短切纖維對(duì)透水混凝土性能的作用范文

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摘要：本文通過研究不同種類的短切纖維（聚丙烯纖維：PPF、聚乙烯醇纖維：PVAF和玻璃纖維：GF）以及短切PPF的摻量、長度對(duì)透水混凝土力學(xué)性能和透水性能的影響發(fā)現(xiàn)：當(dāng)透水混凝土中摻入長度為3mm、6mm和12mm的PPF時(shí)，隨著PPF長度的增大，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)長度為12mm時(shí)，不同摻量的PPF均使抗壓強(qiáng)度低于空白對(duì)照組。此外，透水混凝土的抗折強(qiáng)度隨PPF長度和摻量的增大而增大。不同長度和摻量的短切PPF均導(dǎo)致空隙率和透水系數(shù)的減小。當(dāng)透水混凝土中摻入長度為6mm的PVAF時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均獲得提高，但摻入長度為6mm的GF使抗壓強(qiáng)度降低。此外，PVAF和GF的摻入降低了透水混凝土的空隙率和透水系數(shù)。

關(guān)鍵詞：透水混凝土，短切纖維種類，摻量，長度，聚丙烯纖維

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，許多綠化區(qū)域和裸露地表被建筑物、大型基礎(chǔ)設(shè)施及不透水的混凝土路面所覆蓋，造成了嚴(yán)重的城市內(nèi)澇災(zāi)害和熱島效應(yīng)。自2013年開始，國家和地區(qū)政府大力推行海綿城市建設(shè)，透水混凝土作為一種生態(tài)型多孔材料得到了廣泛的重視。透水混凝土因具有透氣、透水和質(zhì)量輕的特點(diǎn)，能在極大程度上解決城市內(nèi)澇等問題。但也因?yàn)樽陨泶嬖诖罅康目障叮瑢?dǎo)致自身強(qiáng)度較低，嚴(yán)重束縛了透水混凝土的推廣使用。近年來，研究者分別就骨料類型、粒徑和級(jí)配[1-4]、骨膠比[4,5]、外加劑[6]、輔助膠凝材料[7-10]和膠凝材料的厚度[11]等對(duì)透水混凝土空隙率、透水系數(shù)與力學(xué)性能的影響開展了大量的研究，并取得一定的成果。但目前，國內(nèi)外對(duì)纖維改性透水混凝土的研究仍比較少。SaeidHesami[12]通過在透水混凝土中分別摻入聚苯硫醚纖維、玻璃纖維和鋼纖維發(fā)現(xiàn)，不同水灰比時(shí)，三種纖維均使抗壓、抗折和拉伸強(qiáng)度獲得提高，且聚苯硫醚纖維的增強(qiáng)效果最好。但試驗(yàn)中三種纖維的長度均大于12mm且摻量一定，未研究不同摻量的纖維和長度較短的纖維對(duì)透水混凝土性能的影響。此外，MilenaRangelov[13]發(fā)現(xiàn)，固化碳纖維復(fù)合材料能有效地改善新拌透水混凝土的工作性能，同時(shí)能夠改善透水混凝土的透水性能和力學(xué)性能。LutfurAkand[14]利用化學(xué)方法處理長度為19mm的聚丙烯纖維，并將其作為增強(qiáng)材料摻入到透水混凝土中。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)化學(xué)處理的聚丙烯纖維能夠提高纖維與基體的粘結(jié)強(qiáng)度，并提高了抗折強(qiáng)度，但對(duì)抗壓強(qiáng)度沒有增強(qiáng)效果。劉肖凡[15]在透水混凝土中摻入長度為38mm的剛性聚合纖維，研究剛性聚丙烯纖維的摻量對(duì)透水混凝土耐久性的影響。結(jié)果表明：隨著纖維摻量的增大，透水混凝土的抗凍融性能和抗硫酸鹽干濕循環(huán)性能均有所改善。雖然已有研究者就纖維對(duì)透水混凝土性能的影響進(jìn)行了探索，但目前摻加的纖維長度均較長，未涉及短切纖維對(duì)透水混凝土的增強(qiáng)研究，無法有效的改善透水混凝土的性能。因此，本文通過在透水混凝土中摻入不同種類、摻量和長度的短切纖維，測(cè)定力學(xué)性能和透水性能，以研究短切纖維對(duì)透水混凝土性能的影響。

