透水混凝土力学性能的影响因素研究

文摘 2024-11-11 07:01 河南

0引言

近年来随着我国城市化进程的不断发展，城市内涝、噪音效应、热岛效应等问题愈发严重，海绵城市的建设也逐渐成为一大研究热点，透水混凝土因其高透水性、透气性及降噪等特点而得到了广泛的使用。但传统透水混凝土存在强度低，从而限制了其使用范围，为加速海绵城市的建设，提高透水混凝土的性能至关重要。对此，大量学者进行了深入研究。辛志鹏等[们提出用再生红砖和混凝土骨料替代天然骨料，通过复掺碳纤维、聚丙烯纤维和粉煤灰的方式提高再生透水混凝土的力学性能。

夏冬桃等采用再生粗骨料和聚丙烯纤维配置透水混凝土，并采用正交试验研究了其抗压强度、有效孔隙率、透水系数的变化规律。周家慧等为研究单一及复合的玄武岩纤维和聚丙烯纤维的长度、掺量对透水混凝土的透水性能、力学性能的影响，使用BP神经网络对试验组进行训练和输出，其结果具有一定的参考价值。

陈守开等为提高再生骨料透水混凝土的强度，进行了基于不同掺量的短切玄武岩纤维、短切碳纤维、聚丙烯纤维的混凝土力学性能试验，结果表明，0.3%掺量的聚丙烯纤维可使再生骨料透水混凝土性能达到最优。

单景松等研究了不同长度、不同掺量的聚丙烯纤维对透水混凝土的抗压、抗折和抗冻融性能的影响，结果表明，当聚丙烯纤维长度在12～18mm、掺量在1.0～1.5kg/m²时，透水混凝土性能最优。

吴旭等通过掺入不同含量的玄武岩纤维、棉纤维、碳纤维和聚丙烯纤维构造再生透水混凝土，并对其落度、密度、渗水系数和抗压强度等指标进行测试，结果表明，6%的棉纤维能构造出更高性能的再生透水混凝土。

本文通过响应面中心复合设计法进行试验，研究了水灰比、碳纤维掺量、纳米二氧化硅掺量对透水混凝土的透水性能和力学性能的影响，考虑到碳纤维的成本问题，提出聚丙烯纤维和炭黑代替法，通过控制变量法，研究了两者掺量对透水混凝土性能的影响。

1试验方法

1.1原材料

试验所用水泥为符合标准的早强型硅酸盐水泥；粗骨料为粒径4.75～9.5mm的玄武岩碎石，其堆积密度为1528.5kg/m³，表观密度为2685kg/m³；为提高透水混凝土的抗压强度和容许应力，采用人工制造的机制砂作为细集料，其占比为粗骨料质量的7%；矿物掺合料主要包括平均粒径<10μm的超细粉煤灰，和南京某公司生产的粒径为1～100nm的纳米二氧化硅，其参数见表1；为提高透水混凝土的工作性能，试验采用减水剂和纳米二氧化硅分散剂作为外加剂，其检测值均符合标准值要求。

试验用纤维有两种，苏州某科技公司生产的短切碳纤维和廊坊某公司生产的聚丙烯纤维，各纤维参数如表2所示。试验用炭黑采购自江苏某石墨烯商城。

1.2配合比试验设计

针对透水混凝土的配合比试验设计，目前应用较多的有质量法、体积法和比表面积法。其中体积法是根据目标孔隙率进行材料配合比，方便控制浆体体积且适配量少，在国内应用最为广泛，故本文选用该方法进行配合比设计。

为保障纤维的分散率及水泥浆与骨料的充分接触，试验采用水泥裹石法进行搅拌，其流程如图1所示。为减小透水混凝土的孔隙率以提高其强度，同时避免底部封浆等现象的存在，试验采用人工插捣结合振动台的方式对透水混凝土进行成型。将搅拌完成后的混凝土分三层置于模型中，每层混凝土四周人工插捣15次，中间人工插捣20次；人工插捣结束后，将其略整平，置于振动台上振动20s。试件成型后24h进行拆模，并将其标准养护28d。

2水灰比、碳纤维和纳米二氧化硅的影响

2.1试验设计

因为透水混凝土的透水性能更佳，其内部必然存在大量的孔隙，这些孔隙导致该类混凝土的强度严重下降，进一步导致耐磨性、抗冻性的缺乏。因此，如何在保障透水混凝土透水性能的前提下提高其力学性能，是目前的一大研究热点。透水混凝土力学性能的提升常采用两种手段：（1)添加各类纤维，其中以碳纤维最为常见；（2)添加粉煤灰等矿物成分。而随着纳米材料的兴起，在透水混凝土中添加纳米二氧化硅也逐渐被广泛应用。但在两者协同状态下，对透水混凝土性能的影响尚不明确，故需要通过试验进一步研究。

