塑钢纤维改性透水混凝土及力学性能研究

2023-10-20史国庆

盐科学与化工 2023年9期

史国庆

(咸阳职业技术学院,陕西咸阳 712000)

为了解决传统混凝土路面给城市造成的内涝以及路面破损等问题,透水混凝土的研究成为科学发展的一个重点。对此,许多学者针对透水混凝土的改性进行了大量研究。例如,宋元远等[1]制备了不同减水剂含量以及不同减水率的透水混凝土,并研究其强度、透水性以及耐久性。试验结果表明,当透水混凝土中聚羧酸减水剂掺量为0.2%时,减水率达到0.08,此时,材料抗压强度对比基准试件提升了5 MPa,透水系数也提高1.8 mm/s,该材料的抗冻融效果也较好[1]。而严超群等[2]则废旧资源有效利用,提出一种废旧橡胶改性透水混凝土,并对其性能进行研究。试验结果表明,当橡胶粒径为0.30 mm,掺量小于6%时,透水混凝土性能最好[2]。除此之外,王博等[3]通过在透水混凝土中加入钢纤维进行改性,并对材料的强度、透水性进行研究。试验结果表明,当在标准试件中掺入90～120 g钢纤维、碎石粒径10～16 mm、集料配合比为1 ∶0.3 ∶3.9时,材料强度、透水性最优[3]。以上学者的试验都为透水混凝土的改性研究发展提供了参考。同时,刚性聚丙烯粗纤维具有轻质、经济性以及力学性能优异的特点,基于此,试验选择了刚性聚丙烯粗纤维作为塑钢纤维,来代替传统钢纤维材料对透水混凝土进行改性,并对其性能进行研究。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料。P.O 42.5普通硅酸盐水泥(工业纯,无锡市江淮建材);粉煤灰(工业纯,石家庄安百矿业);粗骨料碎石(工业纯,灵寿县梓舒矿产,粒径5～10 mm);聚丙烯粗纤维(工业纯,北京融耐尔工程材料,长度为20、40、60 mm);PC-1009型聚羧酸减水剂(化学分析纯,济南福鑫精细化工)。

主要设备。WD-300型立式搅拌桶(济宁威达机械);BMB224型电子天平(佛山市中淮衡器);JJ-1BA型搅拌器(宜兴春泽源环保设备);DYJG-9023型烘箱(杭州亿捷科技);CJJT1335型透水系数测定仪(沧州华屹试验仪器);JITAI-S10KN型电子多功能试验机(北京吉泰科仪检测设备);NS-2型混凝土耐磨试验机(内蒙古华科嘉诚科技)。

1.2 试验方法

1.2.1 材料配比设计

试验中采用的塑钢纤维为刚性聚丙烯粗纤维,并针对塑钢纤维设计了20、40、60 mm三种不同长度,以及3、6、9 kg/m3三种不同掺量的配比试件,具体配比见表1。

表1 透水混凝土材料配比设计Tab.1 Design of test proportioning for permeable concrete

1.2.2 塑钢纤维改性透水混凝土的制备

(1)在搅拌桶中加入一定量的碎石和塑钢纤维,设置搅拌时间为1 min,充分混合均匀,然后在搅拌桶中加入少量水,继续搅拌1 min混合均匀。

(2)加入胶凝材料以及适量减水剂,在搅拌1 min后,再加入剩下的水和减水剂,设置搅拌时间为2 min,充分混合,获得塑钢纤维改性透水混凝土浆料。

(3)将步骤(2)中的浆料分三层倒入模具中,插捣成型后,用抹灰刀抹平试件表面多余的浆料,然后在振动台上振实处理1 min,排出搅拌过程中浆料内部的气泡。

(4)将混凝土模具放置在养护室内养护1 d,设置养护温度为20 ℃左右,湿度90%左右,然后脱模,继续在养护室内以相同温度和湿度养护28 d,得到塑钢纤维改性透水混凝土试件。

1.3 性能测试

1.3.1 透水性试验

通过定水头法和透水系数测定仪对试件进行透水性试验,计算透水系数,具体公式如下[4-5]:

(1)

式中:KT为水温T ℃时;混凝土的透水系数,单位mm/s;Q为t时间内透水量,单位m3;L为试件厚度,单位m;A为试件上表面积,单位m2;H为定水头高度差,单位m;t为试验测定时间,单位s。

1.3.2 抗压强度测试

通过多功能试验机对试件进行抗压强度测试,试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm,抗压强度具体计算公式如下:

(2)

式中:fc为抗压强度,单位MPa;F为破坏荷载,单位N;A为承压面积,单位mm2。

1.3.3 抗折强度测试

通过多功能试验机对试件进行抗折强度测试,试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm,抗折强度具体计算公式如下:

