玄武岩纤维透水混凝土的力学性能研究

(河南大学土木建筑学院 河南 开封 475004)

玄武岩纤维透水混凝土的力学性能研究

郑淮林

(河南大学土木建筑学院 河南 开封 475004)

随着我国城市化建设进程的加快，许多城镇和地区逐步被钢筋混凝土结构物、大型基础设施、各种不透水的道路和地面所覆盖，地面硬化率提高，径流系数增加。湖南大学的张贤超[1]认为大部分降水只能通过城市的排水系统排出，不仅增加了城市排水系统的负担，而且极易造成城市道路积水问题；同时由于城市地下水得不到应有的补充，造成地下水位下降，干旱灾害频发。在正常气候条件下，用透水混凝土作为铺装材料建设的“海绵城市”可以实现前后径流总量和峰值流量保持不变，在渗透、调节、储蓄的作用下，径流峰值的出现时间也基本保持不变。另外有外国学者研究发现：透水混凝土路面可降低并吸收行车噪音、减少声污染，这对于交通量较大、空间狭小的城市内街道周边的工作和居住环境具有重要意义[2]。

透水混凝土是以硅酸盐系列水泥为胶凝材料，采用单一级配集料，不用或者少用细集料配制而成的无砂、多孔混凝土。而透水混凝土在获得高透水性的同时，抗压强度却大大降低，普通透水混凝土中拌入一定量的纤维材料，能够在保证透水性的同时增强混凝土的强度，达到道路铺设要求。而本课题组所采用的纤维为玄武岩纤维，玄武岩纤维是由玄武岩矿物原料在1450～1600℃高温熔融后，用铂锗合金拉丝漏板在高速作用下拉制而成的一种连续纤维；赵中华、刘晓波等[3]研究发现：与其它纤维相对比，玄武岩纤维具有优良的力学性能，是一种纯天然、无污染、易取得的无机非金属材料，可以在各种环境下使用，而且玄武岩纤维的成本很低。

进行高性能透水混凝土的研究有利于解决城市内涝积水问题、维持地下水位，防止地裂地陷等危害、降低噪声污染以及缓解城市排水系统压力；在研究高性能透水混凝土的同时，有利于推动透水混凝土材料和玄武岩纤维材料的发展、也有利于落实海绵城市建设战略。本课题主要以玄武岩纤维透水混凝土作为研究对象，设计并进行抗压强度、孔隙率试验。

透水混凝土是以硅酸盐系列水泥为胶凝材料，采用单一级配集料，不用或者少用细集料配制而成的无砂、多孔混凝土。而透水混凝土在获得高透水性的同时，抗压强度却大大降低，普通透水混凝土中拌入一定量的纤维材料，能够在保证透水性的同时增强混凝土的强度，达到道路铺设要求。

本课题组所采用的纤维为玄武岩纤维，玄武岩纤维是由玄武岩矿物原料在1450～1600℃高温熔融后，用铂锗合金拉丝漏板在高速作用下拉制而成的一种连续纤维；赵中华、刘晓波等研究发现：与其它纤维相对比，玄武岩纤维具有优良的力学性能，是一种纯天然、无污染、易取得的无机非金属材料，可以在各种环境下使用，而且玄武岩纤维的成本很低。

一、原材料与试验

(一)原材料

水泥，新乡产“海螺牌”P.O 42.5R；碎石，密度1365kg/m3，5～10mm连续级配；玄武岩纤维的主要参数如表1.1所示：

表1.1 玄武岩纤维性能参数

(二)试验设计

本试验主要研究玄武岩纤维对普通透水混凝土试件的抗压强度以及透水性能的影响。制作了3组不同玄武岩纤维掺量的试件，每组4块，编号为C0的试件是基体混凝土，编号为C1，C2的试件分别掺入0.15%和0.2%体积率的短切玄武岩纤维的混凝土。实验采用的基体混凝土配合比如表2所示：

