无机纳米与有机纤维改性复材对透水混凝土耐久性影响研究

2023-11-29张小平范乾松甄东华王民豪李雨栋

粘接 2023年11期

张小平范乾松甄东华王民豪李雨栋

摘要：为提高基坑施工安全，设计透水混凝土支护桩，研究无机纳米SiO2材料和玄武岩纤维有机材料含量对透水混凝土耐久性的影响，采用5种不同掺量的纳米SiO2和5种不同含量的玄武岩纤维进行实验。结果表明，当纳米SiO2掺量为7%时，纳米SiO2显著提高了透水混凝土抗碳化性；当纳米SiO2掺量为7%时，添加适量的玄武岩纤维可提高透水混凝土的抗冻融性和抗裂性，且随着玄武岩纤维含量的增加，含有无机材料的纳米SiO2透水混凝土的抗冻融性增加，抗裂性逐渐降低。

关键词：玄武岩纤维；纳米SiO2；透水混凝土；基坑支护

中图分类号：TQ327.3;TU502

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）11-0114-04

Study on effect of inorganic nano and organic fiber modified composite on durability of pervious concrete

ZHANG Xiaoping1，2，FAN Gansong1，2，ZHEN Donghua1，2，WANG Minhao1，2，LI Yudong1，2

（1.The Third Bureau of Metallurgical Geology Administration of China，Taiyuan 030000，China;

2.Shanxi Metallurgical Geotechnical Engineering Investigation Co.，Ltd.，Taiyuan 030000，China

）

Abstract：In order to improve the safety of foundation pit construction，pervious concrete supporting pile was designed，and the influence of inorganic nano-SiO2 material and basalt fiber organic material content on the durability of pervious concrete was studied.The experiment was carried out with 5 different contents of nano-SiO2 and 5 different contents of basalt fiber.The results showed that when the content of nano-SiO2 was 7%，nano-SiO2 significantly improved the carbonization resistance of pervious concrete.When the content of nano-SiO2 was 7%，adding an appropriate amount of basalt fiber could improve the freeze-thaw resistance and crack resistance of pervious concrete，and with the increase of the content of basalt fiber，the freeze-thaw resistance of nano-SiO2 pervious concrete containing inorganic materials increases，while the crack resistance gradually decreased

Key words：basalt fiber;nano-SiO2; permeable concrete;foundation pit support

隨着城市建设速度不断加快，对于软土及黏土地区，由于土体含水量高，且土体易受外荷载作用发生破坏［1］，极易发生基坑失稳，给施工安全带来极大的隐患。在过去的二十年中，很多学者对玄武岩纤维增强混凝土的耐久性、物理化学性能进行试验，均指出玄武岩纤维用于混凝土具有一定可行性。虽然透水混凝土复合材料的力学性及耐久性可以通过玄武岩纤维的加入来提高，但在恶劣和高腐蚀性环境中使用的透水混凝土仍然需要提高其耐久性。无机纳米SiO2材料表现出独特的纳米效应，并且具有较大的比表面积，界面能量，纳米SiO2的加入可以改善硬化水泥浆的性能和骨料与水泥浆之间的结合性能。基于此，研究通过耐久性实验来确定纳米SiO2与玄武岩纤维对混凝土耐久性的影响。

1 试样材料与方法

1.1 试验材料

水泥使用42.5R级普通硅酸盐水泥，其28 d抗压强度为52.5 MPa，终凝时间为286 min。矿物掺合料使用了I级粉煤灰（从燃煤电厂获得），SO3占比1.22%，密度为2.35 kg/m3。粗骨料碎石最大粒径为26.5 mm，细骨料细度模数为2.6。研究中使用的玄武岩有机材料纤维由当地市场购得，其性能如表1所示。同时在实验中添加了无机材料纳米SiO2（为松散非晶粉末形式），SiO2质量分数大于99%，平均粒径为30 nm，比表面积为200 m2 /g，体积密度为0.05 g/cm3。本文设定采用5种不同掺量的无机材料纳米SiO2（1%、3%、5%、7%和9%）和5种不同质量分数的玄武岩纤维有机材料（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%）。

