姚紅利, 鄭竣方, 周晚, 彭丹, 劉旭

[摘要]以玄武巖纖維摻入量和廢陶瓷骨料取代率為變量，進行配合比試驗，研究不同摻量的玄武巖纖維和廢陶瓷再生骨料對透水混凝土力學性能和透水性能的影響。結(jié)果表明：隨著玄武巖纖維摻量增加，抗壓強度呈先上升后下降的趨勢，但混凝土透水性能隨之降低；隨著陶瓷取代率的增加，混凝土的透水性能逐漸增強。試驗得出最優(yōu)方案為：當廢陶瓷取代率為 40%，纖維體積摻量為0.15%，此時混凝土試件性能較好。

[關鍵詞]透水混凝土； 廢陶瓷； 玄武巖纖維； 力學性能； 透水性能

[中國分類號]TU528.572? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]A

0引言

近幾年來，許多國內(nèi)外研究者都著重于再生骨料透水混凝土力學性能和透水性能的研究。我國在透水混凝土的配合比設計與配制方法上較為落后，導致成型后的透水混凝土出現(xiàn)強度偏低、透水性能較差等問題。20世紀初期，美國就開始對陶瓷進行加工處理，用來取代混凝土中的石子，并研究一般混凝土的力學系性能，由此揭開了人們對于陶瓷開發(fā)和利用的新篇章，后來的學者們循著足跡也對陶瓷進行了一系列的研究［1-5］。在眾多纖維中，玄武巖纖維具有耐高溫、耐腐蝕、高抗拉強度等優(yōu)異性能，被認為是建筑材料里性價比較高的纖維材料［6-9］。

隨著我國城市快速發(fā)展，大量不滲透地表的出現(xiàn)，使自然條件下的水文機理發(fā)生了變化。同時，我國每年都會產(chǎn)生大量的廢棄陶瓷，將大量的廢棄陶瓷合理地利用起來，用于混凝土路面中，并使其具有良好的透水性和承載力，這將會更好地節(jié)約資源，有利于環(huán)境。所以本文提出了玄武巖纖維廢陶瓷再生骨料透水混凝土。以玄武巖纖維摻量和廢陶瓷再生骨料取代率作為本文試驗的變量，進行抗壓強度、透水系數(shù)的測定。從這2個方面研究對透水混個凝土土力學性能和透水性能的影響。

1原材料與試驗方法

1.1原材料

（1）水泥：P·O 42.5級水泥，各項性能指標見表1。

（2）硅灰：硅灰采用鄭州恒諾濾材有限公司產(chǎn)硅灰，外觀顏色呈灰色，SIO2含量不少于94%，平均粒徑在0.1～0.3 μm，比表面積為20～28 m2/g。

（3）粗骨料：本次試驗的粗骨料采用單級配，選用的是天然骨料和再生骨料，其中回收的再生骨料是從陶瓷廢料中提取的，經(jīng)過人工粉碎，然后經(jīng)人工篩料，得到粒徑為10～20 mm的再生粗骨料。

（4）纖維：采用長度為18 mm的玄武巖纖維，各項性能指標見表2。

（5）水：拌和用水為生活飲用自來水。

1.2試驗方法

1.2.1試件成型

首先，把稱量好的骨料和纖維在攪拌器中攪拌50 s，使纖維和骨料充分混合，由于再生骨料的吸水率高，先加水預濕骨料，攪拌50 s，再加水泥攪拌60 s，模具為150 mm×150 mm×150 mm標準立方體試件，分兩層填充，每層插入25次，并在振搗臺上振搗1次。在室溫下24 h成型后拆模，置于標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28天，28天后即可脫模制成混凝土試件［10］。

