(河南大學(xué)土木建筑學(xué)院 河南 開封 475004)

玄武巖纖維透水混凝土的力學(xué)性能研究

鄭淮林

(河南大學(xué)土木建筑學(xué)院 河南 開封 475004)

隨著我國城市化建設(shè)進(jìn)程的加快，許多城鎮(zhèn)和地區(qū)逐步被鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物、大型基礎(chǔ)設(shè)施、各種不透水的道路和地面所覆蓋，地面硬化率提高，徑流系數(shù)增加。湖南大學(xué)的張賢超[1]認(rèn)為大部分降水只能通過城市的排水系統(tǒng)排出，不僅增加了城市排水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，而且極易造成城市道路積水問題；同時(shí)由于城市地下水得不到應(yīng)有的補(bǔ)充，造成地下水位下降，干旱災(zāi)害頻發(fā)。在正常氣候條件下，用透水混凝土作為鋪裝材料建設(shè)的“海綿城市”可以實(shí)現(xiàn)前后徑流總量和峰值流量保持不變，在滲透、調(diào)節(jié)、儲蓄的作用下，徑流峰值的出現(xiàn)時(shí)間也基本保持不變。另外有外國學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)：透水混凝土路面可降低并吸收行車噪音、減少聲污染，這對于交通量較大、空間狹小的城市內(nèi)街道周邊的工作和居住環(huán)境具有重要意義[2]。

透水混凝土是以硅酸鹽系列水泥為膠凝材料，采用單一級配集料，不用或者少用細(xì)集料配制而成的無砂、多孔混凝土。而透水混凝土在獲得高透水性的同時(shí)，抗壓強(qiáng)度卻大大降低，普通透水混凝土中拌入一定量的纖維材料，能夠在保證透水性的同時(shí)增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度，達(dá)到道路鋪設(shè)要求。而本課題組所采用的纖維為玄武巖纖維，玄武巖纖維是由玄武巖礦物原料在1450～1600℃高溫熔融后，用鉑鍺合金拉絲漏板在高速作用下拉制而成的一種連續(xù)纖維；趙中華、劉曉波等[3]研究發(fā)現(xiàn)：與其它纖維相對比，玄武巖纖維具有優(yōu)良的力學(xué)性能，是一種純天然、無污染、易取得的無機(jī)非金屬材料，可以在各種環(huán)境下使用，而且玄武巖纖維的成本很低。

進(jìn)行高性能透水混凝土的研究有利于解決城市內(nèi)澇積水問題、維持地下水位，防止地裂地陷等危害、降低噪聲污染以及緩解城市排水系統(tǒng)壓力；在研究高性能透水混凝土的同時(shí)，有利于推動透水混凝土材料和玄武巖纖維材料的發(fā)展、也有利于落實(shí)海綿城市建設(shè)戰(zhàn)略。本課題主要以玄武巖纖維透水混凝土作為研究對象，設(shè)計(jì)并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、孔隙率試驗(yàn)。

透水混凝土是以硅酸鹽系列水泥為膠凝材料，采用單一級配集料，不用或者少用細(xì)集料配制而成的無砂、多孔混凝土。而透水混凝土在獲得高透水性的同時(shí)，抗壓強(qiáng)度卻大大降低，普通透水混凝土中拌入一定量的纖維材料，能夠在保證透水性的同時(shí)增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度，達(dá)到道路鋪設(shè)要求。

本課題組所采用的纖維為玄武巖纖維，玄武巖纖維是由玄武巖礦物原料在1450～1600℃高溫熔融后，用鉑鍺合金拉絲漏板在高速作用下拉制而成的一種連續(xù)纖維；趙中華、劉曉波等研究發(fā)現(xiàn)：與其它纖維相對比，玄武巖纖維具有優(yōu)良的力學(xué)性能，是一種純天然、無污染、易取得的無機(jī)非金屬材料，可以在各種環(huán)境下使用，而且玄武巖纖維的成本很低。

一、原材料與試驗(yàn)

(一)原材料

水泥，新鄉(xiāng)產(chǎn)“海螺牌”P.O 42.5R；碎石，密度1365kg/m3，5～10mm連續(xù)級配；玄武巖纖維的主要參數(shù)如表1.1所示：

表1.1 玄武巖纖維性能參數(shù)

(二)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)主要研究玄武巖纖維對普通透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度以及透水性能的影響。制作了3組不同玄武巖纖維摻量的試件，每組4塊，編號為C0的試件是基體混凝土，編號為C1，C2的試件分別摻入0.15%和0.2%體積率的短切玄武巖纖維的混凝土。實(shí)驗(yàn)采用的基體混凝土配合比如表2所示：