1.2 试验方法

1.2.1 抗碳化试验

使用CCB-70A型碳化箱进行抗碳化试验。碳化箱是一个带有气密门的封闭容器。盒子里有一个二氧化碳气体分析仪，可以监测二氧化碳的浓度。CO2气体通过管道从钢瓶供应到碳化箱。立方体碳化试样的尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。试件的碳化深度可用于评估透水混凝土的抗碳化能力。每组包括3个样品，平均碳化深度为最终碳化深度。试验前，将试件在温度（20±2） ℃、相对湿度大于95%的条件下，固化至28 d；然后，将样品放置在温度为60 ℃的干燥箱中48 h。干燥后，除了2个对称的侧表面外，样品的表面被一层薄薄的熔融石蜡覆盖。在将试样放入碳化箱之前，使用彩色笔在未密封表面上标记一系列平行线，以帮助测量碳化深度。试验完成后，将试样一分为二，并在断裂表面喷洒质量分数为1%的酚酞醇溶液。大约30～60 s后，试样碳化部分的颜色发生了变化。此外，用钢尺测量每个测量点上试样的碳化深度，可以成功地测量试样的平均碳化深度。

1.2.2 渗透性试验

抗渗透性测试的圆形截锥试样的尺寸为175 mm×150 mm×185 mm 。抗渗透性试验使用全自动渗透机（HP-40）。试样在水压下的透水深度可用于评估透水混凝土的渗透性。每组6个样品，以平均透水深度作为结论性透水深度。在测试期间，将试样在1.2 MPa的压力下加压24 h，然后撤回压力，将标本分成两半。在试样的分割表面上，在10条等距线上的每一条线上放置点以指示透水深度，取10个点的平均透水深度作为试件的透水深度。

1.2.3 抗冻融测试

透水混凝土的抗冻融性可以通过速冻法在试样经过一定次数的冻融循环后进行评估。冻融样品的尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。将透水混凝土在浇注后置于环境温度下养护24 h。脱模后，在温度（20±2 ℃）、相对湿度大于95%条件下，将其养护28 d；之后，将试样浸入温度为（20±2 ）℃的水中4 d，取出测量其质量和动态弹性模量。然后将试样放入HC-HDK冻融试验机进行冷冻。冻融循环每25次后测定试件相对动态弹性模量，得到相对动态弹性模量。通过测定100次冻融循环试件的相对动态弹性模量，评价透水混凝土复合材料的抗冻融性能。

1.2.4 抗裂試验

根据规范标准进行抗裂试验。试件由方形角钢模具限制［11］，模具周围通过加强筋加固。每组包括2个试件。试样在恒定的特定温度（20±2 ）℃和相对湿度（60±5）%下铸造，然后使用裂纹宽度测量装置逐个测量试样表面的裂纹宽度。根据测量的裂缝宽度，分层测量裂缝长度。试验期间，记录初始开裂时间、裂缝长度、裂缝宽度和裂缝数量;平均裂缝面积、单位面积裂缝数量、单位面积开裂面积和单位面积开裂面积可分别计算如下：

a=12N∑NiWi×Li（1）

b=NA（2）

C=a×b（3）

式中：a为单个裂纹的平均开裂面积，mm2；N为裂缝总数；Wi为第i条裂纹的最大宽度，mm；Li为第i条裂纹的长度，mm；b为试样每单位面积的裂纹数量；A为试样表面的面积（0.36 m2）；C为试样每单位面积的总开裂面积，mm2/m2。

2 结果和讨论

2.1 抗碳化性

图1为不同碳化时间下试样碳化深度随无机材料纳米SiO2含量增加的变化。

由图1可以看出，试样的碳化深度随着碳化年龄的增加而增加。当无机材料纳米SiO2掺量达到7%时，观察到最小碳化深度，其中碳化深度比不含纳米SiO2的透水混凝土碳化深度小22.7%。这表明，当无机材料纳米SiO2掺量为7%时，透水混凝土抗碳化性能最低。

