聚丙烯纤维及玄武岩纤维透水混凝土性能研究

郭 鑫 曾良诚 张国祥 杨佳豪

（西京学院，陕西 西安710123）

为改善普通混凝土强度与渗透性的矛盾，刘相如等人[1-2]对混凝土的骨料及级配、水胶比、设计孔隙率等方面进行了研究；吴旭等人[3-6]对掺入纤维的透水混凝土进行了研究。本文提出在透水混凝土中分别掺入聚丙烯纤维和玄武岩纤维，针对两种纤维对透水混凝土抗压强度及透水性能的影响开展实验研究，最终确定两种纤维最佳掺量，为两种纤维材料在实际工程中的应用提供理论基础。

1 试验材料及方法

1.1 原材料

本试验选用P·O42.5 级普通硅酸盐水泥，选用恒诺牌优质微硅粉。粗骨料选用粒径为5-10mm 的石灰石碎石，表面密度为2750kg/m3，堆积密度1580kg/m3。玄武岩纤维密度为2650kg/m3，纤维长度为20mm，直径为15μm，抗拉强度为4800/Mpa。聚丙烯纤维密度为910kg/m3，纤维长度为20mm，抗拉强度为280-300/Mpa。选用液体秦奋牌聚羧酸高效减水剂，减水率为25%。

1.2 配合比及成型

通过多次试配，最终确定粗骨料粒径范围为5-10mm 的透水混凝土最佳配合比为：水灰比为0.3，设计孔隙率为15%，高强减水剂掺量为1%。本文硅粉设计掺量为水泥量的6%；聚丙烯纤维掺量分别为0kg/m3、3kg/m3、6kg/m3、9kg/m3；玄武岩纤维掺量分别为0kg/m3、2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3。本试验采用净浆裹石法，先将石子加入搅拌机中，同时加入50%的水，搅拌60s；然后加入硅粉和水泥，搅拌60s；最后加入减水剂、纤维及剩余50%的水，搅拌120s，将搅拌好的混凝土卸料，并浇筑进模具。采用振动台振动成型，振动时间为25s 效果最佳。混凝土试件浇筑24h 后拆模，进行28d 常温养护，再进行相关试验。

2 试验过程及步骤

2.1 透水混凝土立方体抗压强度测试

（1）试验每组准备三个试件，尺寸为100mm×100mm×100mm，试件在标准条件下养护28d 后，根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2016）进行各项性能测试。

（2）试块为非标准试件，测试结果乘以尺寸换算系数0.95。本试验使用2000KN 微机控制电液伺服万能试验机均匀地加荷，试验速度取0.3Mpa/s。

（3）透水混凝土立方体抗压强度计算公式为:

式中：fcc为立方体抗压抗压强度，单位是MPa；F 为试件破坏荷载，单位是N；A 为承压面积，单位是mm2。

图1 立方体抗压实验破坏现象

2.2 透水混凝土透水系数测试

（1）试验分为8 组，每组三个试块，以三块试块透水系数平均值表示，实验原理如图2 所示。

（2）透水试验测试前将试件在水中浸泡24h，试件周边用固体胶密封，如图3 所示，保证在试验过程中，水流不从试件四周流出，仅通过上下表面进行渗透。仪器和试件接触处也使用固体胶密封，待固体胶完全凝固后即可实验。

（3）测试时，记录水温，并换算标准温度下（15℃）的透水系数（K15）[7]，透水系数的公式如下：

式中：KT为水温T℃透水系数，单位是cm/s；Q 为时间t 时通过透水混凝土的水，单位是cm3；D 为混凝土试件厚度，单位是mm；A0为混凝土试件面积，单位是cm2；h0为水头距液面的距离；单位是cm；t 为测定的时间，单位是s。

图2 透水原理图

图3 涂抹固体胶

3 试验结果及讨论

在普通透水混凝土基础上分别研究聚丙烯纤维掺量为3kg/m3、6kg/m3、9kg/m3、玄武岩纤维掺量为2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3的透水混凝土的力学性能和透水系数，试验结果分析如下文所述。

3.1 纤维透水混凝土立方体抗压强度试验结果

相比普通透水混凝土的立方体抗压强度，掺入聚丙烯纤维的透水混凝土强度增大，当聚丙烯纤维掺量分别为3kg/m3、6kg/m3、9kg/m3时，透水混凝土的抗压强度分别增加12.2%、35.1%、5.3%。综上，聚丙烯纤维可提高立方体抗压强度值，当掺量为6kg/m3强度值达到峰值，随着纤维量继续增加，立方体抗压强度开始下降，如图4 所示。

相比普通透水混凝土的立方体抗压强度，掺入玄武岩纤维的透水混凝土强度增大，当聚丙烯纤维掺量分别为2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3时，透水混凝土的抗压强度分别增加16.9%、24.3%、13.2%、5.2%。综上，玄武岩纤维可提高立方体抗压强度值，当掺量为4kg/m3强度值达到峰值，随着纤维量继续增加，立方体抗压强度开始下降，如图5 所示。

图4 聚丙烯纤维掺量与立方体抗压强度关系

图5 玄武岩纤维掺量与与立方体抗压强度关系

3.2 纤维透水混凝土透水系数试验结果

相比普通透水混凝土的透水系数，掺入聚丙烯纤维的透水混凝土的透水系数会下降，当聚丙烯纤维掺量分别为3kg/m3、6kg/m3、9kg/m3时，透水混凝土的渗透系数分别降低40%、41.4%、57.1%，如图6 所示。

相比普通透水混凝土的透水系数，掺入玄武岩纤维的透水混凝土的透水系数会下降，当玄武岩纤维掺量分别为2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3时，透水混凝土的渗透系数分别降低38.6%、41.4%、48.6%、61.4%，如图7 所示。

图6 聚丙烯纤维掺量与透水系数的关系

图7 玄武岩纤维掺量与透水系数的关系

4 结论

对粒径为5-10mm 的石灰石碎石，水灰比为0.3、设计孔隙率为15%的透水混凝土，通过分别掺入聚丙烯纤维和玄武岩纤维后，对纤维透水混凝土的力学性能和透水性能开展试验研究，可得出如下结论：（1）掺入聚丙烯纤维的透水混凝土最佳掺量为6kg/m3，其抗压强度为25.80Mpa，渗透系数为4.1mm/s。（2）掺入玄武岩纤维的透水混凝土最佳掺量为4kg/m3，其抗压强度为23.74Mpa，渗透系数为4.1mm/s。