高速公路BF改性透水混凝土工程性能试验研究

胡 洋

（四川职业技术学院，四川 遂宁 629000）

0 引言

在海绵城市的建设中，透水混凝土（permeable concrete，以下简称“PC”）因具有维持地下水平衡、缓解内涝和吸声等诸多优点得到了广泛应用和研究[1-2]。高速公路某些比较潮湿和易积水的区域也在尝试使用PC，但是，以往的研究表明，PC因其级配缺陷，在使用过程中易产生裂缝和凹痕，从而导致其使用寿命偏低[3-4]。

为了提高PC 的使用寿命和在不同工程的使用效率，诸多学者对其进行了研究。申明昊等[5]设计了不同目标孔隙率的PC，并采用等体积替代的方式将粉煤灰替代混凝土中的水泥，研究得到了不同目标孔隙率下粉煤灰的最佳掺量。袁方正等[6]通过添加硅粉改善PC的强度、有效孔隙率和透水系数，并得到硅粉的最优掺量为10%的结论。高哲等[7]通过玄武岩纤维（Basalt Fibre，以下简称“BF”）和VAE806 乳液分别和共同对PC 进行改性，研究改性PC 的抗冻性能，结果表明加入BF 能将混凝土的抗冻融能力提升20%。还有诸多学者研究了刚性聚丙烯纤维、钢纤维和混杂纤维对PC 物理力学性能和耐久性的提升效果[8-10]。但是以往的研究对象多是城市透水混凝土，针对高速公路中使用PC的改性研究还较少[11]。

高速公路因其使用环境的特殊性，需要在兼顾透水性的同时增强其强度。因此，本文将以BF 为改性材料，研究其对PC 工程性能的影响规律，并探究纤维的最优掺量和参数。

1 原材料和试验方案

1.1 原材料

本次试验配制PC 所用的胶凝材料为P·O42.5 水泥，PC 的主要骨架为粗骨料，改性剂主要是不同长度的BF 和调整PC 和易性的聚羧酸减水剂等。粗骨料的相关指标见表1；BF 的直径为6μm、12μm 和18μm，长度固定为15mm，其基本参数见表2。

表2 玄武岩纤维基本参数

1.2 试验方案

本次试验PC采用的水灰比为0.3，骨胶比采用4.5，减水剂掺量为1%，BF掺量以PC的总体积为基准，占比分别为0.1%、0.2%、0.3%和0.4%。对养护28d 试样的力学性能、韧性和孔隙率进行测试，用于测试抗压强度和孔隙率相关参数的试样尺寸为100mm×100mm×100mm；用于测试抗折强度的试样尺寸为100mm×100mm×400mm；所有测试结果均取自3次试验的平均值。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

BF 掺量及长度对PC 抗压强度的影响如图1 所示。从图1 可以看出，3 种长度的BF 在不同掺量下对PC 抗压强度的影响规律相同，PC强度随着BF掺量的增加先增大后减小，当BF掺量为0.2%时，PC 的强度最高。而在相同BF 掺量下，PC 强度随BF 的长度变化规律与随着BF 掺量的变化规律一致，当BF 长度为12μm 时强度最高。当BF长度为12μm且掺量为0.2%时，PC的强度为30.0MPa，相比于未加BF 的PC 强度（24.1MPa）而言，上升了24.48%。

图1 BF掺量及长度对PC抗压强度的影响规律

产生上述现象的原因主要是适量的纤维加入透水混凝土中，纤维能均匀分布在PC 内部的孔隙中，从而起到增强骨料之间粘结力的作用，同时还能增强混凝土在受压时产生变形时的约束力，从而增强混凝土的整体强度[10]。但是，当BF 的长度较大或者掺量过大时，会导致其在PC 中的均匀分布受到影响，甚至出现成团现象等，从而产生了薄弱界面，导致PC强度降低。

2.2 抗折强度

测试了PC 抗折强度随BF 掺量及长度的变化情况，结果如图2所示。

图2 BF掺量及长度对PC抗折强度的影响规律

由图2 可知，3 种BF 长度在不同掺量下对PC 抗折强度的影响规律相同，PC强度随着BF掺量的增加先增大后减小，当BF掺量为0.2%时，PC 的强度最高。而在相同掺量下，PC抗折强度随BF的长度增加先增大后减小，当BF 长度为12μm 时抗折强度最高。当BF 长度为12μm 且掺量为0.2%时，PC 的抗折强度为3.7MPa，相比于未加纤维混凝土的抗折强度（3.0MPa）而言，上升了23.33%。

