幾種纖維對透水混凝土抗凍性影響綜述★

趙文豪，程海麗

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144)

0 引言

隨著社會的快速發(fā)展，人們對環(huán)境保護(hù)問題越來越重視，目前城市道路大部分采用不透水路面，遇突發(fā)強(qiáng)降雨時容易造成積水內(nèi)澇，特別是南方多雨天氣，會引發(fā)洪澇災(zāi)害，因此透水混凝土路面得到了推廣和應(yīng)用。透水混凝土作為一種新型生態(tài)材料，具有良好的透水性，可使雨水滲入到地下，改善城市內(nèi)澇、緩解熱島效應(yīng)，對生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有積極的意義。但透水混凝土因其本身的材料特點(diǎn)，耐久性能差，特別是在寒冷地區(qū)，透水混凝土孔隙大強(qiáng)度低，易發(fā)生凍融破壞。本文綜述幾種纖維及其摻量對其抗凍性的影響。

1 透水混凝土特性及組成

1.1 透水混凝土特性

透水混凝土由粗骨料、膠凝材料、外加劑和摻合料按比例配制而成，與傳統(tǒng)混凝土不同的是，以單一級配粗骨料為主體，很少或不使用沙石等細(xì)骨料，使其保持較好的透水能力，其內(nèi)部疏松多孔，孔隙率較高，這些半聯(lián)通或聯(lián)通的孔隙能讓雨水滲入地下。但透水混凝土強(qiáng)度低，在寒冷環(huán)境下受凍融破壞的范圍和程度會更大，粗骨料之間大多為點(diǎn)式連接，導(dǎo)致其抗壓、抗拉和抗彎強(qiáng)度偏低，限制了使用發(fā)展[1]。

1.2 原材料的選用

1)水泥：一般采用強(qiáng)度等級不低于42.5級的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。

2)骨料：骨料應(yīng)盡量選擇棱角更多的碎石，通常粒徑為9.5 mm～16 mm，4.75 mm～9.5 mm。

3)減水劑：常用聚羧酸系減水劑。

4)礦物摻合料：摻合料常用硅灰或粉煤灰。

2 透水混凝土抗凍性評價(jià)指標(biāo)

透水混凝土抗凍性常用的評價(jià)指標(biāo)如下：

1)質(zhì)量損失率。

透水混凝土在經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，透水混凝土表面會出現(xiàn)水泥石脫落、集料掉落、內(nèi)部破壞等情況，造成透水混凝土的質(zhì)量損失，透水混凝土質(zhì)量損失是評價(jià)透水混凝土抗凍性的一個重要指標(biāo)，當(dāng)質(zhì)量損失率超過5%時就達(dá)到了破壞狀態(tài)。

2)抗壓強(qiáng)度損失率。

透水混凝土是多孔隙結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在水飽和狀態(tài)下進(jìn)行抗凍試驗(yàn)時，內(nèi)部孔隙中的自由水凍結(jié)導(dǎo)致冰晶在孔隙中膨脹，造成冰晶直接對孔隙內(nèi)壁凍脹破壞。另一方面，內(nèi)部未凍結(jié)水對連通孔隙中的孔隙壁產(chǎn)生靜水壓力，造成透水混凝土內(nèi)部損傷導(dǎo)致強(qiáng)度破壞，強(qiáng)度損失率高于20%時達(dá)到破壞。

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3)相對彈性模量。

相對彈性模量是采用超聲波檢測儀測量，通過聲波在透水混凝土內(nèi)部的傳播速度的快慢計(jì)算出相對彈性模量，當(dāng)透水混凝土受到一定次數(shù)的凍融循環(huán)后內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生損傷，部分骨料松動脫落時會導(dǎo)致密度降低，致使聲波的傳播速度下降，一定程度上反映了透水混凝土內(nèi)部的損傷情況[2]。

3 不同纖維摻量對透水混凝土抗凍性影響

在透水混凝土中摻加纖維，隨著纖維的摻入能夠調(diào)節(jié)透水混凝土內(nèi)部的均勻程度。纖維屬于無序分布，提高了透水混凝土內(nèi)部的黏結(jié)力，降低了裂縫產(chǎn)生的幾率。即使有裂縫的出現(xiàn)，透水混凝土內(nèi)部的纖維也會抑制裂縫的發(fā)展和延伸，不同纖維種類和摻量對透水混凝土抗凍性影響效果不同。