为进一步探究玄武岩纤维有机材料含量对试件碳化深度的影响，设定7%无机纳米SiO2条件下不同质量分数玄武岩纤维用量之间的关系如图2所示。

由图2可以看出，当碳化龄期从3 d增到14 d时，含纳米颗粒的玄武岩纤维加固透水混凝土的碳化深度稳步增加，并且当养护龄期从14 d增到28 d时观察到碳化深度显著增加。此外，玄武岩纤维的掺入对含有纳米颗粒的透水混凝土的碳化深度有显著影响，当玄武岩纤维质量分数由0%～1.5%时，玄武岩纤维的碳化深度呈下降趋势；当玄武岩纤维质量分数为2.5%时，碳化深度增加。在无机纳米SiO2掺量达7%时，观察到最小碳化深度。与无玄武岩纤维的对照透水混凝土相比，1.5%玄武岩纤维加固的透水混凝土试件的碳化深度降低了15.4%。

2.2 抗裂性

图3和图4为不同玄武岩纤维对透水混凝土抗裂性评估参数的影响。

由图3可知，玄武岩纤维含量越高，裂纹区域越小。此外，当玄武岩纤维质量分数从1.5%增到2.0%时，裂纹数量明显减少。当玄武岩纤维质量分数从0%增到2.5%时，试样表面的开裂面积从777 mm2减少到248.3 mm2，减少68.1%。

由图4可知，与没有玄武岩纤维的透水混凝土相比，2.5%玄武岩纤维加固的透水混凝土中的裂缝数量从5减少到2。

透水混凝土基质中的玄武岩纤维随机分布，可以支撑骨料防止骨料下沉。减少了复合材料的表面崩解［16］，使混凝土均匀度得到改善。因此，纤维在混凝土中起到了很好的预防作用。

2.3 抗冻特性

抗冻特性是评估透水混凝土结构在寒冷环境中最重要的耐久性能之一。透水混凝土的冻融损坏是由于在每个冻融循环中充满水的小内部裂缝的结果。

图5为在不同玄武岩纤维掺量7%无机纳米二氧化硅后，混凝土相对动态弹性模量变化规律。

由图5可以看出，当冻融循环次数小于50次时，每组的相对动态弹性模量相似。然而，当冻融循环次数超过50次时，相对动态弹性模量明显降低。随着玄武岩纤维有机材料用量的增加，试样的相对动弹性模量逐渐增大。与无玄武岩纤维透水混凝土相比，试件经过50次循环后，2.5%玄武岩纤维加筋透水混凝土的相对动弹性模量提高了59.2%。当冻融循环次数达到100次时，不含玄武岩纤维的试样和掺量0.5%玄武岩纤维的试样全部被破坏。

2.4 抗渗透性

渗透性是表征透水混凝土耐久性的基本材料特性，透水混凝土是一种高度多孔的复合材料，其抗渗透性可能受到不同测量方法的影响。因此，研究采用透水深度评价透水混凝土的抗渗透性。图6为在掺量为7%无机纳米SiO2的情况下，透水混凝土试件的渗透深度随玄武岩纤维掺量的增加而发生的变化。

由图6可知，随着玄武岩纤维用量的增加，透水混凝土试样的渗透深度也呈递增变化。因此，玄武岩纤维的加入将提高透水混凝土的拉伸性能，这将有效地限制初始裂缝的形成和发展，从而有助于改善其渗透性能。

3 结语

（1）纳米SiO2含量在掺量合适的情况下，纳米SiO2的应用可以显著提高透水混凝土的抗碳化性。但过多的纳米SiO2无机材料会对透水混凝土的耐久性产生不利影响；

（2）加入适量的玄武岩纤维提高了纳米SiO2透水混凝土的抗渗透性、抗裂性、抗冻融性和抗碳化性；然而，过量的玄武岩纤维会降低试样的抗碳化能力。此外，玄武岩纤维的加入降低了纳米SiO2增强的复合材料的抗渗透性，透水混凝土的抗裂性逐渐降低。

【参考文献】

［1］侯经文，秦亚梅.粉煤灰掺量对纤维透水混凝土压缩强度的影响［J］.粘接，2021，46（4）：120-122.

［2］谢颖川，刘长玲，刘迪.干喷和湿喷透水混凝土的力学性能、破裂失稳机制及损伤规律研究分析［J］.结构工程师，2020，36（6）：205-213.

［3］詹丹丹.掺玄武岩纤维透水混凝土的性能研究［J］.市政技术，2022，40（1）：78-82.

［4］王苏，陶毓先.聚丙烯纖维对高透水性透水混凝土透水性能的影响［J］.安徽建筑，2016，23（4）：280-281.

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