1.2.2抗壓強度測試方法

在本試驗中，按GB/50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行了抗壓強度的測定。抗壓強度測定使用的試件為150 mm×150 mm×150 mm標準的立方體。在試驗中，采用連續(xù)均勻的加載方式，透水混凝土強度較普通混凝土低，通常為C30以下，按設計要求，加載速率為0.3～0.5 MPa/s?；炷亮⒎襟w抗壓強度計算公式為式（1）。

fcc=F/A（1）

式中：fcc為混凝土立方體抗壓強度（MPa）；F為試件破壞荷載（N）；A為試件承壓面積（mm2）。

1.2.3透水系數(shù)測試方法

本文采用變水頭法測量滲透系數(shù)，試驗設備采用自制設備，測量設備見圖1。試驗用的試件的大小是 150 mm×150 mm×150 mm。用一個透明的塑料量杯，將量杯的底部切出開口，并在其表面標注好刻度，以便于控制水量。

分別對每組混凝土試塊進行透水性能的測定，混凝土試塊如圖2。采用工業(yè)油性橡皮泥將混凝土試塊四周密封，抹平均勻，防止漏水，如圖3 所示。待橡皮泥成后凝結(jié)后，用凡士林試劑和橡皮泥將試塊和塑料方管連接在一起，如圖4 所示。凡士林和橡皮泥的好處是密封性好，價格便宜，拆除方便且干凈。向塑料量杯中加水至超過刻度 200 mm，觀察試塊中有水滲出，液面下降至V1（150 mm）時開始計時為t1，當水面下降至V2（50 mm）時將時間記為t2。透水系數(shù)按式（2）計算。

K=（V1-V2）/（t1-t2）（2）

式中：K為透水系數(shù)（mm/s），精確至 0.01［11］。

1.2.4試驗分析方法

采用功效系數(shù)法，以每次試驗的總功效系數(shù)作為評價指標，使試驗結(jié)果大大簡化。假定設計考核ｎ個指標，ｊ組試驗各指標經(jīng)歸一化處理后的功效系數(shù)為dji，dji＝１表示第ｉ個指標的效果最好。試驗總共為９組，設第ｊ組試驗的考核指標抗壓強度、透水系數(shù)歸一化處理后，功效系數(shù)分別為dj1，dj2，則第ｊ組試驗的總功效系數(shù)dｊ為式（3）。

dj=dj1×dj2（3）

總功效系數(shù)最大者綜合性能最優(yōu)［12］。

2實驗結(jié)果與分析

2.1配合比設計

根據(jù)以往工程經(jīng)驗，通過試配發(fā)現(xiàn)，設計孔隙率為15%、水灰比為0.5時能使透水混凝土同時獲得較好的透水性和強度。配合比設計采用體積法進行，先根據(jù)單位體積粗集料緊密堆積密度計算出單位體積粗集料用量，然后根據(jù)粗集料緊密堆積孔隙率和設計孔隙率計算出膠結(jié)料漿體體積，最后根據(jù)設計水灰比和硅灰摻量，依次算出單位體積水的用量、單位體積水泥的用量以及單位體積硅灰的用量。根據(jù)CJJ/T 135-2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》中的公式進行設計，最終配合比設計如表3所示［13］。

2.2試驗結(jié)果

試驗的結(jié)果及歸一化處理見表4。從表4分析可知，廢陶瓷取代率40％，玄武巖纖維摻量0.15％的因素組合時，B組試驗的總功效系數(shù)最大，透水混凝土的力學性能和透水性能均較好，其綜合性能最好。

2.3抗壓強度

A、 B、 C組的試樣在標準養(yǎng)護到28天時的抗壓強度測試結(jié)果見表4。隨著陶瓷取代率和纖維摻入量的增加，抗壓強度呈先上升后下降的趨勢。在A組試驗中廢陶瓷取代率為20%，纖維摻量為0％，抗壓強度最高達到24.3 MPa。在B組試驗中廢陶瓷取代率為40%，纖維摻量為0.15％，抗壓強度最高達到27.4 MPa，相比A組有所提升，主要是因為摻入短而細且均勻分布的玄武巖纖維后，玄武巖纖維填充了再生骨料透水混凝土的部分孔隙，使得混凝土基體更加密實，同時在水泥硬化過程中，水泥漿能有效的將纖維、骨料和水泥漿等混凝土混合物凝固在一起，從而提高了混凝土的抗壓強度［13］。在C組試驗中廢陶瓷取代率為60%，纖維摻量為0.30％，抗壓強度最高達到26.1MPa，相比B組有所下降，主要是因為廢陶瓷骨料的力學性能低于天然石子骨料的力學性能，隨著廢陶瓷取代率不斷提升，廢陶瓷摻量增大，在加壓過程中，易被破壞導致抗壓強度降低；并且隨著纖維摻入量的增加，纖維不易均勻的分散，容易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，從而影響水泥漿骨料的粘結(jié)度，降低試件的抗壓強度［14］。