掺加BF 增强PC 抗折强度的原因主要是PC 相比于传统混凝土而言具有更加发达的孔隙结构，在拉应力作用下会导致混凝土内部产生裂纹并快速扩展，纤维的加入能给水泥集体提供更多的附着点，使得骨料与水泥基体的粘结力增强，并且纤维的抗拉强度远远高于水泥浆体的抗拉强度，这使得混凝土在承受拉应力时能减小水泥浆体的拉应力，因此添加BF能增强PC的抗拉强度[10]。但是当纤维的掺量过高或者长度过短或过长时，使纤维在混凝土内部的分布不均匀，从而导致水泥浆体无法均匀分布。

2.3 有效孔隙率

BF 掺量及长度对PC 有效孔隙率的影响规律如图3 所示。从图3 中可以看出，3 种长度的BF 在不同掺量下对PC 有效孔隙率的影响规律相同，即PC 孔隙率随BF 掺量增加逐渐减小，未加BF 时，PC 的有效孔隙率为18.0%，而当BF 掺量为0.4%时，添加BF 长度为6μm、12μm 和18μm 的PC 有效孔隙率分别为15.7%、14.7%和13.8%，相比于未加纤维混凝土的对照组而言，分别下降了12.78%、18.33%和23.33%。在相同的纤维掺量下，PC有效孔隙率随着BF长度的增加呈现出逐渐减小的趋势。

图3 纤维掺量及长度对透水混凝土孔隙率的影响规律

产生上述现象的原因主要是当纤维掺量为0 时，透水混凝土中的水泥浆体主要依附于骨料进行分布，孔隙结构较为发达，而添加纤维后，纤维部分附着在骨料表面，有的则会搭接在相邻骨料之间，有的则会穿插在孔隙中，这样的分布均会给水泥浆体提供更多的附着点；当纤维的掺量或长度增加时，纤维易成团，纤维本身还能起到填充孔隙的效果，因此更易导致混凝土的孔隙率降低。当纤维长度为12μm、掺量为0.2%时，混凝土在拌合过程中的纤维宏观分布如图4所示。

图4 纤维在混凝土中的分布状态

2.4 渗水系数

纤维掺量及长度对透水混凝土渗水系数的影响如图5所示。由图5可知，3种长度的BF在不同掺量下对混凝土渗水系数的影响规律相同，即随着BF 掺量的增加，混凝土渗水系数呈现出逐渐减小的趋势，当纤维掺量为0 时，PC 的渗水系数为3.4%，而当纤维掺量为0.4%时，添加纤维长度为6μm、12μm 和18μm 的透水混凝土渗水系数分别为2.5%、2.2%和1.8%，相比于未加纤维混凝土的对照组而言，分别下降了26.47%、35.29%和47.06%。在相同的纤维掺量下，透水混凝土渗水系数随着纤维长度的增加呈现出逐渐减小的趋势。添加纤维对透水混凝土渗水系数的影响原因与对透水混凝土孔隙率的影响原因相似，因为透水混凝土中的孔隙是水的主要通道，孔隙率降低也会减小水的流通通道。

图5 纤维掺量及长度对透水混凝土渗水系数的影响规律

综合上述试验结果，从纤维对透水混凝土抗压强度、抗折强度、孔隙率和渗水系数的影响规律，判断出纤维的最佳掺量为0.2%，纤维的最佳长度为12μm。

3 结束语

本文以3种不同长度的BF为PC增强材料，研究了BF 长度及掺量对PC 抗压强度、抗折强度、孔隙率和渗水系数的影响规律，得出以下结论：

（1）PC的抗压强度和抗折强度随着BF掺量和长度的增加，均呈现出先增大后减少的趋势；本研究中BF掺量为0.2%和长度为12μm 时PC 的抗压强度和抗折强度增强幅度最大。

（2）PC的有效孔隙率和渗水系数均随着BF掺量和长度的增加而减小。

（3）BF 在PC 中附着在骨料表面或穿插在孔隙中，为水泥浆体提供附着点，从而达到增强混凝土强度和降低孔隙率的效果。