鋼纖維透水混凝土性能研究

王 博，劉 飛，王飛宇，梁 輝，姚文山

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

0 引言

我國城市建設(shè)的人行道、自行車道、公園、庭院及公共廣場路面，仍以不透水的石板材、柏油瀝青和鋼筋混凝土為主。此類傳統(tǒng)路面施工工藝成熟、鋪裝簡單，但硬化路面無滲透雨水的能力，缺乏呼吸性，對生態(tài)環(huán)境影響較大。而透水混凝土路面，由于強(qiáng)度較低、耐磨性能差等原因，導(dǎo)致路面使用年限低，不能得到廣泛應(yīng)用。針對上述問題，需不斷改進(jìn)研究透水混凝土，最大程度減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)、提高透水混凝土性能，實(shí)現(xiàn)建筑與自然環(huán)境協(xié)調(diào)共生。

1 透水混凝土概況

1.1 結(jié)構(gòu)特征

透水混凝土由水、水泥、粗集料組成，采用單粒級(jí)粗集料作為骨架，水泥凈漿中加入少量細(xì)集料的砂漿薄層包裹在粗集料顆粒表面，作為集料顆粒間的膠結(jié)層，集料顆粒通過硬化水泥漿薄層膠結(jié)成多孔的堆積結(jié)構(gòu)，因此混凝土內(nèi)部存在大量連通孔隙，且多為直徑>1mm的大孔。透水混凝土具有良好的透水性和透氣性，當(dāng)降雨或綠化噴灑時(shí)，水流能及時(shí)沿連通孔隙通道滲入地下或?qū)Я?，避免表面積水。透水混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 透水混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)模型可知，透水混凝土受力時(shí)，通過集料間的膠結(jié)點(diǎn)傳遞作用力，由于集料本身強(qiáng)度較高，水泥凝膠層很薄，水泥凝膠體與粗集料界面間的膠結(jié)面積小，集料顆粒間的連接點(diǎn)處被破壞，因此在保證一定孔隙率的前提下，增加膠結(jié)點(diǎn)面積，提高膠結(jié)層強(qiáng)度是提高透水混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵。

1.2 優(yōu)缺點(diǎn)

1)透水性路面能使雨水迅速滲入路基，使地下水資源得到及時(shí)補(bǔ)充，以保持土壤濕度，改善城市地表植物和土壤微生物的生存條件。透水混凝土可增加城市土壤與外界環(huán)境的水、氣交換，明顯增加土壤有效養(yǎng)分含量，提高土壤養(yǎng)分利用率。還可降低土壤溫度、鹽分含量和pH值。

2)透水性路面具有較大的孔隙率，與土壤相通，能蓄積較多熱量，有利于調(diào)節(jié)城市空間濕度和溫度，減輕熱島現(xiàn)象。同時(shí)改善水分供應(yīng)狀況，提高土壤含水率，節(jié)約灌溉用水。

3)當(dāng)集中降雨時(shí)，能減輕排水設(shè)施的負(fù)擔(dān)，減少路面積水和夜間反光，避免輪胎與路面形成水膜，縮短剎車距離，提高車輛、行人通行舒適性與安全性。結(jié)構(gòu)空隙構(gòu)造能吸收車輛行使時(shí)產(chǎn)生的噪聲，創(chuàng)造安靜舒適的交通環(huán)境。

4)由透水混凝土本身構(gòu)造可知，內(nèi)部空隙可很大程度降低結(jié)構(gòu)抗壓性能及耐磨性能。

2 透水混凝土試驗(yàn)

2.1 配合比及鋼纖維摻量設(shè)計(jì)

透水性生態(tài)路面應(yīng)滿足強(qiáng)度和滲透性，粗集料的顆粒級(jí)配是決定這兩個(gè)性能的主要因素之一。若集料級(jí)配不良，則透水系數(shù)大，強(qiáng)度偏低；反之，如果粗細(xì)集料達(dá)到最佳配合比，孔隙很少，則強(qiáng)度提高而滲透性極差。當(dāng)水泥用量一定時(shí)，增大骨灰比，集料顆粒表面水泥漿厚度變薄，孔隙率增加，透水性提高，但強(qiáng)度卻降低；反之，則透水性降低，強(qiáng)度提高。因此，針對強(qiáng)度與滲透性兩個(gè)對立指標(biāo)，選擇0.3，0.37水膠比，對混凝土的最佳配合比進(jìn)行試驗(yàn)。

