高速公路BF改性透水混凝土工程性能試驗(yàn)研究

胡 洋

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000）

0 引言

在海綿城市的建設(shè)中，透水混凝土（permeable concrete，以下簡(jiǎn)稱“PC”）因具有維持地下水平衡、緩解內(nèi)澇和吸聲等諸多優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用和研究[1-2]。高速公路某些比較潮濕和易積水的區(qū)域也在嘗試使用PC，但是，以往的研究表明，PC因其級(jí)配缺陷，在使用過程中易產(chǎn)生裂縫和凹痕，從而導(dǎo)致其使用壽命偏低[3-4]。

為了提高PC 的使用壽命和在不同工程的使用效率，諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。申明昊等[5]設(shè)計(jì)了不同目標(biāo)孔隙率的PC，并采用等體積替代的方式將粉煤灰替代混凝土中的水泥，研究得到了不同目標(biāo)孔隙率下粉煤灰的最佳摻量。袁方正等[6]通過添加硅粉改善PC的強(qiáng)度、有效孔隙率和透水系數(shù)，并得到硅粉的最優(yōu)摻量為10%的結(jié)論。高哲等[7]通過玄武巖纖維（Basalt Fibre，以下簡(jiǎn)稱“BF”）和VAE806 乳液分別和共同對(duì)PC 進(jìn)行改性，研究改性PC 的抗凍性能，結(jié)果表明加入BF 能將混凝土的抗凍融能力提升20%。還有諸多學(xué)者研究了剛性聚丙烯纖維、鋼纖維和混雜纖維對(duì)PC 物理力學(xué)性能和耐久性的提升效果[8-10]。但是以往的研究對(duì)象多是城市透水混凝土，針對(duì)高速公路中使用PC的改性研究還較少[11]。

高速公路因其使用環(huán)境的特殊性，需要在兼顧透水性的同時(shí)增強(qiáng)其強(qiáng)度。因此，本文將以BF 為改性材料，研究其對(duì)PC 工程性能的影響規(guī)律，并探究纖維的最優(yōu)摻量和參數(shù)。

1 原材料和試驗(yàn)方案

1.1 原材料

本次試驗(yàn)配制PC 所用的膠凝材料為P·O42.5 水泥，PC 的主要骨架為粗骨料，改性劑主要是不同長(zhǎng)度的BF 和調(diào)整PC 和易性的聚羧酸減水劑等。粗骨料的相關(guān)指標(biāo)見表1；BF 的直徑為6μm、12μm 和18μm，長(zhǎng)度固定為15mm，其基本參數(shù)見表2。

表2 玄武巖纖維基本參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)PC采用的水灰比為0.3，骨膠比采用4.5，減水劑摻量為1%，BF摻量以PC的總體積為基準(zhǔn)，占比分別為0.1%、0.2%、0.3%和0.4%。對(duì)養(yǎng)護(hù)28d 試樣的力學(xué)性能、韌性和孔隙率進(jìn)行測(cè)試，用于測(cè)試抗壓強(qiáng)度和孔隙率相關(guān)參數(shù)的試樣尺寸為100mm×100mm×100mm；用于測(cè)試抗折強(qiáng)度的試樣尺寸為100mm×100mm×400mm；所有測(cè)試結(jié)果均取自3次試驗(yàn)的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

BF 摻量及長(zhǎng)度對(duì)PC 抗壓強(qiáng)度的影響如圖1 所示。從圖1 可以看出，3 種長(zhǎng)度的BF 在不同摻量下對(duì)PC 抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律相同，PC強(qiáng)度隨著BF摻量的增加先增大后減小，當(dāng)BF摻量為0.2%時(shí)，PC 的強(qiáng)度最高。而在相同BF 摻量下，PC 強(qiáng)度隨BF 的長(zhǎng)度變化規(guī)律與隨著BF 摻量的變化規(guī)律一致，當(dāng)BF 長(zhǎng)度為12μm 時(shí)強(qiáng)度最高。當(dāng)BF長(zhǎng)度為12μm且摻量為0.2%時(shí)，PC的強(qiáng)度為30.0MPa，相比于未加BF 的PC 強(qiáng)度（24.1MPa）而言，上升了24.48%。

圖1 BF摻量及長(zhǎng)度對(duì)PC抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是適量的纖維加入透水混凝土中，纖維能均勻分布在PC 內(nèi)部的孔隙中，從而起到增強(qiáng)骨料之間粘結(jié)力的作用，同時(shí)還能增強(qiáng)混凝土在受壓時(shí)產(chǎn)生變形時(shí)的約束力，從而增強(qiáng)混凝土的整體強(qiáng)度[10]。但是，當(dāng)BF 的長(zhǎng)度較大或者摻量過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其在PC 中的均勻分布受到影響，甚至出現(xiàn)成團(tuán)現(xiàn)象等，從而產(chǎn)生了薄弱界面，導(dǎo)致PC強(qiáng)度降低。

2.2 抗折強(qiáng)度

測(cè)試了PC 抗折強(qiáng)度隨BF 摻量及長(zhǎng)度的變化情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 BF摻量及長(zhǎng)度對(duì)PC抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律