如圖5所示，未摻入玄武巖纖維的圖5（a），在混凝土破壞時，透水混凝土周圍出現(xiàn)多個裂紋，隨著骨料和水泥漿薄膜斷裂破壞，裂縫處的水泥與粗骨料的形成的塊狀物就會散落， 圖5（b）中透水混凝土破壞時表面出現(xiàn)一條主要裂紋，盡管試樣已完全破碎，但由于玄武巖纖維加入水泥膠漿中，使被破壞的試件沒有發(fā)生散落，阻止了裂紋的擴展，防止了脆性的破壞，從而提高試件的抗壓強度。

2.4透水系數(shù)

透水混凝土的透水系數(shù)會隨著纖維摻量和陶瓷的取代率的增加而變化。當陶瓷取代率為20%，纖維摻入量為0，透水混凝土系數(shù)約為2.45 mm/s；當陶瓷取代率為40%，纖維摻入量為0.15%，透水系數(shù)為2.49 mm/s，摻長度18 mm的玄武巖纖維的試件透水系數(shù)與未摻纖維的試件相比，透水系數(shù)增加了0.04 mm/s。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因是，隨著纖維摻量的增加，透水系數(shù)逐漸降低，但變化趨勢不顯著，仍能滿足規(guī)范中對透水系數(shù)的要求，所以主要考慮陶瓷的取代率，隨著陶瓷取代率的增加，透水混凝土的透水系數(shù)隨之增加；當陶瓷取代率為60%，纖維摻入量為0.3%，透水混凝土的透水系數(shù)達到最佳，透水系數(shù)約為2.56 mm/s，相較前一組透水混凝土，透水系數(shù)增加了0.07 mm/s。由實驗結(jié)果分析得出的結(jié)論是，陶瓷取代率的增加，增加大了混凝土間的間隙，有利于增大混凝土的透水性能。隨著纖維的增加，會減小混凝土間的間隙，即減低混凝土的透水性能，但是相較于前者影響較?。?5］。

3結(jié)論

通過對廢棄陶瓷替代率和玄武巖纖維摻入量因素對透水混凝土的抗壓強度及透水系數(shù)的分析，得出結(jié)論：

（1）在0.15%纖維和40%陶瓷替代物的情況下，其抗壓強度達到27.2 MPa，再生骨料混凝土具有較好的抗壓強度。隨著陶瓷取代率的增加，混凝土的強度的會有所降低，但是隨著玄武巖纖維摻量的增加，會提高混凝土的抗壓強度，最終相比于不摻入纖維的強度還是有所提高。但是隨著陶瓷取代率和纖維摻入量繼續(xù)增加，纖維易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，從而不利于水泥的抗壓強度，所以當陶瓷取代率為60%，纖維摻入量為0.30%時，強度相較于第二組有所降低。

（2）隨著陶瓷取代率的增加，增大了混凝土間隙，有利于增大混凝土的透水性能。隨著纖維的增加，會減小混凝土間的間隙，所以會減低混凝土的透水性能，但是相較于前者影響較小。所以當陶瓷取代率為60%，纖維摻入量為0.30%時，實驗所測得的透水性能最好，透水系數(shù)為0.56 mm/s。

（3）通過綜合評估再生骨料混凝土的抗壓強度和透水系數(shù)得知，當陶瓷取代率為40%，纖維摻入量為0.15%時，抗壓強度為27.2 MPa，透水系數(shù)為2.50 mm/s，骨料混凝土的各項性能最優(yōu)。

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