玄武岩纤维对透水混凝土基本性能的影响研究_郭振东.pdf

第 37 卷第 1 期粉 煤 灰 综 合 利 用Vol37No12023 年2 月FLY ASH COMPEHENSIVE UTILIZATIONFeb.2023材料科学玄武岩纤维对透水混凝土基本性能的影响研究*Study on the Influence of Basalt Fiber on Basic Properties of Pervious Concrete郭振东1，2，李峰3，万书金1，2，高庆力1，2，黄志强3(1.中交路桥建设有限公司，北京 100027;2.中交瑞通建筑工程有限公司，北京 101102;3.沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，辽宁 沈阳 110870)摘要:选取 12、24 mm 两种长度的玄武岩纤维，以 0.05%、0.1%、0.15%、0.2%等四种体积掺量制备透水混凝土，通过测定透水混凝土 28 d 的抗压强度、抗折强度、孔隙率和透水系数，研究玄武岩纤维的长度和掺量对透水混凝土各项性能的影响。结果表明:玄武岩纤维的掺入有效提高了透水混凝土的强度，随着玄武岩纤维掺量的增加，抗压强度和抗折强度均呈现出先上升后下降的趋势;随着玄武岩纤维掺量的增加，透水性能逐渐下降，玄武岩纤维的掺入对透水性能产生不利影响;综合考虑强度和透水性能，适宜掺入的玄武岩纤维长度为 24 mm，掺量在 0.1%0.15%之间。关键词:透水混凝土;玄武岩纤维;强度;透水性能中图分类号:TU528.572文献标志码:A文章编号:10058249(2023)01003605DOI:1019860/jcnkiissn10058249202301007GUO Zhendong1，2，LI Feng3，WAN Shujin1，2，GAO Qingli1，2，HUANG Zhiqiang3(1.China Communications oad Bridge Construction Co.，Ltd.，Beijing 100027，China;2.CCCC uitong Construction Engineering Co.，Ltd.，Beijing 101102，China;3.School of Architecture and Civil Engineering Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)Abstract:Basalt fibers with two lengths of 12 and 24 mm were selected to prepare permeable concrete with four volume dosages of0.05%，0.1%，0.15%and 0.2%.The porosity and permeability coefficient were used to study the effect of basalt fiber length andcontent on the properties of pervious concrete.The results show that the addition of basalt fiber effectively improves the strength ofpermeable concrete.With the increase of the content of basalt fiber，the compressive strength and flexural strength show a trend ofincreasing first and then decreasing;the adverse effect is that with the increase of basalt fiber content，the water permeability graduallydecreases;considering the strength and water permeability，the suitable basalt fiber length is 24 mm，and the content is between 0.1%and 0.15%.Keywords:pervious concrete;basalt fiber;strength;permeability coefficient*基金项目:国家自然科学基金(42007241)。作者简介:郭振东(1981)，男，本科，高级工程师，主要从事道路桥梁研究。