钢纤维透水混凝土性能研究

王 博，刘 飞，王飞宇，梁 辉，姚文山

(中国建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

0 引言

我国城市建设的人行道、自行车道、公园、庭院及公共广场路面，仍以不透水的石板材、柏油沥青和钢筋混凝土为主。此类传统路面施工工艺成熟、铺装简单，但硬化路面无渗透雨水的能力，缺乏呼吸性，对生态环境影响较大。而透水混凝土路面，由于强度较低、耐磨性能差等原因，导致路面使用年限低，不能得到广泛应用。针对上述问题，需不断改进研究透水混凝土，最大程度减轻环境负担、提高透水混凝土性能，实现建筑与自然环境协调共生。

1 透水混凝土概况

1.1 结构特征

透水混凝土由水、水泥、粗集料组成，采用单粒级粗集料作为骨架，水泥净浆中加入少量细集料的砂浆薄层包裹在粗集料颗粒表面，作为集料颗粒间的胶结层，集料颗粒通过硬化水泥浆薄层胶结成多孔的堆积结构，因此混凝土内部存在大量连通孔隙，且多为直径>1mm的大孔。透水混凝土具有良好的透水性和透气性，当降雨或绿化喷洒时，水流能及时沿连通孔隙通道渗入地下或导流，避免表面积水。透水混凝土内部结构模型如图1所示。

图1 透水混凝土内部结构模型

根据结构模型可知，透水混凝土受力时，通过集料间的胶结点传递作用力，由于集料本身强度较高，水泥凝胶层很薄，水泥凝胶体与粗集料界面间的胶结面积小，集料颗粒间的连接点处被破坏，因此在保证一定孔隙率的前提下，增加胶结点面积，提高胶结层强度是提高透水混凝土强度的关键。

1.2 优缺点

1)透水性路面能使雨水迅速渗入路基，使地下水资源得到及时补充，以保持土壤湿度，改善城市地表植物和土壤微生物的生存条件。透水混凝土可增加城市土壤与外界环境的水、气交换，明显增加土壤有效养分含量，提高土壤养分利用率。还可降低土壤温度、盐分含量和pH值。

2)透水性路面具有较大的孔隙率，与土壤相通，能蓄积较多热量，有利于调节城市空间湿度和温度，减轻热岛现象。同时改善水分供应状况，提高土壤含水率，节约灌溉用水。

3)当集中降雨时，能减轻排水设施的负担，减少路面积水和夜间反光，避免轮胎与路面形成水膜，缩短刹车距离，提高车辆、行人通行舒适性与安全性。结构空隙构造能吸收车辆行使时产生的噪声，创造安静舒适的交通环境。

4)由透水混凝土本身构造可知，内部空隙可很大程度降低结构抗压性能及耐磨性能。

2 透水混凝土试验

2.1 配合比及钢纤维掺量设计

透水性生态路面应满足强度和渗透性，粗集料的颗粒级配是决定这两个性能的主要因素之一。若集料级配不良，则透水系数大，强度偏低；反之，如果粗细集料达到最佳配合比，孔隙很少，则强度提高而渗透性极差。当水泥用量一定时，增大骨灰比，集料颗粒表面水泥浆厚度变薄，孔隙率增加，透水性提高，但强度却降低；反之，则透水性降低，强度提高。因此，针对强度与渗透性两个对立指标，选择0.3，0.37水胶比，对混凝土的最佳配合比进行试验。

为增加抗压性能及耐磨性能，本试验加入钢纤维，以加强粗集料间的联系，可认为增加集料与胶凝材料间的接触面积，并提高混凝土整体性，以增加强度。制作钢纤维掺量梯度试块后，进行强度测定，确定最高强度下掺入的钢纤维量。

1)水泥 为提高透水混凝土强度，本试验采用P·O 42.5水泥。

2)粗集料 集料质量对透水混凝土强度及透水性有较大影响。集料应采用天然碎石或破碎后的卵石，粒径均匀洁净，粒径范围在10～16mm，针片状颗粒占比<5%，含泥量<1%，压碎值<20%。

3)钢纤维 选用可使接触面积增加到最大的波纹状钢纤维，截面为弓形，外观为波浪形，长30mm,宽2.0～2.6mm,厚0.5～1.0mm,波长3mm,波高(2±0.2)mm，钢纤维抗拉强度>750MPa。

2.2 透水混凝土制备工艺

影响透水混凝土强度及透水性能的主要因素有水灰比、粗集料级配、钢纤维掺量、成型密实方法、养护条件等。在前期探索性试验基础上，选择水灰比和钢纤维掺量作为影响因素进行正交试验。

1)将石子、钢纤维与30%的水预拌30s，然后倒入水泥和50%的水，继续搅拌60s，随后加入剩余水，继续搅拌60s，整个过程共150s。

2)将混凝土装入150mm×150mm×150mm试模中，在振动台上振捣15～20s，然后用铁棒整平试块表面，最后再振捣5s。

3)试块在标准养护室养护3d后拆模，然后将试块继续养护至龄期。

4)采用特制装置测定透水混凝土透水系数，如图2所示。装置采用非恒压法，先密封试块4个面，使成型面作为测试表面，将液体从200mm处自由下渗，测得液体全部渗漏所需时间和透水系数。