3.1 玄武巖纖維對透水混凝土抗凍性的影響

玄武巖纖維是一種新型無機(jī)環(huán)保綠色高性能纖維材料，由二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵和二氧化鈦等氧化物組成，具有耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。

劉思宇[3]將直徑15 μm，長度24 mm的玄武巖纖維摻入透水混凝土中，研究了纖維摻量對透水混凝土抗凍性的影響。玄武巖纖維的性能指標(biāo)如表1所示，透水混凝土的配合比如表2所示。玄武巖纖維的摻量分別為0 kg/m3，2 kg/m3，4 kg/m3，6 kg/m3時透水混凝土的質(zhì)量損失率、相對彈性模量變化及抗壓強(qiáng)度損失率如圖1～圖3所示。

表1 玄武巖纖維性能指標(biāo)

表2 玄武巖纖維透水混凝土配合比 kg/m3

從圖1～圖3中可以看出，隨著玄武巖纖維摻量的增加，透水混凝土的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率不斷減小，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率相應(yīng)增大；相對彈性模量隨纖維摻量的提高而相應(yīng)提高。但當(dāng)纖維摻量為4 kg/m3時，再增加纖維摻量相對彈性模量變化和抗壓強(qiáng)度損失率變化均很小，且25次凍融與50次凍融差距也趨向減小。

這是由于在同一纖維直徑和長度條件下，隨著纖維摻量的增多，玄武巖纖維會在透水混凝土內(nèi)部形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使黏聚力增強(qiáng)，降低了透水混凝土抗壓強(qiáng)度損失率，提高了相對彈性模量。且纖維本身能抑制裂縫延伸，會增加骨料間的反向拉應(yīng)力，抑制孔隙變大延緩裂縫的發(fā)展，使質(zhì)量損失率降低。但當(dāng)摻量過多時，纖維分散的難度增加，容易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，反而更加弱化了透水混凝土的均勻性，因此抗凍能力趨向減弱。

3.2 聚丙烯纖維對透水混凝土抗凍性的影響

聚丙烯纖維又稱丙綸，具有質(zhì)輕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、韌性優(yōu)良、加工方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。聚丙烯纖維呈細(xì)微單絲，比表面積大，能夠呈三維亂向均勻分布在混凝土材料中，阻裂、增韌效果顯著。

表3 聚丙烯纖維透水混凝土配合比

由圖4,圖5可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，透水混凝土的質(zhì)量損失率先減小后增大，相對彈性模量先增大后減小，在纖維摻量為1 kg/m3時抗凍性最好。這是由于在透水混凝土中，聚丙烯纖維表面的摩擦系數(shù)較大且亂象分布，阻止了微裂縫的擴(kuò)散抵抗了一部分的凍脹壓，微裂縫得到抑制，質(zhì)量損失率減小。且纖維的摻加使骨料不易分離，骨料間的黏結(jié)力得到提高，抵抗了部分凍脹破壞，因此使透水混凝土強(qiáng)度提高，相對彈性模量相應(yīng)提高。但當(dāng)聚丙烯纖維摻量過多時，纖維在透水混凝土中會發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，使透水混凝土流動性變差，纖維與骨料和水泥漿間的黏結(jié)性變差，混凝土的均勻性也下降，影響透水混凝土的強(qiáng)度和抗凍性，因此聚丙烯纖維摻量不是越多越好，應(yīng)控制在1 kg/m3左右。

3.3 剛性聚丙烯纖維對透水混凝土抗凍性的影響

剛性聚丙烯纖維是一種仿制鋼纖維生產(chǎn)的替代產(chǎn)物。與鋼纖維相比，剛性聚丙烯纖維具有更好的耐腐蝕、易分散、易施工，對拌合設(shè)備無損傷等特點(diǎn)。且纖維表面呈現(xiàn)不均勻的紋路，在混凝土中的分散性好，握裹力強(qiáng)。剛性聚丙烯纖維是由聚丙烯纖維加工而成，比普通聚丙烯纖維彈性模量高、分散性好，且與混凝土界面握裹力好，可顯著提高纖維與混凝土基體的結(jié)合性能。

