植物纖維改良透水再生混凝土性能試驗研究

作者簡介：

潘芳祿（1986—），碩士，副教授，工程師，研究方向：結構工程、市政工程。

摘要：為改善透水再生混凝土的脆性，提高透水再生混凝土的抗裂性，文章采用不同形態植物纖維對透水再生混凝土進行改良試驗研究。結果表明：絲狀植物纖維對于透水再生混凝土綜合性能的提升效果優于粉末狀植物纖維；當摻入3 kg/m3絲狀植物纖維后，透水再生混凝土的各項綜合性能最佳，實際孔隙率和透水系數分別可以達到19.3%和4.53 mm/s；將改良后的透水再生混凝土應用于路面鋪裝，每延米的工程造價將比普通混凝土路面降低54.2元；植物纖維改良透水再生混凝土不僅具備良好的工程力學性能，還具備良好的社會、經濟和環境效益，可在實際工程中予以推廣應用。

關鍵詞：植物纖維；透水再生混凝土；實際孔隙率；透水系數；工程造價

中圖分類號：U414.1文獻標識碼：A 14 041 3

0 引言

普通不透水混凝土路面鋪裝雖然具有光滑平整的效果，但是在強降雨作用下，很容易發生城市洪澇，同時也加重了城市“熱島效應”。為解決這一問題，透水混凝土受到廣泛關注和研究［1-2］。

在城市化進程中，會產生大量的建筑垃圾，嚴重浪費社會資源，對環境也造成了極大的污染，因此利用建筑廢料來生產透水再生混凝土已成為當前研究的一個熱門話題。然而，透水再生混凝土普遍存在的問題是脆性大和抗裂性差，需要想辦法解決傳統透水再生混凝土的這些缺點［3-5］。植物纖維具有綠色環保的特性，通過加入植物纖維不僅可以提升透水再生混凝土的抗裂性，還能抑制其收縮變形，對于透水混凝土而言具有很好的改善效果。我國是稻谷種植大國，每年都會產生大量的稻草，如果能將稻草纖維應用到透水再生混凝土的制備中，不僅可以減少對環境的污染，還能提升其性能，且改良纖維易得、價格便宜，經濟效益很好［6-7］。

本文擬通過對不同摻量植物纖維改良透水再生混凝土進行不同類型的試驗［8-9］，得出纖維的最佳摻入形態和摻量，為提升透水再生混凝土工程力學性能提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

水泥：選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其比表面積為341 m2/kg，初凝和終凝時間分別為170 min和255 min，氯離子含量為0.035%，標準稠度用水量為26.7%，28 d抗折和抗壓強度分別為8 MPa和50.9 MPa。

粗骨料：粒徑為9.5～16 mm的天然骨料和再生骨料，天然骨料表觀密度為2 720 kg/m3，堆積密度為1 662 kg/m3，吸水率為0.65%，壓碎指標為11%，含泥量為0.1%；再生骨料表觀密度為2 620 kg/m3，堆積密度為1 670 kg/m3，吸水率為3.4%，壓碎指標為16.6%，含泥量為0.98%。

細骨料：特細砂，平均粒徑lt;0.25 mm，細度模數為0.75，含泥量為2%。

植物纖維：取自稻草，分為直徑6～10 mm的絲狀稻草纖維和0～1 mm的粉末狀稻草纖維兩類。

減水劑：聚羧酸高性能減水劑，含固量為10.3%，含氣量為4.5%，平均減水率為29%。

水：實驗室自來水。

1.2 試驗配合比方案

采用體積法進行透水混凝土配合比設計，設計強度等級為C20（抗折強度≥2.5 MPa），設計孔隙率為15%，透水混凝土的水膠比設計為0.3，再生粗骨料和天然粗骨料摻量分別為總粗骨料的30%和70%，細骨料（砂）摻量為6.1%，減水劑摻量為1.1%。分別向透水混凝土中摻入絲狀纖維和粉末狀纖維，植物纖維的摻量分別為0 kg/m3、1.5 kg/m3、3 kg/m3和4.5 kg/m3。具體試驗配合比方案見表1。

1.3 試驗方法

由于植物纖維與膠凝材料之間的粘接性能較差，會導致透水混凝土的性能降低，故而在摻入植物纖維之前，需要先對植物纖維進行預處理。預處理方法為將植物纖維放到4%的NaOH溶液中浸泡0.5 d，然后按照表1中的試驗配合比進行混凝土試件拌制。拌制方法為：（1）將天然和再生粗骨料混合攪拌0.5 min；（2）將植物纖維倒入混合料中攪拌0.5～1 min；（3）將水泥、砂和減水劑倒入混合料中，繼續攪拌1～1.5 min；（4）將拌和物分上下兩層倒入模具進行振搗；（5）將脫模后的試件放入標準養護室中養護28 d。對養護后的試件進行實際孔隙率、透水系數、抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度和抗凍性能等多項性能指標的測試，選出最佳纖維摻入形態和摻入量。

