透水混凝土力學性能的影響因素研究

摘要：為解決傳統(tǒng)透水混凝土強度較低的問題，文章通過體積法進行透水混凝土配合比設計，研究了水灰比、碳纖維摻量、納米二氧化硅摻量等因素對透水混凝土透水系數(shù)、孔隙率、抗壓強度及抗折強度的影響，根據試驗結果優(yōu)化了配合比，并從成本考慮設計以聚丙烯纖維和炭黑替代碳纖維，研究二者摻量對透水混凝土性能的影響。得出主要結論：水灰比對透水混凝土各性能的影響最大，優(yōu)化設計后的水灰比為0.28、納米二氧化硅摻量為2.2%、碳纖維摻量為1.6%；聚丙烯纖維摻量和炭黑纖維摻量均會對透水混凝土的透水性能造成負面影響，其中炭黑摻量的影響相對較大；聚丙烯纖維對透水混凝土的力學性能有正向影響，而炭黑摻量的增加使得透水混凝土的抗壓強度先增大后減小，使得其抗折強度不斷減小。

關鍵詞：透水混凝土；碳纖維；聚丙烯纖維；透水性能；力學性能

中圖分類號：U416.03? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1673-4074（2024）04-0084-04

0 引言

近年來隨著我國城市化進程的不斷發(fā)展，城市內澇、噪音效應、熱島效應等問題愈發(fā)嚴重，海綿城市的建設也逐漸成為一大研究熱點，透水混凝土因其高透水性、透氣性及降噪等特點而得到了廣泛的使用。但傳統(tǒng)透水混凝土存在強度低，從而限制了其使用范圍，為加速海綿城市的建設，提高透水混凝土的性能至關重要。對此，大量學者進行了深入研究。辛志鵬等［1］提出用再生紅磚和混凝土骨料替代天然骨料，通過復摻碳纖維、聚丙烯纖維和粉煤灰的方式提高再生透水混凝土的力學性能。夏冬桃等［2］采用再生粗骨料和聚丙烯纖維配置透水混凝土，并采用正交試驗研究了其抗壓強度、有效孔隙率、透水系數(shù)的變化規(guī)律。周家慧等［3］為研究單一及復合的玄武巖纖維和聚丙烯纖維的長度、摻量對透水混凝土的透水性能、力學性能的影響，使用BP神經網絡對試驗組進行訓練和輸出，其結果具有一定的參考價值。陳守開等［4］為提高再生骨料透水混凝土的強度，進行了基于不同摻量的短切玄武巖纖維、短切碳纖維、聚丙烯纖維的混凝土力學性能試驗，結果表明，0.3%摻量的聚丙烯纖維可使再生骨料透水混凝土性能達到最優(yōu)。單景松等［5］研究了不同長度、不同摻量的聚丙烯纖維對透水混凝土的抗壓、抗折和抗凍融性能的影響，結果表明，當聚丙烯纖維長度在12～18 mm、摻量在1.0～1.5 kg/m3時，透水混凝土性能最優(yōu)。吳旭等［6］通過摻入不同含量的玄武巖纖維、棉纖維、碳纖維和聚丙烯纖維構造再生透水混凝土，并對其坍落度、密度、滲水系數(shù)和抗壓強度等指標進行測試，結果表明，6%的棉纖維能構造出更高性能的再生透水混凝土。本文通過響應面中心復合設計法進行試驗，研究了水灰比、碳纖維摻量、納米二氧化硅摻量對透水混凝土的透水性能和力學性能的影響，考慮到碳纖維的成本問題，提出聚丙烯纖維和炭黑代替法，通過控制變量法，研究了兩者摻量對透水混凝土性能的影響。

1 試驗方法

1.1 原材料

試驗所用水泥為符合標準的早強型硅酸鹽水泥；粗骨料為粒徑4.75～9.5 mm的玄武巖碎石，其堆積密度為1 528.5 kg/m3，表觀密度為2 685 kg/m3；為提高透水混凝土的抗壓強度和容許應力，采用人工制造的機制砂作為細集料，其占比為粗骨料質量的7%；礦物摻合料主要包括平均粒徑＜10 [WTBZ]μm的超細粉煤灰，和南京某公司生產的粒徑為1～100 nm的納米二氧化硅，其參數(shù)見表1；為提高透水混凝土的工作性能，試驗采用減水劑和納米二氧化硅分散劑作為外加劑，其檢測值均符合標準值要求。

試驗用纖維有兩種，蘇州某科技公司生產的短切碳纖維和廊坊某公司生產的聚丙烯纖維，各纖維參數(shù)如表2所示。試驗用炭黑采購自江蘇某石墨烯商城。

1.2 配合比試驗設計

針對透水混凝土的配合比試驗設計，目前應用較多的有質量法、體積法和比表面積法。其中體積法是根據目標孔隙率進行材料配合比，方便控制漿體體積且適配量少，在國內應用最為廣泛，故本文選用該方法進行配合比設計。