林武星[5]將剛性聚丙烯纖維摻入透水混凝土中，研究了纖維摻量對透水混凝土抗凍性的影響。剛性聚丙烯纖維的性能指標(biāo)如表4所示，透水混凝土的配合比如表5所示。剛性聚丙烯纖維的摻量分別為0 kg/m3,2.73 kg/m3，5.46 kg/m3，9.1 kg/m3時透水混凝土的相對彈性模量變化、質(zhì)量損失率變化如圖6，圖7所示。

表4 剛性聚丙烯纖維性能指標(biāo)

表5 剛性聚丙烯纖維透水混凝土配合比 kg/m3

由圖6,圖7可以看出，隨著纖維摻量的增加，透水混凝土的質(zhì)量損失率不斷減小，相對彈性模量略有提高，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，質(zhì)量損失率相應(yīng)增大，相對彈性模量逐漸減小，表明纖維摻量的增加，有利于提高透水混凝土的抗凍性；當(dāng)纖維摻量為9.1 kg/m3，凍融循環(huán)100次以下時，質(zhì)量損失率和相對彈性模量趨于接近；但當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)超過100次后，即使纖維摻量達(dá)到9.1 kg/m3，質(zhì)量損失率明顯提高，相對彈性模量明顯減小，表明對透水混凝土抗凍性的提高能力下降。

這是由于剛性聚丙烯纖維起到了阻裂和增強(qiáng)作用，可減少裂縫的數(shù)量和寬度，這種能力隨纖維摻量的增加而提高，但當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增加很多時，隨著凍融次數(shù)的增加，透水混凝土的裂縫寬度逐漸增加，內(nèi)部骨料的黏結(jié)會逐漸減弱，伴隨裂縫的增多和加寬，剛性聚丙烯纖維與水泥漿的黏結(jié)力會遭到破壞，即使纖維摻量增加到9.1 kg/m3，也不足以抵抗凍融的破壞，加之纖維摻量高時，纖維的分散性下降，混凝土拌合物的均勻性受限，也不利于抗凍性提高。

3.4 碳纖維對透水混凝土抗凍性的影響

碳纖維是一種輕柔、宜加工、力學(xué)性能好的新型材料，拉伸強(qiáng)度約為2 GPa～7 GPa，拉伸模量為200 GPa～700 GPa，抗拉強(qiáng)度高、彈性模量大、溫敏性好、韌性強(qiáng)，碳纖維具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，能夠抵抗外界環(huán)境的變化，對鹽堿變化及時做出反應(yīng)。

高金寶[6]將長度40 mm的碳纖維摻入透水混凝土中，并進(jìn)行200次凍融循環(huán)，研究纖維摻量對透水混凝土抗凍性的影響，透水混凝土的配合比如表6所示。碳纖維的摻量分別為0%，0.1%，0.3%，0.5%時透水混凝土的質(zhì)量損失率、相對彈性模量變化如圖8，圖9所示。

表6 碳纖維透水混凝土配合比

由圖8,圖9可以看出，隨著碳纖維摻量的增加，透水混凝土的質(zhì)量損失率不斷減小，相對彈性模量隨著纖維摻量提高隨之提高，而且當(dāng)纖維摻量0.1%時，質(zhì)量損失率就明顯下降，當(dāng)摻量繼續(xù)增加時，質(zhì)量損失率和相對彈性模量變化趨緩。這是由于大部分碳纖維被水泥漿體包裹，膠結(jié)層與骨料形成黏結(jié)作用，增大了碳纖維與粗骨料間的密實(shí)程度，從而整體上提高了透水混凝土的強(qiáng)度，減小了質(zhì)量損失率，提高了相對彈性模量。加之碳纖維的強(qiáng)度高、彈性模量大，可減弱混凝土的開裂，但摻量增加時，與其他纖維類似，纖維的分散性下降降低了混凝土的均勻性，因此其抗凍性并非纖維摻量越多提高幅度就越大。

4 結(jié)語

1)無論哪種纖維，隨著纖維摻量的增加，透水混凝土的抗凍性能均能得到提高。

2)在各自的配合比體系中，玄武巖纖維摻量6 kg/m3，聚丙烯纖維的摻量在1 kg/m3，剛性聚丙烯纖維摻量9.1 kg/m3，碳纖維摻量在0.5%，透水混凝土的抗凍性均得到最大程度提升。

3)無論哪種纖維，摻量均不是越多越好，摻量過大會使透水混凝土的抗凍性降低或者抗凍性不明顯。