透水混凝土力学性能的影响因素研究

摘要：为解决传统透水混凝土强度较低的问题，文章通过体积法进行透水混凝土配合比设计，研究了水灰比、碳纤维掺量、纳米二氧化硅掺量等因素对透水混凝土透水系数、孔隙率、抗压强度及抗折强度的影响，根据试验结果优化了配合比，并从成本考虑设计以聚丙烯纤维和炭黑替代碳纤维，研究二者掺量对透水混凝土性能的影响。得出主要结论：水灰比对透水混凝土各性能的影响最大，优化设计后的水灰比为0.28、纳米二氧化硅掺量为2.2%、碳纤维掺量为1.6%；聚丙烯纤维掺量和炭黑纤维掺量均会对透水混凝土的透水性能造成负面影响，其中炭黑掺量的影响相对较大；聚丙烯纤维对透水混凝土的力学性能有正向影响，而炭黑掺量的增加使得透水混凝土的抗压强度先增大后减小，使得其抗折强度不断减小。

关键词：透水混凝土；碳纤维；聚丙烯纤维；透水性能；力学性能

中图分类号：U416.03    文献标识码：A

文章编号：1673-4074（2024）04-0084-04

0 引言

近年来随着我国城市化进程的不断发展，城市内涝、噪音效应、热岛效应等问题愈发严重，海绵城市的建设也逐渐成为一大研究热点，透水混凝土因其高透水性、透气性及降噪等特点而得到了广泛的使用。但传统透水混凝土存在强度低，从而限制了其使用范围，为加速海绵城市的建设，提高透水混凝土的性能至关重要。对此，大量学者进行了深入研究。辛志鹏等［1］提出用再生红砖和混凝土骨料替代天然骨料，通过复掺碳纤维、聚丙烯纤维和粉煤灰的方式提高再生透水混凝土的力学性能。夏冬桃等［2］采用再生粗骨料和聚丙烯纤维配置透水混凝土，并采用正交试验研究了其抗压强度、有效孔隙率、透水系数的变化规律。周家慧等［3］为研究单一及复合的玄武岩纤维和聚丙烯纤维的长度、掺量对透水混凝土的透水性能、力学性能的影响，使用BP神经网络对试验组进行训练和输出，其结果具有一定的参考价值。陈守开等［4］为提高再生骨料透水混凝土的强度，进行了基于不同掺量的短切玄武岩纤维、短切碳纤维、聚丙烯纤维的混凝土力学性能试验，结果表明，0.3%掺量的聚丙烯纤维可使再生骨料透水混凝土性能达到最优。单景松等［5］研究了不同长度、不同掺量的聚丙烯纤维对透水混凝土的抗压、抗折和抗冻融性能的影响，结果表明，当聚丙烯纤维长度在12～18 mm、掺量在1.0～1.5 kg/m3时，透水混凝土性能最优。吴旭等［6］通过掺入不同含量的玄武岩纤维、棉纤维、碳纤维和聚丙烯纤维构造再生透水混凝土，并对其坍落度、密度、渗水系数和抗压强度等指标进行测试，结果表明，6%的棉纤维能构造出更高性能的再生透水混凝土。本文通过响应面中心复合设计法进行试验，研究了水灰比、碳纤维掺量、纳米二氧化硅掺量对透水混凝土的透水性能和力学性能的影响，考虑到碳纤维的成本问题，提出聚丙烯纤维和炭黑代替法，通过控制变量法，研究了两者掺量对透水混凝土性能的影响。

1 试验方法

1.1 原材料

试验所用水泥为符合标准的早强型硅酸盐水泥；粗骨料为粒径4.75～9.5 mm的玄武岩碎石，其堆积密度为1 528.5 kg/m3，表观密度为2 685 kg/m3；为提高透水混凝土的抗压强度和容许应力，采用人工制造的机制砂作为细集料，其占比为粗骨料质量的7%；矿物掺合料主要包括平均粒径＜10 [WTBZ]μm的超细粉煤灰，和南京某公司生产的粒径为1～100 nm的纳米二氧化硅，其参数见表1；为提高透水混凝土的工作性能，试验采用减水剂和纳米二氧化硅分散剂作为外加剂，其检测值均符合标准值要求。

试验用纤维有两种，苏州某科技公司生产的短切碳纤维和廊坊某公司生产的聚丙烯纤维，各纤维参数如表2所示。试验用炭黑采购自江苏某石墨烯商城。

1.2 配合比试验设计

针对透水混凝土的配合比试验设计，目前应用较多的有质量法、体积法和比表面积法。其中体积法是根据目标孔隙率进行材料配合比，方便控制浆体体积且适配量少，在国内应用最为广泛，故本文选用该方法进行配合比设计。