為保障纖維的分散率及水泥漿與骨料的充分接觸，試驗采用水泥裹石法進行攪拌，其流程如圖1所示。為減小透水混凝土的孔隙率以提高其強度，同時避免底部封漿等現(xiàn)象的存在，試驗采用人工插搗結合振動臺的方式對透水混凝土進行成型。將攪拌完成后的混凝土分三層置于模型中，每層混凝土四周人工插搗15次，中間人工插搗20次；人工插搗結束后，將其略整平，置于振動臺上振動20 s。試件成型后24 h進行拆模，并將其標準養(yǎng)護28 d。

2 水灰比、碳纖維和納米二氧化硅的影響

2.1 試驗設計

因為透水混凝土的透水性能更佳，其內部必然存在大量的孔隙，這些孔隙導致該類混凝土的強度嚴重下降，進一步導致耐磨性、抗凍性的缺乏。因此，如何在保障透水混凝土透水性能的前提下提高其力學性能，是目前的一大研究熱點。透水混凝土力學性能的提升常采用兩種手段：（1）添加各類纖維，其中以碳纖維最為常見；（2）添加粉煤灰等礦物成分。而隨著納米材料的興起，在透水混凝土中添加納米二氧化硅也逐漸被廣泛應用。但在兩者協(xié)同狀態(tài)下，對透水混凝土性能的影響尚不明確，故需要通過試驗進一步研究。

本文采用響應面中心復合設計法，其主要步驟為：（1）定義相互獨立的變量和試驗結果響應量；（2）選擇設計模型；（3）擬合模型；（4）確定最佳擬合結果。以水灰比分別為0.26、0.28、0.30，碳纖維摻量（水泥體積替代）分別為1%、1.5%、2%，納米二氧化硅摻量（水泥質量替代）分別為1%、2%、3%設計了19組試驗，各變量的編碼水平分別設置為-1、0、1。其中，透水混凝土中粉煤灰含量始終為44.3 kg/m3，粗骨料始終為1 553 kg/m3，細集料始終為108.7 kg/m3，其余成分具體如表3所示。其中，C15～C19組為基礎試驗組，其各項變量一致，以避免試驗過程中的偶然性，保障后續(xù)統(tǒng)計學結果的可信度。

2.2 試驗結果

根據上述試驗方案，每組制備3個直徑100 mm、高50 mm的圓柱體透水系數(shù)試驗試件、3個尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體孔隙率試驗試件、3個尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體抗壓強度試驗試件和3個尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體抗折試驗試件。以統(tǒng)計學方法分析并擬合各試驗組的各參數(shù)試驗結果并擬合模型，如下頁表4所示。四個模型的R2均在0.95以上，預測與調整R2的誤差在20%以內，且信噪比均在4以上，故認為試驗所得模型有較好的擬合效果和精度。

分析三變量對透水系數(shù)的影響可知，三個變量的增加均會導致透水系數(shù)的減小，其中水灰比的影響最大，即透水混凝土的透水系數(shù)對水灰比的變化最為敏感。分析三變量對孔隙率的影響可知，三個變量的增加均會導致孔隙率減小，其中水灰比的影響最大。此外，孔隙率與透水系數(shù)成正比，與抗壓/抗折強度成反比。分析三變量對抗壓強度的影響可知，透水混凝土的抗壓強度隨著水灰比和納米二氧化硅摻量的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，其中水灰比的影響最大，而與碳纖維摻量的變化關聯(lián)較小，即增加碳纖維摻量并不能使透水混凝土的抗壓強度得到提升。分析三變量對抗折強度的影響可知，透水混凝土的抗折強度隨著三變量的增大均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，其中水灰比的影響最大，碳纖維摻量和納米二氧化硅摻量的影響程度相近。

根據上述試驗結果及統(tǒng)計學模型，以透水系數(shù)、抗壓強度、抗折強度為目標進行優(yōu)化設計可得，當水灰比為0.28、碳纖維摻量為1.6%、納米二氧化硅摻量為2.2%時，透水混凝土的各項性能達到最優(yōu)。

3 聚丙烯纖維透水混凝土性能研究

根據前文試驗可知，碳纖維摻量對透水混凝土抗壓強度的影響較小，且其價格較高，經濟性較低。因此考慮以造價相對較低的聚丙烯纖維進行替代，并輔助以一定體積摻量的炭黑，以求增強透水混凝土的力學性能。根據前文優(yōu)化結果，設置試驗組水灰比為0.28、納米二氧化硅摻量為2.2%、骨膠比為3.5，采用控制變量法，根據聚丙烯纖維摻量（水泥體積替代）分別為0、0.5%、1%，炭黑（水泥體積替代）摻量分別為0、1%、2%、3%進行19組試驗，并對其透水性能（透水系數(shù)、孔隙率）及力學性能（抗壓強度、抗折強度）進行分析。

