王顯利，丑中巖，常廣利

(北華大學土木與交通學院，吉林 吉林 132013)

作為推進海綿城市建設的重要材料，透水混凝土廣受關注，但因孔隙多、強度低、韌性差而影響了推廣應用[1-2].為改善透水混凝土性能，國內外學者開展了廣泛研究.學者們[1-6]研究了纖維尺寸、不同類型纖維對透水混凝土性能的影響；LIAN等[7]研究發(fā)現(xiàn)，摻加聚羧酸高效減水劑能提高透水混凝土的膠結材料漿體密實度；王顯利等[8]通過添加疏水劑使混凝土內部孔道具有疏水結構，提高了透水混凝土的排水能力和黏結強度.但鮮有將不同纖維混雜摻入透水混凝土的報道[9].纖維可使混凝土增強、增韌，在纖維混雜產生“纖維協(xié)同效應”時，能夠產生比單一纖維更好的增強、增韌效果[10].本文根據玄武巖纖維和聚丙烯纖維的特點，通過試驗研究目標孔隙率、混雜纖維摻配比例、混雜纖維總摻量、疏水劑用量4種因素對透水混凝土有效孔隙率、透水系數(shù)、抗壓強度和抗折強度的影響，分析各因素對透水混凝土透水性能和力學性能的影響規(guī)律和影響機理，進而優(yōu)化最佳配比，使透水混凝土的透水性能和力學性能滿足工程要求，加快海綿城市建設步伐.

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

水泥選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料為來自吉林市采石場的玄武巖碎石，經過試驗試配確定單一骨料粒徑為9.5～11.5 mm；水為普通自來水；外加劑包括XSM聚羧酸高效減水劑和AD3105荷葉疏水劑，荷葉疏水劑可以改善水泥漿體的狀態(tài)，填充微小孔隙，其基本性見表1；纖維類材料包括長度為9 mm的玄武巖纖維(下文簡稱BF)、長度為12 mm的聚丙烯纖維(下文簡稱PPF)，兩種纖維具備不同優(yōu)勢，基本性能見表2和表3；選取醫(yī)用凡士林作為密封材料，便于透水系數(shù)測定.

表1 荷葉疏水劑性能指標Tab.1 Performance index of lotus leaf hydrophobic agent

表2 纖維主要技術指標Tab.2 Main technical indicators of fibre

1.2 試驗方案設計

將BF和PPF兩種纖維混雜摻入內疏水透水混凝土中，由于要考慮多因素和水平的影響，選擇正交試驗進行分析研究.結合CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程》的要求和前期試驗結果，試驗方案首先固定透水混凝土的水灰比為0.28，減水劑用量為水泥質量的0.8%.選取的4因素3水平見表3，3個水平分別為BF占纖維摻量總體積的75%、50%、25%；混雜纖維BF和PPF的總體積摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%；疏水劑用量是膠結料漿體體積的2%、3%、4%.根據因素、水平變化，運用體積法計算配合比得到的各材料用量見表4.

表3 正交試驗因素、水平設計Tab.3 Factors and level design of the orthogonal test

表4 混雜纖維透水混凝土配合比設計Tab.4 Proportion design of mixed fibers permeable concrete

1.3 試驗過程

嚴格按照試驗配合比中的材料用量進行試件制備，參考不同方法的優(yōu)勢、劣勢，控制透水混凝土攪拌、成型、養(yǎng)護.為發(fā)揮荷葉疏水劑和混雜纖維的作用，采用水泥裹石法多次投料，使材料在攪拌過程中均勻分布；采用人工插搗成型法分3層插搗，根據混凝土的實際情況調整插搗的次數(shù)和力度，根據所測的性能指標選取不同模具.成型試件見圖1、圖2.將試件放入養(yǎng)護箱中進行標準養(yǎng)護，在(20±2)℃，濕度90%±5%下養(yǎng)護28 d.

圖1立方體試件Fig.1Cube specimens圖2圓柱試件Fig.2Cylindrical specimens

根據正交試驗設計方案，透水混凝土性能包括透水性能和力學性能兩方面，響應指標包括有效孔隙率、透水系數(shù)、抗壓強度和抗折強度.測量有效孔隙率直接采用電子秤稱重，結合試件體積，計算試件在水中和空氣中的質量差；測量透水系數(shù)時，首先密封底面直徑100 mm、高50 mm的圓柱試件四周，將其放入透水測試儀器中(見圖3)，計算在水頭高度固定時單位時間內通過的水量；力學性能試驗參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，采用電液伺服壓力機分別測定試件的抗壓強度及抗折強度，見圖4.