為增加抗壓性能及耐磨性能，本試驗(yàn)加入鋼纖維，以加強(qiáng)粗集料間的聯(lián)系，可認(rèn)為增加集料與膠凝材料間的接觸面積，并提高混凝土整體性，以增加強(qiáng)度。制作鋼纖維摻量梯度試塊后，進(jìn)行強(qiáng)度測定，確定最高強(qiáng)度下?lián)饺氲匿摾w維量。

1)水泥 為提高透水混凝土強(qiáng)度，本試驗(yàn)采用P·O 42.5水泥。

2)粗集料 集料質(zhì)量對透水混凝土強(qiáng)度及透水性有較大影響。集料應(yīng)采用天然碎石或破碎后的卵石，粒徑均勻潔凈，粒徑范圍在10～16mm，針片狀顆粒占比<5%，含泥量<1%，壓碎值<20%。

3)鋼纖維 選用可使接觸面積增加到最大的波紋狀鋼纖維，截面為弓形，外觀為波浪形，長30mm,寬2.0～2.6mm,厚0.5～1.0mm,波長3mm,波高(2±0.2)mm，鋼纖維抗拉強(qiáng)度>750MPa。

2.2 透水混凝土制備工藝

影響透水混凝土強(qiáng)度及透水性能的主要因素有水灰比、粗集料級(jí)配、鋼纖維摻量、成型密實(shí)方法、養(yǎng)護(hù)條件等。在前期探索性試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇水灰比和鋼纖維摻量作為影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)。

1)將石子、鋼纖維與30%的水預(yù)拌30s，然后倒入水泥和50%的水，繼續(xù)攪拌60s，隨后加入剩余水，繼續(xù)攪拌60s，整個(gè)過程共150s。

2)將混凝土裝入150mm×150mm×150mm試模中，在振動(dòng)臺(tái)上振搗15～20s，然后用鐵棒整平試塊表面，最后再振搗5s。

3)試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)3d后拆模，然后將試塊繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至齡期。

4)采用特制裝置測定透水混凝土透水系數(shù)，如圖2所示。裝置采用非恒壓法，先密封試塊4個(gè)面，使成型面作為測試表面，將液體從200mm處自由下滲，測得液體全部滲漏所需時(shí)間和透水系數(shù)。

圖2 透水系數(shù)測定裝置

5)透水混凝土抗壓強(qiáng)度按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測定。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

鋼纖維透水混凝土性能試驗(yàn)共設(shè)計(jì)7個(gè)配合比，每個(gè)配合比做7個(gè)鋼纖維摻量，同配合比、同鋼纖維摻量做3組試塊，取試驗(yàn)有效值，試塊抗壓強(qiáng)度及透水系數(shù)如表1所示。

表1 試塊抗壓強(qiáng)度及透水系數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同配合比的抗壓強(qiáng)度如圖3所示。

圖3 不同配合比的抗壓強(qiáng)度

1)由圖3可知，同一鋼纖維摻量，同一水灰比(0.37∶1)的抗壓強(qiáng)度隨粗集料占比降低而提高。

2)當(dāng)鋼纖維摻量<90g時(shí)，同一配合比的試塊抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維摻量增加而提高。觀察試塊破壞截面，可發(fā)現(xiàn)隨著鋼纖維摻量增加，集料間的搭接相對較多，故強(qiáng)度不斷提高。

3)當(dāng)鋼纖維摻量達(dá)到90g時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到極值，當(dāng)繼續(xù)增加鋼纖維摻量時(shí)，抗壓強(qiáng)度沒有明顯增加，甚至存在下降情況。觀察試塊破壞截面，可發(fā)現(xiàn)鋼纖維摻量達(dá)150g時(shí)，出現(xiàn)鋼纖維重疊或聚積情況，限制振搗時(shí)集料的密實(shí)，降低集料間的搭接，故強(qiáng)度降低。

4)本次試驗(yàn)最優(yōu)配合比為配合比5(石灰∶水∶粗集料=1∶0.30∶3.9)。

不同配合比下的透水系數(shù)如圖4所示，水灰比差異的影響如圖5所示。

圖4 不同配合比下的透水系數(shù)