不同聚丙烯纖維摻量和炭黑摻量與透水系數(shù)的關系如圖2所示。由圖2（a）可知，當炭黑摻量一定時，聚丙烯纖維摻量越多時，混凝土透水系數(shù)越低。由圖2（b）可知，當聚丙烯纖維摻量一定時，炭黑摻量越多，混凝土透水系數(shù)越低；相較而言，炭黑摻量對透水系數(shù)的影響更大，而聚丙烯纖維摻量的影響略不明顯。

由圖3可知，混凝土孔隙率與透水系數(shù)變化規(guī)律為正相關，呈現(xiàn)出明顯的線性關系，這與前文的試驗結果一致。對其進行線性擬合，可得擬合方程斜率為0.749，截距為-4.985，R2為0.832 7。

不同聚丙烯纖維摻量和炭黑摻量與抗壓強度的關系如下頁圖4所示。由圖4（a）可知，當炭黑摻量一定時，混凝土抗壓強度與聚丙烯纖維摻量呈正相關，該結果與普通混凝土試驗結果不一致，究其原因是透水混凝土存在自身強度較低這一特性，而少量摻入低彈性模量的聚丙烯纖維有利于減緩其內部應力集中的現(xiàn)象，提高強度；由圖4（b）可知，當聚丙烯纖維摻量一定時，混凝土抗壓強度隨著炭黑摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的發(fā)展趨勢。究其原因是少量炭黑摻入可以填補水泥漿體微小孔隙，同時與水化產物結合使過渡區(qū)致密，故而透水混凝土抗壓強度提高；而當炭黑摻入量過多時，則會阻礙水泥水化，也降低了水泥漿和骨料之間的粘結能力，則透水混凝土的抗壓強度降低。

不同聚丙烯纖維摻量和炭黑摻量與抗折強度的關系如下頁圖5所示。由圖5（a）可知，當炭黑摻量一定時，混凝土抗折強度與聚丙烯纖維摻量呈正相關。究其原因是聚丙烯纖維具有較好的柔性，可以改善透水混凝土的裂縫延展問題，從而提高其抗折強度。由圖5（b）可知，當聚丙烯纖維摻量一定時，混凝土抗壓強度與炭黑摻量呈負相關。究其原因是炭黑摻量的增加，使得透水混凝土脆性更強。

4 結語

傳統(tǒng)透水混凝土因其強度較低的特性，無法滿足城市的承載要求，本文通過響應面中心復合設計法進行了19組試驗，研究了水灰比、碳纖維摻量、納米二氧化硅摻量對透水混凝土的透水系數(shù)、孔隙率、抗壓強度及抗折強度的影響，并進行相應的優(yōu)化設計；根據上述優(yōu)化設計結果，在考慮經濟性的基礎上，以聚丙烯纖維和炭黑替代碳纖維，研究了兩者摻量對透水混凝土各性能參數(shù)的影響，得到如下結論：

（1）水灰比對透水混凝土的透水性能及力學性能影響較大，其透水系數(shù)及孔隙率隨著水灰比的增大而明顯增大，抗壓強度、抗折系數(shù)均隨著水灰比的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，水灰比0.28為最優(yōu)；納米二氧化硅摻量與透水混凝土的透水性能呈負相關，對其力學性能有一定影響，摻量以2.2%最優(yōu)；碳纖維與透水混凝土的透水性能呈負相關，對其抗壓強度基本無影響，對其抗折強度有正向影響，其最優(yōu)摻量為1.6%。

（2）聚丙烯纖維摻量和炭黑纖維摻量均與透水混凝土的透水性能呈負相關，其摻量越高，則混凝土透水系數(shù)和孔隙率均越低，其中炭黑摻量的影響更大；透水系數(shù)與孔隙率呈線形關系。

（3）透水混凝土的抗壓強度和抗折強度均隨著聚丙烯纖維摻量的增大而增大；其抗壓強度隨著炭黑摻量的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的發(fā)展趨勢，抗折強度隨著炭黑摻量的增大而明顯降低。

參考文獻

［1］辛志鵬，朱亞光，徐培蓁，等.粉煤灰及聚丙烯纖維對再生透水混凝土性能的影響［J］.混凝土，2023（1）：73-77，81.

［2］夏冬桃，李向陽，胡軍安.基于正交試驗的透水再生混凝土性能優(yōu)化試驗研究［J］.硅酸鹽通報，2022，41（8）：2 748-2 758.

［3］周家慧，楊建永，張裕顯.基于BP神經網絡纖維增強透水混凝土性能影響［J］.混凝土，2022（6）：40-44.

［4］陳守開，盧 鵬，李炳林，等.不同纖維對再生骨料透水混凝土性能的影響與評價［J］.應用基礎與工程科學學報，2022，30（1）：208-218.

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［6］吳 旭，張愛國.高性能再生透水纖維混凝土的性能研究［J］.化工新型材料，2020，48（1）：253-256.

作者簡介：吳宜桉（1989—），工程師，主要從事公路建設與養(yǎng)護管理工作。