本文采用响应面中心复合设计法，其主要步骤为：（1)定义相互独立的变量和试验结果响应量；(2)选择设计模型；(3)拟合模型；(4)确定最佳拟合结果。以水灰比分别为0.26、0.28、0.30，碳纤维掺量（水泥体积替代）分别为1%、1.5%、2%，纳米二氧化硅掺量（水泥质量替代)分别为1%、2%、3%设计了19组试验，各变量的编码水平分别设置为一1、0、1。其中，透水混凝土中粉煤灰含量始终为44.3kg/m³，粗骨料始终为1553kg/m³，细集料始终为108.7kg/m³，其余成分具体如表3所示。其中，C15～C19组为基础试验组，其各项变量一致，以避免试验过程中的偶然性，保障后续统计学结果的可信度。

2.2试验结果

根据上述试验方案，每组制备3个直径100mm、高50mm的圆柱体透水系数试验试件、3个尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体孔隙率试验试件、3个尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体抗压强度试验试件和3个尺寸为100mm×100mm×400mm的棱柱体抗折试验试件。以统计学方法分析并拟合各试验组的各参数试验结果并拟合模型，如下页表4所示。四个模型的R²均在0.95以上，预测与调整R²的误差在20%以内，且信噪比均在4以上，故认为试验所得模型有较好的拟合效果和精度。

分析三变量对透水系数的影响可知，三个变量的增加均会导致透水系数的减小，其中水灰比的影响最大，即透水混凝土的透水系数对水灰比的变化最为敏感。分析三变量对孔隙率的影响可知，三个变量的增加均会导致孔隙率减小，其中水灰比的影响最大。此外，孔隙率与透水系数成正比，与抗压/抗折强度成反比。分析三变量对抗压强度的影响可知，透水混凝土的抗压强度随着水灰比和纳米二氧化硅掺量的增大呈现出先增大后减小的趋势，其中水灰比的影响最大，而与碳纤维掺量的变化关联较小，即增加碳纤维掺量并不能使透水混凝土的抗压强度得到提升。分析三变量对抗折强度的影响可知，透水混凝土的抗折强度随着三变量的增大均呈现出先增大后减小的趋势，其中水灰比的影响最大，碳纤维掺量和纳米二氧化硅掺量的影响程度相近。

根据上述试验结果及统计学模型，以透水系数、抗压强度、抗折强度为目标进行优化设计可得，当水灰比为0.28、碳纤维掺量为1.6%、纳米二氧化硅掺量为2.2%时，透水混凝土的各项性能达到最优。

3真聚丙烯纤维透水混凝土性能研究

根据前文试验可知，碳纤维掺量对透水混凝土抗压强度的影响较小，且其价格较高，经济性较低。因此考虑以造价相对较低的聚丙烯纤维进行替代，并辅助以一定体积掺量的炭黑，以求增强透水混凝土的力学性能。根据前文优化结果，设置试验组水灰比为0.28、纳米二氧化硅掺量为2.2%、骨胶比为3.5，采用控制变量法，根据聚丙烯纤维掺量（水泥体积替代）分别为0.0.5%、1%，炭黑（水泥体积替代掺量分别为0、1%、2%、3%进行19组试验，并对其透水性能（透水系数、孔隙率)及力学性能(抗压强度、抗折强度)进行分析。

不同聚丙烯纤维掺量和炭黑掺量与透水系数的关系如图2所示。由图2(a)可知，当炭黑掺量一定时，聚丙烯纤维掺量越多时，混凝土透水系数越低。由图2(b)可知，当聚丙烯纤维掺量一定时，炭黑掺量越多，混凝土透水系数越低；相较而言，炭黑掺量对透水系数的影响更大，而聚丙烯纤维掺量的影响略不明显。

由图3可知，混凝土孔隙率与透水系数变化规律为正相关，呈现出明显的线性关系，这与前文的试验结果一致。对其进行线性拟合，可得拟合方程斜率为0.749，截距为-4.985，R²为0.8327。

不同聚丙烯纤维掺量和炭黑掺量与抗压强度的关系如下页图4所示。由图4(a)可知，当炭黑掺量一定时，混凝土抗压强度与聚丙烯纤维掺量呈正相关，该结果与普通混凝土试验结果不一致，究其原因是透水混凝土存在自身强度较低这一特性，而少量掺入低弹性模量的聚丙烯纤维有利于减缓其内部应力集中的现象，提高强度；由图4(b)可知，当聚丙烯纤维掺量一定时，混凝土抗压强度随着炭黑掺量的增加呈现先增大后减小的发展趋势。究其原因是少量炭黑掺入可以填补水泥浆体微小孔隙，同时与水化产物结合使过渡区致密，故而透水混凝土抗压强度提高；而当炭黑掺入量过多时，则会阻碍水泥水化，也降低了水泥浆和骨料之间的粘结能力，则透水混凝土的抗压强度降低。

