻量不應(yīng)超過0.5%，這時(shí)透混凝土的抗壓強(qiáng)度26.48 MPa，抗折強(qiáng)度5.74 MPa，滲透系數(shù)4.32 mm/s。

3.2 硅灰鋼纖維透水混凝土性能的影響

3.2.1 抗壓強(qiáng)度

同時(shí)復(fù)摻硅灰和鋼纖維的透水混凝土抗壓強(qiáng)度如圖1 所示，可以看到，相同鋼纖維摻量的情況下，硅灰摻量越高，透水混凝土抗壓強(qiáng)度越高。相對(duì)普通透水混凝土，摻入3%硅灰和6%硅灰，摻入0%、0.5%、1.0%、1.5%鋼纖維的透水混凝土抗壓強(qiáng)度值提高7.9%、21.5%、23.5%、11.7%和15.7%、31.6%、27.5%、-11.0%。最高抗壓強(qiáng)度為硅灰摻量為6%、鋼纖維摻量為0.5%時(shí)的38.72 MPa。這是因?yàn)楣杌沂且环N具有很大比表面積的無定形氧化硅，顆粒微小，分散性較高，能夠有效填充透水混凝土中的微小孔隙，同時(shí)水化反應(yīng)生成凝膠體，這樣就提高了水泥漿的粘度，改善水泥漿體的級(jí)配，提高水泥漿體硬化后的密實(shí)度，從而增加鋼纖維透水混凝土的抗壓強(qiáng)度值［10］。

圖1 硅灰的摻量對(duì)鋼纖維透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of the Dosage of Silica Fume on the Compressive Strength of Steel Fiber Permeable Concrete

同時(shí)，在硅灰摻量為3%或6%時(shí)，隨著鋼纖維摻量的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度值先增大后減小，即鋼纖維摻量在小于0.5%范圍內(nèi)時(shí)透水混凝土抗壓強(qiáng)度值隨著鋼纖維摻量的增加而增大；鋼纖維摻量在0.5%～1.5%范圍內(nèi)時(shí)，透水混凝土抗壓強(qiáng)度值隨著鋼纖維摻量的增加而減小。可以認(rèn)為硅灰的添加使得鋼纖維透水混凝土漿體的流動(dòng)性能發(fā)生變化，在填充骨料間的孔隙的同時(shí)，加大了骨料與骨料之間、骨料與纖維之間的黏性，所以硅灰的加入可以彌補(bǔ)鋼纖維會(huì)降低透水混凝土抗壓強(qiáng)度這一缺點(diǎn)。

3.2.2 抗折強(qiáng)度

同時(shí)復(fù)摻硅灰和鋼纖維的透水混凝土抗折強(qiáng)度如圖2 所示，可以看到，與不摻硅灰相比，摻入3%的硅灰，在鋼纖維摻量為0%、0.5%、1.0%、1.5%時(shí)的透水混凝土抗折強(qiáng)度降低了-7.5%、11.5%、38.9%、5.4%；摻入6%的硅灰，在鋼纖維摻量為0%、0.5%、1.0%、1.5%時(shí)的透水混凝土抗折強(qiáng)度提高了24.0%、13.76%、-9.1%、87.94%；其中抗折強(qiáng)度最大為6%硅灰摻量、1.5%鋼纖維摻量下的透水混凝土的9.04 MPa。當(dāng)硅灰摻量為6%時(shí)，鋼纖維透水混凝土抗折性能顯著提升。與上述硅灰對(duì)混凝土抗壓性能的改變相比可知，硅灰對(duì)鋼纖維透水混凝土抗壓性能的改善程度比對(duì)其抗折強(qiáng)度的改善程度較為顯著，換句話說，摻入硅灰能較好改善混凝土抗壓性能，但不能較好地改善其抗折性能。

圖2 硅灰的摻量對(duì)鋼纖維透水混凝土抗折強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of the Content of Silica Fume on the Flexural Strength of Steel Fiber Permeable Concrete

3.2.3 滲透系數(shù)

同時(shí)復(fù)摻硅灰和鋼纖維的透水混凝土滲透系數(shù)如圖3 所示，可知，未加硅灰時(shí)摻入0%、0.5%、1.0%、1.5%鋼纖維的透水混凝土滲透系數(shù)分別比摻入3%硅灰和6%硅灰的鋼纖維透水混凝土滲透系數(shù)高-32.0%、23.4%、27.9%、2.98%和-16.0%、33.1%、26.7%、-22.1%。在相同鋼纖維摻量條件下，隨著硅灰摻量的增加，滲透系數(shù)減少，由于硅灰的密度小于水泥的密度，所以硅灰等質(zhì)量取代水泥后，膠凝材料的體積增大，包裹粗骨料的厚度增加，使得孔隙率減小，所以隨著硅灰摻量的增加，透水混凝土的透水系數(shù)減?。?1］。

圖3 硅灰的摻量對(duì)鋼纖維透水混凝土滲透系數(shù)的影響Fig.3 Effect of the Content of Silica Fume on the Permeability Coefficient of Steel Fiber Permeable Concrete

透水混凝土的滲透系數(shù)主要取決于孔隙率，透水混凝土的基本結(jié)構(gòu)是骨料集聚，骨料外層由水泥漿包裹，骨料間又有鋼纖維連結(jié)，骨料與骨料之間的空隙保證了混凝土的透水性。在不同的鋼纖維摻量下，透水混凝土的滲透系數(shù)平均能達(dá)4 mm/s，能滿足透水路面的下滲要求。

綜上所述，同時(shí)考慮透水混凝土強(qiáng)度和滲透性的要求，復(fù)摻鋼纖維和硅灰時(shí)，其最優(yōu)摻量鋼纖維0.5%，硅灰6%，這時(shí)透混凝土的抗壓強(qiáng)度38.7 MPa，抗折強(qiáng)度6.47 MPa，滲透系數(shù)2.51 mm/s。

4 結(jié)語(yǔ)

⑴單摻鋼纖維的摻入對(duì)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度效果并不明顯，但可以明顯提高其滲透系數(shù)，單摻鋼纖維時(shí)最高摻量不大于0.5%，這時(shí)透混凝土的抗壓強(qiáng)度26.48 MPa，抗折強(qiáng)度5.74 MPa，滲透系數(shù)4.32 mm/s。

⑵復(fù)摻硅灰和鋼纖維時(shí)，其最佳摻量為硅灰摻量為6%、鋼纖維摻量為0.5%時(shí)，這時(shí)透混凝土的抗壓強(qiáng)度38.7 MPa，抗折強(qiáng)度6.47 MPa，滲透系數(shù)2.51 mm/s。