为保障纤维的分散率及水泥浆与骨料的充分接触，试验采用水泥裹石法进行搅拌，其流程如图1所示。为减小透水混凝土的孔隙率以提高其强度，同时避免底部封浆等现象的存在，试验采用人工插捣结合振动台的方式对透水混凝土进行成型。将搅拌完成后的混凝土分三层置于模型中，每层混凝土四周人工插捣15次，中间人工插捣20次；人工插捣结束后，将其略整平，置于振动台上振动20 s。试件成型后24 h进行拆模，并将其标准养护28 d。

2 水灰比、碳纤维和纳米二氧化硅的影响

2.1 试验设计

因为透水混凝土的透水性能更佳，其内部必然存在大量的孔隙，这些孔隙导致该类混凝土的强度严重下降，进一步导致耐磨性、抗冻性的缺乏。因此，如何在保障透水混凝土透水性能的前提下提高其力学性能，是目前的一大研究热点。透水混凝土力学性能的提升常采用两种手段：（1）添加各类纤维，其中以碳纤维最为常见；（2）添加粉煤灰等矿物成分。而随着纳米材料的兴起，在透水混凝土中添加纳米二氧化硅也逐渐被广泛应用。但在两者协同状态下，对透水混凝土性能的影响尚不明确，故需要通过试验进一步研究。

本文采用响应面中心复合设计法，其主要步骤为：（1）定义相互独立的变量和试验结果响应量；（2）选择设计模型；（3）拟合模型；（4）确定最佳拟合结果。以水灰比分别为0.26、0.28、0.30，碳纤维掺量（水泥体积替代）分别为1%、1.5%、2%，纳米二氧化硅掺量（水泥质量替代）分别为1%、2%、3%设计了19组试验，各变量的编码水平分别设置为-1、0、1。其中，透水混凝土中粉煤灰含量始终为44.3 kg/m3，粗骨料始终为1 553 kg/m3，细集料始终为108.7 kg/m3，其余成分具体如表3所示。其中，C15～C19组为基础试验组，其各项变量一致，以避免试验过程中的偶然性，保障后续统计学结果的可信度。

2.2 试验结果

根据上述试验方案，每组制备3个直径100 mm、高50 mm的圆柱体透水系数试验试件、3个尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体孔隙率试验试件、3个尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体抗压强度试验试件和3个尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体抗折试验试件。以统计学方法分析并拟合各试验组的各参数试验结果并拟合模型，如下页表4所示。四个模型的R2均在0.95以上，预测与调整R2的误差在20%以内，且信噪比均在4以上，故认为试验所得模型有较好的拟合效果和精度。

分析三变量对透水系数的影响可知，三个变量的增加均会导致透水系数的减小，其中水灰比的影响最大，即透水混凝土的透水系数对水灰比的变化最为敏感。分析三变量对孔隙率的影响可知，三个变量的增加均会导致孔隙率减小，其中水灰比的影响最大。此外，孔隙率与透水系数成正比，与抗压/抗折强度成反比。分析三变量对抗压强度的影响可知，透水混凝土的抗压强度随着水灰比和纳米二氧化硅掺量的增大呈现出先增大后减小的趋势，其中水灰比的影响最大，而与碳纤维掺量的变化关联较小，即增加碳纤维掺量并不能使透水混凝土的抗压强度得到提升。分析三变量对抗折强度的影响可知，透水混凝土的抗折强度随着三变量的增大均呈现出先增大后减小的趋势，其中水灰比的影响最大，碳纤维掺量和纳米二氧化硅掺量的影响程度相近。

根据上述试验结果及统计学模型，以透水系数、抗压强度、抗折强度为目标进行优化设计可得，当水灰比为0.28、碳纤维掺量为1.6%、纳米二氧化硅掺量为2.2%时，透水混凝土的各项性能达到最优。

3 聚丙烯纤维透水混凝土性能研究

根据前文试验可知，碳纤维掺量对透水混凝土抗压强度的影响较小，且其价格较高，经济性较低。因此考虑以造价相对较低的聚丙烯纤维进行替代，并辅助以一定体积掺量的炭黑，以求增强透水混凝土的力学性能。根据前文优化结果，设置试验组水灰比为0.28、纳米二氧化硅掺量为2.2%、骨胶比为3.5，采用控制变量法，根据聚丙烯纤维掺量（水泥体积替代）分别为0、0.5%、1%，炭黑（水泥体积替代）掺量分别为0、1%、2%、3%进行19组试验，并对其透水性能（透水系数、孔隙率）及力学性能（抗压强度、抗折强度）进行分析。

