50MPa高强透水混凝土性能影响因素探寻

文摘 2025-01-08 07:05 河南

海绵城市建设是我国生态文明建设的重要组成部分，而透水混凝土是实现“海绵城市”的重要物质基础。透水混凝土作为一种新型绿色高性能水泥基材料，可改善土壤生态环境，缓解城市的“热岛效应”。同时，透水混凝土强度低，限制了其在城市机动车道的应用。对于城市路面、公路而言，为解决道路积水造成的地下排水系统问题及车辆噪声问题，迫切需要高强透水混凝土。近年来，我国诸多学者开展了广泛研究，孙凯、陈德绍、张阳和万书金等学者对透水混凝土强度影响因素做了深入研究。我国著名混凝土专家吴中伟院士生前多次指出：复合化是水泥基材料高性能化的主要途径，纤维增强是其核心。李莉和辛志鹏等学者的研究表明，聚丙烯纤维能提高透水混凝土的强度。聚丙烯腈纤维相较于聚丙烯纤维，有优异的耐光性和耐候性，更高的抗拉强度和弹性模量，将其应用于高强度透水混凝土，研究其掺量、长度对透水混凝土强度和透水系数等性能的影响，对于推广高强透水混凝土在道路工程上的应用具有一定的工程意义。

1　试验原材料、配合比及成型工艺

1.1　原材料

水泥：湖北华新水泥厂42.5MPa普通硅酸盐水泥，密度为3.11g/cm³，其他指标均符合国标要求。

碎石：2.5～10mm洁净瓜米石，干表观密度为2.68g/cm³，紧密堆积密度为1590kg/m³。

拌和水：自来水。

硅灰：密度2.0g/cm³，45µm方孔筛筛余百分率为2.8%，28d活性指数为116%。

羟丙基甲基纤维素：15万粘度。

减水剂：透水混凝土用聚羧酸减水剂，减水率为22%。

聚合物乳液：北京蒙泰伟业建材有限公司提供的聚丙烯酸酯乳液。

聚丙烯腈纤维：密度为1.18g/cm³，直径为12.7µm，弹性模量≥3.5GPa，长度为3～12mm。

1.2　配合比

1.2.1　配合比设计计算

依据《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T135-2009)，透水混凝土采用体积法进行配合比设计。水泥密度ρ_C＝3.11g/cm³，粗骨料紧密堆积密度ρ_G＝1590kg/m³，干表观密度为2.68g/cm³，粗骨料堆积空隙率V_C＝(1－1.59/2.68)×100%＝41%，粗骨料用量修正系数α＝0.98，设计孔隙率R_void＝20%，水胶比R_W/C分别取0.25、0.28、0.30。根据北京建筑大学土木与交通工程学院李崇智、任强伟等人的研究成果，硅灰替代率取10%，羟丙基甲基纤维素掺量取0.5%，聚丙烯酸酯乳液掺量取3%，透水混凝土用聚羧酸减水剂掺量取1%。聚丙烯腈纤维长度分3、6mm和12mm，掺量分别为1.0、1.5kg/m³和2.0kg/m³。计算过程如下：

1)确定单方混凝土粗集料用量W_G

W_G＝α·ρ_G＝0.98×1590＝1558kg

2)计算胶结料浆体体积V_P

V_P＝1－α(1－V_C)－R^void＝1－0.98(1－41%)－20%＝0.222m³

3)计算单方混凝土胶凝材料用量W_b

W_b＝V_P/(R_w/b＋1)·ρ_c

水胶比R_w/b＝0.25时，W_b＝0.222/(0.25＋1)×3110＝552kg

R_w/b＝0.28时，W_b＝0.222/(0.28＋1)×3110＝539kg

R_w/b＝0.30时，W_b＝0.222/(0.30＋1)×3110＝531kg

4)确定单位用水量W_w

W_w＝W_b×R_w/b

水胶比R_w/b＝0.25时，W_w＝552×0.25＝138kg

R_w/b＝0.28时，W_w＝539×0.28＝151kg

R_w/b＝0.30时，W_w＝531×0.30＝159kg

1.2.2　正交试验设计

试验研究设计了三因素、三水平的正交实验，具体如表1所示。

1.3　成型工艺

采用骨料表面包裹法进行投料拌合，具体流程如图1所示。

试件尺寸为100mm×100mm×100mm，依据行业标准《透水混凝土》(JC/T2558－2020)进行制作[。

2　试验结果及讨论

2.1　测试结果

透水混凝土的透水系数试验和计算参照《透水混凝土》(JC/T2558-2020)进行，抗压强度的测定则采用透水系数测定后的试块。将测试完透水系数的试块内部的水分沥干并擦干试件表面的水分，再按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB50081-2019)进行试验和计算。透水混凝土配合比及性能测试结果如表2所示。