圖3透水性能測試Fig.3Permeability test 圖4抗折強度測試Fig.4Flexural strength test

2 試驗結果與方案優(yōu)選

2.1 試驗結果及分析

正交試驗結果見表5，透水能力和力學性能極差分析分別見表6、表7.結果可見：各因素對有效孔隙率和透水系數(shù)的影響均為目標孔隙率>混雜纖維總摻量>疏水劑用量>混雜纖維摻配比例.摻入混雜纖維后的透水混凝土透水能力滿足使用要求：1)當設計的目標孔隙率由17%提升到21%時，有效孔隙率的變化幅度最大，這是因為設定的目標孔隙率影響到水泥與粗骨料用量，實際有效的孔隙數(shù)量出現(xiàn)明顯變動，影響到透水系數(shù)；2)BF和PPF的分散加入增加了更多界面，纖維相對骨料體積占比小，故纖維總摻量由0.1%提高到0.3%時，有效孔隙率和透水系數(shù)的降低趨勢明顯；3)疏水劑封閉的是內部微小孔隙，還可以促進水泥水化，所以有效孔隙率和透水系數(shù)下降幅度不大；4)BF和PPF兩種纖維混雜配合，增加了長度和直徑組合，能夠共同調節(jié)水泥漿體的流動性能，對有效孔隙率和透水系數(shù)的影響不明顯.

表5 混雜纖維透水混凝土正交試驗結果Tab.5 Orthogonal test results of hybrid fiber permeable concrete

表6 有效孔隙率和透水系數(shù)極差分析Tab.6 Extreme difference analysis of effective porosity and permeability coefficient

表7 抗壓強度和抗折強度極差分析Tab.7 Extreme difference analysis of compressive strength and flexural strength

由表7可知：各因素對抗壓強度和抗折強度的影響均為混雜纖維摻配比例>混雜纖維總摻量>目標孔隙率>疏水劑用量.試驗結果表明，摻入混雜纖維的透水混凝土力學性能優(yōu)異：1)對抗壓強度和抗折強度影響最顯著的是BF和PPF兩種纖維的摻配比例，在兩種纖維的摻配比例達到1∶1時形成了正混雜效應，此時BF的彈性模量高，增強了混凝土基體，直接分擔荷載，PPF的斷裂伸長率高，能夠限制混凝土開裂，在試件變形過程中發(fā)揮韌性[9]；2)隨著混雜纖維總摻量從0.1%增加到0.3%，緩和了裂縫發(fā)展，纖維數(shù)量越多，從混凝土基體拔出消耗的能量就越大，增強抗壓強度和抗折強度的效果明顯；3)目標孔隙率會影響骨料接觸點，骨料接觸面積越大，堆積就越緊密，抗壓強度和抗折強度就越高；4)疏水劑使水分子和水泥熟料的反應增強，從而促進了抗壓強度和抗折強度的提高，但影響程度較小.

2.2 方案優(yōu)選

由極差分析獲得的最優(yōu)方案不同，但有效孔隙率與透水系數(shù)相關度高，抗壓強度和抗折強度的變化也存在內部聯(lián)系，故可以分析各因素在不同水平下的交互關系，進行方案綜合優(yōu)化.

根據表6的極差分析結果，取各因素使K值最大的水平.結果可知，有效孔隙率的最優(yōu)方案是A3B1C1D1組合，透水系數(shù)的最優(yōu)方案是A3B3C1D1組合.只有對指標進行完全分析才能得到混雜纖維透水混凝土透水性能的最優(yōu)組合.4因素在3水平下的有效孔隙率和透水系數(shù)影響規(guī)律綜合分析結果見圖5.由圖5可知：1)隨著目標孔隙率上升到21%，兩項透水指標都持續(xù)升高且上升幅度明顯；2)在混雜纖維摻配比例為1∶1時兩個指標相交，取BF用量為75%時透水系數(shù)低，取PPF用量為75%時雖然有效孔隙率出現(xiàn)一定下降，但由于衡量透水能力的關鍵指標是透水系數(shù)，所以取1∶3的纖維摻配比例；3)纖維總摻量越少，纖維成團打結對孔隙的堵塞就越小，故選取0.1%為最佳纖維摻量；4)疏水劑用量越多越影響透水性能，選擇疏水劑最佳用量為2%.綜合分析可知：透水指標的最優(yōu)配比是目標孔隙率為21%，纖維摻配比例為1∶3，纖維總摻量為0.1%，疏水劑用量為2%.

