透水性聚丙烯纤维增强混凝土试验研究
透水性混凝土具有耐候性好，透水、透气、保温及隔热的特点，可用于人行道、停车场、透水性路面、水—厂建筑和排水系统反滤层等。但因强度低影响了其应用范围。本文对透水性聚丙烯纤维增强混凝上进行厂试验研究，针对影响透水性混凝土材料强度和透水性的的主要因素(水灰比、粗骨料种类和级配、增强材料)进行了测试。根据试验结果推荐的原材料、配比和试验方法，可以得到强度达25MPa，渗透系数达3．oITlflb／S以上的透水性混凝十。可满足一般工程需要。
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1研究意义及目的
1．1 研究意义
透水性聚丙烯纤维增强混凝土是用高强度等级的普通硅酸盐水泥、外加剂作胶凝材料，聚丙烯纤维作增强材料，单一粒级的碎石或工业废渣为骨料，按适当的比例配制而成。它不用或少用细骨料，主要由粗骨料表面包覆—薄层水泥浆相互粘结而形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构。该混凝土具有强度高、耐磨、耐候性好、透水、透气、保温及隔热等特点，可制成混凝土路面砖或直接现浇成型，用于绿色生态混凝土[1]、透水性路面材料[2]、水工建筑和排水系统反滤层[3]，可以成功地解决常规硬化路面存在的散热少、无呼吸、雨水聚积成涝等问题，减轻市政排水设施负担，使地下水得到及时补充。无疑，如果采用透水性混凝土或透水性混凝土路面砖铺筑各种场地和路面，将使其步入与自然协调，维护生态平衡的可持续发展轨道。
1．2 研究目的
发达国家于20世纪70年代开始研究透水性场路材料。1970年，英国曾尝试用无砂透水性混凝土铺筑常规刚性路面，使用效果很好。但终因28d强度只有13．8MPa，10年后由于冻融而遭破坏。1979年，美国在佛罗里达州一座教堂附近首次使用无砂多孔混凝土建成具有透水性的停车场并取得专利。这种透水性混凝土28d抗压强度为26．2MPa，透水系数为16mm／s。20世纪70年代，北京园林局曾研制了具有透水、透气性能的混凝土及其砌块，用于铺筑皇家园林的广场、道路及抢救古树。目前，国内用普通方法研制的透水性混凝土，在保证一定透水性情况下其强度通常不超过20MPa，这严重影响了透水性混凝土的应用范围[4]。
本文针对影响透水性混凝土材料强度和渗透性的主要因素(水灰比、粗骨料种类和级配、增强材料、外加剂等)，提出增强透水性混凝土材料强度的措施。并就这些因素对强度及透水性的影响进行了测试。根据试验结果推荐的原材料、配比和试验方法，可以得到强度达25MPa，渗透系数达3．0mm／s以上的透水性混凝土，能满足一般工程需要。
2 试验方法
2．1 试验用原材料
试验采用42．5级普通硅酸盐水泥，连续粒级及单粒级碎石，短切聚丙烯纤维，高效减水剂。
2．2 试件成型、养护
试件尺寸：15cm×l5cm×l5cm；搅拌时间适当延长，应使聚丙烯纤维充分分散于混凝土内试件成型工艺流程见图1。
图1 试件成型工艺流程
2．3 配合比设计
目前透水性混凝土的配合比设计还没有成熟的计算方法，根据透水性混凝土理想模型的结构特点，可以认为透水性混凝土的外观体积由骨料堆积而成，混凝土所需的水泥浆以能够包裹粗骨料表面，形成一定厚度的胶结层和在骨料之间形成连通的孔隙为宜，试验用透水性混凝土的水灰比为0．25~0．45，水泥用量为250~400kg／m3，外加剂掺量为1．0％—1．5％，聚丙烯纤维掺量为0．9kg／m3。
2．4 透水系数
透水系数试验是将养护28d的混凝土试块置于透水套筒中，周围用渗透性很低的黏土填充，并加以捣固压实，以防止黏土进入试样内，用透明胶将试样侧壁裹紧。从透水套筒上部注水，水通过透水性混凝土，然后进入定位水桶，再从出水管排出。当注入的水量和从出水管排出的水量达到平衡状态后，启动秒表，同时计量从水管排出的水量，并测量当时的水温，通过公式(1)可计算出透水性混凝土的透水系数。试验装置如图2所示[5]。
(1) 式中： —水温厂摄氏度时的透水系数，cm/s；
Q—从时间t1至t2透过混凝土的水量，cm3；
D—透水性混凝土试件的厚度，cm；
A—混凝土透水面的面积，cm2；
