剛性纖維增強透水混凝土配合比的試驗研究

劉肖凡，李繼祥

（武漢輕工大學土木工程與建筑學院，湖北武漢 430023）

第15屆全國纖維混凝土學術會議論文

剛性纖維增強透水混凝土配合比的試驗研究

劉肖凡，李繼祥

（武漢輕工大學土木工程與建筑學院，湖北武漢 430023）

為改善透水混凝土的抗壓強度和透水性能，將剛性聚合纖維和聚合物乳液摻入透水混凝土材料，采用正交試驗分析了包括骨料粒徑、水灰比、纖維摻量、乳液摻量4個因素的配合比對透水混凝土抗壓強度和透水系數的影響．結果表明：水灰比和骨料粒徑是影響透水混凝土抗壓強度的主要因素，剛性聚合纖維可以在不降低透水混凝土抗壓強度的基礎上提高其透水性能，聚合物乳液對透水混凝土性能的提高作用不明顯．推薦剛性纖維改性透水混凝土的配合比為水灰比0.3，骨料粒徑10～15 mm，纖維摻量0.2%，聚合物乳液摻量20%．

透水混凝土；剛性聚合纖維；抗壓強度；透水性能

0 引言

透水混凝土是由水泥、水、粗骨料以及添加物拌制而成的一種輕質多孔混凝土．與普通混凝土相比，它不含細骨料，粗骨料主要靠薄層水泥漿相互粘結，形成均勻分布的蜂窩狀結構，具有透水、透氣和重量輕等特點[1-2]．透水混凝土的滲透性能可以緩解城市強降雨引發的地表徑流，緩和城市熱島效應，調節地表土壤的生態環境，吸聲降噪，凈化水體，改善常規混凝土路面鋪裝所造成的系列環境問題[3]．

評價透水混凝土性能的主要指標有抗壓強度和透水系數[4]，但其疏松多孔的性質決定了同時獲得較高強度與較好透水性能的矛盾，實際工程常出現承載能力差、粗骨料之間粘結力小、抗凍融性能低、易開裂且難修復等問題[5]．本文在考慮常規影響因素諸如水灰比、骨料粒徑的同時，提出在透水混凝土中摻入剛性聚合纖維和聚合物乳液來改善透水混凝土的強度和透水性能，基于正交設計原理設計不同配合比，通過試驗研究不同因素對透水混凝土性能的影響．

1 原材料及配合比設計

1.1 原材料

根據文獻[6]的研究成果，為提高透水混凝土骨料間粘結能力，水泥采用42.5#復合硅酸鹽水泥．粗骨料采用同一產地的單一級配碎石．添加物中剛性聚合纖維為鼎強牌剛性聚丙烯纖維，如圖1所示．纖維長度為38 mm，以聚丙烯為主要原料，經改性與表面處理工藝后，具有高耐堿性、抗潮濕，解決了一般鋼纖維腐蝕生銹問題；易分散、易施工、無鋒利棱角，對車輛、路面無任何損傷．聚合物乳液為EVA乳液，固含量為30%，具有良好的耐水性、耐酸堿性和耐候性．拌制混凝土和試件養護用水均為自來水．

圖1 剛性聚丙烯纖維Fig.1 Rigid polymeric fibers

表1 正交試驗因素與水平表Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

表2 每組透水混凝土試件各種材料用量kg/m3Tab.2 M aterial utilization amount of every specimen group

1.2 配合比設計

粗骨料是透水混凝土的骨架，一定程度上影響著透水混凝土的強度和透水性能，通常采用單粒徑骨料．本次試驗選擇單一級配碎石，粒徑為2.5～5 mm、5～10 mm和10～15 mm 3個水平進行研究．

水灰比是影響混凝土性能的因素之一，根據眾多研究成果[7]，水灰比宜在0.25～0.35之間，本次試驗選取水灰比為0.25、0.3、0.35這3個水平進行研究．

根據文獻[8]的研究成果，摻合料中剛性聚丙烯纖維的體積摻量采用0、0.2%、0.4%這3個水平，聚合物乳液采用0、15%、20%這3個水平．各組試驗對應配合比及各材料用量如表1、表2所示．

1.3 施工工藝

剛性聚合纖維透水混凝土配合比的設計應該使透水混凝土的強度提高的同時，又不影響其透水性。剛性聚合纖維的摻量應與灰骨比和水灰比相匹配，增大骨料間的橋聯作用，提高透水混凝土的強度，同時盡量減小對透水系數的影響。推薦剛性聚合纖維透水混凝土施工工藝如圖3所示，拌合好的剛性聚丙烯增強透水混凝土材料如圖2所示。