通信作者:黄志强(1971)，男，博士，教授，主要从事岩土力学和新型建筑材料研究。收稿日期:202204120引言近年来，随着城镇化进程的加快和全球极端天气的频发等原因，使得自然生态环境与民众生1 期郭振东等:玄武岩纤维对透水混凝土基本性能的影响研究37材料科学活受到巨大影响。因暴雨引发的城市内涝灾害已经严重威胁了人民的生命和财产安全。2014 年住建部颁布了 海绵城市建设技术指南 低影响开发雨水系统构建(试行)文件，由此提出了“海绵城市”这个概念1，在 2022 年住建部又颁布 关于进一步明确海绵城市建设工作有关要求的通知文件，为扎实推动海绵城市建设、增强城市防洪排涝能力提供支持与要求。“海绵城市”的建设可以提升城市生态系统功能和减少城市洪涝灾害的发生2，透水铺装作为典型的海绵城市设施34，是目前推进海绵城市建设中的重点。透水铺装中的透水混凝土(Pervious Concrete，以下简称 PC)已广泛应用于各种场合，透水混凝土具有缓解城市内涝、降低“热岛效应”、削减地面径流、吸声降噪等作用5。在混凝土中掺入纤维类材料，可以有效改善混凝土的脆性，阻止混凝土基体裂纹的展开，提高混凝土的延展性6。玄武岩纤维(Basalt Fiber，以下简称 BF)是一种新型无机高性能环保绿色纤维材料，具有抗拉强度高、耐腐蚀等优点78。方从启等9 研究掺入长度为 6 和 12 mm 不同掺量的玄武岩纤维，结果表明适量的纤维掺量可以提高透水混凝土的强度，随着纤维掺量的增加透水系数会降低;陈亚曼等10 通过单掺 0.1%的玄武岩纤维透水混凝土试验，发现掺入玄武岩纤维可以提高透水混凝土的强度;一些学者1113 的试验表明，掺入玄武岩纤维对于提高抗折强度效果明显，对透水性能有一定不利影响;Liu 等14 基于图像分析了掺入体积占比 0.2%的玄武岩纤维对透水混凝土性能的影响，结果表明掺入玄武岩纤维能有效提高透水混凝土的抗冻性能;陈祥生15 和刘佳星16 的试验同样验证了玄武岩纤维的掺入能够提高透水混凝土的抗冻性能;陈守开等17 在研究再生骨料透水混凝土耐撞磨性的试验中发现，当掺入 1(按拌合物体积占比)的短切玄武岩纤维相比基准组的质量损失率可以降低 4.43%，纤维的掺入增强了透水混凝土的韧性，形成了特殊的“桥架”结构，阻止了透水混凝土的开裂破坏。本文研究不同长度和不同掺量的玄武岩纤维掺入透水混凝土中，通过测定玄武岩纤维透水混凝土(BFPC)的力学性能、透水性能，研究玄武岩纤维对透水混凝土性能的影响，分析玄武岩纤维对透水混凝土性能影响的规律，同时确定玄武岩纤维的最优掺入参数。1试验1.1原材料水泥:本溪市山水集团生产的 PO 42.5 级普通硅酸盐水泥;粗骨料:沈阳市附近某采石场生产的石灰岩碎石，其物理性能见表 1;纤维:山东兴茂工程材料有限公司生产的玄武岩纤维，其主要技术指标见表 2;增强剂:S 透水混凝土增强剂，灰色粉末状;减水剂:高效聚羧酸减水剂，减水率为 24%;水:自来水。表 1粗骨料物理性能Table 1Physical properties of coarse aggregate粒径范围/mm表观密度/(kg/m3)紧密堆积密度/(kg/m3)压碎值/%孔隙率/%4.759.52794145212.245.6表 2玄武岩纤维主要性能指标Table 2Main performance indexes of basalt fiber长度/mm直径/m密度/(kg/m3)拉伸强度/MPa弹性模量/MPa12、24131426802500290072851.2配合比配合比设计方法采用 透水水泥混凝土路面技术规程中的体积法计算，通过前期基准配合比试验，考虑抗压强度和透水系数两项，得到试验的基准配合比，见表 3。骨料为 4.759.5 mm 单一级配石灰岩碎石，玄武岩纤维选取 12 和 24 mm 两种长度，掺量选取为 0.05%、0.1%、0.15%、0.2%四种(体积掺量)，减水剂掺量按水泥质量的 1%添加。表 3透水混凝土基准配合比Table 3eference mix ratio of pervious concrete水灰比原材料质量/(kg/m3)骨料水泥水减水剂目标孔隙率/%0.311423421.89130.794.22201.3试验方法试验采用二次投料法制备试件，成型方式选择人工插捣，试件制备完成后严格按照标准养护方式养护 28 d 龄期，抗压强度和抗折强度测试方38粉煤灰综合利用37 卷材料科学法参照 GB/T 500812019 混凝土物理力学性能试验 方 法 标 准，连 续 孔 隙 率 测 试 方 法 参 照CJJ/T 2532016 再生骨料透水混凝土应用技术规程，透水系数测试方法参照 JC/T 25582020透水混凝土。