不同聚丙烯纤维掺量和炭黑掺量与透水系数的关系如图2所示。由图2（a）可知，当炭黑掺量一定时，聚丙烯纤维掺量越多时，混凝土透水系数越低。由图2（b）可知，当聚丙烯纤维掺量一定时，炭黑掺量越多，混凝土透水系数越低；相较而言，炭黑掺量对透水系数的影响更大，而聚丙烯纤维掺量的影响略不明显。

由图3可知，混凝土孔隙率与透水系数变化规律为正相关，呈现出明显的线性关系，这与前文的试验结果一致。对其进行线性拟合，可得拟合方程斜率为0.749，截距为-4.985，R2为0.832 7。

不同聚丙烯纤维掺量和炭黑掺量与抗压强度的关系如下页图4所示。由图4（a）可知，当炭黑掺量一定时，混凝土抗压强度与聚丙烯纤维掺量呈正相关，该结果与普通混凝土试验结果不一致，究其原因是透水混凝土存在自身强度较低这一特性，而少量掺入低弹性模量的聚丙烯纤维有利于减缓其内部应力集中的现象，提高强度；由图4（b）可知，当聚丙烯纤维掺量一定时，混凝土抗压强度随着炭黑掺量的增加呈现先增大后减小的发展趋势。究其原因是少量炭黑掺入可以填补水泥浆体微小孔隙，同时与水化产物结合使过渡区致密，故而透水混凝土抗压强度提高；而当炭黑掺入量过多时，则会阻碍水泥水化，也降低了水泥浆和骨料之间的粘结能力，则透水混凝土的抗压强度降低。

不同聚丙烯纤维掺量和炭黑掺量与抗折强度的关系如下页图5所示。由图5（a）可知，当炭黑掺量一定时，混凝土抗折强度与聚丙烯纤维掺量呈正相关。究其原因是聚丙烯纤维具有较好的柔性，可以改善透水混凝土的裂缝延展问题，从而提高其抗折强度。由图5（b）可知，当聚丙烯纤维掺量一定时，混凝土抗压强度与炭黑掺量呈负相关。究其原因是炭黑掺量的增加，使得透水混凝土脆性更强。

4 结语

传统透水混凝土因其强度较低的特性，无法满足城市的承载要求，本文通过响应面中心复合设计法进行了19组试验，研究了水灰比、碳纤维掺量、纳米二氧化硅掺量对透水混凝土的透水系数、孔隙率、抗压强度及抗折强度的影响，并进行相应的优化设计；根据上述优化设计结果，在考虑经济性的基础上，以聚丙烯纤维和炭黑替代碳纤维，研究了两者掺量对透水混凝土各性能参数的影响，得到如下结论：

（1）水灰比对透水混凝土的透水性能及力学性能影响较大，其透水系数及孔隙率随着水灰比的增大而明显增大，抗压强度、抗折系数均随着水灰比的增大呈现出先增大后减小的趋势，水灰比0.28为最优；纳米二氧化硅掺量与透水混凝土的透水性能呈负相关，对其力学性能有一定影响，掺量以2.2%最优；碳纤维与透水混凝土的透水性能呈负相关，对其抗压强度基本无影响，对其抗折强度有正向影响，其最优掺量为1.6%。

（2）聚丙烯纤维掺量和炭黑纤维掺量均与透水混凝土的透水性能呈负相关，其掺量越高，则混凝土透水系数和孔隙率均越低，其中炭黑掺量的影响更大；透水系数与孔隙率呈线形关系。

（3）透水混凝土的抗压强度和抗折强度均随着聚丙烯纤维掺量的增大而增大；其抗压强度随着炭黑掺量的增大呈现出先增大后减小的发展趋势，抗折强度随着炭黑掺量的增大而明显降低。

参考文献

［1］辛志鹏，朱亚光，徐培蓁，等.粉煤灰及聚丙烯纤维对再生透水混凝土性能的影响［J］.混凝土，2023（1）：73-77，81.

［2］夏冬桃，李向阳，胡军安.基于正交试验的透水再生混凝土性能优化试验研究［J］.硅酸盐通报，2022，41（8）：2 748-2 758.

［3］周家慧，杨建永，张裕显.基于BP神经网络纤维增强透水混凝土性能影响［J］.混凝土，2022（6）：40-44.

［4］陈守开，卢 鹏，李炳林，等.不同纤维对再生骨料透水混凝土性能的影响与评价［J］.应用基础与工程科学学报，2022，30（1）：208-218.

［5］单景松，刘 建，王 敏，等.聚丙烯纤维透水水泥混凝土受力性能研究［J］.中外公路，2020，40（6）：276-280.

［6］吴 旭，张爱国.高性能再生透水纤维混凝土的性能研究［J］.化工新型材料，2020，48（1）：253-256.

作者简介：吴宜桉（1989—），工程师，主要从事公路建设与养护管理工作。