(3)

式中:ff为抗折强度,单位MPa;F为破坏荷载,单位N;L为试验支架间跨度,单位mm;b为试件截面宽度,单位mm;h为试件截面高度,单位mm。

1.3.4 耐久性试验

通过耐磨试验机对试件进行测试,并根据试件质量损失率分析其耐久性,其中,试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。

2 结果与分析

2.1 透水性试验

2.1.1 塑钢纤维长度的影响(图1)

图1 透水系数曲线Fig.1 Permeability coefficient curve

由图1可知,当改性透水混凝土试件中的塑钢纤维长度增加时,其透水系数下降。当塑钢纤维长度为20 mm时,3 kg/m3掺量、6 kg/m3掺量以及9 kg/m3掺量试件的透水系数分别为5.55、5.18、4.65 mm/s,对比基准试件降幅分别为5.9%、12.2%和21.2%;当塑钢纤维长度为40 mm时,3 kg/m3掺量、6 kg/m3掺量以及9 kg/m3掺量试件的透水系数分别为5.43、4.95、4.64 mm/s,对比基准试件降幅分别为8.0%、16.1%和21.4%;当塑钢纤维长度为60 mm时,3 kg/m3掺量、6 kg/m3掺量以及9 kg/m3掺量试件的透水系数分别为5.35、4.82、4.49 mm/s,对比基准试件降幅分别为9.3%、18.3%和23.9%。因此,在透水混凝土中掺入的塑钢纤维的长度越长,材料的透水系数越小,透水性越差。

2.1.2 塑钢纤维掺量的影响(图2)

图2 透水系数曲线Fig.2 Permeability coefficient curve

由图2可知,当透水混凝土中塑钢纤维掺量不断增多时,材料透水系数不断降低。当塑钢纤维掺量为9 kg/m3时,长度20 mm、长度40 mm以及长度60 mm试件的透水系数分别为4.66 mm/s、4.62 mm/s和4.51 mm/s,这与基准试件的透水系数相比下降幅度较大,降幅分别为18.7%、19.4%和21.3%。发生这些变化主要有两个原因,一是当透水混凝土中的塑钢纤维掺量增加时,这些塑钢纤维会在一定程度上填补透水混凝土基体间的孔隙,因此,透水混凝土内部的孔隙数量变少从而导致材料的透水系数减小;二是因为当在透水混凝土中掺入塑钢纤维时,试件表面会在材料成型过程中附带一部分浆料,这些浆料会形成一些水泥浆棒,会进一步填补透水混凝土的内部孔隙结构,增加材料紧密型,因此,材料透水系数不断降低[6-7]。

2.2 抗压强度试验

2.2.1 塑钢纤维长度的影响

图3为当塑钢纤维掺量为6 kg/m3时,不同塑钢纤维长度试件的抗压强度。由图3可知,当透水混凝土中塑钢纤维长度从20 mm增加到60 mm时,试件的抗压强度从19.5 MPa增加到20.4 MPa,抗压强度增加不到1 MPa,由此可得,塑钢纤维长度对改性透水混凝土的抗压强度影响较小。这种现象可能是因为在透水混凝土制备工艺中多次投料搅拌,使得较长的塑钢纤维也能在材料中均匀分布,因此,透水混凝土中塑钢纤维长度的变化对其抗压强度无较大影响。因此,透水混凝土的抗压强度与塑钢纤维长度关系较小。

图3 抗压强度曲线Fig.3 Compressive strength curve

2.2.2 塑钢纤维掺量的影响

图4为当试件中掺入的塑钢纤维长度为40 mm时,不同塑钢纤维掺量的抗压强度。由图4可知,未掺入塑钢纤维的空白试件抗压强度为16.1 MPa,而掺入塑钢纤维改性的试件抗压强度均比空白试件高;当试件中塑钢纤维掺量增多时,抗压强度出现先升后降的现象,并且在塑钢纤维掺量为6 kg/m3时达到峰值,为20.6 MPa,这比空白试件提升了28.0%。发生这些现象的原理是,在透水混凝土中掺入适量的塑钢纤维,可以增强材料内部骨料与骨料、骨料与纤维间的粘结性,使材料紧密性提高,进而提高抗压强度;同时,当受到外部应力作用时,塑钢纤维能起到应力分散作用,协同其他材料基体共同均匀受力,因此,透水混凝土抗压强度增加[8]。但是,在透水混凝土中掺入过多的塑钢纤维,会使浆料的流动性能下降,同时,塑钢纤维掺量过多会导致其在材料内部杂乱分布,出现团聚效应,这进一步增大了透水混凝土的裂缝、孔隙等缺陷,因此,塑钢纤维掺量过多,会降低材料抗压强度[9-10]。综合分析可知,当塑钢纤维掺量在6 kg/m3时,透水混凝土的抗压强度良好。

