刚性纤维增强透水混凝土配合比的试验研究

刘肖凡，李继祥

（武汉轻工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430023）

第15届全国纤维混凝土学术会议论文

刚性纤维增强透水混凝土配合比的试验研究

刘肖凡，李继祥

（武汉轻工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430023）

为改善透水混凝土的抗压强度和透水性能，将刚性聚合纤维和聚合物乳液掺入透水混凝土材料，采用正交试验分析了包括骨料粒径、水灰比、纤维掺量、乳液掺量4个因素的配合比对透水混凝土抗压强度和透水系数的影响．结果表明：水灰比和骨料粒径是影响透水混凝土抗压强度的主要因素，刚性聚合纤维可以在不降低透水混凝土抗压强度的基础上提高其透水性能，聚合物乳液对透水混凝土性能的提高作用不明显．推荐刚性纤维改性透水混凝土的配合比为水灰比0.3，骨料粒径10～15 mm，纤维掺量0.2%，聚合物乳液掺量20%．

透水混凝土；刚性聚合纤维；抗压强度；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种轻质多孔混凝土．与普通混凝土相比，它不含细骨料，粗骨料主要靠薄层水泥浆相互粘结，形成均匀分布的蜂窝状结构，具有透水、透气和重量轻等特点[1-2]．透水混凝土的渗透性能可以缓解城市强降雨引发的地表径流，缓和城市热岛效应，调节地表土壤的生态环境，吸声降噪，净化水体，改善常规混凝土路面铺装所造成的系列环境问题[3]．

评价透水混凝土性能的主要指标有抗压强度和透水系数[4]，但其疏松多孔的性质决定了同时获得较高强度与较好透水性能的矛盾，实际工程常出现承载能力差、粗骨料之间粘结力小、抗冻融性能低、易开裂且难修复等问题[5]．本文在考虑常规影响因素诸如水灰比、骨料粒径的同时，提出在透水混凝土中掺入刚性聚合纤维和聚合物乳液来改善透水混凝土的强度和透水性能，基于正交设计原理设计不同配合比，通过试验研究不同因素对透水混凝土性能的影响．

1 原材料及配合比设计

1.1 原材料

根据文献[6]的研究成果，为提高透水混凝土骨料间粘结能力，水泥采用42.5#复合硅酸盐水泥．粗骨料采用同一产地的单一级配碎石．添加物中刚性聚合纤维为鼎强牌刚性聚丙烯纤维，如图1所示．纤维长度为38 mm，以聚丙烯为主要原料，经改性与表面处理工艺后，具有高耐碱性、抗潮湿，解决了一般钢纤维腐蚀生锈问题；易分散、易施工、无锋利棱角，对车辆、路面无任何损伤．聚合物乳液为EVA乳液，固含量为30%，具有良好的耐水性、耐酸碱性和耐候性．拌制混凝土和试件养护用水均为自来水．

图1 刚性聚丙烯纤维Fig.1 Rigid polymeric fibers

表1 正交试验因素与水平表Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

表2 每组透水混凝土试件各种材料用量kg/m3Tab.2 M aterial utilization amount of every specimen group

1.2 配合比设计

粗骨料是透水混凝土的骨架，一定程度上影响着透水混凝土的强度和透水性能，通常采用单粒径骨料．本次试验选择单一级配碎石，粒径为2.5～5 mm、5～10 mm和10～15 mm 3个水平进行研究．

水灰比是影响混凝土性能的因素之一，根据众多研究成果[7]，水灰比宜在0.25～0.35之间，本次试验选取水灰比为0.25、0.3、0.35这3个水平进行研究．

根据文献[8]的研究成果，掺合料中刚性聚丙烯纤维的体积掺量采用0、0.2%、0.4%这3个水平，聚合物乳液采用0、15%、20%这3个水平．各组试验对应配合比及各材料用量如表1、表2所示．

