玄武巖纖維對透水混凝土性能的影響

姜?jiǎng)P涵,楊 雪,蘭巖松,孫劍飛

(黑龍江大學(xué) a.建筑工程學(xué)院;b.水利電力學(xué)院,哈爾濱 150086)

0 引 言

隨著社會(huì)不斷發(fā)展,城市化水平不斷提升,在科技水平進(jìn)步的同時(shí),城市內(nèi)災(zāi)害也在不斷加劇,如城市雨洪災(zāi)害、水污染以及熱島效應(yīng)等城市生態(tài)問題也日益凸顯[1]。為此,我國在2017年提出“海綿城市”新一代城市雨洪管理概念[2]。城市能夠像海綿一樣,彈性應(yīng)對由雨水引發(fā)的自然災(zāi)害,由此透水混凝土開始得到大力發(fā)展。但由于透水混凝土空隙較大,其承載能力的提升一直是透水混凝土發(fā)展的核心要素[3]。

玄武巖纖維是以純天然的玄武巖為原料,經(jīng)高溫熔融、拉絲制成,在形成過程中不產(chǎn)生有害氣體,是21世紀(jì)的一種新型環(huán)保增強(qiáng)材料[4]。玄武巖纖維化學(xué)性能穩(wěn)定,具有良好的抵抗水、酸、堿等介質(zhì)侵蝕的能力,且具有優(yōu)越的力學(xué)性能。在透水混凝土中摻入玄武巖纖維,可從兩個(gè)方面改變混凝土狀態(tài):①在混凝土制備方面,玄武巖纖維的摻入可改變攪拌物狀態(tài);②玄武巖纖維摻入可改變混凝土微觀界面性能,從而提升混凝土性能[5-8]。摻入纖維的透水混凝土骨料之間有纖維連接,能夠增強(qiáng)其抗壓、抗彎強(qiáng)度[9-12]。但纖維的摻入量應(yīng)當(dāng)適量,使透水混凝土中的纖維增強(qiáng)性能凸顯,而一旦纖維摻入過多,當(dāng)整體受力時(shí)易產(chǎn)生纖維的拔出破壞,局部破壞的產(chǎn)生使其整體性能被削弱,故強(qiáng)度降低[13]。

本次試驗(yàn)的目的是研究透水混凝土中的最優(yōu)纖維參量,分析玄武巖纖維對透水混凝土的物理性能和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原料

水泥:采用寰宇水泥制品公司生產(chǎn)的天鵝牌 P·O42.5復(fù)合硅酸鹽水泥,并且經(jīng)檢驗(yàn)安定性合格。

集料:試驗(yàn)選取5～10mm、表觀密度為2 700kg/m3的碎石。

玄武巖纖維:采用長度為12mm的玄武巖纖維。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用長12mm玄武巖纖維,主要技術(shù)指標(biāo)見表1。玄武巖纖維按體積參量分別為0.05%、0.1%、0.15%、0.2%,透水混凝土目標(biāo)空隙率為20%,水灰比設(shè)計(jì)值為0.28。

表1 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 力學(xué)性能測試

透水混凝土抗壓強(qiáng)度測試,采用100mm×100mm×100mm的立方體試件。采用MTS壓力試驗(yàn)機(jī),將試件養(yǎng)護(hù)7、28d后取出,擦干試件上下承接面,放在試驗(yàn)機(jī)下均勻連續(xù)地施加荷載?？拐蹚?qiáng)度是透水混凝土力學(xué)性能的重要指標(biāo),本試驗(yàn)采用100mm×100mm×400mm的棱柱體試件,試件底部支座間距200mm,連續(xù)均勻地對試件增加荷載,試件破壞時(shí)記錄其破壞強(qiáng)度。

1.3.2 透水性能測試

透水混凝土的透水系數(shù)測定方法采用常水頭法測試。通過常水頭法,測量單位時(shí)間內(nèi)的滲透量Q、兩側(cè)壓口中心之間的樣品高度L、平均水位差H以及所用的時(shí)間t,計(jì)算公式如下:

(1)

本試驗(yàn)采用質(zhì)量法進(jìn)行空隙率的測試。將試件放置于水中,使其達(dá)到飽和狀態(tài),在水中測得試件的質(zhì)量為W1;將試件取出后,放置在空氣中干燥,待試件質(zhì)量穩(wěn)定時(shí)測得試件質(zhì)量為W2;試件的體積為V,空隙率為P,計(jì)算公式如下:

(2)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 玄武巖纖維摻量對透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖1中,隨著玄武巖纖維體積摻量的增加,透水混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度呈先逐漸增強(qiáng)后降低的趨勢。當(dāng)玄武巖纖維摻量達(dá)到0.1%時(shí),透水混凝土28d強(qiáng)度高于同齡期試塊強(qiáng)度達(dá)到17.61MP,相比同齡期素透水混凝土抗壓強(qiáng)度提升約15%。隨著玄武巖纖維摻量的增加,透水混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢。

