钢纤维透水混凝土的应用研究

2019-10-15温茂增黄金林李梓渊谢咏麒侯奕霖陈源爵

广东土木与建筑 2019年9期

温茂增，黄金林，李梓渊，谢咏麒，侯奕霖，陈源爵

（华南农业大学水利与土木工程学院广州510642）

0 引言

透水混凝土是由粗骨料、水泥和水及添加物拌制而成的一种多孔混凝土，具有透气、透水和重量轻等特点［1］。透水混凝土的应用与研究始于上世纪六十年代，它既有一定的强度又有一定的透水性。目前对于透水混凝土已经进行了研究推广［2］。由于其多孔性质造成其强度不高、耐久性差等问题，因而限制了其广泛发展与应用。近几年有不少学者［3-5］提出在透水混凝土中加入纤维，也取得良好的效果，但目前的研究还处于初步探索阶段，大部分实验因素为纤维种类、纤维掺量、水胶比等基本参数，并且研究其对透水混凝土基本力学性能的影响；另外，硅灰的物理性质决定了其微小颗粒具有高度的分散性，掺入水泥中可以充分填充在水泥颗粒之间，提高浆体硬化后的密实度［6］。本文提出通过添加钢纤维及硅灰来提高透水混凝土强度和改善其渗透性问题，探究钢纤维对透水混凝土性能的作用。

1 原材料与配合比设计

1.1 原材料

原材料采用P.O42.5R 普通硅酸水泥；SiO2含量97%的硅灰；聚羧酸高性能减水剂；普通自来水；上海贝卡尔特公司的Dramix 钢纤维，其物理性能指标如下：长度为35 mm，直径为0.55 mm，长径比为64，抗拉强度为1 150 MPa，密度为7 800 kg/m3。骨料为粒径范围为5～10 mm的辉绿岩骨料，其物理性能指标如下：辉绿岩集料表观密度为2 900 kg/m3，紧密堆积密度为1 750 kg/m3，压碎值为1%，含泥量为0.2%。

1.2 配合比设计

根据作者前期研究成果［7］，骨料为粒径为5～10 mm的辉绿岩透水混凝土最优配合比为水胶比为0.25、孔隙率为18%，本文在研究钢纤维透水混凝土性能时，在此配合比的基础上，选择掺量为0.5%，1.0%，1.5%的钢纤维和0%，3%，6%的硅灰进行试验研究。

2 成型与施工工艺

搅拌时应先将钢纤维、硅灰、水泥、辉绿岩骨料放入搅拌机内搅拌3 min，使其充分混合均匀。接着加入已充分溶解减水剂的水，搅拌3 min。搅拌均匀后进行插捣/静压成型，分三层将拌合物装入模具，抗压试块每层需插捣约15 次，抗折试块每层需插捣约60 次，后将装有拌合物的模具放至压力试验机静压3 min，压力1.5 MPa。成型24 h 后拆模，然后标准养护至28 d，然后进行相关抗压强度、抗折强度、渗透系数的测验。

3 实验结果分析

3.1 钢纤维透水混凝土性能的影响试验

掺入0.5%、1.0%、1.5%钢纤维的透水混凝土力学性能和渗透系数如表1 所示。普通透水混凝土的抗压强度是30.05 MPa，掺入0.5%、1.0%、1.5%钢纤维后。对比普通透水混凝土，抗压强度分别减少了11.9%，23.0%，20.8%，最高抗压强度为26.48 MPa；可以得出结论，掺入钢纤维对透水混凝土抗压强度有减弱作用。这是由于钢纤维的弹性模量比透水混凝土的弹性模量低，在钢纤维混凝土受到压力作用时，透水混凝土变化幅度大于钢纤维，在混凝土与钢纤维接触的地方，二者容易分离，钢纤维因被拔出使得裂缝进一步扩大，降低整体抗压值；其次，钢纤维在混凝土中的杂乱分布使其密实度降低，钢纤维掺量越多降低越明显［8］。

表1 钢纤维的掺量对普通透水混凝土性能的影响Tab.1 Effect of the Amount of Steel Fiber on the Performance of Ordinary Pervious Concrete

加入钢纤维后的混凝土渗透系数变化趋势则与抗压强度相反，普通透水混凝土的渗透系数为3.11 mm/s，掺入0.5%、1.0%、1.5%钢纤维后，渗透系数分别增加了38.9%，74.0%，77.8%。渗透系数显著增加，这是由于随着钢纤维掺量的增加，加上钢纤维搅拌不均匀，水泥浆体与钢纤维成团，使得内部孔隙加大造成；掺入钢纤维可有效提高透水混凝土的孔隙率与透水性能，这也是导致钢纤维透水混凝土强度降低的原因之一［9］。