2试验结果与分析2.1力学性能的影响分析透水混凝土的力学性能主要包括抗压强度和抗折强度，研究玄武岩纤维 BF 掺量和长度对透水混凝土的力学性能，试件的力学性能测试结果如图 1 所示。(a)BFPC 抗压强度(b)BFPC 抗折强度图 1BFPC 强度关系曲线Fig.1Intensity relationship curve of BFPC由图 1(a)可知，随着 BF 掺量的增加，透水混凝土的抗压强度呈现出先上升后下降的趋势。与对照组相比，不同掺量、长度的 BF 均能提高透水混凝土的抗压强度;在相同掺量下，BF24 组提高抗压强度的效果优于 BF12 组。对于 BF12组，与对照组相比抗压强度提高了 9.4%32.7%，当 BF 掺量为 0.1%时，透水混凝土的抗压强度达到最大，为 26.8 MPa;对于 BF24 组，与对照组相比抗压强度提高了 15.8%43.1%，当 BF 掺量为 0.1%时，透水混凝土的抗压强度达到最大，为28.9 MPa。这是因为 BF 掺入到透水混凝土中，散乱的分布在结构内部，这些散乱分布的 BF 和骨料在水泥浆体的黏结下相互搭接，形成传力纤维空间网格，在试件受力破坏时这种纤维网格会为结构提供横向约束，进而提高透水混凝土的抗压强度。但随着 BF 掺量的增加，抗压强度呈现下降趋势，这是因为过量的 BF 会在结构内部黏聚成团，致使有效的传力纤维空间网格减少，结构内部产生更多的界面薄弱区，同时水泥浆体不能很好地包裹骨料，使得骨料之间的黏结强度降低，从而导致抗压强度下降。由图 1(b)可知，与 BF 提高透水混凝土抗压强度的机理一致，随着 BF 掺量的增加，透水混凝土抗折强度呈现出先上升后下降的趋势，对于BF12 组和 BF24 组，当 BF 掺量为0.15%时，两组 BFPC 均达到最大抗折强度，分别为 4.02 MPa、4.35 MPa。与对照组相比，BF12 组抗折强度提高了 36.9%70.3%，BF24 组抗折强度提高了48.7%84.3%;BF 提高抗折强度效果明显高于对抗压强度的提高。这是因为，BF 本身弹性模量和拉伸强度较高，在抗折试验透水混凝土破坏时，BF 能够承担较大荷载，透水混凝土结构开裂后，位于开裂部位的 BF 能够起到桥联作用，阻止结构的进一步破坏，在结构受力破坏时 BF 可以改善界面过渡区的黏结强度，进而表现出对抗折强度的提升效果显著。当 BF 掺量过多时，其对抗折强度的不利影响与对抗压强度的不利影响相同。2.2透水性能的影响分析透水混凝土的透水性能优劣是其能否正常使用的关键，对于透水性能而言，一般研究其连续孔隙率和透水系数，二者之间同样也存在关联性。BFPC 的连续孔隙率、透水系数测试结果如图 2、图 3 所示。由图 2 可知，随着 BF 掺量的增加，BF12 组和 BF24 组的连续孔隙率均呈现逐渐下降的趋势，1 期郭振东等:玄武岩纤维对透水混凝土基本性能的影响研究39材料科学在相同 BF 掺量下，BF12 组的连续孔隙率下降程度高于 BF24 组。与对照组相比，当 BF 掺量为0.2%时，BF12 组、BF24 组的连续孔隙率分别下降了 47.7%、36.6%。这是因为，当掺入 BF时，杂乱分布的 BF 有一部分会存在于骨料之间的连通孔隙处，且水泥浆体对 BF 的包裹也会阻塞结构内的连通孔隙，随着 BF 掺量的增加，BF 聚集成团现象更加严重，进而导致了连续孔隙率逐渐降低;BF12 组相比 BF24 组，其连续孔隙率的下降更加明显，表明 12 mm 长 BF 更容易造成孔隙堵塞，24 mm 长 BF 因长度较长易于分散，不容易黏结成团，因而 BF24 组的连续孔隙率降低程度较低。在考虑抗压强度最大时，即 BF 长度为24 mm、掺量为0 1%，此时对应连续孔隙率为 28.69%;而考虑抗折强度 最 大 时，即 BF 长 度 为 24 mm、掺 量 为0.15%，此时对应连续孔隙率为 25.13%。图 2BFPC 连续孔隙率Fig.2Continuous porosity of BFPC图 3BFPC 透水系数Fig.3BFPC permeability coefficient由图 3 可知，随着 BF 掺量的增加，BF12 组和 BF24 组的透水系数均呈现逐渐下降的趋势。在相同 BF 掺量下，BF24 组表现出更高的透水系数。与对照组相比，随着 BF 掺量的增加，BF12组和 BF24 组的透水系数下降了 7.6%38.6%、5.3%35.2%，在 BF 掺量为 0.2%时透水系数降到最低，两组长度下的最小透水系数分别为3.23、3.41 mms1。