聚丙烯纖維及玄武巖纖維透水混凝土性能研究

郭 鑫 曾良誠(chéng) 張國(guó)祥 楊佳豪

（西京學(xué)院，陜西 西安710123）

為改善普通混凝土強(qiáng)度與滲透性的矛盾，劉相如等人[1-2]對(duì)混凝土的骨料及級(jí)配、水膠比、設(shè)計(jì)孔隙率等方面進(jìn)行了研究；吳旭等人[3-6]對(duì)摻入纖維的透水混凝土進(jìn)行了研究。本文提出在透水混凝土中分別摻入聚丙烯纖維和玄武巖纖維，針對(duì)兩種纖維對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度及透水性能的影響開展實(shí)驗(yàn)研究，最終確定兩種纖維最佳摻量，為兩種纖維材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

本試驗(yàn)選用P·O42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，選用恒諾牌優(yōu)質(zhì)微硅粉。粗骨料選用粒徑為5-10mm 的石灰石碎石，表面密度為2750kg/m3，堆積密度1580kg/m3。玄武巖纖維密度為2650kg/m3，纖維長(zhǎng)度為20mm，直徑為15μm，抗拉強(qiáng)度為4800/Mpa。聚丙烯纖維密度為910kg/m3，纖維長(zhǎng)度為20mm，抗拉強(qiáng)度為280-300/Mpa。選用液體秦奮牌聚羧酸高效減水劑，減水率為25%。

1.2 配合比及成型

通過(guò)多次試配，最終確定粗骨料粒徑范圍為5-10mm 的透水混凝土最佳配合比為：水灰比為0.3，設(shè)計(jì)孔隙率為15%，高強(qiáng)減水劑摻量為1%。本文硅粉設(shè)計(jì)摻量為水泥量的6%；聚丙烯纖維摻量分別為0kg/m3、3kg/m3、6kg/m3、9kg/m3；玄武巖纖維摻量分別為0kg/m3、2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3。本試驗(yàn)采用凈漿裹石法，先將石子加入攪拌機(jī)中，同時(shí)加入50%的水，攪拌60s；然后加入硅粉和水泥，攪拌60s；最后加入減水劑、纖維及剩余50%的水，攪拌120s，將攪拌好的混凝土卸料，并澆筑進(jìn)模具。采用振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)成型，振動(dòng)時(shí)間為25s 效果最佳。混凝土試件澆筑24h 后拆模，進(jìn)行28d 常溫養(yǎng)護(hù)，再進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)過(guò)程及步驟

2.1 透水混凝土立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試

（1）試驗(yàn)每組準(zhǔn)備三個(gè)試件，尺寸為100mm×100mm×100mm，試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d 后，根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2016）進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試。

（2）試塊為非標(biāo)準(zhǔn)試件，測(cè)試結(jié)果乘以尺寸換算系數(shù)0.95。本試驗(yàn)使用2000KN 微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)均勻地加荷，試驗(yàn)速度取0.3Mpa/s。

（3）透水混凝土立方體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式為:

式中：fcc為立方體抗壓抗壓強(qiáng)度，單位是MPa；F 為試件破壞荷載，單位是N；A 為承壓面積，單位是mm2。

圖1 立方體抗壓實(shí)驗(yàn)破壞現(xiàn)象

2.2 透水混凝土透水系數(shù)測(cè)試

（1）試驗(yàn)分為8 組，每組三個(gè)試塊，以三塊試塊透水系數(shù)平均值表示，實(shí)驗(yàn)原理如圖2 所示。

（2）透水試驗(yàn)測(cè)試前將試件在水中浸泡24h，試件周邊用固體膠密封，如圖3 所示，保證在試驗(yàn)過(guò)程中，水流不從試件四周流出，僅通過(guò)上下表面進(jìn)行滲透。儀器和試件接觸處也使用固體膠密封，待固體膠完全凝固后即可實(shí)驗(yàn)。

（3）測(cè)試時(shí)，記錄水溫，并換算標(biāo)準(zhǔn)溫度下（15℃）的透水系數(shù)（K15）[7]，透水系數(shù)的公式如下：

式中：KT為水溫T℃透水系數(shù)，單位是cm/s；Q 為時(shí)間t 時(shí)通過(guò)透水混凝土的水，單位是cm3；D 為混凝土試件厚度，單位是mm；A0為混凝土試件面積，單位是cm2；h0為水頭距液面的距離；單位是cm；t 為測(cè)定的時(shí)間，單位是s。

圖2 透水原理圖

圖3 涂抹固體膠

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

在普通透水混凝土基礎(chǔ)上分別研究聚丙烯纖維摻量為3kg/m3、6kg/m3、9kg/m3、玄武巖纖維摻量為2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3的透水混凝土的力學(xué)性能和透水系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果分析如下文所述。

3.1 纖維透水混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

相比普通透水混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，摻入聚丙烯纖維的透水混凝土強(qiáng)度增大，當(dāng)聚丙烯纖維摻量分別為3kg/m3、6kg/m3、9kg/m3時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度分別增加12.2%、35.1%、5.3%。綜上，聚丙烯纖維可提高立方體抗壓強(qiáng)度值，當(dāng)摻量為6kg/m3強(qiáng)度值達(dá)到峰值，隨著纖維量繼續(xù)增加，立方體抗壓強(qiáng)度開始下降，如圖4 所示。

相比普通透水混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，摻入玄武巖纖維的透水混凝土強(qiáng)度增大，當(dāng)聚丙烯纖維摻量分別為2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度分別增加16.9%、24.3%、13.2%、5.2%。綜上，玄武巖纖維可提高立方體抗壓強(qiáng)度值，當(dāng)摻量為4kg/m3強(qiáng)度值達(dá)到峰值，隨著纖維量繼續(xù)增加，立方體抗壓強(qiáng)度開始下降，如圖5 所示。

圖4 聚丙烯纖維摻量與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系

圖5 玄武巖纖維摻量與與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系

3.2 纖維透水混凝土透水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

相比普通透水混凝土的透水系數(shù)，摻入聚丙烯纖維的透水混凝土的透水系數(shù)會(huì)下降，當(dāng)聚丙烯纖維摻量分別為3kg/m3、6kg/m3、9kg/m3時(shí)，透水混凝土的滲透系數(shù)分別降低40%、41.4%、57.1%，如圖6 所示。

相比普通透水混凝土的透水系數(shù)，摻入玄武巖纖維的透水混凝土的透水系數(shù)會(huì)下降，當(dāng)玄武巖纖維摻量分別為2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3時(shí)，透水混凝土的滲透系數(shù)分別降低38.6%、41.4%、48.6%、61.4%，如圖7 所示。

圖6 聚丙烯纖維摻量與透水系數(shù)的關(guān)系

圖7 玄武巖纖維摻量與透水系數(shù)的關(guān)系

4 結(jié)論

對(duì)粒徑為5-10mm 的石灰石碎石，水灰比為0.3、設(shè)計(jì)孔隙率為15%的透水混凝土，通過(guò)分別摻入聚丙烯纖維和玄武巖纖維后，對(duì)纖維透水混凝土的力學(xué)性能和透水性能開展試驗(yàn)研究，可得出如下結(jié)論：（1）摻入聚丙烯纖維的透水混凝土最佳摻量為6kg/m3，其抗壓強(qiáng)度為25.80Mpa，滲透系數(shù)為4.1mm/s。（2）摻入玄武巖纖維的透水混凝土最佳摻量為4kg/m3，其抗壓強(qiáng)度為23.74Mpa，滲透系數(shù)為4.1mm/s。