透水性聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土試驗(yàn)研究
2006-10-25 00:00
1研究意義及目的
1．1 研究意義
透水性聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土是用高強(qiáng)度等級(jí)的普通硅酸鹽水泥、外加劑作膠凝材料，聚丙烯纖維作增強(qiáng)材料，單一粒級(jí)的碎石或工業(yè)廢渣為骨料，按適當(dāng)?shù)谋壤渲贫?。它不用或少用?xì)骨料，主要由粗骨料表面包覆—薄層水泥漿相互粘結(jié)而形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。該混凝土具有強(qiáng)度高、耐磨、耐候性好、透水、透氣、保溫及隔熱等特點(diǎn)，可制成混凝土路面磚或直接現(xiàn)澆成型，用于綠色生態(tài)混凝土[1]、透水性路面材料[2]、水工建筑和排水系統(tǒng)反濾層[3]，可以成功地解決常規(guī)硬化路面存在的散熱少、無(wú)呼吸、雨水聚積成澇等問(wèn)題，減輕市政排水設(shè)施負(fù)擔(dān)，使地下水得到及時(shí)補(bǔ)充。無(wú)疑，如果采用透水性混凝土或透水性混凝土路面磚鋪筑各種場(chǎng)地和路面，將使其步入與自然協(xié)調(diào)，維護(hù)生態(tài)平衡的可持續(xù)發(fā)展軌道。
1．2 研究目的
發(fā)達(dá)國(guó)家于20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究透水性場(chǎng)路材料。1970年，英國(guó)曾嘗試用無(wú)砂透水性混凝土鋪筑常規(guī)剛性路面，使用效果很好。但終因28d強(qiáng)度只有13．8MPa，10年后由于凍融而遭破壞。1979年，美國(guó)在佛羅里達(dá)州一座教堂附近首次使用無(wú)砂多孔混凝土建成具有透水性的停車場(chǎng)并取得專利。這種透水性混凝土28d抗壓強(qiáng)度為26．2MPa，透水系數(shù)為16mm／s。20世紀(jì)70年代，北京園林局曾研制了具有透水、透氣性能的混凝土及其砌塊，用于鋪筑皇家園林的廣場(chǎng)、道路及搶救古樹(shù)。目前，國(guó)內(nèi)用普通方法研制的透水性混凝土，在保證一定透水性情況下其強(qiáng)度通常不超過(guò)20MPa，這嚴(yán)重影響了透水性混凝土的應(yīng)用范圍[4]。
本文針對(duì)影響透水性混凝土材料強(qiáng)度和滲透性的主要因素(水灰比、粗骨料種類和級(jí)配、增強(qiáng)材料、外加劑等)，提出增強(qiáng)透水性混凝土材料強(qiáng)度的措施。并就這些因素對(duì)強(qiáng)度及透水性的影響進(jìn)行了測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推薦的原材料、配比和試驗(yàn)方法，可以得到強(qiáng)度達(dá)25MPa，滲透系數(shù)達(dá)3．0mm／s以上的透水性混凝土，能滿足一般工程需要。
2 試驗(yàn)方法
2．1 試驗(yàn)用原材料
試驗(yàn)采用42．5級(jí)普通硅酸鹽水泥，連續(xù)粒級(jí)及單粒級(jí)碎石，短切聚丙烯纖維，高效減水劑。
2．2 試件成型、養(yǎng)護(hù)
試件尺寸：15cm×l5cm×l5cm；攪拌時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，應(yīng)使聚丙烯纖維充分分散于混凝土內(nèi)試件成型工藝流程見(jiàn)圖1。
圖1 試件成型工藝流程
2．3 配合比設(shè)計(jì)
目前透水性混凝土的配合比設(shè)計(jì)還沒(méi)有成熟的計(jì)算方法，根據(jù)透水性混凝土理想模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以認(rèn)為透水性混凝土的外觀體積由骨料堆積而成，混凝土所需的水泥漿以能夠包裹粗骨料表面，形成一定厚度的膠結(jié)層和在骨料之間形成連通的孔隙為宜，試驗(yàn)用透水性混凝土的水灰比為0．25~0．45，水泥用量為250~400kg／m3，外加劑摻量為1．0％—1．5％，聚丙烯纖維摻量為0．9kg／m3。
2．4 透水系數(shù)
透水系數(shù)試驗(yàn)是將養(yǎng)護(hù)28d的混凝土試塊置于透水套筒中，周圍用滲透性很低的黏土填充，并加以搗固壓實(shí)，以防止黏土進(jìn)入試樣內(nèi)，用透明膠將試樣側(cè)壁裹緊。從透水套筒上部注水，水通過(guò)透水性混凝土，然后進(jìn)入定位水桶，再?gòu)某鏊芘懦?。?dāng)注入的水量和從出水管排出的水量達(dá)到平衡狀態(tài)后，啟動(dòng)秒表，同時(shí)計(jì)量從水管排出的水量，并測(cè)量當(dāng)時(shí)的水溫，通過(guò)公式(1)可計(jì)算出透水性混凝土的透水系數(shù)。試驗(yàn)裝置如圖2所示[5]。
(1) 式中： —水溫廠攝氏度時(shí)的透水系數(shù)，cm/s；
Q—從時(shí)間t1至t2透過(guò)混凝土的水量，cm3；
D—透水性混凝土試件的厚度，cm；
A—混凝土透水面的面積，cm2；
H—混凝土透水高度，cm；
t2、t1一測(cè)定時(shí)間，s。
圖2 透水性試驗(yàn)裝置示意
1—透水方筒套，為邊長(zhǎng)100mm正方形；2—定位水桶；
3—邊長(zhǎng)100mm大孔混凝土；4—底坐(上置定位水桶)：5—量筒：6—溢水管
3 試驗(yàn)結(jié)果與討論