表1.2 基體混凝土配合比

抗壓試件每組3個(gè)，其尺寸為150mm×150mm×150mm。透水試件每組1個(gè)，試件尺寸為150mm×150mm×150mm。標(biāo)準(zhǔn)試模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

(三)性能試驗(yàn)方法

1.力學(xué)性能測試

抗壓強(qiáng)度按《普通混凝土力學(xué)性能測試方法》(GB/T50081-2002)進(jìn)行。

2.有效孔隙率

(1)

式中：m1——試件浸水飽和狀態(tài)下在水中的質(zhì)量(g)； m2——試件從水中取出后，擦干表面水并烘干，待重量恒定后稱取試樣在空氣中的質(zhì)量(g)； V0——試件的外觀體積(cm3)

二、試驗(yàn)結(jié)果與分析

(一)試件破壞模式

基體透水混凝土和玄武巖纖維透水混凝土試件破壞形態(tài)特征圖(如圖2.1,2.2所示)，二者受壓破壞過程基本一致。但是，在相同荷載速率下基體透水混凝土抗壓受力時(shí)間以及受壓強(qiáng)度峰值均小于玄武巖纖維透水混凝土。從試件破壞后形態(tài)看出，玄武巖纖維透水混凝土表現(xiàn)出更好的延性特征，即使被破壞依舊能夠保持為一個(gè)整體，在破壞截面上能清楚觀察到被拉斷的玄武巖纖維。

圖2.1 未摻加玄武巖纖維

圖2.2 摻加玄武巖纖維

(二)玄武巖纖維對混凝土力學(xué)性能的影響

1.對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

抗壓試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，由表3可知，與基體透水混凝土試件C0相比，玄武巖纖維透水混凝土試件C1，C2的7d抗壓強(qiáng)度分別提高了42.3%,96.4%。對于混凝土早期抗壓強(qiáng)度加入玄武巖纖維之后強(qiáng)度得到明顯提升。說明玄武巖纖維在一定程度上能夠抑制混凝土的受壓破壞，從而改善其抗壓性能。并且隨著玄武巖纖維摻量的增加(從0.15%至0.2%)，試件的抗壓強(qiáng)度隨之增加。參照李增宏等[4]透水混凝土7d強(qiáng)度與28d強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系，預(yù)估每組混凝土的28d強(qiáng)度。

表2.1 抗壓試驗(yàn)結(jié)果

(三)透水性能分析與展示

增加玄武巖纖維后，一定程度上增加了混凝土的抗壓強(qiáng)度，但相應(yīng)的透水性有一定程度的減弱。如下圖所示：

圖2.3 未摻加玄武巖纖維

圖2.4 摻加玄武巖纖維

(四)有效孔隙率

玄武巖纖維的摻入使混凝土的有效孔隙率明顯減小，摻入玄武巖纖維對透水的有明顯的抑制作用，隨著玄武巖纖維摻量的增加，混凝土的有效孔隙率有加速減小趨勢。具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表2.2 有效孔隙率

三、結(jié)論

(1)從試件最終破壞形態(tài)來看，玄武巖纖維透水混凝土具有更高的強(qiáng)度與韌性，其試件基本保持完整，體現(xiàn)出良好的延性特征。

(2)基體透水混凝土雖然強(qiáng)度低，但有效孔隙率高達(dá)32.27%，透水效果顯著。加入玄武巖纖維后，透水混凝土有效孔隙率降低，透水效果有一定折損。

[1]張賢超.高性能透水混凝土配合比設(shè)計(jì)及其生命周期環(huán)境評價(jià)體系研究[D].湖南:中南大學(xué),2012.

[2]R.A. Kay, J.K. Stephens, Porous Friction Courses and Roadway Surface Noise, Federal Highway Administration, Implementation Package, 1975[2017-2-26].

[3]趙中華,劉曉波,侯新月,馬耀輝.玄武巖纖維在混凝土中的應(yīng)用[J].低溫建筑技術(shù),2011,(07):5-7.

[4]李增宏,車法.多孔混凝土結(jié)構(gòu)特性與強(qiáng)度增長規(guī)律研究[J/OL].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2009,(04):32-34.

[5]中華人民共和國建設(shè)部.普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50081-2002[S/OL].北京:人民交通出版社,2002.

[6]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程CJJ/T 135-2009[S/OL].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[7]賀東青,盧哲安.短切玄武巖纖維混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J/OL].河南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,(03):320-322.

[8]程娟.透水混凝土配合比設(shè)計(jì)及其性能的實(shí)驗(yàn)研究[D/OL].浙江:浙江工業(yè)大學(xué),2007.

鄭淮林,男,漢,河南信陽,在讀本科生，研究方向土木工程路橋方向。