短切纤维对透水混凝土性能的作用范文

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摘要：本文通过研究不同种类的短切纤维（聚丙烯纤维：PPF、聚乙烯醇纤维：PVAF和玻璃纤维：GF）以及短切PPF的掺量、长度对透水混凝土力学性能和透水性能的影响发现：当透水混凝土中掺入长度为3mm、6mm和12mm的PPF时，随着PPF长度的增大，抗压强度先增大后减小，当长度为12mm时，不同掺量的PPF均使抗压强度低于空白对照组。此外，透水混凝土的抗折强度随PPF长度和掺量的增大而增大。不同长度和掺量的短切PPF均导致空隙率和透水系数的减小。当透水混凝土中掺入长度为6mm的PVAF时，抗压强度和抗折强度均获得提高，但掺入长度为6mm的GF使抗压强度降低。此外，PVAF和GF的掺入降低了透水混凝土的空隙率和透水系数。

关键词：透水混凝土，短切纤维种类，掺量，长度，聚丙烯纤维

随着我国城市化进程的加快，许多绿化区域和裸露地表被建筑物、大型基础设施及不透水的混凝土路面所覆盖，造成了严重的城市内涝灾害和热岛效应。自2013年开始，国家和地区政府大力推行海绵城市建设，透水混凝土作为一种生态型多孔材料得到了广泛的重视。透水混凝土因具有透气、透水和质量轻的特点，能在极大程度上解决城市内涝等问题。但也因为自身存在大量的空隙，导致自身强度较低，严重束缚了透水混凝土的推广使用。近年来，研究者分别就骨料类型、粒径和级配[1-4]、骨胶比[4,5]、外加剂[6]、辅助胶凝材料[7-10]和胶凝材料的厚度[11]等对透水混凝土空隙率、透水系数与力学性能的影响开展了大量的研究，并取得一定的成果。但目前，国内外对纤维改性透水混凝土的研究仍比较少。SaeidHesami[12]通过在透水混凝土中分别掺入聚苯硫醚纤维、玻璃纤维和钢纤维发现，不同水灰比时，三种纤维均使抗压、抗折和拉伸强度获得提高，且聚苯硫醚纤维的增强效果最好。但试验中三种纤维的长度均大于12mm且掺量一定，未研究不同掺量的纤维和长度较短的纤维对透水混凝土性能的影响。此外，MilenaRangelov[13]发现，固化碳纤维复合材料能有效地改善新拌透水混凝土的工作性能，同时能够改善透水混凝土的透水性能和力学性能。LutfurAkand[14]利用化学方法处理长度为19mm的聚丙烯纤维，并将其作为增强材料掺入到透水混凝土中。实验发现，经化学处理的聚丙烯纤维能够提高纤维与基体的粘结强度，并提高了抗折强度，但对抗压强度没有增强效果。刘肖凡[15]在透水混凝土中掺入长度为38mm的刚性聚合纤维，研究刚性聚丙烯纤维的掺量对透水混凝土耐久性的影响。结果表明：随着纤维掺量的增大，透水混凝土的抗冻融性能和抗硫酸盐干湿循环性能均有所改善。虽然已有研究者就纤维对透水混凝土性能的影响进行了探索，但目前掺加的纤维长度均较长，未涉及短切纤维对透水混凝土的增强研究，无法有效的改善透水混凝土的性能。因此，本文通过在透水混凝土中掺入不同种类、掺量和长度的短切纤维，测定力学性能和透水性能，以研究短切纤维对透水混凝土性能的影响。

1试验

1.1原材料

采用海螺牌42.5级普通硅酸盐水泥为胶凝材料；粗骨料为单级粒径的5~10mm玄武岩；细骨料采用细度模数为2.9的中砂；减水剂采用聚羧酸系高效减水剂（SP）。试验所用纤维分别为长度为3mm、6mm和12mm的短切聚丙烯纤维（PPF），以及长度为6mm的短切聚乙烯醇纤维（PVAF）和短切玻璃纤维（GF）。三种纤维均为束状单丝，PPF和GF呈白色，PVAF呈淡黄色。

