玄武岩纤维对透水混凝土性能的影响研究

卢阳阳,温振国

(广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

近年来,许多城市开始进行“海绵城市”的建设,旨在通过绿色基建措施有效减少内涝,增加水供给,减少城市热效应,增加经济和健康效益。而透水混凝土路面则是“海绵城市”建设的重要基础设施[1-2],其以粗骨料为骨架,通过胶凝材料裹附胶结而成的多孔隙结构混凝土,具有良好的透水性[3-5]。然而,在气候严寒且雨量充沛的地区,当透水混凝土路面孔隙中的水结冰后,体积膨胀在混凝土面层孔隙中会产生极大的应力,造成透水混凝土面层的冻胀破坏[6-7]。因此,提高严寒地区透水混凝土的抗冻性具有十分重要的意义。

玄武岩纤维具有良好的温度耐受能力和耐碱性腐蚀能力,同时也具有质轻的特点。国内外学者对玄武岩纤维的应用进行了大量的研究,得出玄武岩纤维的掺入能够有效改善透水混凝土的强度和抗冻性的结论[8-9]。陈亚曼等[10]通过往混凝土中掺入硅灰和玄武岩纤维进行试验分析,试验得到二者的最佳掺量,制备出抗压强度在30 MPa以上的透水混凝土,同时其具备1 mm/s以上的透水性能。薛文韬研究了不同骨料粒径等对玄武岩纤维透水混凝土的力学性能的影响[11]。但目前关于玄武岩纤维对透水混凝土性能影响的研究还比较少,还需要进一步深入研究。

基于此,本文通过掺入玄武岩纤维,研究透水混凝土的强度和透水性变化规律,进一步分析其对透水混凝土的抗冻性影响规律,为玄武岩纤维对透水混凝土的影响提供有力的理论支撑。

1 原材料

(1)水泥:选用乌鲁木齐天山品牌的P.O42.5型普通硅酸盐水泥,其主要性能参数如表1。

表1 水泥主要性能参数表

(2)硅灰:选用河北某矿产品加工厂生产的硅灰,其规格如表2所示。

表2 硅灰的组成成分表

(3)粗集料:为保证透水混凝土的力学性能和透水性,本试验选用单一级配,粒径为5～10 mm的普通碎石。

(4)减水剂:选用聚羧酸高效减水剂,减水率为30%。

(5)纤维:选用泰安某工程材料有限公司生产的玄武岩纤维,这是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料,其性能指标如表3所示。

表3 玄武岩纤维的性能指标表

(6)水:试验所用拌和水为实验室自来水。

2 试验方法及正交试验

2.1 试验方法

本文按照有关标准,即《透水混凝土》(JCT 2558-2020)进行各项试验。其中,孔隙率试验采用重量法测试有效孔隙率,每组配比制作3个试件,根据公式测试孔隙率,得出结果后取其平均值;透水系数试验采用固定水头法,每组配合比制作3个试件,计算单位时间出水量,得出结果后取其平均值;抗压强度试验每组制作3个100 mm×100 mm×100 mm的非标准试件,经养护后测试其抗压强度,得出结果后取其平均值。抗冻性试验主要采用快冻法进行冻融试验,按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)进行试验。

2.2 正交试验

试验主要研究玄武岩纤维的直径、长度、掺量对透水混凝土孔隙率、透水系数、抗压强度及抗冻性的影响。为了减少试验次数,研究不同变量在不同水平间变化对透水混凝土各项性能指标的影响,设计三因素三水平L9(33)正交试验。正交试验方案表如表4所示。

表4 正交试验方案表

为保证透水混凝土既有一定的强度和结构稳定性,又能满足一定的透水性,采用体积法确定本研究所用混凝土的配合比,如表5所示。

表5 混凝土配合比表

2.3 试件成型

为使玄武岩纤维及掺和料分散均匀,保证透水混凝土的拌和效果,选择合适的搅拌方法对玄武岩纤维透水混凝土来说尤为重要。经过前期试验,本试验最终选择如图1所示的搅拌方式,然后将拌和料按照振动成型法成型试件,并进行水中养护28 d,待养护期满,进行后续试验。混凝土孔隙率、透水系数及抗压强度试验结果见表6,并对其试验结果进行极差分析,见表7。

图1 混凝土搅拌方式示意图

表6 正交试验结果表

表7 正交试验结果极差分析表

表7中,K1、K2、K3分别表示直径、长度、掺量在水平1、水平2、水平3下的平均孔隙率、平均透水系数、平均抗压强度,主要是来反应因素水平在组间变化时孔隙率、透水系数、抗压强度的变化。R为不同水平间孔隙率、透水系数、抗压强度的极差,该结果是用来反应每个因素对孔隙率、透水系数、抗压强度影响程度的大小,该值越大,则对孔隙率、透水系数、抗压强度的影响越大,反之越小。

3 结果与分析

3.1 孔隙率

从图2和图3可知,随着玄武岩纤维直径变粗,混凝土的孔隙率下降。当纤维直径为14μm时,混凝土的孔隙率最大,这主要是因为纤维直径越粗,需要的胶凝材料越多,从而填充于集料的孔隙之间,降低了孔隙率。随着纤维长度的增加,混凝土的孔隙率先降低后增加,当纤维长度为15 mm时,混凝土的孔隙率最小。这主要是因为随着纤维长度的增加,吸附在纤维表面的浆体越多,纤维与浆体之间的缝隙被填满,使得孔隙率下降;但当纤维长度逐渐增大,纤维之间的乱象分布致使浆体内部的孔隙分布越来越均匀,从而增大了孔隙率。当玄武岩纤维掺量逐渐增加,混凝土的孔隙率也逐渐增大,当掺量为1 kg/m3时,混凝土的孔隙率最小,这是因为纤维掺量越多,越难以分散,更容易团聚在一起,导致分布不均匀,从而造成孔隙率增大。从上述分析可得,影响透水混凝土孔隙率的主次因素由大到小排序为:掺量>直径>长度。如要获得较大的孔隙率,应选择玄武岩纤维直径为14μm、长度为18 mm、掺量为5 kg/m3。

