對(duì)玄武巖纖維廢陶瓷再生骨料透水混凝土力學(xué)性能和透水性能的探究

姚紅利, 鄭竣方, 周晚, 彭丹, 劉旭

[摘要]以玄武巖纖維摻入量和廢陶瓷骨料取代率為變量，進(jìn)行配合比試驗(yàn)，研究不同摻量的玄武巖纖維和廢陶瓷再生骨料對(duì)透水混凝土力學(xué)性能和透水性能的影響。結(jié)果表明：隨著玄武巖纖維摻量增加，抗壓強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)，但混凝土透水性能隨之降低；隨著陶瓷取代率的增加，混凝土的透水性能逐漸增強(qiáng)。試驗(yàn)得出最優(yōu)方案為：當(dāng)廢陶瓷取代率為 40%，纖維體積摻量為0.15%，此時(shí)混凝土試件性能較好。

[關(guān)鍵詞]透水混凝土； 廢陶瓷； 玄武巖纖維； 力學(xué)性能； 透水性能

[中國(guó)分類(lèi)號(hào)]TU528.572? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

0引言

近幾年來(lái)，許多國(guó)內(nèi)外研究者都著重于再生骨料透水混凝土力學(xué)性能和透水性能的研究。我國(guó)在透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)與配制方法上較為落后，導(dǎo)致成型后的透水混凝土出現(xiàn)強(qiáng)度偏低、透水性能較差等問(wèn)題。20世紀(jì)初期，美國(guó)就開(kāi)始對(duì)陶瓷進(jìn)行加工處理，用來(lái)取代混凝土中的石子，并研究一般混凝土的力學(xué)系性能，由此揭開(kāi)了人們對(duì)于陶瓷開(kāi)發(fā)和利用的新篇章，后來(lái)的學(xué)者們循著足跡也對(duì)陶瓷進(jìn)行了一系列的研究［1-5］。在眾多纖維中，玄武巖纖維具有耐高溫、耐腐蝕、高抗拉強(qiáng)度等優(yōu)異性能，被認(rèn)為是建筑材料里性?xún)r(jià)比較高的纖維材料［6-9］。

隨著我國(guó)城市快速發(fā)展，大量不滲透地表的出現(xiàn)，使自然條件下的水文機(jī)理發(fā)生了變化。同時(shí)，我國(guó)每年都會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄陶瓷，將大量的廢棄陶瓷合理地利用起來(lái)，用于混凝土路面中，并使其具有良好的透水性和承載力，這將會(huì)更好地節(jié)約資源，有利于環(huán)境。所以本文提出了玄武巖纖維廢陶瓷再生骨料透水混凝土。以玄武巖纖維摻量和廢陶瓷再生骨料取代率作為本文試驗(yàn)的變量，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)的測(cè)定。從這2個(gè)方面研究對(duì)透水混個(gè)凝土土力學(xué)性能和透水性能的影響。

1原材料與試驗(yàn)方法

1.1原材料

（1）水泥：P·O 42.5級(jí)水泥，各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

（2）硅灰：硅灰采用鄭州恒諾濾材有限公司產(chǎn)硅灰，外觀顏色呈灰色，SIO2含量不少于94%，平均粒徑在0.1～0.3 μm，比表面積為20～28 m2/g。

（3）粗骨料：本次試驗(yàn)的粗骨料采用單級(jí)配，選用的是天然骨料和再生骨料，其中回收的再生骨料是從陶瓷廢料中提取的，經(jīng)過(guò)人工粉碎，然后經(jīng)人工篩料，得到粒徑為10～20 mm的再生粗骨料。

（4）纖維：采用長(zhǎng)度為18 mm的玄武巖纖維，各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

（5）水：拌和用水為生活飲用自來(lái)水。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1試件成型

首先，把稱(chēng)量好的骨料和纖維在攪拌器中攪拌50 s，使纖維和骨料充分混合，由于再生骨料的吸水率高，先加水預(yù)濕骨料，攪拌50 s，再加水泥攪拌60 s，模具為150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，分兩層填充，每層插入25次，并在振搗臺(tái)上振搗1次。在室溫下24 h成型后拆模，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28天，28天后即可脫模制成混凝土試件［10］。