表1.2 基体混凝土配合比

抗压试件每组3个，其尺寸为150mm×150mm×150mm。透水试件每组1个，试件尺寸为150mm×150mm×150mm。标准试模，标准养护。

(三)性能试验方法

1.力学性能测试

抗压强度按《普通混凝土力学性能测试方法》(GB/T50081-2002)进行。

2.有效孔隙率

(1)

式中：m1——试件浸水饱和状态下在水中的质量(g)； m2——试件从水中取出后，擦干表面水并烘干，待重量恒定后称取试样在空气中的质量(g)； V0——试件的外观体积(cm3)

二、试验结果与分析

(一)试件破坏模式

基体透水混凝土和玄武岩纤维透水混凝土试件破坏形态特征图(如图2.1,2.2所示)，二者受压破坏过程基本一致。但是，在相同荷载速率下基体透水混凝土抗压受力时间以及受压强度峰值均小于玄武岩纤维透水混凝土。从试件破坏后形态看出，玄武岩纤维透水混凝土表现出更好的延性特征，即使被破坏依旧能够保持为一个整体，在破坏截面上能清楚观察到被拉断的玄武岩纤维。

图2.1 未掺加玄武岩纤维

图2.2 掺加玄武岩纤维

(二)玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响

1.对混凝土抗压强度的影响

抗压试验结果如表3所示，由表3可知，与基体透水混凝土试件C0相比，玄武岩纤维透水混凝土试件C1，C2的7d抗压强度分别提高了42.3%,96.4%。对于混凝土早期抗压强度加入玄武岩纤维之后强度得到明显提升。说明玄武岩纤维在一定程度上能够抑制混凝土的受压破坏，从而改善其抗压性能。并且随着玄武岩纤维掺量的增加(从0.15%至0.2%)，试件的抗压强度随之增加。参照李增宏等[4]透水混凝土7d强度与28d强度的函数关系，预估每组混凝土的28d强度。

表2.1 抗压试验结果

(三)透水性能分析与展示

增加玄武岩纤维后，一定程度上增加了混凝土的抗压强度，但相应的透水性有一定程度的减弱。如下图所示：

图2.3 未掺加玄武岩纤维

图2.4 掺加玄武岩纤维

(四)有效孔隙率

玄武岩纤维的掺入使混凝土的有效孔隙率明显减小，掺入玄武岩纤维对透水的有明显的抑制作用，随着玄武岩纤维掺量的增加，混凝土的有效孔隙率有加速减小趋势。具体数据如表4所示。

表2.2 有效孔隙率

三、结论

(1)从试件最终破坏形态来看，玄武岩纤维透水混凝土具有更高的强度与韧性，其试件基本保持完整，体现出良好的延性特征。

(2)基体透水混凝土虽然强度低，但有效孔隙率高达32.27%，透水效果显著。加入玄武岩纤维后，透水混凝土有效孔隙率降低，透水效果有一定折损。

[1]张贤超.高性能透水混凝土配合比设计及其生命周期环境评价体系研究[D].湖南:中南大学,2012.

[2]R.A. Kay, J.K. Stephens, Porous Friction Courses and Roadway Surface Noise, Federal Highway Administration, Implementation Package, 1975[2017-2-26].

[3]赵中华,刘晓波,侯新月,马耀辉.玄武岩纤维在混凝土中的应用[J].低温建筑技术,2011,(07):5-7.

[4]李增宏,车法.多孔混凝土结构特性与强度增长规律研究[J/OL].公路交通科技(应用技术版),2009,(04):32-34.

[5]中华人民共和国建设部.普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T 50081-2002[S/OL].北京:人民交通出版社,2002.

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.透水水泥混凝土路面技术规程CJJ/T 135-2009[S/OL].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[7]贺东青,卢哲安.短切玄武岩纤维混凝土的力学性能试验研究[J/OL].河南大学学报(自然科学版),2009,(03):320-322.

[8]程娟.透水混凝土配合比设计及其性能的实验研究[D/OL].浙江:浙江工业大学,2007.

郑淮林,男,汉,河南信阳,在读本科生，研究方向土木工程路桥方向。