几种纤维对透水混凝土抗冻性影响综述★

2023-02-03赵文豪程海丽

山西建筑 2023年3期

赵文豪，程海丽

(北方工业大学土木工程学院，北京 100144)

0 引言

随着社会的快速发展，人们对环境保护问题越来越重视，目前城市道路大部分采用不透水路面，遇突发强降雨时容易造成积水内涝，特别是南方多雨天气，会引发洪涝灾害，因此透水混凝土路面得到了推广和应用。透水混凝土作为一种新型生态材料，具有良好的透水性，可使雨水渗入到地下，改善城市内涝、缓解热岛效应，对生态环境保护具有积极的意义。但透水混凝土因其本身的材料特点，耐久性能差，特别是在寒冷地区，透水混凝土孔隙大强度低，易发生冻融破坏。本文综述几种纤维及其掺量对其抗冻性的影响。

1 透水混凝土特性及组成

1.1 透水混凝土特性

透水混凝土由粗骨料、胶凝材料、外加剂和掺合料按比例配制而成，与传统混凝土不同的是，以单一级配粗骨料为主体，很少或不使用沙石等细骨料，使其保持较好的透水能力，其内部疏松多孔，孔隙率较高，这些半联通或联通的孔隙能让雨水渗入地下。但透水混凝土强度低，在寒冷环境下受冻融破坏的范围和程度会更大，粗骨料之间大多为点式连接，导致其抗压、抗拉和抗弯强度偏低，限制了使用发展[1]。

1.2 原材料的选用

1)水泥：一般采用强度等级不低于42.5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

2)骨料：骨料应尽量选择棱角更多的碎石，通常粒径为9.5 mm～16 mm，4.75 mm～9.5 mm。

3)减水剂：常用聚羧酸系减水剂。

4)矿物掺合料：掺合料常用硅灰或粉煤灰。

2 透水混凝土抗冻性评价指标

透水混凝土抗冻性常用的评价指标如下：

1)质量损失率。

透水混凝土在经过多次冻融循环后，透水混凝土表面会出现水泥石脱落、集料掉落、内部破坏等情况，造成透水混凝土的质量损失，透水混凝土质量损失是评价透水混凝土抗冻性的一个重要指标，当质量损失率超过5%时就达到了破坏状态。

2)抗压强度损失率。

透水混凝土是多孔隙结构，这种结构在水饱和状态下进行抗冻试验时，内部孔隙中的自由水冻结导致冰晶在孔隙中膨胀，造成冰晶直接对孔隙内壁冻胀破坏。另一方面，内部未冻结水对连通孔隙中的孔隙壁产生静水压力，造成透水混凝土内部损伤导致强度破坏，强度损失率高于20%时达到破坏。

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3)相对弹性模量。

相对弹性模量是采用超声波检测仪测量，通过声波在透水混凝土内部的传播速度的快慢计算出相对弹性模量，当透水混凝土受到一定次数的冻融循环后内部结构会发生损伤，部分骨料松动脱落时会导致密度降低，致使声波的传播速度下降，一定程度上反映了透水混凝土内部的损伤情况[2]。

3 不同纤维掺量对透水混凝土抗冻性影响

在透水混凝土中掺加纤维，随着纤维的掺入能够调节透水混凝土内部的均匀程度。纤维属于无序分布，提高了透水混凝土内部的黏结力，降低了裂缝产生的几率。即使有裂缝的出现，透水混凝土内部的纤维也会抑制裂缝的发展和延伸，不同纤维种类和掺量对透水混凝土抗冻性影响效果不同。

3.1 玄武岩纤维对透水混凝土抗冻性的影响

玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成，具有耐腐蚀、耐高温等优点。

刘思宇[3]将直径15 μm，长度24 mm的玄武岩纤维掺入透水混凝土中，研究了纤维掺量对透水混凝土抗冻性的影响。玄武岩纤维的性能指标如表1所示，透水混凝土的配合比如表2所示。玄武岩纤维的掺量分别为0 kg/m3，2 kg/m3，4 kg/m3，6 kg/m3时透水混凝土的质量损失率、相对弹性模量变化及抗压强度损失率如图1～图3所示。

表1 玄武岩纤维性能指标

表2 玄武岩纤维透水混凝土配合比 kg/m3

从图1～图3中可以看出，随着玄武岩纤维掺量的增加，透水混凝土的质量损失率和抗压强度损失率不断减小，且随着冻融循环次数的增加质量损失率和抗压强度损失率相应增大；相对弹性模量随纤维掺量的提高而相应提高。但当纤维掺量为4 kg/m3时，再增加纤维掺量相对弹性模量变化和抗压强度损失率变化均很小，且25次冻融与50次冻融差距也趋向减小。

这是由于在同一纤维直径和长度条件下，随着纤维掺量的增多，玄武岩纤维会在透水混凝土内部形成网状结构，使黏聚力增强，降低了透水混凝土抗压强度损失率，提高了相对弹性模量。且纤维本身能抑制裂缝延伸，会增加骨料间的反向拉应力，抑制孔隙变大延缓裂缝的发展，使质量损失率降低。但当掺量过多时，纤维分散的难度增加，容易出现结团现象，反而更加弱化了透水混凝土的均匀性，因此抗冻能力趋向减弱。

