混雜纖維對透水混凝土性能的影響

王顯利，丑中巖，常廣利

(北華大學(xué)土木與交通學(xué)院，吉林 吉林 132013)

作為推進(jìn)海綿城市建設(shè)的重要材料，透水混凝土廣受關(guān)注，但因孔隙多、強(qiáng)度低、韌性差而影響了推廣應(yīng)用[1-2].為改善透水混凝土性能，國內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛研究.學(xué)者們[1-6]研究了纖維尺寸、不同類型纖維對透水混凝土性能的影響；LIAN等[7]研究發(fā)現(xiàn)，摻加聚羧酸高效減水劑能提高透水混凝土的膠結(jié)材料漿體密實(shí)度；王顯利等[8]通過添加疏水劑使混凝土內(nèi)部孔道具有疏水結(jié)構(gòu)，提高了透水混凝土的排水能力和黏結(jié)強(qiáng)度.但鮮有將不同纖維混雜摻入透水混凝土的報(bào)道[9].纖維可使混凝土增強(qiáng)、增韌，在纖維混雜產(chǎn)生“纖維協(xié)同效應(yīng)”時(shí)，能夠產(chǎn)生比單一纖維更好的增強(qiáng)、增韌效果[10].本文根據(jù)玄武巖纖維和聚丙烯纖維的特點(diǎn)，通過試驗(yàn)研究目標(biāo)孔隙率、混雜纖維摻配比例、混雜纖維總摻量、疏水劑用量4種因素對透水混凝土有效孔隙率、透水系數(shù)、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響，分析各因素對透水混凝土透水性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律和影響機(jī)理，進(jìn)而優(yōu)化最佳配比，使透水混凝土的透水性能和力學(xué)性能滿足工程要求，加快海綿城市建設(shè)步伐.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料為來自吉林市采石場的玄武巖碎石，經(jīng)過試驗(yàn)試配確定單一骨料粒徑為9.5～11.5 mm；水為普通自來水；外加劑包括XSM聚羧酸高效減水劑和AD3105荷葉疏水劑，荷葉疏水劑可以改善水泥漿體的狀態(tài)，填充微小孔隙，其基本性見表1；纖維類材料包括長度為9 mm的玄武巖纖維(下文簡稱BF)、長度為12 mm的聚丙烯纖維(下文簡稱PPF)，兩種纖維具備不同優(yōu)勢，基本性能見表2和表3；選取醫(yī)用凡士林作為密封材料，便于透水系數(shù)測定.

表1 荷葉疏水劑性能指標(biāo)Tab.1 Performance index of lotus leaf hydrophobic agent

表2 纖維主要技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Main technical indicators of fibre

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

將BF和PPF兩種纖維混雜摻入內(nèi)疏水透水混凝土中，由于要考慮多因素和水平的影響，選擇正交試驗(yàn)進(jìn)行分析研究.結(jié)合CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》的要求和前期試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)方案首先固定透水混凝土的水灰比為0.28，減水劑用量為水泥質(zhì)量的0.8%.選取的4因素3水平見表3，3個(gè)水平分別為BF占纖維摻量總體積的75%、50%、25%；混雜纖維BF和PPF的總體積摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%；疏水劑用量是膠結(jié)料漿體體積的2%、3%、4%.根據(jù)因素、水平變化，運(yùn)用體積法計(jì)算配合比得到的各材料用量見表4.

表3 正交試驗(yàn)因素、水平設(shè)計(jì)Tab.3 Factors and level design of the orthogonal test

表4 混雜纖維透水混凝土配合比設(shè)計(jì)Tab.4 Proportion design of mixed fibers permeable concrete

1.3 試驗(yàn)過程

嚴(yán)格按照試驗(yàn)配合比中的材料用量進(jìn)行試件制備，參考不同方法的優(yōu)勢、劣勢，控制透水混凝土攪拌、成型、養(yǎng)護(hù).為發(fā)揮荷葉疏水劑和混雜纖維的作用，采用水泥裹石法多次投料，使材料在攪拌過程中均勻分布；采用人工插搗成型法分3層插搗，根據(jù)混凝土的實(shí)際情況調(diào)整插搗的次數(shù)和力度，根據(jù)所測的性能指標(biāo)選取不同模具.成型試件見圖1、圖2.將試件放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，在(20±2)℃，濕度90%±5%下養(yǎng)護(hù)28 d.

圖1立方體試件Fig.1Cube specimens圖2圓柱試件Fig.2Cylindrical specimens

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，透水混凝土性能包括透水性能和力學(xué)性能兩方面，響應(yīng)指標(biāo)包括有效孔隙率、透水系數(shù)、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度.測量有效孔隙率直接采用電子秤稱重，結(jié)合試件體積，計(jì)算試件在水中和空氣中的質(zhì)量差；測量透水系數(shù)時(shí)，首先密封底面直徑100 mm、高50 mm的圓柱試件四周，將其放入透水測試儀器中(見圖3)，計(jì)算在水頭高度固定時(shí)單位時(shí)間內(nèi)通過的水量；力學(xué)性能試驗(yàn)參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用電液伺服壓力機(jī)分別測定試件的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度，見圖4.

