硅灰-玄武巖纖維改性透水混凝土力學(xué)性能與耐久性研究 ①

□□ 鄒德強(qiáng),李存寶,張健飛,宮亞峰,劉國(guó)升,王曉蘭

(1.長(zhǎng)春空港翔城建材有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130524;2.吉林大學(xué) 交通學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130022)

引言

近年來(lái),由于城市洪水頻發(fā)、地下水位日趨下降及城市熱島效應(yīng)加劇等[1]問(wèn)題的出現(xiàn),透水路面引起諸多學(xué)者的關(guān)注。透水混凝土因其高孔隙結(jié)構(gòu),在存儲(chǔ)與滲透雨水[2]、提升路面防滑性、補(bǔ)充地下水、改善城市濕度[3]等方面優(yōu)勢(shì)明顯。但由于其內(nèi)部多孔,各材料之間的粘結(jié)層薄弱,密實(shí)度較差,致使其強(qiáng)度低,且耐久性差[4],這些不足使得其在季凍區(qū)的應(yīng)用推廣受限。因此,平衡滲透性與耐久性的關(guān)系已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

為了在保證滲透性的前提下提高透水混凝土的強(qiáng)度和耐久性能,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量的研究,并取得了諸多成果。尹志剛等[5]、陳建智等[6]利用正交試驗(yàn)研究了硅灰摻量對(duì)透水混凝土性能的影響,得出硅灰對(duì)透水混凝土強(qiáng)度影響顯著,且適宜摻量為6%～7%。謝沛蓉[7]、陳平等[8]研究硅灰、粉煤灰及廢石粉等礦物摻合料對(duì)透水混凝土的影響,通過(guò)SEM分析得出:適量硅灰的摻入可有效提升透水混凝土的強(qiáng)度且較優(yōu)摻量為6%～10%。何明[9]通過(guò)單因素試驗(yàn)分析法確定了硅灰的最佳摻量為4%～8%,且摻入硅灰后混凝土強(qiáng)度與抗凍性均有所提高。葉穆平等[10]、明瑞平等[11]通過(guò)試驗(yàn)分析得出當(dāng)硅灰摻為10%時(shí),抗壓強(qiáng)度損失率下降近70%,表明硅灰對(duì)透水混凝土的抗凍性具有顯著效果。LIU H B等[12]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試硅灰改性透水混凝土的力學(xué)性能與耐久性,結(jié)果表明:用硅灰等體積替代水泥顯著提高了透水混凝土的強(qiáng)度和抗凍融性能,且對(duì)滲透性能影響不大。

王盟盟[13]和王維舟[14]研究了玄武巖纖維體積摻量對(duì)透水混凝土強(qiáng)度與滲透性能的影響規(guī)律,結(jié)果表明:纖維體積摻量為0.1%時(shí)滲透性能達(dá)到最佳;隨著纖維體積摻量的增加,強(qiáng)度先升高后降低,當(dāng)體積摻量為0.15%時(shí)達(dá)到最佳。許耀[15]和劉振祥[16]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)采用極差分析法對(duì)不同影響因素進(jìn)行測(cè)試分析,得出玄武巖纖維的摻入可以提高透水混凝土強(qiáng)度及抗凍性能,玄武巖纖維較優(yōu)摻量為3 kg·m-3。劉思宇[17]和陳祥生[18]采用控制變量法進(jìn)行試驗(yàn)探究,得出隨著纖維摻量的增多,透水混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗凍性能逐漸下降,最優(yōu)摻量為2 kg·m-3。但現(xiàn)有研究主要集中于分析單一摻合料對(duì)透水混凝土強(qiáng)度的影響,在復(fù)合改性透水混凝土強(qiáng)度方面研究較少。此外,幾乎沒(méi)有研究集中于其耐久性方面。

基于上述研究不足,擬著重研究在不同摻量的硅灰及玄武巖纖維共同作用下透水混凝土的力學(xué)性能及耐久性能。采用控制變量法設(shè)計(jì)試驗(yàn),對(duì)改性透水混凝土的抗壓強(qiáng)度、孔隙率和凍融循環(huán)質(zhì)量損失率等指標(biāo)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),確定摻合料最優(yōu)摻量,為合理設(shè)計(jì)硅灰-玄武巖纖維改性透水路面提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

研究采用P·Ⅰ 42.5水泥,購(gòu)自吉林亞泰水泥公司;粗骨料為4.75～9.5 mm級(jí)配的玄武巖碎石,技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1;硅灰為河南鉑潤(rùn)鑄造材料有限公司提供的SF96型硅灰,其化學(xué)成分和物理性質(zhì)見(jiàn)表2;膠結(jié)劑購(gòu)于江蘇佳境生態(tài)工程技術(shù)有限公司,技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3;玄武巖纖維由海寧市丁橋安邦建材有限公司提供,相關(guān)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表2 硅灰化學(xué)成分和物理性質(zhì)

表3 膠結(jié)劑技術(shù)指標(biāo)