图2 混凝土孔隙率试验结果柱状图

图3 各因素水平对孔隙率的影响曲线图

3.2 透水系数

从图4和图5可知,随着玄武岩纤维直径的增加,混凝土的透水系数逐渐增大,这是由于纤维越粗,吸附的浆体越多,从而造成的空隙越多,使其透水系数增大。其中,当纤维直径为16μm时,混凝土的透水系数最大。当纤维的长度逐渐增加时,其透水系数增大,当纤维长度为18 mm时,其透水系数最大,这是由于纤维在浆体内部形成的网状结构,也形成了规则的孔隙,更加利于水的渗透。随着纤维掺量的增加,混凝土的透水系数下降,当掺量为1 kg/m3时,其透水系数最大,这是由于随着掺量的增加,更多的水泥浆体包裹在纤维表面,使混凝土更加密实,导致透水系数下降。综上所述,影响透水混凝土透水系数的主次因素由大到小排序为:掺量>长度>直径。要获得较大的透水系数,可考虑选择玄武岩纤维直径为16μm,长度为18 mm,掺量为1 kg/m3。

图4 混凝土透水系数试验结果柱状图

图5 各因素水平对透水系数的影响曲线图

3.3 抗压强度

从图6和图7可知,随着玄武岩纤维直径的增加,混凝土的抗压强度下降,这是由于纤维越粗其吸附的水泥浆体越多,导致骨架上的浆体变少,使骨料之间的粘结力变差,造成混凝土强度下降。其中,当纤维直径为14μm时,其强度最大。随着纤维长度的增加,混凝土的抗压强度增大,这是由于纤维长度越长,越容易在基体内部形成网状结构,且越长的纤维能够对裂缝起到桥接作用,从而提高其抗压强度。当纤维长度为18 mm时,其抗压强度最大。当纤维掺量逐渐增大,混凝土的抗压强度逐渐下降,这是由于纤维掺量的增加,导致纤维在搅拌过程中难以分散,在基体内部分布不均匀,产生薄弱点,导致其强度下降,因此当掺量为1 kg/m3时,其强度最大。综上所述,影响透水混凝土抗压强度的主次因素由大到小排序为:长度>掺量>直径。要想获得强度大的混凝土,应选择玄武岩纤维直径为14μm、长度为18 mm、掺量为1 kg/m3。

图6 混凝土抗压强度试验结果柱状图

图7 各因素水平对抗压强度的影响曲线图

3.4 抗冻性

根据正交试验设计,按照孔隙率试验、透水系数试验和抗压强度试验结果进行分析,优选出玄武岩纤维直径为14μm,长度为18 mm的试件,通过掺入不同掺量(1 kg/m3、3 kg/m3、5 kg/m3)的玄武岩纤维,研究其对透水混凝土抗冻性的影响规律。本试验采用快冻法进行冻融试验,试验结果如8和图9所示。

从图8可以得知,透水混凝土在经历冻融循环后,其质量损失率呈现上升趋势。其中,基本组的透水混凝土质量损失最大,但最终没有>5%。从图9可以看出,透水混凝土的相对动弹性模量随着玄武岩纤维掺量的增加逐渐增大。当基本组的透水混凝土试件到达60次冻融循环时,其动弹性模量已经损失了40%,此时的混凝土试件已经破坏。当掺入玄武岩纤维后,透水混凝土土的质量损失随着掺量的增加逐渐增大,相对动弹性模量下降缓慢。当玄武岩纤维掺量为1 kg/m3时,经历100次冻融循环后,混凝土的质量损失率最小,相对动弹性模量最大。这主要是由于玄武岩纤维有效改善了混凝土的粘结强度,能够抑制裂缝的产生和发展,使得混凝土破坏时间大大延缓。但随着掺量的增加,玄武岩纤维难以分散,在基体内部团聚,容易引起应力集中,且纤维掺量的增加,吸收了部分拌和用水,也会使混凝土水灰比降低,导致混凝土内部出现孔洞,容易发生破坏。综合分析得出,推荐玄武岩纤维直径为14μm、长度为18 mm、掺量为1 kg/m3的组合。

图8 透水混凝土冻融试验质量损失率曲线图

图9 透水混凝土冻融试验相对动弹性模量曲线图

4 结语

(1)通过正交试验和极差分析,得出影响透水混凝土孔隙率的主次因素由大到小排序为:掺量>直径>长度。因素的最优水平为玄武岩纤维直径为14μm、长度为18 mm、掺量为5 kg/m3。

(2)经过正交透水系数试验得出,影响透水混凝土透水系数的主次因素由大到小排序为:掺量>长度>直径。要获得较大的透水系数,可考虑选择玄武岩纤维直径为16μm、长度为18 mm、掺量为1 kg/m3的组合方式。

(3)通过正交抗压强度试验,得出影响透水混凝土抗压强度的主次因素由大到小排序为:长度>掺量>直径。要想获得强度大的透水混凝土,应选择玄武岩纤维直径为14μm、长度为18 mm、掺量为1 kg/m3。

(4)通过优选出玄武岩纤维直径为14μm、长度为18 mm的试件进行抗冻性试验研究,推荐玄武岩纤维直径为14μm、长度为18 mm、掺量为1 kg/m3为最优组合。