玄武岩纤维对透水混凝土性能的影响

姜凯涵,杨 雪,兰岩松,孙剑飞

(黑龙江大学 a.建筑工程学院;b.水利电力学院,哈尔滨 150086)

0 引 言

随着社会不断发展,城市化水平不断提升,在科技水平进步的同时,城市内灾害也在不断加剧,如城市雨洪灾害、水污染以及热岛效应等城市生态问题也日益凸显[1]。为此,我国在2017年提出“海绵城市”新一代城市雨洪管理概念[2]。城市能够像海绵一样,弹性应对由雨水引发的自然灾害,由此透水混凝土开始得到大力发展。但由于透水混凝土空隙较大,其承载能力的提升一直是透水混凝土发展的核心要素[3]。

玄武岩纤维是以纯天然的玄武岩为原料,经高温熔融、拉丝制成,在形成过程中不产生有害气体,是21世纪的一种新型环保增强材料[4]。玄武岩纤维化学性能稳定,具有良好的抵抗水、酸、碱等介质侵蚀的能力,且具有优越的力学性能。在透水混凝土中掺入玄武岩纤维,可从两个方面改变混凝土状态:①在混凝土制备方面,玄武岩纤维的掺入可改变搅拌物状态;②玄武岩纤维掺入可改变混凝土微观界面性能,从而提升混凝土性能[5-8]。掺入纤维的透水混凝土骨料之间有纤维连接,能够增强其抗压、抗弯强度[9-12]。但纤维的掺入量应当适量,使透水混凝土中的纤维增强性能凸显,而一旦纤维掺入过多,当整体受力时易产生纤维的拔出破坏,局部破坏的产生使其整体性能被削弱,故强度降低[13]。

本次试验的目的是研究透水混凝土中的最优纤维参量,分析玄武岩纤维对透水混凝土的物理性能和力学性能的影响。

1 试验设计

1.1 试验原料

水泥:采用寰宇水泥制品公司生产的天鹅牌 P·O42.5复合硅酸盐水泥,并且经检验安定性合格。

集料:试验选取5～10mm、表观密度为2 700kg/m3的碎石。

玄武岩纤维:采用长度为12mm的玄武岩纤维。

1.2 试验设计

选用长12mm玄武岩纤维,主要技术指标见表1。玄武岩纤维按体积参量分别为0.05%、0.1%、0.15%、0.2%,透水混凝土目标空隙率为20%,水灰比设计值为0.28。

表1 玄武岩纤维技术指标

1.3 试验方法

1.3.1 力学性能测试

透水混凝土抗压强度测试,采用100mm×100mm×100mm的立方体试件。采用MTS压力试验机,将试件养护7、28d后取出,擦干试件上下承接面,放在试验机下均匀连续地施加荷载。抗折强度是透水混凝土力学性能的重要指标,本试验采用100mm×100mm×400mm的棱柱体试件,试件底部支座间距200mm,连续均匀地对试件增加荷载,试件破坏时记录其破坏强度。

1.3.2 透水性能测试

透水混凝土的透水系数测定方法采用常水头法测试。通过常水头法,测量单位时间内的渗透量Q、两侧压口中心之间的样品高度L、平均水位差H以及所用的时间t,计算公式如下:

(1)

本试验采用质量法进行空隙率的测试。将试件放置于水中,使其达到饱和状态,在水中测得试件的质量为W1;将试件取出后,放置在空气中干燥,待试件质量稳定时测得试件质量为W2;试件的体积为V,空隙率为P,计算公式如下:

(2)

2 试验结果分析

2.1 玄武岩纤维掺量对透水混凝土抗压强度的影响

图1中,随着玄武岩纤维体积掺量的增加,透水混凝土试块的抗压强度呈先逐渐增强后降低的趋势。当玄武岩纤维掺量达到0.1%时,透水混凝土28d强度高于同龄期试块强度达到17.61MP,相比同龄期素透水混凝土抗压强度提升约15%。随着玄武岩纤维掺量的增加,透水混凝土的抗压强度呈现下降趋势。

图1 玄武岩纤维掺量对抗压强度影响

玄武岩纤维掺量大于0.1%后,透水混凝土的强度随着纤维掺量的增加而减小。因为玄武岩纤维的比表面积较大,当胶凝性材料掺量相同时,玄武岩纤维含量的增加影响水泥胶浆对骨料的包裹度,导致骨料之间的黏结层薄弱;当玄武岩纤维掺量过多后,纤维在搅拌时易发生“团聚”现象,从而导致胶结层薄弱,使透水混凝土试块抗压强度降低。掺入适量的玄武岩纤维时,纤维可以均匀分散在透水混凝土试块内部,纤维与胶凝性材料结合较好,增强了透水混凝土内部胶凝性材料与骨料的黏结性能。并且纤维的掺入可以增强透水混凝土内部骨料的连接,从而使透水混凝土内部受力面积增加,使试块抗压承载力提升。

2.2 玄武岩纤维参对透水混凝土抗折强度的影响

图2中,随着玄武岩纤维掺量的增加,透水混凝土试块的抗折强度呈先逐渐增强后降低的趋势。当玄武岩掺量达到0.1%时,透水混凝土28d强度高于同龄期试块强度达到6.28MPa,相比同龄期素透水混凝土试块抗折强度提升约81%。随着玄武岩纤维掺量的增加,透水混凝土抗折强度呈现下降趋势。

图2 玄武岩纤维掺量对抗折强度影响

适量玄武岩纤维的掺入,可均匀分散在透水混凝土试块内部,对试块内部骨料与胶凝性材料起到较好的连接作用,增强试块内部整体性、连续性。根据纤维阻裂理论,掺入适量的纤维可以减小混凝土内部裂纹尖端的应力强度因子,抑制裂纹的进一步扩展,从而使混凝土初裂强度提升。普通透水混凝土强度偏低的主要原因是内部空隙偏多,骨料之间连续性不强,当适量纤维的掺入使透水混凝土内部连续性增强,因此适量的纤维掺入可使透水混凝土强度提升。

2.3 透水性能分析

图3和图4中,透水混凝土中掺入玄武岩纤维后,透水混凝土孔隙率、透水系数均呈下降趋势。当纤维掺量为0%时,孔隙率为21.3,透水系数为4.82;当纤维掺量为1%时,孔隙率为20.7,透水系数为4.45,分别下降3%、8%。

图3 玄武岩纤维掺量对孔隙率的影响

图4 玄武岩纤维对透水系数的影响

透水性能下降的主要原因,一方面是纤维的掺入增强了混凝土内部骨料的连接,对混凝土内部孔隙造成堵塞,使得混凝土透水性能降低。另一方面,随着纤维掺量的增强,会伴随“团聚”现象的发生,从而造成孔隙堵塞,使透水混凝土的透水性能降低。

3 结 论

1)玄武岩纤维的掺入可以提升透水混凝土的抗压、抗折强度,但玄武岩纤维掺入过多时,会造成混凝土抗压、抗折强度下降。

2)玄武岩纤维最优体积掺量为0.1%,此时透水混凝土的抗压强度、抗折强度分别为17.61、6.28MPa。比素混凝土分别提升约15%、81%,且透水性能降低不显著。

3)根据纤维间距理论,适量等间距的纤维掺入混凝土后,能够减少内部应力,增强混凝土初裂强度,抑制裂隙扩张,从而提升混凝土力学性能。而且,适量纤维的掺入使混凝土内部受力面增加,增强内部骨料的连接,提升了透水混凝土内部连续性、整体性。因此,玄武岩纤维的最优体积掺量为0.1%时,透水混凝土整体性能提升。