圖3透水性能測試Fig.3Permeability test 圖4抗折強(qiáng)度測試Fig.4Flexural strength test

2 試驗(yàn)結(jié)果與方案優(yōu)選

2.1 試驗(yàn)結(jié)果及分析

正交試驗(yàn)結(jié)果見表5，透水能力和力學(xué)性能極差分析分別見表6、表7.結(jié)果可見：各因素對有效孔隙率和透水系數(shù)的影響均為目標(biāo)孔隙率>混雜纖維總摻量>疏水劑用量>混雜纖維摻配比例.摻入混雜纖維后的透水混凝土透水能力滿足使用要求：1)當(dāng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)孔隙率由17%提升到21%時(shí)，有效孔隙率的變化幅度最大，這是因?yàn)樵O(shè)定的目標(biāo)孔隙率影響到水泥與粗骨料用量，實(shí)際有效的孔隙數(shù)量出現(xiàn)明顯變動(dòng)，影響到透水系數(shù)；2)BF和PPF的分散加入增加了更多界面，纖維相對骨料體積占比小，故纖維總摻量由0.1%提高到0.3%時(shí)，有效孔隙率和透水系數(shù)的降低趨勢明顯；3)疏水劑封閉的是內(nèi)部微小孔隙，還可以促進(jìn)水泥水化，所以有效孔隙率和透水系數(shù)下降幅度不大；4)BF和PPF兩種纖維混雜配合，增加了長度和直徑組合，能夠共同調(diào)節(jié)水泥漿體的流動(dòng)性能，對有效孔隙率和透水系數(shù)的影響不明顯.

表5 混雜纖維透水混凝土正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Orthogonal test results of hybrid fiber permeable concrete

表6 有效孔隙率和透水系數(shù)極差分析Tab.6 Extreme difference analysis of effective porosity and permeability coefficient

表7 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度極差分析Tab.7 Extreme difference analysis of compressive strength and flexural strength

由表7可知：各因素對抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響均為混雜纖維摻配比例>混雜纖維總摻量>目標(biāo)孔隙率>疏水劑用量.試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入混雜纖維的透水混凝土力學(xué)性能優(yōu)異：1)對抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度影響最顯著的是BF和PPF兩種纖維的摻配比例，在兩種纖維的摻配比例達(dá)到1∶1時(shí)形成了正混雜效應(yīng)，此時(shí)BF的彈性模量高，增強(qiáng)了混凝土基體，直接分擔(dān)荷載，PPF的斷裂伸長率高，能夠限制混凝土開裂，在試件變形過程中發(fā)揮韌性[9]；2)隨著混雜纖維總摻量從0.1%增加到0.3%，緩和了裂縫發(fā)展，纖維數(shù)量越多，從混凝土基體拔出消耗的能量就越大，增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的效果明顯；3)目標(biāo)孔隙率會(huì)影響骨料接觸點(diǎn)，骨料接觸面積越大，堆積就越緊密，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度就越高；4)疏水劑使水分子和水泥熟料的反應(yīng)增強(qiáng)，從而促進(jìn)了抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的提高，但影響程度較小.

2.2 方案優(yōu)選

由極差分析獲得的最優(yōu)方案不同，但有效孔隙率與透水系數(shù)相關(guān)度高，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的變化也存在內(nèi)部聯(lián)系，故可以分析各因素在不同水平下的交互關(guān)系，進(jìn)行方案綜合優(yōu)化.

根據(jù)表6的極差分析結(jié)果，取各因素使K值最大的水平.結(jié)果可知，有效孔隙率的最優(yōu)方案是A3B1C1D1組合，透水系數(shù)的最優(yōu)方案是A3B3C1D1組合.只有對指標(biāo)進(jìn)行完全分析才能得到混雜纖維透水混凝土透水性能的最優(yōu)組合.4因素在3水平下的有效孔隙率和透水系數(shù)影響規(guī)律綜合分析結(jié)果見圖5.由圖5可知：1)隨著目標(biāo)孔隙率上升到21%，兩項(xiàng)透水指標(biāo)都持續(xù)升高且上升幅度明顯；2)在混雜纖維摻配比例為1∶1時(shí)兩個(gè)指標(biāo)相交，取BF用量為75%時(shí)透水系數(shù)低，取PPF用量為75%時(shí)雖然有效孔隙率出現(xiàn)一定下降，但由于衡量透水能力的關(guān)鍵指標(biāo)是透水系數(shù)，所以取1∶3的纖維摻配比例；3)纖維總摻量越少，纖維成團(tuán)打結(jié)對孔隙的堵塞就越小，故選取0.1%為最佳纖維摻量；4)疏水劑用量越多越影響透水性能，選擇疏水劑最佳用量為2%.綜合分析可知：透水指標(biāo)的最優(yōu)配比是目標(biāo)孔隙率為21%，纖維摻配比例為1∶3，纖維總摻量為0.1%，疏水劑用量為2%.