圖5 有效孔隙率和透水系數(shù)交互分析Fig.5 Interactive analysis of effective porosity and permeability coefficient

根據表7極差分析結果，取各因素使K值最大的水平.結果可知，抗壓強度的最優(yōu)方案為A1B2C3D2組合，抗折強度的最優(yōu)方案是A1B1C3D3組合.對4因素在3水平下的抗壓強度和抗折強度影響規(guī)律進行綜合分析，結果見圖6.由圖6可知：1)當設計目標孔隙率為17%時，抗壓強度和抗折強度最優(yōu)；2)當混雜纖維摻配比例為3∶1時抗壓強度更高，BF分擔了破壞時產生的拉壓力，BF和PPF的摻配比為1∶1時抗折強度最高，兩種纖維協(xié)同配合共同阻裂，此時應取在纖維摻配比例為1∶1的交點附近；3)兩種強度都隨著纖維用量達到0.3%而到達了最高值，纖維將骨料與漿體黏結得更加緊密；4)疏水劑用量為4%時，抗壓強度相較3%有所下降，但抗折強度達到最高值.綜合分析可知，力學指標的最優(yōu)配比是目標孔隙率為17%，纖維摻配比例為1∶1，混雜纖維總摻量為0.3%，疏水劑用量為4%.

圖6 抗壓強度和抗折強度交互分析Fig.6 Interactive analysis of compressive strength and flexural strength

經過方案優(yōu)選，對選出的兩組最優(yōu)配比進行驗證性試驗，結果發(fā)現(xiàn)：試件性能優(yōu)異，混雜纖維和疏水劑充分發(fā)揮了自身優(yōu)點，在填充原本多孔結構中微小孔隙的同時，優(yōu)化了水泥漿體的質量并使水泥水化更加充分，增強了水泥與骨料的黏結力，整體密實度提高，在受載時能夠限制裂縫的發(fā)展.混雜纖維按照1∶1的摻配比例，在混雜纖維總摻量不超過0.3%時，未發(fā)生明顯的“打結”“成團”等現(xiàn)象，疏水劑的加入使混凝土內部形成了蠟質疏水結構，未見沉漿堵塞試件底面的情況.綜合評估后確定最優(yōu)配比方案：目標孔隙率為19%，纖維摻配比例為1∶1，混雜纖維總摻量為0.2%，疏水劑用量為3%.在此方案下，混凝土的抗壓強度達到24.87 MPa，抗折強度為4.81 MPa，有效孔隙率為20.03%，透水系數(shù)為4.95 mm/s.

3 小 結

各因素對混雜纖維摻入透水混凝土有效孔隙率和透水系數(shù)的影響程度依次為目標孔隙率>混雜纖維總摻量>疏水劑用量>混雜纖維摻配比例，建議將在目標孔隙率為21%，纖維摻配比例為1∶3，纖維總摻量為0.1%，疏水劑用量為2%時制備的透水混凝土應用在降雨量高，對透水性有要求的場所.

對混雜纖維摻入透水混凝土抗壓強度和抗折的影響程度依次為混雜纖維摻配比例>混雜纖維總摻量>目標孔隙率>疏水劑用量，建議將在目標孔隙率為17%，纖維摻配比例為1∶1，纖維總摻量為0.3%，疏水劑用量為4%時制備的透水混凝土應用在對強度有一定要求的場所.

BF和PPF混雜摻入的透水混凝土依然具有較好的透水性能，并且抗壓強度和抗折強度得到了顯著提高.最優(yōu)方案是目標孔隙率為19%，纖維摻配比例為1∶1，纖維總摻量為0.2%，疏水劑用量為3%，在此方案下制備的透水混凝土滿足使用要求.

本文是在內疏水型透水混凝土基礎上進行的混雜纖維透水混凝土研究.研究發(fā)現(xiàn)：在保證具有良好透水性能的同時，混雜纖維透水混凝土具有更好的力學性能，理論上，也應具有更好的抗凍耐久性，有利于拓寬透水混凝土的應用范圍，但混雜纖維透水混凝土的抗凍耐久性、抗疲勞性能和考慮纖維的分散性影響尚需進一步研究.