图2 透水系数测定装置

5)透水混凝土抗压强度按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测定。

2.3 试验数据记录

钢纤维透水混凝土性能试验共设计7个配合比，每个配合比做7个钢纤维掺量，同配合比、同钢纤维掺量做3组试块，取试验有效值，试块抗压强度及透水系数如表1所示。

表1 试块抗压强度及透水系数

3 试验结果分析

不同配合比的抗压强度如图3所示。

图3 不同配合比的抗压强度

1)由图3可知，同一钢纤维掺量，同一水灰比(0.37∶1)的抗压强度随粗集料占比降低而提高。

2)当钢纤维掺量<90g时，同一配合比的试块抗压强度随钢纤维掺量增加而提高。观察试块破坏截面，可发现随着钢纤维掺量增加，集料间的搭接相对较多，故强度不断提高。

3)当钢纤维掺量达到90g时，试块抗压强度达到极值，当继续增加钢纤维掺量时，抗压强度没有明显增加，甚至存在下降情况。观察试块破坏截面，可发现钢纤维掺量达150g时，出现钢纤维重叠或聚积情况，限制振捣时集料的密实，降低集料间的搭接，故强度降低。

4)本次试验最优配合比为配合比5(石灰∶水∶粗集料=1∶0.30∶3.9)。

不同配合比下的透水系数如图4所示，水灰比差异的影响如图5所示。

图4 不同配合比下的透水系数

图5 水灰比差异的影响

5)分析图4可知，配合比1～3的水灰比一致，配合比4～7的水灰比一致，即同一钢纤维掺量的试块，透水系数随集料占比降低逐渐降低，即粗集料比例降低，空隙率降低，透水系数减小。

6)配合比3，4间的透水系数有明显突变，配合比3，4的区别在于水灰比不同。配合比1～3的水灰比较大，使水泥浆体流动性偏大，振捣时浆体在短时间内到达试块底部，底部出现一层薄的密实层，使水流在下渗过程中受较大阻力，影响透水系数。

7)图5中，粗集料掺量相同，水灰比不同，当钢纤维掺量不大时，配合比3的抗压强度高于配合比4的抗压强度。这是由于钢纤维掺量较少时，作用不明显，对抗压强度的提高作用不明显。同时没有细集料，导致水泥浆对粗集料的包裹有限，使钢纤维掺量较少时，试块抗压强度离散性较明显。

8)由于试块空隙比普通混凝土试块孔隙率大，振捣时不易振实，即振捣时间对试块密实度有较大影响。当钢纤维掺量>50g时，降低水灰比，主要是由于水泥成分增加，使集料间的胶结面积增加，集料间的胶结力增大，故试块抗压强度提高。

4 结语

4.1结论

1)在试块制备和养护条件均相同的情况下，配合比、钢纤维掺量、孔隙率均是影响透水混凝土透水性和抗压强度的因素。通过水灰比控制集料包裹程度，配合比控制孔隙率，再调配适度钢纤维掺量，使钢纤维透水混凝土达到最优性能。当集料选用粒径10～16mm的石子，水灰比为0.3时可达最优。当配合比超过1∶0.3∶3.9时，抗压强度增加不明显，可掺入细集料提高强度。

2)通过试验研究，钢纤维的加入对透水系数影响较小，掺入适量钢纤维，可改善透水混凝土工作性能。当掺量>120g时，抗压强度增加不显著。从经济和技术方面考虑，标准试块中，钢纤维掺量为90～120g时可达最优，抗压强度可提高10%～25%。

3)同一钢纤维掺量、同一水灰比，抗压强度由于粗集料占比降低而提高。当钢纤维掺量过高时，出现钢纤维重叠或聚积情况，限制振捣时集料的密实，降低集料间的搭接，故强度降低。当钢纤维掺量过低时，导致水泥浆对粗集料包裹有限，使钢纤维掺量少时试块抗压强度的离散性较明显。同一钢纤维掺量的试块透水系数随集料占比降低逐渐降低，即粗集料比例降低，空隙率降低，透水系数减小。

4.2 展望

本试验对透水混凝土的相关性能进行研究，由于透水混凝土结构较复杂、性能影响因素较多，还需更深入的研究。

本文针对钢纤维水泥透水混凝土进行试验研究，如沥青透水混凝土、碳纤维掺料透水混凝土等均可作为研究课题，对不同掺量透水混凝土进行对比分析，研究各自适合的路况。本试验测试透水系数的装置还有待进一步完善，此装置适合小规模测试，实际应用中进行不断优化有利于探索最优配合比。透水混凝土的维护、易开裂和路面孔隙内杂质的清洗同样值得进一步深入研究。