1.2试验配合比

研究短切纤维对透水混凝土性能的影响时，通过固定与透水混凝土相同配比砂浆的流动度和骨料的干湿度来保证透水混凝土工作性能的一致。根据前期试验探索，当透水混凝土获得较好的工作性能时，同配比砂浆的流动度为210mm。因此设定目标流动度为210mm，可得到相应的透水混凝土的试验用水量。试验中设定透水混凝土的目标空隙率为20%，根据CJJT135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》可计算得到试验配合比，如表2所示。试验分为三个部分：研究短切纤维的种类对透水混凝土性能的影响时，分别掺入PPF、PVAF和GF等三种短切纤维，纤维长度均为6mm，且掺量均为1.5kg/m3；研究短切纤维的掺量和长度对透水混凝土性能的影响时，根据前期试验，仅以短切PPF为增强材料，在透水混凝土中分别掺入0.5kg/m3、1.0kg/m3和1.5kg/m3的PPF与空白对照组进行比较；研究短切纤维的长度对透水混凝土性能的影响时，将长度为3mm、6mm和12mm的PPF掺入到透水混凝土中，且纤维的掺量均为1.5kg/m3，并设置空白对照组进行比较。

1.3试件制备与性能测试

透水混凝土作为干硬性混凝土，一次投料的拌合方法无法使浆体均匀地包裹骨料，因此采用二次投料法，如图1所示。透水混凝土的成型采用手工插捣和平板振动相结合的方式，且在入模时，控制拌合物的质量一定，以得到相应的目标空隙率。成型后的混凝土试块必须用保鲜膜覆盖，24h后拆模，然后在恒温水中养护至龄期并进行性能测试。（1）抗压强度测试透水混凝土养护至7d、28d龄期后，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》测定。加载时，应该连续而均匀地进行，速率控制在0.3MPa/s~0.5MPa/s。（2）抗折强度测试透水混凝土养护至7d、28d龄期后，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测定。本试验采用三点抗折法进行测定，速率控制在0.02MPa/s~0.05MPa/s。（3）空隙率测定采用重量法测定透水混凝土的空隙率。试验所用的试块尺寸为100mm×100mm×100mm，试块龄期为28d。分别称量试块浸没在水中和在烘箱烘干后的重量，二者之差即为试块的空隙被水填充后实际受到的浮力，由此可计算得出空隙率。（4）透水系数测定为了与实际生活中透水混凝土路面的透水过程相符合，采用变水头法对透水系数进行测定。试验所用的试块尺寸为100mm×100mm×100mm，试块龄期为28d。通过测定单位时间内水垂直透过试块截面的体积，可计算得到透水系数。

2结果与讨论

2.1短切纤维的种类对透水混凝土性能的影响

纤维长度为6mm且掺量为1.5kg/m3时，不同种类的短切纤维下透水混凝土的抗压强度和抗折强度。由图可知，空白对照组的28d抗压强度为21.9MPa，掺入PPF和PVAF后，28d抗压强度分别增长8.7%和8.2%；但当掺入GF时，28d抗压强度降低。理论上，较短的纤维在混凝土基体中呈无序分布状态，能够在任意方向起到增强作用。但PVAF和GF的直径远小于PPF，且GF为中纤维体积率纤维，根据“拥挤因子”的概念[16]，纤维长度一致时，直径越小，体积率越大，越易使其转动受到限制并保持连续性接触。成型时也发现，较细的纤维容易打弯和结团，使混凝土内部孔隙增多，不利于强度发展。此外，GF易受到碱性环境的影响，水泥水化生成的Ca(OH)2与GF的SiO2发生不可逆的化学反应导致纤维的骨架被破坏，最终使混凝土强度降低。由图2(b)可知，三种短切纤维均有利于提高透水混凝土的抗折强度，掺入三种纤维后，28d抗折强度分别较空白对照组增大10.0%、8.0%和4.0%，其中PPF对抗折强度的改善效果最好。此外，短切纤维对抗折强度的改善优于抗压强度，主要是由于混凝土内部的微裂缝对抗弯拉强度的影响远大于抗压强度。在结构形成过程中，纤维阻止了裂缝的引发，并使裂缝尺度变小，缓和了裂缝尖端应力的集中程度；同时在加载时，纤维在受力区的增强作用延缓了裂缝发展的速度，使抗折性能提高。同样，掺入PVAF和GF的透水混凝土在搅拌过程中会出现打弯和结团，导致抗折强度低于掺入PPF的透水混凝土。