試驗(yàn)在優(yōu)選原材料的前提下，測(cè)試了水灰比、骨料級(jí)配及聚丙烯纖維摻量對(duì)透水性聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度和滲透系數(shù)的影響。
3．1 水灰比對(duì)強(qiáng)度和滲透系數(shù)的影響
設(shè)計(jì)了5種不同水灰比的摻聚丙烯纖維的基準(zhǔn)無(wú)砂大孔混凝土和透水性聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土(配比同基準(zhǔn)試件，另加入聚丙烯纖維0．9kg／m3)試件進(jìn)行試驗(yàn)。其中基準(zhǔn)無(wú)砂大孔混凝土水泥用量330kg／m3，石子采用5~31．5mm碎石，用量1 980kg／m3，灰骨比1：6。水灰比對(duì)強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響結(jié)果如表1。
表1 水灰比對(duì)強(qiáng)度和滲透系數(shù)的影響
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編號(hào) |
水灰比 |
基準(zhǔn)無(wú)砂大孔混凝土 |
透水性纖維增強(qiáng)混凝土 | ||
|
抗壓強(qiáng)度
／MPa |
滲透系數(shù)
／(cm／s) |
抗壓強(qiáng)度
／MPa |
滲透系數(shù)
／(cm／s) | ||
|
1
2
3
4
5 |
0．25
0．30
0．35
0．40
0．45 |
10．9
14．5
17．7
18．9
11．1 |
0．534
0．435
0．388
0．320
0．250 |
15．6
19．2
26．5
29．2
23．2 |
0．489
0．410
0．370
0．328
0．246 |
注：為了保證拌合物有較好的流動(dòng)性，可摻入1％—1．5％的高效減水劑。
表1結(jié)果表明，水灰比的變化對(duì)強(qiáng)度影響很大，在相同灰骨配比條件下，有一最佳水灰比(0．4)。當(dāng)水灰比小于最佳水灰比時(shí)，無(wú)砂大孔混凝土因干燥拌料不易均勻，水泥漿不能均勻地包裹在粗骨料的表面，達(dá)不到適當(dāng)密度，強(qiáng)度不易提高。當(dāng)水灰比大于最佳配比用量時(shí)，混凝土強(qiáng)度開(kāi)始降低，這是因?yàn)樗冶忍髸r(shí)水泥漿開(kāi)始下滴，形成的試件下部較密實(shí)，沒(méi)有孔隙，而上部只是粗骨料堆積在一起，缺少膠結(jié)，因此，整體強(qiáng)度降低。
透水性聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土都具有一定的透水性，在水灰比不大于0．4時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨水灰比增加而提高，透水性隨水灰比增大而有所減小，但與無(wú)砂大孔透水性混凝土比，減小趨緩。
3．2 粗骨料級(jí)配對(duì)強(qiáng)度和滲透水系數(shù)的影響
在原配比條件下，分別采用單一粒級(jí)配(16～31．5mm)和連續(xù)粒級(jí)(5～31．5mm)碎石對(duì)強(qiáng)度和滲透水性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 骨料級(jí)配對(duì)強(qiáng)度和滲透系數(shù)的影響
|
碎石骨料級(jí)配 |
纖維摻量／(kg／m3) |
28d抗壓強(qiáng)度／MPa |
透水系數(shù)／(mm／s) |
|
16～31．5 mm
5～31．5 mm |
0．9
0．9 |
15．6
29．2 |
4．21
3．28 |
從表2可看出，采用單·—粒級(jí)骨料配制的透水性混凝土的強(qiáng)度要小于采用連續(xù)粒級(jí)骨料的強(qiáng)度。其原因是骨料粒徑連續(xù)、大小不同時(shí)，可以有效地提高骨料之間的接觸點(diǎn)數(shù)量，從而提高其強(qiáng)度，但透水性同時(shí)會(huì)相應(yīng)降低。
3．3 聚丙烯纖維對(duì)強(qiáng)度和滲透系數(shù)的影響
從表1結(jié)果可以看出，無(wú)砂大孔透水性混凝土在保證一定透水性能時(shí)，其強(qiáng)度均未達(dá)到20MPa，這嚴(yán)重影響透水性混凝土的應(yīng)用范圍。而摻加短切螺旋狀聚丙烯纖維(摻量為0.9kg／m3)的透水性混凝土，因其纖維能均勻分布在混凝土基材中，從而產(chǎn)生二級(jí)增強(qiáng)效果，使混凝土強(qiáng)度得到提高，并對(duì)混凝土透水性無(wú)較大影響。
4 結(jié) 論
(1)水灰比是影響透水性混凝土強(qiáng)度的主要因素之一，當(dāng)水灰比在0．4左右時(shí)可以形成較理想的透水性混凝土結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度和—定的透水性。
(2)在保證一定透水性的條件下，連續(xù)粒級(jí)骨料比單一粒級(jí)骨料具有更高的強(qiáng)度。
(3)在適宜的水灰比范圍內(nèi)，摻入短切螺旋狀聚丙烯纖維的透水性混凝土的透水性，隨水灰比增大而減小，但采用單一粒徑骨料可以改善混凝土透水性。
(4)螺旋狀聚丙烯纖維與水泥基體相容，極易分散于混凝土內(nèi)部構(gòu)成一種均勻的隨機(jī)取向支撐體系，從而產(chǎn)生二級(jí)增強(qiáng)效果，可以有效地分散應(yīng)力，提高其強(qiáng)度，且對(duì)透水性能影響不大。
摘自：中國(guó)混凝土網(wǎng)
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