1試驗(yàn)

1.1原材料

采用海螺牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥為膠凝材料；粗骨料為單級(jí)粒徑的5~10mm玄武巖；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.9的中砂；減水劑采用聚羧酸系高效減水劑（SP）。試驗(yàn)所用纖維分別為長度為3mm、6mm和12mm的短切聚丙烯纖維（PPF），以及長度為6mm的短切聚乙烯醇纖維（PVAF）和短切玻璃纖維（GF）。三種纖維均為束狀單絲，PPF和GF呈白色，PVAF呈淡黃色。

1.2試驗(yàn)配合比

研究短切纖維對(duì)透水混凝土性能的影響時(shí)，通過固定與透水混凝土相同配比砂漿的流動(dòng)度和骨料的干濕度來保證透水混凝土工作性能的一致。根據(jù)前期試驗(yàn)探索，當(dāng)透水混凝土獲得較好的工作性能時(shí)，同配比砂漿的流動(dòng)度為210mm。因此設(shè)定目標(biāo)流動(dòng)度為210mm，可得到相應(yīng)的透水混凝土的試驗(yàn)用水量。試驗(yàn)中設(shè)定透水混凝土的目標(biāo)空隙率為20%，根據(jù)CJJT135-2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》可計(jì)算得到試驗(yàn)配合比，如表2所示。試驗(yàn)分為三個(gè)部分：研究短切纖維的種類對(duì)透水混凝土性能的影響時(shí)，分別摻入PPF、PVAF和GF等三種短切纖維，纖維長度均為6mm，且摻量均為1.5kg/m3；研究短切纖維的摻量和長度對(duì)透水混凝土性能的影響時(shí)，根據(jù)前期試驗(yàn)，僅以短切PPF為增強(qiáng)材料，在透水混凝土中分別摻入0.5kg/m3、1.0kg/m3和1.5kg/m3的PPF與空白對(duì)照組進(jìn)行比較；研究短切纖維的長度對(duì)透水混凝土性能的影響時(shí)，將長度為3mm、6mm和12mm的PPF摻入到透水混凝土中，且纖維的摻量均為1.5kg/m3，并設(shè)置空白對(duì)照組進(jìn)行比較。

1.3試件制備與性能測(cè)試

透水混凝土作為干硬性混凝土，一次投料的拌合方法無法使?jié){體均勻地包裹骨料，因此采用二次投料法，如圖1所示。透水混凝土的成型采用手工插搗和平板振動(dòng)相結(jié)合的方式，且在入模時(shí)，控制拌合物的質(zhì)量一定，以得到相應(yīng)的目標(biāo)空隙率。成型后的混凝土試塊必須用保鮮膜覆蓋，24h后拆模，然后在恒溫水中養(yǎng)護(hù)至齡期并進(jìn)行性能測(cè)試。（1）抗壓強(qiáng)度測(cè)試透水混凝土養(yǎng)護(hù)至7d、28d齡期后，按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)定。加載時(shí)，應(yīng)該連續(xù)而均勻地進(jìn)行，速率控制在0.3MPa/s~0.5MPa/s。（2）抗折強(qiáng)度測(cè)試透水混凝土養(yǎng)護(hù)至7d、28d齡期后，按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)定。本試驗(yàn)采用三點(diǎn)抗折法進(jìn)行測(cè)定，速率控制在0.02MPa/s~0.05MPa/s。（3）空隙率測(cè)定采用重量法測(cè)定透水混凝土的空隙率。試驗(yàn)所用的試塊尺寸為100mm×100mm×100mm，試塊齡期為28d。分別稱量試塊浸沒在水中和在烘箱烘干后的重量，二者之差即為試塊的空隙被水填充后實(shí)際受到的浮力，由此可計(jì)算得出空隙率。（4）透水系數(shù)測(cè)定為了與實(shí)際生活中透水混凝土路面的透水過程相符合，采用變水頭法對(duì)透水系數(shù)進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)所用的試塊尺寸為100mm×100mm×100mm，試塊齡期為28d。通過測(cè)定單位時(shí)間內(nèi)水垂直透過試塊截面的體積，可計(jì)算得到透水系數(shù)。