在剛性聚合纖維透水混凝土攪拌及成型過程中，需要特別注意以下問題：1）攪拌時宜采用先干拌后濕拌的方法，即將水泥、石料和剛性纖維先進行攪拌，使剛纖維均勻地分散于干拌和料中，然后加水和外加劑進行濕拌；2）攪拌時應盡量做到骨料的每一接觸面上，都能均勻涂上一層水泥漿；3）為了提高骨料之間的連接性，發揮纖維的增強阻裂作用，在試件成型時采用平板振動器，振動時間不應該過長，否則會導致水泥漿脫離骨料而下沉，漿體在底部形成一層不透水層；振動時間太短，透水混凝土不夠密實，也就很難保證其有足夠的強度。振動時間一般控制在15～20 s之間為宜；4）試模拆除時必須保持纖維透水混凝土有足夠強度，直至混凝土都團結在一起時才能進行。

圖2 拌合好的纖維透水混凝土Fig.2 M ixed permeable concrete w ith rigid polymeric fibers

圖3 纖維透水混凝土施工工藝流程Fig.3 Process of construction technology for permeable concrete w ith rigid polymeric fibers

表3 各組透水混凝土試件抗壓強度及透水系數Tab.3 Compressive strength and permeation coefficient of permeable concrete specimens

2 試驗結果分析

試件在標準條件下養護28 d，測得其抗壓強度及透水系數如表3所示．其中透水系數選用變水頭法測定．

由表3可直觀地看出，骨料粒徑為10～15 mm、水灰比0.3、剛性聚丙烯纖維摻量為0、聚合物乳液摻量15%的試件抗壓強度最高，但透水系數很低；骨料粒徑為10～15 mm、水灰比0.35、剛性聚丙烯纖維摻量0.2%、聚合物乳液摻量20%的試件透水系數最高．

根據正交設計原理，分別計算骨料粒徑、水灰比、剛性聚丙烯纖維摻量、聚合物乳液摻量對28 d抗壓強度和透水系數的極差值，見表4．極差可以反映不同因素的水平變化對試驗的結果影響程度的大小，極差大對應的因素水平變動對結果的影響就大，反之對結果的影響就?。?/p>

由表4可以看出，剛性聚合纖維透水混凝土對抗壓強度影響的因素主次順序是：水灰比→骨料粒徑→聚合物乳液→纖維摻量．主要的因素應該要取最好的水平，次要的因素可以依據時間、成本等綜合考慮．由此得到各因素的最佳搭配為A3B2C2D2，即得到較高抗壓強度的最佳配比為：水灰比為0.3，骨料粒徑取10～15 mm，纖維摻量取0.4%，聚合物乳液摻量取20%．

表4 抗壓強度、透水系數極差分析Tab.4 Range analysis of com pressive strength and permeation coefficient

對透水混凝土的透水系數影響因素的主次順序是：纖維摻量→水灰比→聚合物乳液→骨料粒徑．同理可得各因素的最佳搭配為A3B1C3D2，即得到較好透水系數的最佳配比為：水灰比為0.35，骨料粒徑10～15 mm，纖維摻量取0.2%，聚合物乳液摻量取20%．

由各影響因素的極差分析數據得到抗壓強度正交分析點圖、透水系數正交分析點圖如圖4、圖5所示．

由抗壓強度分析點圖可以看出：1）透水混凝土的抗壓強度隨著水灰比的增加先增大后減小，說明透水混凝土特殊的組成結構對水灰比的敏感．在水泥用量固定的情況下，水灰比降低，用水量減少，水泥漿體變得更加黏稠，有限的水泥漿體不足以包裹骨料表面，不利于混凝土強度的提高．水灰比過大，水化產物形成的結構致密程度降低，水泥石強度降低，集料顆粒界面粘結強度下降，使得透水混凝土強度降低．水灰比為0.3對應的透水混凝土抗壓強度最高．2）抗壓強度隨著骨料粒徑的增大而增大．骨料的粒徑影響混凝土內的嵌擠骨架結構，也影響水泥石與骨料顆粒間的粘結面積和粘結點數量，從而對混凝土的強度和透水系數產生影響．3）抗壓強度隨纖維摻量的增加而減?。畡傂岳w維雖然經過改性其彈性模量有所提高，但遠小于混凝土彈性模量；纖維的界面效應表現明顯，即纖維與骨料的粘合界面上的缺陷會增多，荷載作用下骨料界面與纖維的粘結破壞早于纖維自身的斷裂，從而使透水混凝土的抗壓強度降低．4）抗壓強度隨著聚合物乳液摻量的增加先減小后增大，但聚合物乳液對透水混凝土抗壓強度的改善作用不夠顯著，說明該乳液的摻加未能起到增強水泥石粘結的效果．