3.2 聚丙烯纤维对透水混凝土抗冻性的影响

聚丙烯纤维又称丙纶，具有质轻、化学性质稳定、韧性优良、加工方便、价格低廉等优点。聚丙烯纤维呈细微单丝，比表面积大，能够呈三维乱向均匀分布在混凝土材料中，阻裂、增韧效果显著。

表3 聚丙烯纤维透水混凝土配合比

由图4,图5可以看出，随着聚丙烯纤维掺量的增加，透水混凝土的质量损失率先减小后增大，相对弹性模量先增大后减小，在纤维掺量为1 kg/m3时抗冻性最好。这是由于在透水混凝土中，聚丙烯纤维表面的摩擦系数较大且乱象分布，阻止了微裂缝的扩散抵抗了一部分的冻胀压，微裂缝得到抑制，质量损失率减小。且纤维的掺加使骨料不易分离，骨料间的黏结力得到提高，抵抗了部分冻胀破坏，因此使透水混凝土强度提高，相对弹性模量相应提高。但当聚丙烯纤维掺量过多时，纤维在透水混凝土中会发生团聚现象，使透水混凝土流动性变差，纤维与骨料和水泥浆间的黏结性变差，混凝土的均匀性也下降，影响透水混凝土的强度和抗冻性，因此聚丙烯纤维掺量不是越多越好，应控制在1 kg/m3左右。

3.3 刚性聚丙烯纤维对透水混凝土抗冻性的影响

刚性聚丙烯纤维是一种仿制钢纤维生产的替代产物。与钢纤维相比，刚性聚丙烯纤维具有更好的耐腐蚀、易分散、易施工，对拌合设备无损伤等特点。且纤维表面呈现不均匀的纹路，在混凝土中的分散性好，握裹力强。刚性聚丙烯纤维是由聚丙烯纤维加工而成，比普通聚丙烯纤维弹性模量高、分散性好，且与混凝土界面握裹力好，可显著提高纤维与混凝土基体的结合性能。

林武星[5]将刚性聚丙烯纤维掺入透水混凝土中，研究了纤维掺量对透水混凝土抗冻性的影响。刚性聚丙烯纤维的性能指标如表4所示，透水混凝土的配合比如表5所示。刚性聚丙烯纤维的掺量分别为0 kg/m3,2.73 kg/m3，5.46 kg/m3，9.1 kg/m3时透水混凝土的相对弹性模量变化、质量损失率变化如图6，图7所示。

表4 刚性聚丙烯纤维性能指标

表5 刚性聚丙烯纤维透水混凝土配合比 kg/m3

由图6,图7可以看出，随着纤维掺量的增加，透水混凝土的质量损失率不断减小，相对弹性模量略有提高，且随着冻融循环次数的增加，质量损失率相应增大，相对弹性模量逐渐减小，表明纤维掺量的增加，有利于提高透水混凝土的抗冻性；当纤维掺量为9.1 kg/m3，冻融循环100次以下时，质量损失率和相对弹性模量趋于接近；但当冻融循环次数超过100次后，即使纤维掺量达到9.1 kg/m3，质量损失率明显提高，相对弹性模量明显减小，表明对透水混凝土抗冻性的提高能力下降。

这是由于刚性聚丙烯纤维起到了阻裂和增强作用，可减少裂缝的数量和宽度，这种能力随纤维掺量的增加而提高，但当冻融循环次数增加很多时，随着冻融次数的增加，透水混凝土的裂缝宽度逐渐增加，内部骨料的黏结会逐渐减弱，伴随裂缝的增多和加宽，刚性聚丙烯纤维与水泥浆的黏结力会遭到破坏，即使纤维掺量增加到9.1 kg/m3，也不足以抵抗冻融的破坏，加之纤维掺量高时，纤维的分散性下降，混凝土拌合物的均匀性受限，也不利于抗冻性提高。

3.4 碳纤维对透水混凝土抗冻性的影响

碳纤维是一种轻柔、宜加工、力学性能好的新型材料，拉伸强度约为2 GPa～7 GPa，拉伸模量为200 GPa～700 GPa，抗拉强度高、弹性模量大、温敏性好、韧性强，碳纤维具有稳定的化学性质，能够抵抗外界环境的变化，对盐碱变化及时做出反应。

高金宝[6]将长度40 mm的碳纤维掺入透水混凝土中，并进行200次冻融循环，研究纤维掺量对透水混凝土抗冻性的影响，透水混凝土的配合比如表6所示。碳纤维的掺量分别为0%，0.1%，0.3%，0.5%时透水混凝土的质量损失率、相对弹性模量变化如图8，图9所示。

表6 碳纤维透水混凝土配合比

由图8,图9可以看出，随着碳纤维掺量的增加，透水混凝土的质量损失率不断减小，相对弹性模量随着纤维掺量提高随之提高，而且当纤维掺量0.1%时，质量损失率就明显下降，当掺量继续增加时，质量损失率和相对弹性模量变化趋缓。这是由于大部分碳纤维被水泥浆体包裹，胶结层与骨料形成黏结作用，增大了碳纤维与粗骨料间的密实程度，从而整体上提高了透水混凝土的强度，减小了质量损失率，提高了相对弹性模量。加之碳纤维的强度高、弹性模量大，可减弱混凝土的开裂，但掺量增加时，与其他纤维类似，纤维的分散性下降降低了混凝土的均匀性，因此其抗冻性并非纤维掺量越多提高幅度就越大。