2結(jié)果與討論

2.1短切纖維的種類對(duì)透水混凝土性能的影響

纖維長度為6mm且摻量為1.5kg/m3時(shí)，不同種類的短切纖維下透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。由圖可知，空白對(duì)照組的28d抗壓強(qiáng)度為21.9MPa，摻入PPF和PVAF后，28d抗壓強(qiáng)度分別增長8.7%和8.2%；但當(dāng)摻入GF時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度降低。理論上，較短的纖維在混凝土基體中呈無序分布狀態(tài)，能夠在任意方向起到增強(qiáng)作用。但PVAF和GF的直徑遠(yuǎn)小于PPF，且GF為中纖維體積率纖維，根據(jù)“擁擠因子”的概念[16]，纖維長度一致時(shí)，直徑越小，體積率越大，越易使其轉(zhuǎn)動(dòng)受到限制并保持連續(xù)性接觸。成型時(shí)也發(fā)現(xiàn)，較細(xì)的纖維容易打彎和結(jié)團(tuán)，使混凝土內(nèi)部孔隙增多，不利于強(qiáng)度發(fā)展。此外，GF易受到堿性環(huán)境的影響，水泥水化生成的Ca(OH)2與GF的SiO2發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致纖維的骨架被破壞，最終使混凝土強(qiáng)度降低。由圖2(b)可知，三種短切纖維均有利于提高透水混凝土的抗折強(qiáng)度，摻入三種纖維后，28d抗折強(qiáng)度分別較空白對(duì)照組增大10.0%、8.0%和4.0%，其中PPF對(duì)抗折強(qiáng)度的改善效果最好。此外，短切纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的改善優(yōu)于抗壓強(qiáng)度，主要是由于混凝土內(nèi)部的微裂縫對(duì)抗彎拉強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度。在結(jié)構(gòu)形成過程中，纖維阻止了裂縫的引發(fā)，并使裂縫尺度變小，緩和了裂縫尖端應(yīng)力的集中程度；同時(shí)在加載時(shí)，纖維在受力區(qū)的增強(qiáng)作用延緩了裂縫發(fā)展的速度，使抗折性能提高。同樣，摻入PVAF和GF的透水混凝土在攪拌過程中會(huì)出現(xiàn)打彎和結(jié)團(tuán)，導(dǎo)致抗折強(qiáng)度低于摻入PPF的透水混凝土。

2.2短切PPF的摻量對(duì)透水混凝土性能的影響

如前所述，當(dāng)短切纖維的摻量為1.5kg/m3且長度為6mm時(shí)，PPF對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的增強(qiáng)效果最佳。因此，本文僅研究短切PPF的摻量和長度對(duì)透水混凝土性能的影響。圖3為不同短切PPF摻量下透水混凝土的7d、28d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。當(dāng)透水混凝土中摻入長度為12mm的短切PPF時(shí)，不同摻量的PPF均導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低，但隨著PPF摻量的增大，抗壓強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)PPF長度為12mm時(shí)，纖維和混凝土基體的界面區(qū)域增加，因?yàn)槔w維的彈性模量低于混凝土基體，導(dǎo)致纖維與基體的接口變得薄弱，使纖維在受力時(shí)易產(chǎn)生拔出破壞，影響了透水混凝土的整體性，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。圖3(b)中，不同摻量的PPF均使抗折強(qiáng)度獲得提高，且隨摻量的增大，抗折強(qiáng)度也逐漸增大。空白對(duì)照組的7d和28d抗折強(qiáng)度分別為4.1MPa和5.0MPa，當(dāng)PPF摻量為1.5kg/m3時(shí)，透水混凝土的抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值，其7d和28d抗折強(qiáng)度分別為5.0MPa和5.7MPa，提高22.0%和14.0%。其原因?yàn)镻PF不僅可以在結(jié)構(gòu)形成過程中阻止裂縫的引發(fā)，同時(shí)當(dāng)混凝土承擔(dān)荷載時(shí)，橫跨裂縫的纖維還能夠延緩裂縫發(fā)展，使基體的變形能力得到提高，從整體上提高了透水混凝土的抗折性能。此外，當(dāng)PPF摻量較小時(shí)，纖維無法充分地分散到混凝土基體中，所以隨著PPF摻量的增大，透水混凝土的抗折強(qiáng)度也逐漸增大。