这是因为，BF 的掺入阻断了部分连续透水孔隙，从而使透水系数降低，随着 BF 掺量的增加，这种阻断程度会进一步加剧，进而表现出透水系数的逐渐下降。在考虑抗压强度最大时，即 BF 长度为 24 mm、掺量为 0.1%，此时对应透水系数为 4.35 mms1;而考虑抗折强度最大时，即 BF 长度为 24 mm、掺量为 0.15%，此时对应透水系数为 3.99 mms1。对连续孔隙率和透水系数进行拟合分析，如图 4 所示。由拟合结果可知，二者是正相关关系，且拟合效果较好，表明随着连续孔隙率的增大透水系数也随之增大，二者之间的这种正相关关系，也证明了随着 BF 掺量的增加，均表现出相似的下降趋势。图 4拟合分析Fig.4Fitting analysis3结论(1)不同长度、掺量的 BF 掺入均可以提高透水混凝土的抗压强度和抗折强度。随着 BF 掺量的增加，抗压强度和抗折强度均呈现出先上升后下降的趋势。BF12 组:掺量为 0.1%时达到最大抗压强度为 26.8 MPa，掺量为 0.15%时达到最大抗折强度为 4.02 MPa;BF24 组:掺量为 0.1%时达到最大抗压强度为 28.9 MPa，掺量为 0.15%时达到最大抗折强度为 4.35 MPa。BF 的掺入对抗折强度提升效果显著。(下转第 131 页)1 期陈晋华:基于改进遗传算法的公路沥青混凝土路面黏弹性损伤演化模拟131道桥技术报(自然科学版)，2020，50(3):447453.11 张雅婷，JEFFEY OESLE.基于大比尺模型试验的连续配筋混凝土路面开裂研究 J.浙江大学学报(工学版)，2020，54(6):11941201.12 孙红军，谢晓杰，王永贵.基于 ANSYS 的旧水泥混凝土路面沥青加铺层应力状态研究 J.公路工程，2020，45(1):173177.13 何伟南，陈海峰，周杰，等.碎石化水泥混凝土路面加铺半柔性材料结构设计研究 J.公路，2020，65(2):4549.14 曹源文，王冬，王建文，等.水泥混凝土凹坑路面破损对重载车辆动荷载影响分析 J.重庆交通大学学报(自然科学版)，2020，39(8):95100.15 何威，左树行，白象忠.弹性地基双层梁理论下的混凝土路面力学分析 J.应用力学学报，2020，37(1):6369+472473.(上接第 39 页)(2)BF 的掺入对于透水混凝土的透水性能产生不利影响，对于 BF12 组和 BF24 组，随着 BF掺量的增加，连续孔隙率和透水系数均呈现下降趋势，BF12 组下降程度更为明显，这表明 BF 长度越短对透水性能越不利。当 BF 掺量为 0.2%时，其连续孔隙率和透水系数分别下降了 47.7%、38.6%。(3)考虑透水混凝土的抗压强度和抗折强度，玄武岩纤维的长度宜取 24 mm，掺量在 0.1%0.15%之 间，此 长 度 掺 量 下 的 连 续 孔 隙 率 在25.13%28.69%之 间，透 水 系 数 在 3.99 4.35 mms1之间，均能满足规范要求。参考文献 1 车伍，赵杨，李俊奇，等.海绵城市建设指南解读之基本概念与综合目标 J.中国给水排水，2015，31(8):15.2 车生泉，谢长坤，陈丹，等.海绵城市理论与技术发展沿革及构建途径 J.中国园林，2015，31(6):1115.3 张彬鸿，李家科，李亚娇.低影响开发(LID)透水铺装技术研究进展 J.水资源与水工程学报，2017，28(4):137144.4 解超，吕彬，王思思，等.基于生命周期思想的透水铺装资源环境影响评价述评 J.环境工程，2021，39(8):197202+44.5 石立国，杜垚，文韬，等.海绵城市建设中的透水混凝土性能及应用效果 J.中国给水排水，2019，35(12):3943.6 陆振乾，杨雅茹，荀勇.纤维对水泥基复合材料性能影响研究进展 J.纺织学报，2021，42(4):177183.7 吴晓斌.玄武岩纤维在土木工程中的应用研究进展 J.硅酸盐通报，2020，39(4):10431049+1056.8 霍泳霖，霍冀川，张行泉，等.玄武岩的开发利用进展 J.材料导报，2022，36(6):113123.9 方从启，董文燕，薛文韬，等.玄武岩纤维增强透水混凝土性能研究 J.混凝土，2020(10):9497.10 陈亚曼，黄金林，李青，等.玄武岩纤维对透水混凝土性能的研 究 J.广 东 土 木 与 建 筑，2019，26(12):5860.11 许耀，吴庆，史文浩，等.不同短切纤维对高强透水混凝土性能的影响 J.混凝土与水泥制品，2019，(10):4043.12 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