圖1 玄武巖纖維摻量對抗壓強(qiáng)度影響

玄武巖纖維摻量大于0.1%后,透水混凝土的強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加而減小。因?yàn)樾鋷r纖維的比表面積較大,當(dāng)膠凝性材料摻量相同時(shí),玄武巖纖維含量的增加影響水泥膠漿對骨料的包裹度,導(dǎo)致骨料之間的黏結(jié)層薄弱;當(dāng)玄武巖纖維摻量過多后,纖維在攪拌時(shí)易發(fā)生“團(tuán)聚”現(xiàn)象,從而導(dǎo)致膠結(jié)層薄弱,使透水混凝土試塊抗壓強(qiáng)度降低。摻入適量的玄武巖纖維時(shí),纖維可以均勻分散在透水混凝土試塊內(nèi)部,纖維與膠凝性材料結(jié)合較好,增強(qiáng)了透水混凝土內(nèi)部膠凝性材料與骨料的黏結(jié)性能。并且纖維的摻入可以增強(qiáng)透水混凝土內(nèi)部骨料的連接,從而使透水混凝土內(nèi)部受力面積增加,使試塊抗壓承載力提升。

2.2 玄武巖纖維參對透水混凝土抗折強(qiáng)度的影響

圖2中,隨著玄武巖纖維摻量的增加,透水混凝土試塊的抗折強(qiáng)度呈先逐漸增強(qiáng)后降低的趨勢。當(dāng)玄武巖摻量達(dá)到0.1%時(shí),透水混凝土28d強(qiáng)度高于同齡期試塊強(qiáng)度達(dá)到6.28MPa,相比同齡期素透水混凝土試塊抗折強(qiáng)度提升約81%。隨著玄武巖纖維摻量的增加,透水混凝土抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢。

圖2 玄武巖纖維摻量對抗折強(qiáng)度影響

適量玄武巖纖維的摻入,可均勻分散在透水混凝土試塊內(nèi)部,對試塊內(nèi)部骨料與膠凝性材料起到較好的連接作用,增強(qiáng)試塊內(nèi)部整體性、連續(xù)性。根據(jù)纖維阻裂理論,摻入適量的纖維可以減小混凝土內(nèi)部裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子,抑制裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展,從而使混凝土初裂強(qiáng)度提升。普通透水混凝土強(qiáng)度偏低的主要原因是內(nèi)部空隙偏多,骨料之間連續(xù)性不強(qiáng),當(dāng)適量纖維的摻入使透水混凝土內(nèi)部連續(xù)性增強(qiáng),因此適量的纖維摻入可使透水混凝土強(qiáng)度提升。

2.3 透水性能分析

圖3和圖4中,透水混凝土中摻入玄武巖纖維后,透水混凝土孔隙率、透水系數(shù)均呈下降趨勢。當(dāng)纖維摻量為0%時(shí),孔隙率為21.3,透水系數(shù)為4.82;當(dāng)纖維摻量為1%時(shí),孔隙率為20.7,透水系數(shù)為4.45,分別下降3%、8%。

圖3 玄武巖纖維摻量對孔隙率的影響

圖4 玄武巖纖維對透水系數(shù)的影響

透水性能下降的主要原因,一方面是纖維的摻入增強(qiáng)了混凝土內(nèi)部骨料的連接,對混凝土內(nèi)部孔隙造成堵塞,使得混凝土透水性能降低。另一方面,隨著纖維摻量的增強(qiáng),會(huì)伴隨“團(tuán)聚”現(xiàn)象的發(fā)生,從而造成孔隙堵塞,使透水混凝土的透水性能降低。

3 結(jié) 論

1)玄武巖纖維的摻入可以提升透水混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度,但玄武巖纖維摻入過多時(shí),會(huì)造成混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度下降。

2)玄武巖纖維最優(yōu)體積摻量為0.1%,此時(shí)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度分別為17.61、6.28MPa。比素混凝土分別提升約15%、81%,且透水性能降低不顯著。

3)根據(jù)纖維間距理論,適量等間距的纖維摻入混凝土后,能夠減少內(nèi)部應(yīng)力,增強(qiáng)混凝土初裂強(qiáng)度,抑制裂隙擴(kuò)張,從而提升混凝土力學(xué)性能。而且,適量纖維的摻入使混凝土內(nèi)部受力面增加,增強(qiáng)內(nèi)部骨料的連接,提升了透水混凝土內(nèi)部連續(xù)性、整體性。因此,玄武巖纖維的最優(yōu)體積摻量為0.1%時(shí),透水混凝土整體性能提升。