劉肖凡，李繼祥

（武漢輕工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430023）

第15屆全國(guó)纖維混凝土學(xué)術(shù)會(huì)議論文

剛性纖維增強(qiáng)透水混凝土配合比的試驗(yàn)研究

劉肖凡，李繼祥

（武漢輕工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430023）

為改善透水混凝土的抗壓強(qiáng)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(yàn)分析了包括骨料粒徑、水灰比、纖維摻量、乳液摻量4個(gè)因素的配合比對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響．結(jié)果表明：水灰比和骨料粒徑是影響透水混凝土抗壓強(qiáng)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(qiáng)度的基礎(chǔ)上提高其透水性能，聚合物乳液對(duì)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(qiáng)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(zhì)多孔混凝土．與普通混凝土相比，它不含細(xì)骨料，粗骨料主要靠薄層水泥漿相互粘結(jié)，形成均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具有透水、透氣和重量輕等特點(diǎn)[1-2]．透水混凝土的滲透性能可以緩解城市強(qiáng)降雨引發(fā)的地表徑流，緩和城市熱島效應(yīng)，調(diào)節(jié)地表土壤的生態(tài)環(huán)境，吸聲降噪，凈化水體，改善常規(guī)混凝土路面鋪裝所造成的系列環(huán)境問(wèn)題[3]．

評(píng)價(jià)透水混凝土性能的主要指標(biāo)有抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)[4]，但其疏松多孔的性質(zhì)決定了同時(shí)獲得較高強(qiáng)度與較好透水性能的矛盾，實(shí)際工程常出現(xiàn)承載能力差、粗骨料之間粘結(jié)力小、抗凍融性能低、易開(kāi)裂且難修復(fù)等問(wèn)題[5]．本文在考慮常規(guī)影響因素諸如水灰比、骨料粒徑的同時(shí)，提出在透水混凝土中摻入剛性聚合纖維和聚合物乳液來(lái)改善透水混凝土的強(qiáng)度和透水性能，基于正交設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)不同配合比，通過(guò)試驗(yàn)研究不同因素對(duì)透水混凝土性能的影響．

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

根據(jù)文獻(xiàn)[6]的研究成果，為提高透水混凝土骨料間粘結(jié)能力，水泥采用42.5#復(fù)合硅酸鹽水泥．粗骨料采用同一產(chǎn)地的單一級(jí)配碎石．添加物中剛性聚合纖維為鼎強(qiáng)牌剛性聚丙烯纖維，如圖1所示．纖維長(zhǎng)度為38 mm，以聚丙烯為主要原料，經(jīng)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(wèn)題；易分散、易施工、無(wú)鋒利棱角，對(duì)車(chē)輛、路面無(wú)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(yǎng)護(hù)用水均為自來(lái)水．

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

表1 正交試驗(yàn)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(shè)計(jì)

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(qiáng)度和透水性能，通常采用單粒徑骨料．本次試驗(yàn)選擇單一級(jí)配碎石，粒徑為2.5～5 mm、5～10 mm和10～15 mm 3個(gè)水平進(jìn)行研究．

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

根據(jù)文獻(xiàn)[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(gè)水平，聚合物乳液采用0、15%、20%這3個(gè)水平．各組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)應(yīng)該使透水混凝土的強(qiáng)度提高的同時(shí)，又不影響其透水性。剛性聚合纖維的摻量應(yīng)與灰骨比和水灰比相匹配，增大骨料間的橋聯(lián)作用，提高透水混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)盡量減小對(duì)透水系數(shù)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(qiáng)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(guò)程中，需要特別注意以下問(wèn)題：1）攪拌時(shí)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(jìn)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(jìn)行濕拌；2）攪拌時(shí)應(yīng)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(fā)揮纖維的增強(qiáng)阻裂作用，在試件成型時(shí)采用平板振動(dòng)器，振動(dòng)時(shí)間不應(yīng)該過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)導(dǎo)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(dòng)時(shí)間太短，透水混凝土不夠密實(shí)，也就很難保證其有足夠的強(qiáng)度。振動(dòng)時(shí)間一般控制在15～20 s之間為宜；4）試模拆除時(shí)必須保持纖維透水混凝土有足夠強(qiáng)度，直至混凝土都團(tuán)結(jié)在一起時(shí)才能進(jìn)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(qiáng)度及透水系數(shù)Tab.3 Compressive strength and permeation coefficient of permeable concrete specimens

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，測(cè)得其抗壓強(qiáng)度及透水系數(shù)如表3所示．其中透水系數(shù)選用變水頭法測(cè)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(qiáng)度最高，但透水系數(shù)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(shù)最高．

