透水性聚丙烯纖維增強混凝土試驗研究
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混凝土是用高強度等級的普通硅酸鹽水泥、外加劑作膠凝材料，聚丙烯纖維作增強材料，單一粒級的碎石或工業(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)。該混凝土具有強度高、耐磨、耐候性好、透水、透氣、保溫及隔熱等特點，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、無呼吸、雨水聚積成澇等問題，減輕市政排水設(shè)施負(fù)擔(dān)，使地下水得到及時補充。無疑，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)國家于20世紀(jì)70年代開始研究透水性場路材料。1970年，英國曾嘗試用無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強度只有13．8MPa，10年后由于凍融而遭破壞。1979年，美國在佛羅里達(dá)州一座教堂附近首次使用無砂多孔混凝土建成具有透水性的停車場并取得專利。這種透水性混凝土28d抗壓強度為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、道路及搶救古樹。目前，國內(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度通常不超過20MPa，這嚴(yán)重影響了透水性混凝土的應(yīng)用范圍[4]。
本文針對影響透水性混凝土材料強度和滲透性的主要因素(水灰比、粗骨料種類和級配、增強材料、外加劑等)，提出增強透水性混凝土材料強度的措施。并就這些因素對強度及透水性的影響進(jìn)行了測試。根據(jù)試驗結(jié)果推薦的原材料、配比和試驗方法，可以得到強度達(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 試驗方法
2．1 試驗用原材料
試驗采用42．5級普通硅酸鹽水泥，連續(xù)粒級及單粒級碎石，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；攪拌時間適當(dāng)延長，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圖1。
圖1 試件成型工藝流程
2．3 配合比設(shè)計
目前透水性混凝土的配合比設(shè)計還沒有成熟的計算方法，根據(jù)透水性混凝土理想模型的結(jié)構(gòu)特點，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，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，水通過透水性混凝土，然后進(jìn)入定位水桶，再從出水管排出。當(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，啟動秒表，同時計量從水管排出的水量，并測量當(dāng)時的水溫，通過公式(1)可計算出透水性混凝土的透水系數(shù)。試驗裝置如圖2所示[5]。
(1) 式中： —水溫廠攝氏度時的透水系數(shù)，cm/s；
Q—從時間t1至t2透過混凝土的水量，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、t1一測定時間，s。
圖2 透水性試驗裝置示意
1—透水方筒套，為邊長100mm正方形；2—定位水桶；
3—邊長100mm大孔混凝土；4—底坐(上置定位水桶)：5—量筒：6—溢水管
3 試驗結(jié)果與討論
試驗在優(yōu)選原材料的前提下，測試了水灰比、骨料級配及聚丙烯纖維摻量對透水性聚丙烯纖維增強混凝土強度和滲透系數(shù)的影響。
3．1 水灰比對強度和滲透系數(shù)的影響
設(shè)計了5種不同水灰比的摻聚丙烯纖維的基準(zhǔn)無砂大孔混凝土和透水性聚丙烯纖維增強混凝土(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。其中基準(zhǔn)無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。水灰比對強度和透水系數(shù)的影響結(jié)果如表1。
表1 水灰比對強度和滲透系數(shù)的影響
|
編號 |
水灰比 |
基準(zhǔn)無砂大孔混凝土 |
透水性纖維增強混凝土 | ||
|
抗壓強度
／MPa |
滲透系數(shù)
／(cm／s) |
抗壓強度
／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，水灰比的變化對強度影響很大，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，無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，強度不易提高。當(dāng)水灰比大于最佳配比用量時，混凝土強度開始降低，這是因為水灰比太大時水泥漿開始下滴，形成的試件下部較密實，沒有孔隙，而上部只是粗骨料堆積在一起，缺少膠結(jié)，因此，整體強度降低。
透水性聚丙烯纖維增強混凝土都具有一定的透水性，在水灰比不大于0．4時，混凝土的抗壓強度隨水灰比增加而提高，透水性隨水灰比增大而有所減小，但與無砂大孔透水性混凝土比，減小趨緩。
3．2 粗骨料級配對強度和滲透水系數(shù)的影響
在原配比條件下，分別采用單一粒級配(16～31．5mm)和連續(xù)粒級(5～31．5mm)碎石對強度和滲透水性能的影響進(jìn)行試驗，結(jié)果見表2。
表2 骨料級配對強度和滲透系數(shù)的影響
|
碎石骨料級配 |
纖維摻量／(kg／m3) |
28d抗壓強度／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·—粒級骨料配制的透水性混凝土的強度要小于采用連續(xù)粒級骨料的強度。其原因是骨料粒徑連續(xù)、大小不同時，可以有效地提高骨料之間的接觸點數(shù)量，從而提高其強度，但透水性同時會相應(yīng)降低。
3．3 聚丙烯纖維對強度和滲透系數(shù)的影響
從表1結(jié)果可以看出，無砂大孔透水性混凝土在保證一定透水性能時，其強度均未達(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)生二級增強效果，使混凝土強度得到提高，并對混凝土透水性無較大影響。
4 結(jié) 論
(1)水灰比是影響透水性混凝土強度的主要因素之一，當(dāng)水灰比在0．4左右時可以形成較理想的透水性混凝土結(jié)構(gòu)，具有較高的強度和—定的透水性。
(2)在保證一定透水性的條件下，連續(xù)粒級骨料比單一粒級骨料具有更高的強度。
(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)成一種均勻的隨機取向支撐體系，從而產(chǎn)生二級增強效果，可以有效地分散應(yīng)力，提高其強度，且對透水性能影響不大。
摘自：中國混凝土網(wǎng)
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