2.3短切PPF的長度對(duì)透水混凝土性能的影響

不同短切PPF長度下透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。圖4(a)中，隨著PPF長度的增大，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)PPF長度為3mm和6mm時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度分別增大3.7%和8.7%，但摻入長度為12mm的PPF導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。當(dāng)PPF長度為3mm和6mm時(shí)，纖維的亂向分布使其在任意方向都能起到增強(qiáng)作用。而且在承擔(dān)荷載時(shí)，橫跨裂縫的纖維限制了裂縫的擴(kuò)展，從而提高了抗壓韌性。但因纖維長度過小，纖維和基體間的接觸面積較小，因而界面結(jié)合力也較小，導(dǎo)致纖維很容易從基體中拔出。而當(dāng)PPF長度為12mm時(shí)，纖維和基體的界面區(qū)域增加，因二者間的接口較為薄弱，使其在受力時(shí)易產(chǎn)生拔出破壞，影響了透水混凝土的整體性，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。此外，由圖4(b)可知，隨著纖維長度的增大，透水混凝土的7d和28d抗折強(qiáng)度均呈增大趨勢(shì)。空白對(duì)照組的28d抗折強(qiáng)度為5.0MPa，摻入不同長度的PPF后，28d抗折強(qiáng)度分別為5.5MPa、5.5MPa和5.7MPa，較空白對(duì)照組分別增大10.0%、10.0%和14.0%。當(dāng)PPF長度為3mm時(shí)，因短纖維易從基材中拔出而無法對(duì)大裂縫起到抑制作用。隨著纖維長度的增大，纖維的增強(qiáng)效果越好，當(dāng)PPF長度為12mm時(shí)，因大纖維從基材拔出過程中能夠消耗較多的能量，可延緩大裂縫的擴(kuò)展和透水混凝土的破壞，從而提高了抗折強(qiáng)度。

3結(jié)論

（1）當(dāng)透水混凝土中摻入長度為3mm、6mm和12mm的短切PPF時(shí)，隨著PPF長度的增大，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)長度為12mm時(shí)，不同摻量的PPF均使抗壓強(qiáng)度低于空白對(duì)照組。此外，透水混凝土的抗折強(qiáng)度隨PPF長度和摻量的增大而增大。當(dāng)透水混凝土中摻入長度為6mm的PVAF時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均獲得提高，但摻入長度為6mm的GF使抗壓強(qiáng)度降低。三種纖維對(duì)透水混凝土強(qiáng)度的改善效果為：PPF>PVAF>GF。（2）當(dāng)透水混凝土中摻入不同種類、摻量和長度的短切纖維后，空隙率和透水系數(shù)均出現(xiàn)不同程度的降低，其中透水系數(shù)降低較為明顯。直徑較細(xì)的纖維易在成型時(shí)打彎結(jié)團(tuán)，從而導(dǎo)致空隙堵塞。因此，摻入PVAF和GF的透水混凝土的空隙率下降較多。此外，隨著PPF摻量和長度的增大，透水混凝土的空隙率也逐漸減小。

作者：趙劍鋒1,2，楊曉杰1,2，李好新1,2，馬一平1,2 單位：1.同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2.同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院