圖4 抗壓強度正交分析點圖Fig.4 Point diagram of orthogonal analysis for compressive strength

圖5 透水系數正交分析點圖Fig.5 Point diagram of orthogonal analysis for permeation coefficient

由透水系數分析點圖可以看出：1）透水混凝土的透水系數隨著水灰比的增加先減小后增加．水泥用量的增大使流變性較大的水泥漿體填充骨料間的孔隙，使透水系數顯著下降．2）透水系數隨著骨料粒徑的增大而增大．骨料粒徑大，骨料顆粒之間的空隙較多，且不易被水泥漿體填充密實，故透水性較好；骨料的粒徑越小，顆粒間的接觸點愈多，透水性混凝土強度越高，但由于比表面積大，骨料間的連通孔易被填充密實，透水性降低．3）透水系數隨纖維摻量的增加先增大后減小，0.2%的摻量可以使透水混凝土的透水系數提高3倍之多，說明纖維對透水系數的影響存在優化范圍．過多摻量的纖維在混凝土中形成交錯的網狀結構，不利于骨料間形成里外貫通的連通空隙，對透水混凝土的透水性能沒有提升．4）透水系數隨著聚合物乳液摻量的增加而增大．本次試驗試件在養護過程中觀測到聚合物析出現象，由此判斷部分聚合物乳液沒有達到相應強度，致使透水混凝土試件抗壓強度降低，但析出的聚合物使得混凝土孔隙增加，表現為透水系數增大．

3 結論

1）水灰比和骨料粒徑是影響透水混凝土抗壓強度的主要因素，纖維摻量和水灰比對透水系數的影響較大．

2）適量摻量的剛性聚丙烯纖維可以在不降低透水混凝土抗壓強度的基礎上提高其透水性能，聚合物乳液的摻加要注意材料的養護工藝，避免聚合物析出、硬化強度不足而產生負作用．

3）綜合考慮抗壓強度、透水系數等性能，推薦剛性纖維改性透水混凝土的配合比為水灰比0.3，骨料粒徑10～15 mm，纖維摻量0.2%，聚合物乳液摻量取20%．

[1]沈榮熹，王漳水，崔玉忠．纖維增強水泥與纖維增強混凝土[M]．北京：北京工業出版社，2006．

[2]宋中南，石云興．透水混凝土及其應用技術[M]．北京：中國建筑工業出版社，2011．

[3]王從鋒，劉德富．高透水性混凝土消減城市熱島效應試驗分析研究[J]．混凝土，2010（8）：9-10，93．

[4]張賢超，尹健，池漪．透水混凝土性能研究綜述[J]．混凝土，2010（12）：47-50．

[5]孫家瑛，黃科，蔣華欽．透水水泥混凝土力學性能和耐久性能研究[J]．建筑材料學報，2007，10（5）：583-586．

[6]王婷，劉肖凡，李繼祥．剛性聚合纖維對透水混凝土改性的試驗研究[J]．混凝土，2012（12）：117-119．

[7]宋志斌，張永順，趙鴻儒．透水混凝土路面磚材料的正交試驗研究[J]．混凝土，2007（4）：83-84，94．

[8]Liu Xiaofan，Mei Guodong，Li Jixiang，et al．O rthogonal Test of Flexural Toughness for Hybrid Fiber Reinforced Concretes[J]．Advanced Materials Research．2011，239-242：2006-2010．

[責任編輯 楊屹]

Experimental research on mix proportion for permeable concrete w ith rigid polymeric fibers

LIU Xiaofan，LI Jixiang

(School of Civil Engineering and A rchitecture,W uhan Polytechnic University,Hubei Wuhan 430023,China)

To increase the compressive strength and permeability of the permeable concrete,rigid polymeric fibers and polymer emulsion are added into the concrete.Orthogonal experiments are carried out to analyse the effects of the aggregate size,water cement ratio,fiber mix ratio and polymer emulsion mix ratio to the permeable concrete's performance. The results show that water cement ratio and aggregate size are the main factors for the compressive strength of the permeable concrete.Rigid polymeric fiber could increase the permeability of the permeable concrete while keeping the compressive strength.Polymer emulsion has few effects on the improvement of the permeable concrete.An optimized mix proportion is recommended:water cement ratio is 0.3,aggregate size is 10～15 mm,fiber mix ratio is 0.2% and polymer emulsion m ix ratio is 20%.

permeable concrete;rigid polymeric fibers;compressive strength;permeability

TU 528.572

A

1007-2373(2015)06-0104-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.020

2014-09-26

國家自然科學基金（51474168）；湖北省高校優秀中青年科技創新團隊項目（T201107）

劉肖凡（1981-），男，副教授，博士．通訊作者：李繼祥（1962-），男，教授，博士．