图4 抗压强度曲线Fig.4 Compressive strength curve

2.3 抗折强度试验

2.3.1 塑钢纤维长度的影响

图5为当塑钢纤维掺量为6 kg/m3时,不同塑钢纤维长度试件的抗折强度。由图5可知,塑钢纤维长度与试件抗折强度呈正相关关系,当掺入的塑钢纤维长度从20 mm增加到60 mm时,透水混凝土试件抗折强度从3.1 MPa上升到3.6 MPa,增幅为16.1%。这种现象表明,当在透水混凝土中掺入较长的塑钢纤维时,可以提高材料韧性。因此,长塑钢纤维对增强透水混凝土的抗折强度效果明显。

图5 抗折强度试验结果Fig.5 Bending strength test results

2.3.2 塑钢纤维掺量的影响

图6为当掺入的塑钢纤维长度为40 mm时,不同塑钢纤维掺量的抗折强度。由图6可知,在一定程度上,透水混凝土的抗折强度与其中塑钢纤维掺量呈正相关关系;对于未掺入塑钢纤维的空白试件,其抗折强度为2.4 MPa,而掺入塑钢纤维后透水混凝土的抗折强度明显提升;当在透水混凝土中掺入3 kg/m3塑钢纤维时,试件抗折强度增幅为29.1%;当塑钢纤维掺量为6 kg/m3时,试件抗折强度增幅为37.5%;当在透水混凝土中掺入9 kg/m3塑钢纤维时,试件抗折强度最高,为3.6 MPa,对比空白试件增幅为50.0%。发生这些现象的原理是,塑钢纤维的掺入,可以增强透水混凝土基体间的粘结性,增强材料整体性,同时,塑钢纤维在材料内部的应力分散作用也会使试件韧性增加,因此,塑钢纤维掺入透水混凝土,可以使其抗折强度提升[11-12]。

图6 抗折强度试验结果Fig.6 Bending strength test results

2.4 耐久性试验

2.4.1 塑钢纤维长度的影响(图7)

图7 试件质量损失率Fig.7 Mass loss rate of test piece

由图7可知,当透水混凝土试件中掺入的塑钢纤维长度增加,其质量损失率提高。当塑钢纤维长度为20 mm时,对于3、6、9 kg/m3掺量的试件,其质量损失率分别为1.78%、1.53%和0.95%;而当塑钢纤维长度为60 mm时,对于3、6、9 kg/m3掺量的试件,其质量损失率增幅分别为4.3%、6.5%和45.3%。可以看到,当塑钢纤维过长时,掺入9 kg/m3塑钢纤维的透水混凝土质量损失率增加幅度最大。另外,当掺入6 kg/m3塑钢纤维时,材料质量损失率有少量下降,这可能与试验误差有关。因此,长塑钢纤维会增加材料的质量损失率,降低透水混凝土的耐磨性能。

2.4.2 塑钢纤维掺量的影响(图8)

图8 试件质量损失率Fig.8 Mass loss rate of test piece

由图8可知,当透水混凝土中的塑钢纤维掺量增多时,可以大幅度降低材料的质量损失率。当塑钢纤维掺量为3 kg/m3时,对于纤维长度20、40、60 mm的试件,其质量损失率分别为1.78%、1.89%和2.21%;当塑钢纤维掺量为6 kg/m3时,对于纤维长度20、40、60 mm的试件,其质量损失率对比3 kg/m3时降幅分别为 14.6%、20.1%和25.3%;当塑钢纤维掺量为9 kg/m3时,对于纤维长度20、40、60 mm的试件,其质量损失率对比3 kg/m3时降幅分别为46.1%、40.7%和38.9%。发生这些现象的原理主要有两个,一是塑钢纤维对于透水混凝土基体间有“加筋”作用,可以增强基体间的粘结性,材料整体性增强,因此,在摩擦试验中,透水混凝土试件上的碎块等不易剥落,质量损失率降低;二是当透水混凝土中的塑钢纤维较多时,塑钢纤维从材料基体中剥落需要耗费更多的摩擦功,而且,随着透水混凝土中塑钢纤维掺量增多,材料中的塑钢纤维会与骨料等基体间的摩擦力会不断增加,从而减少材料基体脱落,减少试件质量损失[13-15]。因此,当在透水混凝土中掺入9 kg/m3时塑钢纤维时,其质量损失率下降,材料耐磨性良好。