圖5 水灰比差異的影響

5)分析圖4可知，配合比1～3的水灰比一致，配合比4～7的水灰比一致，即同一鋼纖維摻量的試塊，透水系數(shù)隨集料占比降低逐漸降低，即粗集料比例降低，空隙率降低，透水系數(shù)減小。

6)配合比3，4間的透水系數(shù)有明顯突變，配合比3，4的區(qū)別在于水灰比不同。配合比1～3的水灰比較大，使水泥漿體流動(dòng)性偏大，振搗時(shí)漿體在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)試塊底部，底部出現(xiàn)一層薄的密實(shí)層，使水流在下滲過程中受較大阻力，影響透水系數(shù)。

7)圖5中，粗集料摻量相同，水灰比不同，當(dāng)鋼纖維摻量不大時(shí)，配合比3的抗壓強(qiáng)度高于配合比4的抗壓強(qiáng)度。這是由于鋼纖維摻量較少時(shí)，作用不明顯，對抗壓強(qiáng)度的提高作用不明顯。同時(shí)沒有細(xì)集料，導(dǎo)致水泥漿對粗集料的包裹有限，使鋼纖維摻量較少時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度離散性較明顯。

8)由于試塊空隙比普通混凝土試塊孔隙率大，振搗時(shí)不易振實(shí)，即振搗時(shí)間對試塊密實(shí)度有較大影響。當(dāng)鋼纖維摻量>50g時(shí)，降低水灰比，主要是由于水泥成分增加，使集料間的膠結(jié)面積增加，集料間的膠結(jié)力增大，故試塊抗壓強(qiáng)度提高。

4 結(jié)語

4.1結(jié)論

1)在試塊制備和養(yǎng)護(hù)條件均相同的情況下，配合比、鋼纖維摻量、孔隙率均是影響透水混凝土透水性和抗壓強(qiáng)度的因素。通過水灰比控制集料包裹程度，配合比控制孔隙率，再調(diào)配適度鋼纖維摻量，使鋼纖維透水混凝土達(dá)到最優(yōu)性能。當(dāng)集料選用粒徑10～16mm的石子，水灰比為0.3時(shí)可達(dá)最優(yōu)。當(dāng)配合比超過1∶0.3∶3.9時(shí)，抗壓強(qiáng)度增加不明顯，可摻入細(xì)集料提高強(qiáng)度。

2)通過試驗(yàn)研究，鋼纖維的加入對透水系數(shù)影響較小，摻入適量鋼纖維，可改善透水混凝土工作性能。當(dāng)摻量>120g時(shí)，抗壓強(qiáng)度增加不顯著。從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面考慮，標(biāo)準(zhǔn)試塊中，鋼纖維摻量為90～120g時(shí)可達(dá)最優(yōu)，抗壓強(qiáng)度可提高10%～25%。

3)同一鋼纖維摻量、同一水灰比，抗壓強(qiáng)度由于粗集料占比降低而提高。當(dāng)鋼纖維摻量過高時(shí)，出現(xiàn)鋼纖維重疊或聚積情況，限制振搗時(shí)集料的密實(shí)，降低集料間的搭接，故強(qiáng)度降低。當(dāng)鋼纖維摻量過低時(shí)，導(dǎo)致水泥漿對粗集料包裹有限，使鋼纖維摻量少時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度的離散性較明顯。同一鋼纖維摻量的試塊透水系數(shù)隨集料占比降低逐漸降低，即粗集料比例降低，空隙率降低，透水系數(shù)減小。

4.2 展望

本試驗(yàn)對透水混凝土的相關(guān)性能進(jìn)行研究，由于透水混凝土結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、性能影響因素較多，還需更深入的研究。

本文針對鋼纖維水泥透水混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究，如瀝青透水混凝土、碳纖維摻料透水混凝土等均可作為研究課題，對不同摻量透水混凝土進(jìn)行對比分析，研究各自適合的路況。本試驗(yàn)測試透水系數(shù)的裝置還有待進(jìn)一步完善，此裝置適合小規(guī)模測試，實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行不斷優(yōu)化有利于探索最優(yōu)配合比。透水混凝土的維護(hù)、易開裂和路面孔隙內(nèi)雜質(zhì)的清洗同樣值得進(jìn)一步深入研究。