1.3 施工工艺

刚性聚合纤维透水混凝土配合比的设计应该使透水混凝土的强度提高的同时，又不影响其透水性。刚性聚合纤维的掺量应与灰骨比和水灰比相匹配，增大骨料间的桥联作用，提高透水混凝土的强度，同时尽量减小对透水系数的影响。推荐刚性聚合纤维透水混凝土施工工艺如图3所示，拌合好的刚性聚丙烯增强透水混凝土材料如图2所示。

在刚性聚合纤维透水混凝土搅拌及成型过程中，需要特别注意以下问题：1）搅拌时宜采用先干拌后湿拌的方法，即将水泥、石料和刚性纤维先进行搅拌，使刚纤维均匀地分散于干拌和料中，然后加水和外加剂进行湿拌；2）搅拌时应尽量做到骨料的每一接触面上，都能均匀涂上一层水泥浆；3）为了提高骨料之间的连接性，发挥纤维的增强阻裂作用，在试件成型时采用平板振动器，振动时间不应该过长，否则会导致水泥浆脱离骨料而下沉，浆体在底部形成一层不透水层；振动时间太短，透水混凝土不够密实，也就很难保证其有足够的强度。振动时间一般控制在15～20 s之间为宜；4）试模拆除时必须保持纤维透水混凝土有足够强度，直至混凝土都团结在一起时才能进行。

图2 拌合好的纤维透水混凝土Fig.2 M ixed permeable concrete w ith rigid polymeric fibers

图3 纤维透水混凝土施工工艺流程Fig.3 Process of construction technology for permeable concrete w ith rigid polymeric fibers

表3 各组透水混凝土试件抗压强度及透水系数Tab.3 Compressive strength and permeation coefficient of permeable concrete specimens

2 试验结果分析

试件在标准条件下养护28 d，测得其抗压强度及透水系数如表3所示．其中透水系数选用变水头法测定．

由表3可直观地看出，骨料粒径为10～15 mm、水灰比0.3、刚性聚丙烯纤维掺量为0、聚合物乳液掺量15%的试件抗压强度最高，但透水系数很低；骨料粒径为10～15 mm、水灰比0.35、刚性聚丙烯纤维掺量0.2%、聚合物乳液掺量20%的试件透水系数最高．

根据正交设计原理，分别计算骨料粒径、水灰比、刚性聚丙烯纤维掺量、聚合物乳液掺量对28 d抗压强度和透水系数的极差值，见表4．极差可以反映不同因素的水平变化对试验的结果影响程度的大小，极差大对应的因素水平变动对结果的影响就大，反之对结果的影响就小．

由表4可以看出，刚性聚合纤维透水混凝土对抗压强度影响的因素主次顺序是：水灰比→骨料粒径→聚合物乳液→纤维掺量．主要的因素应该要取最好的水平，次要的因素可以依据时间、成本等综合考虑．由此得到各因素的最佳搭配为A3B2C2D2，即得到较高抗压强度的最佳配比为：水灰比为0.3，骨料粒径取10～15 mm，纤维掺量取0.4%，聚合物乳液掺量取20%．

表4 抗压强度、透水系数极差分析Tab.4 Range analysis of com pressive strength and permeation coefficient

对透水混凝土的透水系数影响因素的主次顺序是：纤维掺量→水灰比→聚合物乳液→骨料粒径．同理可得各因素的最佳搭配为A3B1C3D2，即得到较好透水系数的最佳配比为：水灰比为0.35，骨料粒径10～15 mm，纤维掺量取0.2%，聚合物乳液掺量取20%．