2 試驗結果分析

2.1 實際孔隙率

不同種類植物纖維摻量下透水再生混凝土的實際孔隙率變化特征見圖1。從圖1中可知：隨著植物纖維摻量的增加，混凝土的實際孔隙率呈線性增大的變化趨勢。相同摻量下，絲狀纖維混凝土的實際孔隙率要大于粉末狀纖維混凝土，每增加1 kg/m3的絲狀纖維，混凝土的實際孔隙率將增加約2.614%，每增加1 kg/m3的粉末狀纖維，混凝土的實際孔隙率僅增加0.696%。植物纖維之所以能夠提升混凝土的實際孔隙率，是因為改性植物纖維與水泥基體之間存在不相容的問題，導致植物纖維與水泥界面過渡區容易形成孔隙，而較長的絲狀纖維更容易與骨料和基體形成更多的交錯連接，這些網狀連接會形成很多小孔隙，故而孔隙率提高；粉末狀纖維的長度小，很容易粘附在骨料基體上，在水化反應過程中纖維會吸收水分收縮，因而對于孔隙率的提升效果一般。

2.2 透水性能

不同種類植物纖維摻量下透水再生混凝土的透水系數變化特征見圖2。從圖2中可知：隨著植物纖維摻量的增加，混凝土的透水系數逐漸增大。相比未摻入植物纖維試驗組，摻入1.5 kg/m3、3 kg/m3和4.5 kg/m3絲狀纖維的混凝土透水系數分別提升了69%、142.2%和339.6%，而摻入1.5 kg/m3、3 kg/m3和4.5 kg/m3粉末狀纖維的混凝土透水系數僅僅分別提升了13.3%、40.6%和63.1%。由此可見，絲狀纖維對于透水混凝土透水性能的改善效果更好，這主要是因為絲狀纖維在骨料和水泥集體之間能夠形成更多連通的孔隙，因而透水性能更好。

2.3 力學性能

不同種類植物纖維摻量對混凝土抗壓、劈拉和抗折強度影響規律見圖3。從圖3中可知：隨著植物纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強度呈逐漸減小的變化特征。相同摻量下，摻入絲狀纖維混凝土的抗壓強度小于粉末狀纖維，當絲狀纖維摻量達到4.5 kg/m3后，抗壓強度已不能滿足C20設計要求。纖維對劈拉強度有一定的改善效果，當絲狀纖維摻量達到3 kg/m3后，劈拉強度相比未摻入纖維組提升了12.1%，但是當繼續摻入絲狀纖維后，劈拉強度反而降低，這可能與絲狀纖維摻量過多容易膠結成團，不易分散，導致內部出現薄弱界面；而摻入粉末狀纖維則不會存在這種情況，當摻入4.5 kg/m3的粉末狀纖維后，混凝土劈拉強度提升了6.7%，提升幅度lt;3 kg/m3絲狀纖維摻量組。抗折強度的變化趨勢與劈拉強度表現一致，絲狀纖維摻量在3 kg/m3時抗折強度最大，達到4.02 MPa，粉末狀纖維摻量達到4.5 kg/m3時抗折強度僅為3.71 MPa，對于抗折強度的提升幅度也小于前者，因此絲狀纖維對于混凝土劈拉和抗折強度的提升效果優于粉末狀纖維，且摻量應≤3 kg/m3。

2.4 抗凍性能

不同種類植物纖維摻量對混凝土抗凍性能影響情況見圖4。從圖4中可知：當纖維摻量lt;3 kg/m3時摻入絲狀纖維的混凝土抗凍性強于摻入粉末狀纖維的混凝土，當摻量達到4.5 kg/m3后摻入絲狀纖維的混凝土抗凍性弱于摻入粉末狀纖維的混凝土；再生透水混凝土的抗凍性隨絲狀纖維摻量增加呈先增強后減弱的變化特征，隨粉末狀纖維摻量增加呈逐漸增強的變化特征，但影響不是很大。

3 經濟效益對比

通過對不同形態和摻量下改性植物纖維再生透水混凝土的各項性能試驗結果可以看出：采用絲狀纖維對于混凝土綜合性能的提升效果要優于粉末狀纖維，且最佳摻量宜控制在3 kg/m3，在采用透水混凝土后，路面可以不再配置排水設施。對每延米傳統普通混凝土路面和纖維透水再生混凝土路面的造價進行了初步分析（假設面層鋪裝后度為20 cm），結果見表2。從表2中可以看到：采用改性植物纖維透水再生混凝土的每延米造價相比普通混凝土路面而言，可以降低54.2元，具有較高的經濟效益。

4 結語

本文對不同形態和摻量改性植物纖維透水再生混凝土的各項性能進行試驗研究，得出如下結論：

（1）相比粉末狀纖維，絲狀纖維對于透水再生混凝土性能的改善作用更加顯著，但是摻入纖維會降低混凝土的抗壓強度，摻入過量纖維也會影響劈拉強度、抗折強度和抗凍性能。

（2）摻入3 kg/m3絲狀纖維透水再生混凝土的各項性能指標最佳。在此摻量下，透水混凝土的實際孔隙率可以達到19.3%，透水系數可以達到4.53 mm/s，抗壓和抗折強度滿足設計要求，抗凍性能也相對最佳。

（3）采用3 kg/m3絲狀纖維透水再生混凝土路面的每延米造價相比普通混凝土路面可以降低54.2元，具有很高的經濟效益。

參考文獻

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