采用直观分析法(极差分析法)分别确定透水混凝土透水系数和抗压强度的最优生产条件。具体计算结果分别如表3和表4所示。

由表3可知：对于透水系数指标而言，水胶比的最佳水平为0.28，纤维掺量最佳水平为1.0kg/m³，纤维长度的最佳水平是12mm，最优配方是A₂B₁C₃。由表4可知：对于透水混凝土抗压强度而言，水胶比的最佳水平为0.25，纤维掺量最佳水平为2.0kg/m³，纤维长度的最佳水平是6mm，最优配方是A₁B₃C₂。

2.2　测试结果的讨论

2.2.1　水胶比对透水混凝土性能的影响

由表3可以看出，透水混凝土的透水系数在水胶比为0.28时最大，这是因为水胶比为0.25时，混凝土比较干燥，导致混凝土透水系数偏低，但随着水胶比增大到0.30，混凝土的水泥浆量更多，导致振捣时水泥浆更容易沉到底部，混凝土各组分分布不均匀，透水系数反而减小。

由表4可以看出，水胶比在0.25时，透水混凝土抗压强度最高，平均强度为45.9MPa，这是因为水胶比小，混凝土孔隙率小，密实度高，随着水胶比增大到0.28，混凝土孔隙率随之增大，密实度降低，混凝土抗压强度降低，平均强度降至35.9MPa，当水胶比增至0.30时，混凝土平均强度又提高至41.5MPa。

2.2.2　纤维掺量对透水混凝土性能的影响

由表3可以看出，随着纤维掺量的增加，混凝土的透水系数减小，这是因为纤维的加入，减少了混凝土中毛细孔的尺度和连通毛细孔的数量，从而导致透水系数降低。

由表4可以看出，随着纤维掺量的增加，透水混凝土的抗压强度提高，这可能是由于以下几方面原因：

1)纤维直径细小，大大减少了混凝土中毛细孔的尺度和连通毛细孔ꎻ

2)纤维直径细小，表面吸附水分，可对骨料起承托作用，减少泌水，提高了混凝土的粘聚性和保水性，使得混凝土更加均匀密实ꎻ

3)随着纤维掺量的增大，纤维的平均中心间距减小，纤维的阻裂作用越强，从而混凝土的抗压强度越高。

2.2.3　纤维长度对透水混凝土性能的影响

由表3可以看出，随着纤维长度的增加，混凝土的透水系数提高，这是由于在纤维掺量相同的前提下，随着纤维长度的增加，纤维的根数减少，纤维的总表面积减少，纤维的增稠作用减弱，纤维的填充作用减弱，从而混凝土的密实度降低，混凝土的透水系数提升。由表4可以看出，随着纤维长度的增加，混凝土的抗压强度呈现先升后降的趋势，混凝土的抗压强度在纤维长度取6mm时最高，达到平均强度42.9MPa，这是因为纤维长度为3mm，时，纤维长度过短，纤维阻裂作用弱，填充作用明显。当纤维增大至12mm时，混凝土的流动性虽然增加，但纤维的根数减至纤维长度为6mm时的1/2，纤维的平均中心间距增大，纤维的阻裂作用减弱，从而混凝土的抗压强度降低。

3　结　语

1)就聚丙烯腈纤维增强透水混凝土而言，纤维的

掺量是影响混凝土性能的关键因素。随着纤维掺量从1.0kg/m³增至2.0kg/m³，混凝土的平均抗压强度从36.5MPa提高至45.9MPa，同时混凝土的平均透水系数从2.43mm/s下降至0.76mm/s。试验中纤维掺量为1.5kg/m³时，混凝土平均抗压强度为40.8MPa，平均透水系数为1.65mm/s。

2)水胶比是影响透水混凝土性能的重要因素，水胶比在0.25～0.30的范围内变化时，聚丙烯腈纤维增强透水混凝土的透水系数呈现先升后降的趋势，同时混凝土的抗压强度呈现先降后升的趋势。水胶比取0.28时，混凝土的平均透水系数为2.43mm/s，平均抗压强度为35.9MPa。

3)聚丙烯腈纤维长度也会影响透水混凝土的性能。随着纤维长度从3mm增加至12mm，混凝土的平均透水系数从1.29mm/s提高至1.83mm/s，而抗压强度呈现先升后降的趋势。当纤维长度为6mm时，透水混凝土的平均透水系数为1.71mm/s，平均抗压强度为42.9MPa。

4)此次正交设计实验中，当混凝土水胶比取0.25，聚丙烯腈纤维掺量取1.5kg/m³，纤维长度取6mm时，透水混凝土的强度最高，达到53.1MPa，透水系数则为0.81mm/s。混凝土水胶比为0.28，聚丙烯腈纤维掺量为1.0kg/m³，纤维长度取6mm时，透水系数最大，达到3.64mm/s，同时混凝土抗压强度为31.3MPa。可以通过增大设计孔隙率，调整纤维掺量，来获得透水系数和抗压强度综合性能更好的透水混凝土。

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