加入钢纤维后，透水混凝土的抗折强度得到了显著增加，普通透水混凝土的抗折强度为4.12 MPa，掺入0.5%、1.0%、1.5%钢纤维后，抗折强度分别增加了39.3%，93.2%，16.7%。最高抗折强度为7.96 MPa。在透水混凝土中加入钢纤维，相当于在骨料之间加强连结，骨料与骨料之间的粘结力变大，加强了骨料间的约束作用，使得骨料之间连接更加紧密而不易分离，提高了透水混凝土的抗折强度；再者，从材料力学角度解释，混凝土的抗压性能优异但其抗折性能较差，而钢纤维抗折性能优异，因此，在混凝土中添加钢纤维，钢纤维能承担部分弯折应力，透水混凝土的抗折强度得到提升。与此同时，由于钢纤维较为细长，混凝土中的孔隙不易被其所填充，因此在增强钢纤维透水混凝土强度的同时，其透水性也得到了保证。

综上所述，同时考虑透水混凝土强度和渗透性的要求，单掺钢纤维时，其掺量不应超过0.5%，这时透混凝土的抗压强度26.48 MPa，抗折强度5.74 MPa，渗透系数4.32 mm/s。

3.2 硅灰钢纤维透水混凝土性能的影响

3.2.1 抗压强度

同时复掺硅灰和钢纤维的透水混凝土抗压强度如图1 所示，可以看到，相同钢纤维掺量的情况下，硅灰掺量越高，透水混凝土抗压强度越高。相对普通透水混凝土，掺入3%硅灰和6%硅灰，掺入0%、0.5%、1.0%、1.5%钢纤维的透水混凝土抗压强度值提高7.9%、21.5%、23.5%、11.7%和15.7%、31.6%、27.5%、-11.0%。最高抗压强度为硅灰掺量为6%、钢纤维掺量为0.5%时的38.72 MPa。这是因为硅灰是一种具有很大比表面积的无定形氧化硅，颗粒微小，分散性较高，能够有效填充透水混凝土中的微小孔隙，同时水化反应生成凝胶体，这样就提高了水泥浆的粘度，改善水泥浆体的级配，提高水泥浆体硬化后的密实度，从而增加钢纤维透水混凝土的抗压强度值［10］。

图1 硅灰的掺量对钢纤维透水混凝土抗压强度的影响Fig.1 Effect of the Dosage of Silica Fume on the Compressive Strength of Steel Fiber Permeable Concrete

同时，在硅灰掺量为3%或6%时，随着钢纤维掺量的增加，透水混凝土的抗压强度值先增大后减小，即钢纤维掺量在小于0.5%范围内时透水混凝土抗压强度值随着钢纤维掺量的增加而增大；钢纤维掺量在0.5%～1.5%范围内时，透水混凝土抗压强度值随着钢纤维掺量的增加而减小。可以认为硅灰的添加使得钢纤维透水混凝土浆体的流动性能发生变化，在填充骨料间的孔隙的同时，加大了骨料与骨料之间、骨料与纤维之间的黏性，所以硅灰的加入可以弥补钢纤维会降低透水混凝土抗压强度这一缺点。

3.2.2 抗折强度

同时复掺硅灰和钢纤维的透水混凝土抗折强度如图2 所示，可以看到，与不掺硅灰相比，掺入3%的硅灰，在钢纤维掺量为0%、0.5%、1.0%、1.5%时的透水混凝土抗折强度降低了-7.5%、11.5%、38.9%、5.4%；掺入6%的硅灰，在钢纤维掺量为0%、0.5%、1.0%、1.5%时的透水混凝土抗折强度提高了24.0%、13.76%、-9.1%、87.94%；其中抗折强度最大为6%硅灰掺量、1.5%钢纤维掺量下的透水混凝土的9.04 MPa。当硅灰掺量为6%时，钢纤维透水混凝土抗折性能显著提升。与上述硅灰对混凝土抗压性能的改变相比可知，硅灰对钢纤维透水混凝土抗压性能的改善程度比对其抗折强度的改善程度较为显著，换句话说，掺入硅灰能较好改善混凝土抗压性能，但不能较好地改善其抗折性能。

图2 硅灰的掺量对钢纤维透水混凝土抗折强度的影响Fig.2 Effect of the Content of Silica Fume on the Flexural Strength of Steel Fiber Permeable Concrete

3.2.3 渗透系数

同时复掺硅灰和钢纤维的透水混凝土渗透系数如图3 所示，可知，未加硅灰时掺入0%、0.5%、1.0%、1.5%钢纤维的透水混凝土渗透系数分别比掺入3%硅灰和6%硅灰的钢纤维透水混凝土渗透系数高-32.0%、23.4%、27.9%、2.98%和-16.0%、33.1%、26.7%、-22.1%。在相同钢纤维掺量条件下，随着硅灰掺量的增加，渗透系数减少，由于硅灰的密度小于水泥的密度，所以硅灰等质量取代水泥后，胶凝材料的体积增大，包裹粗骨料的厚度增加，使得孔隙率减小，所以随着硅灰掺量的增加，透水混凝土的透水系数减小［11］。