表4 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

按照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》[19]進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。試驗(yàn)采用等效體積法,分別用6%、8%、10%、12%和14%的硅灰替代水泥制備硅灰改性透水混凝土;在摻入10%硅灰的基礎(chǔ)上分別外摻1 kg·m-3、2 kg·m-3和3 kg·m-3玄武巖纖維制備硅灰-玄武巖纖維復(fù)合改性透水混凝土。另外,制備普通透水混凝土作為對(duì)照組。試驗(yàn)選用集料粒徑為4.75～9.5 mm,設(shè)計(jì)孔隙率為15%,水膠比為0.3,膠結(jié)劑用量為膠凝材料的2%,具體試驗(yàn)配合比見(jiàn)表5,粗骨料級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 透水混凝土制備流程

表5 A系列透水混凝土配合比 kg·m-3

1.3 試驗(yàn)方法

孔隙率與透水混凝土透水性能直接相關(guān),參照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》[19]采用重量法進(jìn)行有效孔隙率試驗(yàn),如圖2所示。測(cè)定力學(xué)性能時(shí),參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[20]要求進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)。測(cè)定耐久性時(shí),參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[21]采用快凍法進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn);凍融循環(huán)次數(shù)水平設(shè)置為20次、40次、60次、80次、100次和120次,分別測(cè)試各組試件的質(zhì)量,由此得出不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件的質(zhì)量損失率;凍融循環(huán)終止條件為質(zhì)量損失率>5%,凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖2 靜水天平

圖3 透水混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

各配合比試件的抗壓強(qiáng)度、有效孔隙率以及凍融循環(huán)質(zhì)量損失率結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 抗壓強(qiáng)度

2.1.1硅灰對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

硅灰改性混凝土抗壓強(qiáng)度如圖4所示。由圖4可知,與普通透水混凝土相比,硅灰的摻入提高了其抗壓強(qiáng)度。隨著硅灰摻入量的增加,強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)硅灰摻入量為10%時(shí),抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大,此時(shí)抗壓強(qiáng)度比對(duì)照組提升了17.2%。

圖4 硅灰改性混凝土抗壓強(qiáng)度

這是由于硅灰中的化學(xué)成分與水泥水化物發(fā)生火山灰反應(yīng),形成新型漿體凝膠,優(yōu)化原本水泥漿體與集料之間的界面效應(yīng)。此外,由于硅灰粒徑較小,復(fù)合膠凝材料漿體微孔隙結(jié)構(gòu)分布更加均勻,進(jìn)而提升了改性透水混凝土強(qiáng)度。隨著硅灰摻量繼續(xù)增加,水泥量逐漸減小,無(wú)法形成足夠的火山灰類(lèi)C-S-H凝膠,致使強(qiáng)度下降。由此可見(jiàn),適量的硅灰有助于提升透水混凝土強(qiáng)度,最優(yōu)摻量為10%。

2.1.2玄武巖纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

硅灰-玄武巖纖維改性混凝土抗壓強(qiáng)度如圖5所示。由圖5可知,隨著纖維摻量的增加,復(fù)合改性透水混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)纖維摻入量為2 kg·m-3時(shí),抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大,此時(shí)抗壓強(qiáng)度比未摻纖維組提升了4.5%。這是因?yàn)閾饺肜w維后,纖維會(huì)附著在骨料周?chē)鷮⑵浒?形成更加穩(wěn)定的纖維骨架網(wǎng)結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)整體性與內(nèi)部密實(shí)度增強(qiáng),從而強(qiáng)度提高。當(dāng)摻入過(guò)量纖維時(shí),膠凝材料漿體不足,無(wú)法將纖維充分包裹,游離的纖維將聚攏成團(tuán)附著在骨料周?chē)?使膠凝材料與骨料之間接觸面積減小,強(qiáng)度下降。因此,適宜的玄武巖纖維有助于提升透水混凝土強(qiáng)度,最優(yōu)摻量為2 kg·m-3。

圖5 硅灰-玄武巖纖維改性混凝土抗壓強(qiáng)度

2.2 孔隙率

2.2.1硅灰對(duì)孔隙率的影響

硅灰改性混凝土孔隙率如圖6所示。根據(jù)圖6可以看出,硅灰的摻入對(duì)改性透水混凝土的孔隙率無(wú)顯著影響。此次試驗(yàn)基于等體積法采用硅灰等體積替代水泥制備試件,所制備試樣的總體積并沒(méi)有因硅灰的摻入而發(fā)生巨大改變。除此之外,各組配合比的試件實(shí)測(cè)孔隙率(12.3%～13.2%)均小于設(shè)計(jì)孔隙率(15%),這是由于設(shè)計(jì)孔隙率中包括開(kāi)孔、半開(kāi)孔以及閉口孔隙,而實(shí)測(cè)孔隙率只能測(cè)出前兩者,因而實(shí)測(cè)孔隙率要略小一些,這也說(shuō)明該試驗(yàn)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。由此可見(jiàn),硅灰等體積替代水泥并不會(huì)對(duì)透水混凝土孔隙率造成影響。

