聚丙烯纖維及玄武巖纖維透水混凝土性能研究

郭 鑫 曾良誠 張國祥 楊佳豪

（西京學院，陜西 西安710123）

為改善普通混凝土強度與滲透性的矛盾，劉相如等人[1-2]對混凝土的骨料及級配、水膠比、設計孔隙率等方面進行了研究；吳旭等人[3-6]對摻入纖維的透水混凝土進行了研究。本文提出在透水混凝土中分別摻入聚丙烯纖維和玄武巖纖維，針對兩種纖維對透水混凝土抗壓強度及透水性能的影響開展實驗研究，最終確定兩種纖維最佳摻量，為兩種纖維材料在實際工程中的應用提供理論基礎。

1 試驗材料及方法

1.1 原材料

本試驗選用P·O42.5 級普通硅酸鹽水泥，選用恒諾牌優質微硅粉。粗骨料選用粒徑為5-10mm 的石灰石碎石，表面密度為2750kg/m3，堆積密度1580kg/m3。玄武巖纖維密度為2650kg/m3，纖維長度為20mm，直徑為15μm，抗拉強度為4800/Mpa。聚丙烯纖維密度為910kg/m3，纖維長度為20mm，抗拉強度為280-300/Mpa。選用液體秦奮牌聚羧酸高效減水劑，減水率為25%。

1.2 配合比及成型

通過多次試配，最終確定粗骨料粒徑范圍為5-10mm 的透水混凝土最佳配合比為：水灰比為0.3，設計孔隙率為15%，高強減水劑摻量為1%。本文硅粉設計摻量為水泥量的6%；聚丙烯纖維摻量分別為0kg/m3、3kg/m3、6kg/m3、9kg/m3；玄武巖纖維摻量分別為0kg/m3、2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3。本試驗采用凈漿裹石法，先將石子加入攪拌機中，同時加入50%的水，攪拌60s；然后加入硅粉和水泥，攪拌60s；最后加入減水劑、纖維及剩余50%的水，攪拌120s，將攪拌好的混凝土卸料，并澆筑進模具。采用振動臺振動成型，振動時間為25s 效果最佳。混凝土試件澆筑24h 后拆模，進行28d 常溫養護，再進行相關試驗。

2 試驗過程及步驟

2.1 透水混凝土立方體抗壓強度測試

（1）試驗每組準備三個試件，尺寸為100mm×100mm×100mm，試件在標準條件下養護28d 后，根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2016）進行各項性能測試。

（2）試塊為非標準試件，測試結果乘以尺寸換算系數0.95。本試驗使用2000KN 微機控制電液伺服萬能試驗機均勻地加荷，試驗速度取0.3Mpa/s。

（3）透水混凝土立方體抗壓強度計算公式為:

式中：fcc為立方體抗壓抗壓強度，單位是MPa；F 為試件破壞荷載，單位是N；A 為承壓面積，單位是mm2。

圖1 立方體抗壓實驗破壞現象

2.2 透水混凝土透水系數測試

（1）試驗分為8 組，每組三個試塊，以三塊試塊透水系數平均值表示，實驗原理如圖2 所示。

（2）透水試驗測試前將試件在水中浸泡24h，試件周邊用固體膠密封，如圖3 所示，保證在試驗過程中，水流不從試件四周流出，僅通過上下表面進行滲透。儀器和試件接觸處也使用固體膠密封，待固體膠完全凝固后即可實驗。

（3）測試時，記錄水溫，并換算標準溫度下（15℃）的透水系數（K15）[7]，透水系數的公式如下：

式中：KT為水溫T℃透水系數，單位是cm/s；Q 為時間t 時通過透水混凝土的水，單位是cm3；D 為混凝土試件厚度，單位是mm；A0為混凝土試件面積，單位是cm2；h0為水頭距液面的距離；單位是cm；t 為測定的時間，單位是s。

圖2 透水原理圖

圖3 涂抹固體膠

3 試驗結果及討論

在普通透水混凝土基礎上分別研究聚丙烯纖維摻量為3kg/m3、6kg/m3、9kg/m3、玄武巖纖維摻量為2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3的透水混凝土的力學性能和透水系數，試驗結果分析如下文所述。

3.1 纖維透水混凝土立方體抗壓強度試驗結果

相比普通透水混凝土的立方體抗壓強度，摻入聚丙烯纖維的透水混凝土強度增大，當聚丙烯纖維摻量分別為3kg/m3、6kg/m3、9kg/m3時，透水混凝土的抗壓強度分別增加12.2%、35.1%、5.3%。綜上，聚丙烯纖維可提高立方體抗壓強度值，當摻量為6kg/m3強度值達到峰值，隨著纖維量繼續增加，立方體抗壓強度開始下降，如圖4 所示。

相比普通透水混凝土的立方體抗壓強度，摻入玄武巖纖維的透水混凝土強度增大，當聚丙烯纖維摻量分別為2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3時，透水混凝土的抗壓強度分別增加16.9%、24.3%、13.2%、5.2%。綜上，玄武巖纖維可提高立方體抗壓強度值，當摻量為4kg/m3強度值達到峰值，隨著纖維量繼續增加，立方體抗壓強度開始下降，如圖5 所示。

圖4 聚丙烯纖維摻量與立方體抗壓強度關系

圖5 玄武巖纖維摻量與與立方體抗壓強度關系

3.2 纖維透水混凝土透水系數試驗結果

相比普通透水混凝土的透水系數，摻入聚丙烯纖維的透水混凝土的透水系數會下降，當聚丙烯纖維摻量分別為3kg/m3、6kg/m3、9kg/m3時，透水混凝土的滲透系數分別降低40%、41.4%、57.1%，如圖6 所示。

相比普通透水混凝土的透水系數，摻入玄武巖纖維的透水混凝土的透水系數會下降，當玄武巖纖維摻量分別為2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3時，透水混凝土的滲透系數分別降低38.6%、41.4%、48.6%、61.4%，如圖7 所示。

圖6 聚丙烯纖維摻量與透水系數的關系

圖7 玄武巖纖維摻量與透水系數的關系

4 結論

對粒徑為5-10mm 的石灰石碎石，水灰比為0.3、設計孔隙率為15%的透水混凝土，通過分別摻入聚丙烯纖維和玄武巖纖維后，對纖維透水混凝土的力學性能和透水性能開展試驗研究，可得出如下結論：（1）摻入聚丙烯纖維的透水混凝土最佳摻量為6kg/m3，其抗壓強度為25.80Mpa，滲透系數為4.1mm/s。（2）摻入玄武巖纖維的透水混凝土最佳摻量為4kg/m3，其抗壓強度為23.74Mpa，滲透系數為4.1mm/s。