不同聚丙烯纤维掺量和炭黑掺量与抗折强度的关系如下页图5所示。由图5(a)可知，当炭黑掺量一定时，混凝土抗折强度与聚丙烯纤维掺量呈正相关。究其原因是聚丙烯纤维具有较好的柔性，可以改善透水混凝土的裂缝延展问题，从而提高其抗折强度。由图5（b)可知，当聚丙烯纤维掺量一定时，混凝土抗压强度与炭黑掺量呈负相关。究其原因是炭黑掺量的增加，使得透水混凝土脆性更强。

4结语

传统透水混凝土因其强度较低的特性，无法满足城市的承载要求，本文通过响应面中心复合设计法进行了19组试验，研究了水灰比、碳纤维掺量、纳米二氧化硅掺量对透水混凝土的透水系数、孔隙率、抗压强度及抗折强度的影响，并进行相应的优化设计；根据上述优化设计结果，在考虑经济性的基础上，以聚丙烯纤维和炭黑替代碳纤维，研究了两者掺量对透水混凝土各性能参数的影响，得到如下结论：

(1)水灰比对透水混凝土的透水性能及力学性能影响较大，其透水系数及孔隙率随着水灰比的增大而明显增大，抗压强度、抗折系数均随着水灰比的增大呈现出先增大后减小的趋势，水灰比0.28为最优；纳米二氧化硅掺量与透水混凝土的透水性能呈负相关，对其力学性能有一定影响，掺量以2.2%最优；碳纤维与透水混凝土的透水性能呈负相关，对其抗压强度基本无影响，对其抗折强度有正向影响，其最优掺量为1.6%。

(2)聚丙烯纤维掺量和炭黑纤维掺量均与透水混凝土的透水性能呈负相关，其掺量越高，则混凝土透水系数和孔隙率均越低，其中炭黑掺量的影响更大；透水系数与孔隙率呈线形关系。

(3)透水混凝土的抗压强度和抗折强度均随着聚丙烯纤维掺量的增大而增大；其抗压强度随着炭黑掺量的增大呈现出先增大后减小的发展趋势，抗折强度随着炭黑掺量的增大而明显降低

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIzNjU1MTYwNw==&mid=2247520829&idx=5&sn=d9af5ffb2bd6332b4fa549df11f58938

砼话

“砼话”——分享混凝土知识，做混凝土技术人员的朋友，每天七点更新！您的关注，是最大的支持和鼓励！

最新文章

浅谈混凝土原材料——细骨料

混凝土原材料试题——骨料（单选题）

拌和后短时内的二次加水对混凝土性能的影响

预拌混凝土原材料质量现状与控制措施

生产污水浓度对混凝土性能的影响研究

花岗岩代替石灰岩用于混凝土中的试验研究

在混凝土生产和浇筑过程中，这些问题你遇到过几个？

预拌混凝土冬期生产与施工措施

不同掺量膨胀剂在大体积混凝土，工程中的应用分析

清水混凝土质量控制措施

温度对混凝土性能有多大影响？

C80高强抗裂混凝土制备技术

混凝土配合比设计靠计算还是靠经验

双十一，嫁给搞混凝土的男人的9大理由！

预拌混凝土企业备用配合比的建立研究

分析混凝土泵送堵管原因及预防措施

透水混凝土力学性能的影响因素研究

粗骨料粒径和级配对混凝土力学性能的影响研究

桩基-C30混凝土混合物配合比设计计算书

泵送混凝土的工作性变化及应对方案研究

活性掺合料对混凝土抗碳化性能影响的研究

浅谈商品混凝土生产流程的管理

水泥混凝土路面横向随意性裂缝探析与防治

石粉含量对石屑混凝土抗裂及抗渗性能的影响

如何当好混凝土企业试验室主任？

新拌混凝土配合比快速分析方法综述

脱硝粉煤灰中氨对混凝土性能影响的研究进展

水胶比对混凝土塑性收缩开裂性能的影响

环境温度对混凝土经时损失性能的影响及调控措施研究

实例解析混凝土滞后泌水问题

影响混凝土试件强度代表性的几个因素

浅谈混凝土配合比设计的优化及质量控制

水泥混凝土抗冻性能影响因素分析

人工砂中石粉含量对混凝土物理力学性能的微观影响

生产混凝土时是否可以将不同水泥混合使用

说说粉煤灰的基本性能

特细砂混凝土配合比设计在利比亚工程中的应用

公路普通水泥混凝土配合比要点分析

掺合料对碱集料反应的抑制机制

论粉煤灰烧失量对混凝土工作性能的影响

商混站试验室设计方案

机制砂在C50混凝土中的应用研究

粉煤灰对水泥与聚羧酸减水剂相容性的影响

高层钢筋混凝土框架结构楼板裂缝成因研究

夏季及雨期混凝土施工技术与方法

超高层泵送混凝土堵管原因及防治措施研究

混凝土原材料——水泥

外加剂对混凝土性能可能产生的负面效应

机制砂物理性能对混凝土工作性能的影响

过掺缓凝剂对混凝土性能的影响及处理

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