1.2.2抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法

在本試驗(yàn)中，按GB/50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度的測(cè)定?？箟簭?qiáng)度測(cè)定使用的試件為150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)的立方體。在試驗(yàn)中，采用連續(xù)均勻的加載方式，透水混凝土強(qiáng)度較普通混凝土低，通常為C30以下，按設(shè)計(jì)要求，加載速率為0.3～0.5 MPa/s?；炷亮⒎襟w抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式為式（1）。

fcc=F/A（1）

式中：fcc為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度（MPa）；F為試件破壞荷載（N）；A為試件承壓面積（mm2）。

1.2.3透水系數(shù)測(cè)試方法

本文采用變水頭法測(cè)量滲透系數(shù)，試驗(yàn)設(shè)備采用自制設(shè)備，測(cè)量設(shè)備見(jiàn)圖1。試驗(yàn)用的試件的大小是 150 mm×150 mm×150 mm。用一個(gè)透明的塑料量杯，將量杯的底部切出開(kāi)口，并在其表面標(biāo)注好刻度，以便于控制水量。

分別對(duì)每組混凝土試塊進(jìn)行透水性能的測(cè)定，混凝土試塊如圖2。采用工業(yè)油性橡皮泥將混凝土試塊四周密封，抹平均勻，防止漏水，如圖3 所示。待橡皮泥成后凝結(jié)后，用凡士林試劑和橡皮泥將試塊和塑料方管連接在一起，如圖4 所示。凡士林和橡皮泥的好處是密封性好，價(jià)格便宜，拆除方便且干凈。向塑料量杯中加水至超過(guò)刻度 200 mm，觀察試塊中有水滲出，液面下降至V1（150 mm）時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)為t1，當(dāng)水面下降至V2（50 mm）時(shí)將時(shí)間記為t2。透水系數(shù)按式（2）計(jì)算。

K=（V1-V2）/（t1-t2）（2）

式中：K為透水系數(shù)（mm/s），精確至 0.01［11］。

1.2.4試驗(yàn)分析方法

采用功效系數(shù)法，以每次試驗(yàn)的總功效系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，使試驗(yàn)結(jié)果大大簡(jiǎn)化。假定設(shè)計(jì)考核ｎ個(gè)指標(biāo)，ｊ組試驗(yàn)各指標(biāo)經(jīng)歸一化處理后的功效系數(shù)為dji，dji＝１表示第ｉ個(gè)指標(biāo)的效果最好。試驗(yàn)總共為９組，設(shè)第ｊ組試驗(yàn)的考核指標(biāo)抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)歸一化處理后，功效系數(shù)分別為dj1，dj2，則第ｊ組試驗(yàn)的總功效系數(shù)dｊ為式（3）。

dj=dj1×dj2（3）

總功效系數(shù)最大者綜合性能最優(yōu)［12］。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)試配發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)孔隙率為15%、水灰比為0.5時(shí)能使透水混凝土同時(shí)獲得較好的透水性和強(qiáng)度。配合比設(shè)計(jì)采用體積法進(jìn)行，先根據(jù)單位體積粗集料緊密堆積密度計(jì)算出單位體積粗集料用量，然后根據(jù)粗集料緊密堆積孔隙率和設(shè)計(jì)孔隙率計(jì)算出膠結(jié)料漿體體積，最后根據(jù)設(shè)計(jì)水灰比和硅灰摻量，依次算出單位體積水的用量、單位體積水泥的用量以及單位體積硅灰的用量。根據(jù)CJJ/T 135-2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》中的公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終配合比設(shè)計(jì)如表3所示［13］。

2.2試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)的結(jié)果及歸一化處理見(jiàn)表4。從表4分析可知，廢陶瓷取代率40％，玄武巖纖維摻量0.15％的因素組合時(shí)，B組試驗(yàn)的總功效系數(shù)最大，透水混凝土的力學(xué)性能和透水性能均較好，其綜合性能最好。