圖5 有效孔隙率和透水系數(shù)交互分析Fig.5 Interactive analysis of effective porosity and permeability coefficient

根據(jù)表7極差分析結(jié)果，取各因素使K值最大的水平.結(jié)果可知，抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)方案為A1B2C3D2組合，抗折強(qiáng)度的最優(yōu)方案是A1B1C3D3組合.對4因素在3水平下的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度影響規(guī)律進(jìn)行綜合分析，結(jié)果見圖6.由圖6可知：1)當(dāng)設(shè)計(jì)目標(biāo)孔隙率為17%時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度最優(yōu)；2)當(dāng)混雜纖維摻配比例為3∶1時(shí)抗壓強(qiáng)度更高，BF分擔(dān)了破壞時(shí)產(chǎn)生的拉壓力，BF和PPF的摻配比為1∶1時(shí)抗折強(qiáng)度最高，兩種纖維協(xié)同配合共同阻裂，此時(shí)應(yīng)取在纖維摻配比例為1∶1的交點(diǎn)附近；3)兩種強(qiáng)度都隨著纖維用量達(dá)到0.3%而到達(dá)了最高值，纖維將骨料與漿體黏結(jié)得更加緊密；4)疏水劑用量為4%時(shí)，抗壓強(qiáng)度相較3%有所下降，但抗折強(qiáng)度達(dá)到最高值.綜合分析可知，力學(xué)指標(biāo)的最優(yōu)配比是目標(biāo)孔隙率為17%，纖維摻配比例為1∶1，混雜纖維總摻量為0.3%，疏水劑用量為4%.

圖6 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度交互分析Fig.6 Interactive analysis of compressive strength and flexural strength

經(jīng)過方案優(yōu)選，對選出的兩組最優(yōu)配比進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：試件性能優(yōu)異，混雜纖維和疏水劑充分發(fā)揮了自身優(yōu)點(diǎn)，在填充原本多孔結(jié)構(gòu)中微小孔隙的同時(shí)，優(yōu)化了水泥漿體的質(zhì)量并使水泥水化更加充分，增強(qiáng)了水泥與骨料的黏結(jié)力，整體密實(shí)度提高，在受載時(shí)能夠限制裂縫的發(fā)展.混雜纖維按照1∶1的摻配比例，在混雜纖維總摻量不超過0.3%時(shí)，未發(fā)生明顯的“打結(jié)”“成團(tuán)”等現(xiàn)象，疏水劑的加入使混凝土內(nèi)部形成了蠟質(zhì)疏水結(jié)構(gòu)，未見沉漿堵塞試件底面的情況.綜合評估后確定最優(yōu)配比方案：目標(biāo)孔隙率為19%，纖維摻配比例為1∶1，混雜纖維總摻量為0.2%，疏水劑用量為3%.在此方案下，混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到24.87 MPa，抗折強(qiáng)度為4.81 MPa，有效孔隙率為20.03%，透水系數(shù)為4.95 mm/s.

3 小 結(jié)

各因素對混雜纖維摻入透水混凝土有效孔隙率和透水系數(shù)的影響程度依次為目標(biāo)孔隙率>混雜纖維總摻量>疏水劑用量>混雜纖維摻配比例，建議將在目標(biāo)孔隙率為21%，纖維摻配比例為1∶3，纖維總摻量為0.1%，疏水劑用量為2%時(shí)制備的透水混凝土應(yīng)用在降雨量高，對透水性有要求的場所.

對混雜纖維摻入透水混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折的影響程度依次為混雜纖維摻配比例>混雜纖維總摻量>目標(biāo)孔隙率>疏水劑用量，建議將在目標(biāo)孔隙率為17%，纖維摻配比例為1∶1，纖維總摻量為0.3%，疏水劑用量為4%時(shí)制備的透水混凝土應(yīng)用在對強(qiáng)度有一定要求的場所.

BF和PPF混雜摻入的透水混凝土依然具有較好的透水性能，并且抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度得到了顯著提高.最優(yōu)方案是目標(biāo)孔隙率為19%，纖維摻配比例為1∶1，纖維總摻量為0.2%，疏水劑用量為3%，在此方案下制備的透水混凝土滿足使用要求.

本文是在內(nèi)疏水型透水混凝土基礎(chǔ)上進(jìn)行的混雜纖維透水混凝土研究.研究發(fā)現(xiàn)：在保證具有良好透水性能的同時(shí)，混雜纖維透水混凝土具有更好的力學(xué)性能，理論上，也應(yīng)具有更好的抗凍耐久性，有利于拓寬透水混凝土的應(yīng)用范圍，但混雜纖維透水混凝土的抗凍耐久性、抗疲勞性能和考慮纖維的分散性影響尚需進(jìn)一步研究.