由各影响因素的极差分析数据得到抗压强度正交分析点图、透水系数正交分析点图如图4、图5所示．

由抗压强度分析点图可以看出：1）透水混凝土的抗压强度随着水灰比的增加先增大后减小，说明透水混凝土特殊的组成结构对水灰比的敏感．在水泥用量固定的情况下，水灰比降低，用水量减少，水泥浆体变得更加黏稠，有限的水泥浆体不足以包裹骨料表面，不利于混凝土强度的提高．水灰比过大，水化产物形成的结构致密程度降低，水泥石强度降低，集料颗粒界面粘结强度下降，使得透水混凝土强度降低．水灰比为0.3对应的透水混凝土抗压强度最高．2）抗压强度随着骨料粒径的增大而增大．骨料的粒径影响混凝土内的嵌挤骨架结构，也影响水泥石与骨料颗粒间的粘结面积和粘结点数量，从而对混凝土的强度和透水系数产生影响．3）抗压强度随纤维掺量的增加而减小．刚性纤维虽然经过改性其弹性模量有所提高，但远小于混凝土弹性模量；纤维的界面效应表现明显，即纤维与骨料的粘合界面上的缺陷会增多，荷载作用下骨料界面与纤维的粘结破坏早于纤维自身的断裂，从而使透水混凝土的抗压强度降低．4）抗压强度随着聚合物乳液掺量的增加先减小后增大，但聚合物乳液对透水混凝土抗压强度的改善作用不够显著，说明该乳液的掺加未能起到增强水泥石粘结的效果．

图4 抗压强度正交分析点图Fig.4 Point diagram of orthogonal analysis for compressive strength

图5 透水系数正交分析点图Fig.5 Point diagram of orthogonal analysis for permeation coefficient

由透水系数分析点图可以看出：1）透水混凝土的透水系数随着水灰比的增加先减小后增加．水泥用量的增大使流变性较大的水泥浆体填充骨料间的孔隙，使透水系数显著下降．2）透水系数随着骨料粒径的增大而增大．骨料粒径大，骨料颗粒之间的空隙较多，且不易被水泥浆体填充密实，故透水性较好；骨料的粒径越小，颗粒间的接触点愈多，透水性混凝土强度越高，但由于比表面积大，骨料间的连通孔易被填充密实，透水性降低．3）透水系数随纤维掺量的增加先增大后减小，0.2%的掺量可以使透水混凝土的透水系数提高3倍之多，说明纤维对透水系数的影响存在优化范围．过多掺量的纤维在混凝土中形成交错的网状结构，不利于骨料间形成里外贯通的连通空隙，对透水混凝土的透水性能没有提升．4）透水系数随着聚合物乳液掺量的增加而增大．本次试验试件在养护过程中观测到聚合物析出现象，由此判断部分聚合物乳液没有达到相应强度，致使透水混凝土试件抗压强度降低，但析出的聚合物使得混凝土孔隙增加，表现为透水系数增大．

3 结论

1）水灰比和骨料粒径是影响透水混凝土抗压强度的主要因素，纤维掺量和水灰比对透水系数的影响较大．

2）适量掺量的刚性聚丙烯纤维可以在不降低透水混凝土抗压强度的基础上提高其透水性能，聚合物乳液的掺加要注意材料的养护工艺，避免聚合物析出、硬化强度不足而产生负作用．

3）综合考虑抗压强度、透水系数等性能，推荐刚性纤维改性透水混凝土的配合比为水灰比0.3，骨料粒径10～15 mm，纤维掺量0.2%，聚合物乳液掺量取20%．

[1]沈荣熹，王漳水，崔玉忠．纤维增强水泥与纤维增强混凝土[M]．北京：北京工业出版社，2006．

[2]宋中南，石云兴．透水混凝土及其应用技术[M]．北京：中国建筑工业出版社，2011．

[3]王从锋，刘德富．高透水性混凝土消减城市热岛效应试验分析研究[J]．混凝土，2010（8）：9-10，93．

[4]张贤超，尹健，池漪．透水混凝土性能研究综述[J]．混凝土，2010（12）：47-50．

[5]孙家瑛，黄科，蒋华钦．透水水泥混凝土力学性能和耐久性能研究[J]．建筑材料学报，2007，10（5）：583-586．

[6]王婷，刘肖凡，李继祥．刚性聚合纤维对透水混凝土改性的试验研究[J]．混凝土，2012（12）：117-119．

[7]宋志斌，张永顺，赵鸿儒．透水混凝土路面砖材料的正交试验研究[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．

[责任编辑 杨屹]

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

国家自然科学基金（51474168）；湖北省高校优秀中青年科技创新团队项目（T201107）

刘肖凡（1981-），男，副教授，博士．通讯作者：李继祥（1962-），男，教授，博士．