H—混凝土透水高度，cm；
t2、t1一测定时间，s。
图2 透水性试验装置示意
1—透水方筒套，为边长100mm正方形；2—定位水桶；
3—边长100mm大孔混凝土；4—底坐(上置定位水桶)：5—量筒：6—溢水管
3 试验结果与讨论
试验在优选原材料的前提下，测试了水灰比、骨料级配及聚丙烯纤维掺量对透水性聚丙烯纤维增强混凝土强度和渗透系数的影响。
3．1 水灰比对强度和渗透系数的影响
设计了5种不同水灰比的掺聚丙烯纤维的基准无砂大孔混凝土和透水性聚丙烯纤维增强混凝土(配比同基准试件，另加入聚丙烯纤维0．9kg／m3)试件进行试验。其中基准无砂大孔混凝土水泥用量330kg／m3，石子采用5~31．5mm碎石，用量1 980kg／m3，灰骨比1：6。水灰比对强度和透水系数的影响结果如表1。
表1 水灰比对强度和渗透系数的影响
|
编号 |
水灰比 |
基准无砂大孔混凝土 |
透水性纤维增强混凝土 | ||
|
抗压强度
／MPa |
渗透系数
／(cm／s) |
抗压强度
／MPa |
渗透系数
／(cm／s) | ||
|
1
2
3
4
5 |
0．25
0．30
0．35
0．40
0．45 |
10．9
14．5
17．7
18．9
11．1 |
0．534
0．435
0．388
0．320
0．250 |
15．6
19．2
26．5
29．2
23．2 |
0．489
0．410
0．370
0．328
0．246 |
注：为了保证拌合物有较好的流动性，可掺入1％—1．5％的高效减水剂。
表1结果表明，水灰比的变化对强度影响很大，在相同灰骨配比条件下，有一最佳水灰比(0．4)。当水灰比小于最佳水灰比时，无砂大孔混凝土因干燥拌料不易均匀，水泥浆不能均匀地包裹在粗骨料的表面，达不到适当密度，强度不易提高。当水灰比大于最佳配比用量时，混凝土强度开始降低，这是因为水灰比太大时水泥浆开始下滴，形成的试件下部较密实，没有孔隙，而上部只是粗骨料堆积在一起，缺少胶结，因此，整体强度降低。
透水性聚丙烯纤维增强混凝土都具有一定的透水性，在水灰比不大于0．4时，混凝土的抗压强度随水灰比增加而提高，透水性随水灰比增大而有所减小，但与无砂大孔透水性混凝土比，减小趋缓。
3．2 粗骨料级配对强度和渗透水系数的影响
在原配比条件下，分别采用单一粒级配(16～31．5mm)和连续粒级(5～31．5mm)碎石对强度和渗透水性能的影响进行试验，结果见表2。
表2 骨料级配对强度和渗透系数的影响
|
碎石骨料级配 |
纤维掺量／(kg／m3) |
28d抗压强度／MPa |
透水系数／(mm／s) |
|
16～31．5 mm
5～31．5 mm |
0．9
0．9 |
15．6
29．2 |
4．21
3．28 |
从表2可看出，采用单·—粒级骨料配制的透水性混凝土的强度要小于采用连续粒级骨料的强度。其原因是骨料粒径连续、大小不同时，可以有效地提高骨料之间的接触点数量，从而提高其强度，但透水性同时会相应降低。
3．3 聚丙烯纤维对强度和渗透系数的影响
从表1结果可以看出，无砂大孔透水性混凝土在保证一定透水性能时，其强度均未达到20MPa，这严重影响透水性混凝土的应用范围。而掺加短切螺旋状聚丙烯纤维(掺量为0.9kg／m3)的透水性混凝土，因其纤维能均匀分布在混凝土基材中，从而产生二级增强效果，使混凝土强度得到提高，并对混凝土透水性无较大影响。
4 结 论
(1)水灰比是影响透水性混凝土强度的主要因素之一，当水灰比在0．4左右时可以形成较理想的透水性混凝土结构，具有较高的强度和—定的透水性。
(2)在保证一定透水性的条件下，连续粒级骨料比单一粒级骨料具有更高的强度。
(3)在适宜的水灰比范围内，掺入短切螺旋状聚丙烯纤维的透水性混凝土的透水性，随水灰比增大而减小，但采用单一粒径骨料可以改善混凝土透水性。
(4)螺旋状聚丙烯纤维与水泥基体相容，极易分散于混凝土内部构成一种均匀的随机取向支撑体系，从而产生二级增强效果，可以有效地分散应力，提高其强度，且对透水性能影响不大。
摘自：中国混凝土网
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