2.3抗壓強(qiáng)度

A、 B、 C組的試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到28天時(shí)的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。隨著陶瓷取代率和纖維摻入量的增加，抗壓強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)。在A組試驗(yàn)中廢陶瓷取代率為20%，纖維摻量為0％，抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到24.3 MPa。在B組試驗(yàn)中廢陶瓷取代率為40%，纖維摻量為0.15％，抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到27.4 MPa，相比A組有所提升，主要是因?yàn)閾饺攵潭?xì)且均勻分布的玄武巖纖維后，玄武巖纖維填充了再生骨料透水混凝土的部分孔隙，使得混凝土基體更加密實(shí)，同時(shí)在水泥硬化過(guò)程中，水泥漿能有效的將纖維、骨料和水泥漿等混凝土混合物凝固在一起，從而提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度［13］。在C組試驗(yàn)中廢陶瓷取代率為60%，纖維摻量為0.30％，抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到26.1MPa，相比B組有所下降，主要是因?yàn)閺U陶瓷骨料的力學(xué)性能低于天然石子骨料的力學(xué)性能，隨著廢陶瓷取代率不斷提升，廢陶瓷摻量增大，在加壓過(guò)程中，易被破壞導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低；并且隨著纖維摻入量的增加，纖維不易均勻的分散，容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，從而影響水泥漿骨料的粘結(jié)度，降低試件的抗壓強(qiáng)度［14］。

如圖5所示，未摻入玄武巖纖維的圖5（a），在混凝土破壞時(shí)，透水混凝土周?chē)霈F(xiàn)多個(gè)裂紋，隨著骨料和水泥漿薄膜斷裂破壞，裂縫處的水泥與粗骨料的形成的塊狀物就會(huì)散落， 圖5（b）中透水混凝土破壞時(shí)表面出現(xiàn)一條主要裂紋，盡管試樣已完全破碎，但由于玄武巖纖維加入水泥膠漿中，使被破壞的試件沒(méi)有發(fā)生散落，阻止了裂紋的擴(kuò)展，防止了脆性的破壞，從而提高試件的抗壓強(qiáng)度。

2.4透水系數(shù)

透水混凝土的透水系數(shù)會(huì)隨著纖維摻量和陶瓷的取代率的增加而變化。當(dāng)陶瓷取代率為20%，纖維摻入量為0，透水混凝土系數(shù)約為2.45 mm/s；當(dāng)陶瓷取代率為40%，纖維摻入量為0.15%，透水系數(shù)為2.49 mm/s，摻長(zhǎng)度18 mm的玄武巖纖維的試件透水系數(shù)與未摻纖維的試件相比，透水系數(shù)增加了0.04 mm/s。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因是，隨著纖維摻量的增加，透水系數(shù)逐漸降低，但變化趨勢(shì)不顯著，仍能滿(mǎn)足規(guī)范中對(duì)透水系數(shù)的要求，所以主要考慮陶瓷的取代率，隨著陶瓷取代率的增加，透水混凝土的透水系數(shù)隨之增加；當(dāng)陶瓷取代率為60%，纖維摻入量為0.3%，透水混凝土的透水系數(shù)達(dá)到最佳，透水系數(shù)約為2.56 mm/s，相較前一組透水混凝土，透水系數(shù)增加了0.07 mm/s。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出的結(jié)論是，陶瓷取代率的增加，增加大了混凝土間的間隙，有利于增大混凝土的透水性能。隨著纖維的增加，會(huì)減小混凝土間的間隙，即減低混凝土的透水性能，但是相較于前者影響較?。?5］。

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)廢棄陶瓷替代率和玄武巖纖維摻入量因素對(duì)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度及透水系數(shù)的分析，得出結(jié)論：