由圖2 可知，3 種BF 長(zhǎng)度在不同摻量下對(duì)PC 抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律相同，PC強(qiáng)度隨著BF摻量的增加先增大后減小，當(dāng)BF摻量為0.2%時(shí)，PC 的強(qiáng)度最高。而在相同摻量下，PC抗折強(qiáng)度隨BF的長(zhǎng)度增加先增大后減小，當(dāng)BF 長(zhǎng)度為12μm 時(shí)抗折強(qiáng)度最高。當(dāng)BF 長(zhǎng)度為12μm 且摻量為0.2%時(shí)，PC 的抗折強(qiáng)度為3.7MPa，相比于未加纖維混凝土的抗折強(qiáng)度（3.0MPa）而言，上升了23.33%。

摻加BF 增強(qiáng)PC 抗折強(qiáng)度的原因主要是PC 相比于傳統(tǒng)混凝土而言具有更加發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，在拉應(yīng)力作用下會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂紋并快速擴(kuò)展，纖維的加入能給水泥集體提供更多的附著點(diǎn)，使得骨料與水泥基體的粘結(jié)力增強(qiáng)，并且纖維的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水泥漿體的抗拉強(qiáng)度，這使得混凝土在承受拉應(yīng)力時(shí)能減小水泥漿體的拉應(yīng)力，因此添加BF能增強(qiáng)PC的抗拉強(qiáng)度[10]。但是當(dāng)纖維的摻量過高或者長(zhǎng)度過短或過長(zhǎng)時(shí)，使纖維在混凝土內(nèi)部的分布不均勻，從而導(dǎo)致水泥漿體無法均勻分布。

2.3 有效孔隙率

BF 摻量及長(zhǎng)度對(duì)PC 有效孔隙率的影響規(guī)律如圖3 所示。從圖3 中可以看出，3 種長(zhǎng)度的BF 在不同摻量下對(duì)PC 有效孔隙率的影響規(guī)律相同，即PC 孔隙率隨BF 摻量增加逐漸減小，未加BF 時(shí)，PC 的有效孔隙率為18.0%，而當(dāng)BF 摻量為0.4%時(shí)，添加BF 長(zhǎng)度為6μm、12μm 和18μm 的PC 有效孔隙率分別為15.7%、14.7%和13.8%，相比于未加纖維混凝土的對(duì)照組而言，分別下降了12.78%、18.33%和23.33%。在相同的纖維摻量下，PC有效孔隙率隨著BF長(zhǎng)度的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。

圖3 纖維摻量及長(zhǎng)度對(duì)透水混凝土孔隙率的影響規(guī)律

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是當(dāng)纖維摻量為0 時(shí)，透水混凝土中的水泥漿體主要依附于骨料進(jìn)行分布，孔隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)達(dá)，而添加纖維后，纖維部分附著在骨料表面，有的則會(huì)搭接在相鄰骨料之間，有的則會(huì)穿插在孔隙中，這樣的分布均會(huì)給水泥漿體提供更多的附著點(diǎn)；當(dāng)纖維的摻量或長(zhǎng)度增加時(shí)，纖維易成團(tuán)，纖維本身還能起到填充孔隙的效果，因此更易導(dǎo)致混凝土的孔隙率降低。當(dāng)纖維長(zhǎng)度為12μm、摻量為0.2%時(shí)，混凝土在拌合過程中的纖維宏觀分布如圖4所示。

圖4 纖維在混凝土中的分布狀態(tài)

2.4 滲水系數(shù)

纖維摻量及長(zhǎng)度對(duì)透水混凝土滲水系數(shù)的影響如圖5所示。由圖5可知，3種長(zhǎng)度的BF在不同摻量下對(duì)混凝土滲水系數(shù)的影響規(guī)律相同，即隨著BF 摻量的增加，混凝土滲水系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)纖維摻量為0 時(shí)，PC 的滲水系數(shù)為3.4%，而當(dāng)纖維摻量為0.4%時(shí)，添加纖維長(zhǎng)度為6μm、12μm 和18μm 的透水混凝土滲水系數(shù)分別為2.5%、2.2%和1.8%，相比于未加纖維混凝土的對(duì)照組而言，分別下降了26.47%、35.29%和47.06%。在相同的纖維摻量下，透水混凝土滲水系數(shù)隨著纖維長(zhǎng)度的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。添加纖維對(duì)透水混凝土滲水系數(shù)的影響原因與對(duì)透水混凝土孔隙率的影響原因相似，因?yàn)橥杆炷林械目紫妒撬闹饕ǖ溃紫堵式档鸵矔?huì)減小水的流通通道。

圖5 纖維摻量及長(zhǎng)度對(duì)透水混凝土滲水系數(shù)的影響規(guī)律

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，從纖維對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、孔隙率和滲水系數(shù)的影響規(guī)律，判斷出纖維的最佳摻量為0.2%，纖維的最佳長(zhǎng)度為12μm。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以3種不同長(zhǎng)度的BF為PC增強(qiáng)材料，研究了BF 長(zhǎng)度及摻量對(duì)PC 抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、孔隙率和滲水系數(shù)的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）PC的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著BF摻量和長(zhǎng)度的增加，均呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢(shì)；本研究中BF摻量為0.2%和長(zhǎng)度為12μm 時(shí)PC 的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度增強(qiáng)幅度最大。

（2）PC的有效孔隙率和滲水系數(shù)均隨著BF摻量和長(zhǎng)度的增加而減小。

（3）BF 在PC 中附著在骨料表面或穿插在孔隙中，為水泥漿體提供附著點(diǎn)，從而達(dá)到增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度和降低孔隙率的效果。