圖6 硅灰改性混凝土孔隙率

2.2.2玄武巖纖維對(duì)孔隙率的影響

硅灰-玄武巖纖維改性混凝土孔隙率如圖7所示。由圖7可知,隨著玄武巖纖維摻量的增加,透水混凝土的孔隙率減小。當(dāng)摻入少量的玄武巖纖維時(shí),纖維會(huì)進(jìn)入混凝土開(kāi)孔和半開(kāi)孔隙的內(nèi)部,造成閉口孔隙數(shù)量增加,從而導(dǎo)致孔隙率下降。但當(dāng)摻入過(guò)多纖維時(shí),纖維將聚攏成團(tuán)附著在骨料周?chē)⑻畛湓诳紫吨?造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙大量堵塞,使得連通孔隙體積大量減少,孔隙率大幅度降低。由此可見(jiàn),過(guò)量的玄武巖纖維會(huì)對(duì)透水混凝土孔隙率造成影響。

圖7 硅灰-玄武巖纖維改性混凝土孔隙率

2.3 凍融循環(huán)

2.3.1硅灰對(duì)凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果的影響

硅灰改性混凝土質(zhì)量及質(zhì)量損失率如圖8和圖9所示。由圖8可以看出,對(duì)于對(duì)照組與硅灰改性組來(lái)說(shuō),試件質(zhì)量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減少,表明透水混凝土耐久性隨著凍融次數(shù)增加而逐漸退化。根據(jù)圖9可知,各組質(zhì)量損失率均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí),對(duì)照組試件質(zhì)量損失率明顯高于改性組,表明硅灰的摻入改善了透水混凝土的耐久性,這是由于硅灰的摻入增強(qiáng)了膠凝材料表面的附著力,減少內(nèi)部滲透壓力,整體結(jié)構(gòu)密實(shí)度增加,進(jìn)而減少了凍融條件下的劣化損傷。當(dāng)硅灰摻量為10%時(shí),相同條件下此組配合比試件質(zhì)量損失率最小,這是由于過(guò)少或過(guò)多的硅灰均不能使其與水泥水化物之間的特定化學(xué)反應(yīng)達(dá)到最佳。因此,硅灰的摻入提升了透水混凝土抗凍性,且最優(yōu)摻量為10%,凍融循環(huán)次數(shù)可達(dá)120次。

圖8 硅灰改性混凝土質(zhì)量

圖9 硅灰改性混凝土質(zhì)量損失率

2.3.2玄武巖纖維對(duì)凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果的影響

硅灰-玄武巖纖維改性混凝土質(zhì)量及質(zhì)量損失率如圖10和圖11所示。由圖8和圖10可知,對(duì)于任何形式的透水混凝土而言,混凝土抗凍性均隨著凍融次數(shù)增加而逐漸劣化。根據(jù)圖11可以看出,當(dāng)摻入適量纖維時(shí),試件質(zhì)量損失率隨著纖維摻量的增加而下降,因?yàn)槔w維的摻入會(huì)與骨料融合形成纖維骨架網(wǎng)結(jié)構(gòu),產(chǎn)生抵抗裂縫拓展的特殊應(yīng)力,抵御凍融膨脹收縮產(chǎn)生的拉力,阻止結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫的出現(xiàn)與蔓延,進(jìn)而達(dá)到質(zhì)量損失率減少的效果。但當(dāng)纖維摻量過(guò)高時(shí),多余的纖維則聚攏成團(tuán)分布在結(jié)構(gòu)內(nèi)部,使得膠凝材料與骨料纖維網(wǎng)接觸面積變少,最終導(dǎo)致抗凍性變差,質(zhì)量損失率增加。由此可見(jiàn),摻入適量的玄武巖纖維可以抑制裂縫擴(kuò)散,提升透水混凝土耐久性。

3 結(jié)論

通過(guò)分析硅灰以及玄武巖纖維對(duì)透水混凝土性能的影響,可得到以下結(jié)論:

3.1 硅灰的摻入可以提高透水混凝土的抗壓強(qiáng)度,適量的硅灰可使混凝土強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)。采用等體積法制備的試件孔隙率并未隨著硅灰的摻入而發(fā)生巨大改變。

3.2 摻入適量的玄武巖纖維可在不影響透水混凝土滲透性的前提下進(jìn)一步提升其強(qiáng)度,但過(guò)量的纖維會(huì)同時(shí)損失強(qiáng)度與滲透性能。

3.3 硅灰及玄武巖纖維的摻入顯著提高了透水混凝土的抗凍性能,但摻入過(guò)量的硅灰和纖維會(huì)導(dǎo)致材料耐久性退化,造成資源浪費(fèi)。

3.4 通過(guò)試驗(yàn)探究得出硅灰的最優(yōu)摻量為10%、玄武巖纖維的最優(yōu)摻量為2 kg·m-3。此時(shí),改性透水混凝土的滲透性良好,強(qiáng)度與抗凍性能達(dá)到最優(yōu)。