（1）在0.15%纖維和40%陶瓷替代物的情況下，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到27.2 MPa，再生骨料混凝土具有較好的抗壓強(qiáng)度。隨著陶瓷取代率的增加，混凝土的強(qiáng)度的會(huì)有所降低，但是隨著玄武巖纖維摻量的增加，會(huì)提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，最終相比于不摻入纖維的強(qiáng)度還是有所提高。但是隨著陶瓷取代率和纖維摻入量繼續(xù)增加，纖維易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，從而不利于水泥的抗壓強(qiáng)度，所以當(dāng)陶瓷取代率為60%，纖維摻入量為0.30%時(shí)，強(qiáng)度相較于第二組有所降低。

（2）隨著陶瓷取代率的增加，增大了混凝土間隙，有利于增大混凝土的透水性能。隨著纖維的增加，會(huì)減小混凝土間的間隙，所以會(huì)減低混凝土的透水性能，但是相較于前者影響較小。所以當(dāng)陶瓷取代率為60%，纖維摻入量為0.30%時(shí)，實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的透水性能最好，透水系數(shù)為0.56 mm/s。

（3）通過(guò)綜合評(píng)估再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)得知，當(dāng)陶瓷取代率為40%，纖維摻入量為0.15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為27.2 MPa，透水系數(shù)為2.50 mm/s，骨料混凝土的各項(xiàng)性能最優(yōu)。

參考文獻(xiàn)

［1］Anderson D J， Smith S T， Au F T K. Mechanical properties of concrete utilising waste ceramicas coarse aggregate［J］. Construction & Building Materials， 2016， 117：20-28

［2］RM.Senthamarai，P.Devadas Manoharan. Concrete with ceramic waste aggregate. Cement &Concrete Composites 27 （2005）： 910-913.

［3］A.M.Mustafa Al Bakri，M.N.Norazian，H.Kamarudin，et al. Strengthof Concrete Based Cement Using Recycle Ceramic Waste as Aggregate ［J］. Advanced MaterialsResearch， 2013， 2487（740）.

［4］毋雪梅，李愿，管宗甫.廢棄陶瓷再生混凝土及界面研究［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2010，31（2）：35-38.

［5］姜洪坤，李瑤，魏東岳，等.再生陶瓷骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度及透水性研究［J］.遼寧化工，2020，49（3）：227-232.

［6］武松梅，王新厚.玄武巖纖維在混凝土中的應(yīng)用與分析［J］.平頂山學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，29（5）：47-49.

［7］吳智深.玄武巖纖維及其復(fù)合材料作為建材的創(chuàng)新應(yīng)用［J］.江蘇建材，2018（4）：15-22.

［8］Tehmina Ayub， Nasir Shafiq， Fadhil Nuruddin. M. Mechanical properties of high-performance concrete reinforced with basalt fibers. Fourth International Symposium on Infrastructure Engineering in Developing Countries， IEDC， 2013.

［9］Tehmina Ayub， Nasir Shafiq， Fadhil Nuruddin. M. Mechanical properties of high-performance concrete reinforced with basalt fibers. Fourth International Symposium on Infrastructure Engineering in Developing Countries， IEDC， 2013.

［10］薛冬杰，劉榮桂，徐榮進(jìn)，等.再生骨料透水性混凝土的制備與基本性能研究［J］.混凝土，2013（6）：124-127.

［11］王盟盟.玄武巖纖維透水混凝土的研制和性能試驗(yàn)研究［D］.鄭州：中原工學(xué)院，2020.

［12］陳春紅，朱平華.再生骨料制備透水水泥混凝土性能研究［J］.公路，2013（10）：170-173.

［13］郭磊，劉思源，陳守開(kāi)，等.纖維改性再生骨料透水混凝土力學(xué)性能透水性和耐磨性研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35（2）：153-160.

［14］張文遠(yuǎn).PVA纖維廢陶瓷再生骨料透水混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究［D］.河南信陽(yáng)：信陽(yáng)師范學(xué)院，2019.

［15］陳堯.玄武巖纖維再生骨料透水混凝土性能試驗(yàn)研究［D］.錦州： 遼寧工業(yè)大學(xué)，2018.