2.2短切PPF的掺量对透水混凝土性能的影响

如前所述，当短切纤维的掺量为1.5kg/m3且长度为6mm时，PPF对透水混凝土力学性能的增强效果最佳。因此，本文仅研究短切PPF的掺量和长度对透水混凝土性能的影响。图3为不同短切PPF掺量下透水混凝土的7d、28d抗压强度和抗折强度。当透水混凝土中掺入长度为12mm的短切PPF时，不同掺量的PPF均导致抗压强度降低，但随着PPF掺量的增大，抗压强度先增大后减小。当PPF长度为12mm时，纤维和混凝土基体的界面区域增加，因为纤维的弹性模量低于混凝土基体，导致纤维与基体的接口变得薄弱，使纤维在受力时易产生拔出破坏，影响了透水混凝土的整体性，从而导致抗压强度降低。图3(b)中，不同掺量的PPF均使抗折强度获得提高，且随掺量的增大，抗折强度也逐渐增大。空白对照组的7d和28d抗折强度分别为4.1MPa和5.0MPa，当PPF掺量为1.5kg/m3时，透水混凝土的抗折强度达到最大值，其7d和28d抗折强度分别为5.0MPa和5.7MPa，提高22.0%和14.0%。其原因为PPF不仅可以在结构形成过程中阻止裂缝的引发，同时当混凝土承担荷载时，横跨裂缝的纤维还能够延缓裂缝发展，使基体的变形能力得到提高，从整体上提高了透水混凝土的抗折性能。此外，当PPF掺量较小时，纤维无法充分地分散到混凝土基体中，所以随着PPF掺量的增大，透水混凝土的抗折强度也逐渐增大。

2.3短切PPF的长度对透水混凝土性能的影响

不同短切PPF长度下透水混凝土的抗压强度和抗折强度。图4(a)中，随着PPF长度的增大，抗压强度先增大后减小，当PPF长度为3mm和6mm时，28d抗压强度分别增大3.7%和8.7%，但掺入长度为12mm的PPF导致抗压强度降低。当PPF长度为3mm和6mm时，纤维的乱向分布使其在任意方向都能起到增强作用。而且在承担荷载时，横跨裂缝的纤维限制了裂缝的扩展，从而提高了抗压韧性。但因纤维长度过小，纤维和基体间的接触面积较小，因而界面结合力也较小，导致纤维很容易从基体中拔出。而当PPF长度为12mm时，纤维和基体的界面区域增加，因二者间的接口较为薄弱，使其在受力时易产生拔出破坏，影响了透水混凝土的整体性，导致抗压强度降低。此外，由图4(b)可知，随着纤维长度的增大，透水混凝土的7d和28d抗折强度均呈增大趋势。空白对照组的28d抗折强度为5.0MPa，掺入不同长度的PPF后，28d抗折强度分别为5.5MPa、5.5MPa和5.7MPa，较空白对照组分别增大10.0%、10.0%和14.0%。当PPF长度为3mm时，因短纤维易从基材中拔出而无法对大裂缝起到抑制作用。随着纤维长度的增大，纤维的增强效果越好，当PPF长度为12mm时，因大纤维从基材拔出过程中能够消耗较多的能量，可延缓大裂缝的扩展和透水混凝土的破坏，从而提高了抗折强度。

3结论

（1）当透水混凝土中掺入长度为3mm、6mm和12mm的短切PPF时，随着PPF长度的增大，抗压强度先增大后减小，当长度为12mm时，不同掺量的PPF均使抗压强度低于空白对照组。此外，透水混凝土的抗折强度随PPF长度和掺量的增大而增大。当透水混凝土中掺入长度为6mm的PVAF时，抗压强度和抗折强度均获得提高，但掺入长度为6mm的GF使抗压强度降低。三种纤维对透水混凝土强度的改善效果为：PPF>PVAF>GF。（2）当透水混凝土中掺入不同种类、掺量和长度的短切纤维后，空隙率和透水系数均出现不同程度的降低，其中透水系数降低较为明显。直径较细的纤维易在成型时打弯结团，从而导致空隙堵塞。因此，掺入PVAF和GF的透水混凝土的空隙率下降较多。此外，随着PPF掺量和长度的增大，透水混凝土的空隙率也逐渐减小。

作者：赵剑锋1,2，杨晓杰1,2，李好新1,2，马一平1,2 单位：1.同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，2.同济大学材料科学与工程学院