根據(jù)正交設(shè)計(jì)原理，分別計(jì)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(duì)28 d抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的極差值，見(jiàn)表4．極差可以反映不同因素的水平變化對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果影響程度的大小，極差大對(duì)應(yīng)的因素水平變動(dòng)對(duì)結(jié)果的影響就大，反之對(duì)結(jié)果的影響就小．

由表4可以看出，剛性聚合纖維透水混凝土對(duì)抗壓強(qiáng)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(yīng)該要取最好的水平，次要的因素可以依據(jù)時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度、透水系數(shù)極差分析Tab.4 Range analysis of com pressive strength and permeation coefficient

對(duì)透水混凝土的透水系數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)得到抗壓強(qiáng)度正交分析點(diǎn)圖、透水系數(shù)正交分析點(diǎn)圖如圖4、圖5所示．

由抗壓強(qiáng)度分析點(diǎn)圖可以看出：1）透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增加先增大后減小，說(shuō)明透水混凝土特殊的組成結(jié)構(gòu)對(duì)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(qiáng)度的提高．水灰比過(guò)大，水化產(chǎn)物形成的結(jié)構(gòu)致密程度降低，水泥石強(qiáng)度降低，集料顆粒界面粘結(jié)強(qiáng)度下降，使得透水混凝土強(qiáng)度降低．水灰比為0.3對(duì)應(yīng)的透水混凝土抗壓強(qiáng)度最高．2）抗壓強(qiáng)度隨著骨料粒徑的增大而增大．骨料的粒徑影響混凝土內(nèi)的嵌擠骨架結(jié)構(gòu)，也影響水泥石與骨料顆粒間的粘結(jié)面積和粘結(jié)點(diǎn)數(shù)量，從而對(duì)混凝土的強(qiáng)度和透水系數(shù)產(chǎn)生影響．3）抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而減?。畡傂岳w維雖然經(jīng)過(guò)改性其彈性模量有所提高，但遠(yuǎn)小于混凝土彈性模量；纖維的界面效應(yīng)表現(xiàn)明顯，即纖維與骨料的粘合界面上的缺陷會(huì)增多，荷載作用下骨料界面與纖維的粘結(jié)破壞早于纖維自身的斷裂，從而使透水混凝土的抗壓強(qiáng)度降低．4）抗壓強(qiáng)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(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的改善作用不夠顯著，說(shuō)明該乳液的摻加未能起到增強(qiáng)水泥石粘結(jié)的效果．

圖4 抗壓強(qiáng)度正交分析點(diǎn)圖Fig.4 Point diagram of orthogonal analysis for compressive strength

圖5 透水系數(shù)正交分析點(diǎn)圖Fig.5 Point diagram of orthogonal analysis for permeation coefficient

由透水系數(shù)分析點(diǎn)圖可以看出：1）透水混凝土的透水系數(shù)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(shù)顯著下降．2）透水系數(shù)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(shí)，故透水性較好；骨料的粒徑越小，顆粒間的接觸點(diǎn)愈多，透水性混凝土強(qiáng)度越高，但由于比表面積大，骨料間的連通孔易被填充密實(shí)，透水性降低．3）透水系數(shù)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(shù)提高3倍之多，說(shuō)明纖維對(duì)透水系數(shù)的影響存在優(yōu)化范圍．過(guò)多摻量的纖維在混凝土中形成交錯(cuò)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不利于骨料間形成里外貫通的連通空隙，對(duì)透水混凝土的透水性能沒(méi)有提升．4）透水系數(shù)隨著聚合物乳液摻量的增加而增大．本次試驗(yàn)試件在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中觀測(cè)到聚合物析出現(xiàn)象，由此判斷部分聚合物乳液沒(méi)有達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度，致使透水混凝土試件抗壓強(qiáng)度降低，但析出的聚合物使得混凝土孔隙增加，表現(xiàn)為透水系數(shù)增大．

3 結(jié)論

1）水灰比和骨料粒徑是影響透水混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素，纖維摻量和水灰比對(duì)透水系數(shù)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(qiáng)度的基礎(chǔ)上提高其透水性能，聚合物乳液的摻加要注意材料的養(yǎng)護(hù)工藝，避免聚合物析出、硬化強(qiáng)度不足而產(chǎn)生負(fù)作用．

3）綜合考慮抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)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(qiáng)水泥與纖維增強(qiáng)混凝土[M]．北京：北京工業(yè)出版社，2006．

[2]宋中南，石云興．透水混凝土及其應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)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(yīng)試驗(yàn)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(xué)性能和耐久性能研究[J]．建筑材料學(xué)報(bào)，2007，10（5）：583-586．

[6]王婷，劉肖凡，李繼祥．剛性聚合纖維對(duì)透水混凝土改性的試驗(yàn)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(yàn)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(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金（51474168）；湖北省高校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)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．