硅灰-玄武岩纤维改性透水混凝土力学性能与耐久性研究 ①

□□ 邹德强,李存宝,张健飞,宫亚峰,刘国升,王晓兰

(1.长春空港翔城建材有限公司,吉林 长春 130524;2.吉林大学 交通学院,吉林 长春 130022)

引言

近年来,由于城市洪水频发、地下水位日趋下降及城市热岛效应加剧等[1]问题的出现,透水路面引起诸多学者的关注。透水混凝土因其高孔隙结构,在存储与渗透雨水[2]、提升路面防滑性、补充地下水、改善城市湿度[3]等方面优势明显。但由于其内部多孔,各材料之间的粘结层薄弱,密实度较差,致使其强度低,且耐久性差[4],这些不足使得其在季冻区的应用推广受限。因此,平衡渗透性与耐久性的关系已成为当前研究的热点问题。

为了在保证渗透性的前提下提高透水混凝土的强度和耐久性能,国内外学者已进行了大量的研究,并取得了诸多成果。尹志刚等[5]、陈建智等[6]利用正交试验研究了硅灰掺量对透水混凝土性能的影响,得出硅灰对透水混凝土强度影响显著,且适宜掺量为6%～7%。谢沛蓉[7]、陈平等[8]研究硅灰、粉煤灰及废石粉等矿物掺合料对透水混凝土的影响,通过SEM分析得出:适量硅灰的掺入可有效提升透水混凝土的强度且较优掺量为6%～10%。何明[9]通过单因素试验分析法确定了硅灰的最佳掺量为4%～8%,且掺入硅灰后混凝土强度与抗冻性均有所提高。叶穆平等[10]、明瑞平等[11]通过试验分析得出当硅灰掺为10%时,抗压强度损失率下降近70%,表明硅灰对透水混凝土的抗冻性具有显著效果。LIU H B等[12]通过室内试验测试硅灰改性透水混凝土的力学性能与耐久性,结果表明:用硅灰等体积替代水泥显著提高了透水混凝土的强度和抗冻融性能,且对渗透性能影响不大。

王盟盟[13]和王维舟[14]研究了玄武岩纤维体积掺量对透水混凝土强度与渗透性能的影响规律,结果表明:纤维体积掺量为0.1%时渗透性能达到最佳;随着纤维体积掺量的增加,强度先升高后降低,当体积掺量为0.15%时达到最佳。许耀[15]和刘振祥[16]通过室内试验采用极差分析法对不同影响因素进行测试分析,得出玄武岩纤维的掺入可以提高透水混凝土强度及抗冻性能,玄武岩纤维较优掺量为3 kg·m-3。刘思宇[17]和陈祥生[18]采用控制变量法进行试验探究,得出随着纤维掺量的增多,透水混凝土的抗压强度与抗冻性能逐渐下降,最优掺量为2 kg·m-3。但现有研究主要集中于分析单一掺合料对透水混凝土强度的影响,在复合改性透水混凝土强度方面研究较少。此外,几乎没有研究集中于其耐久性方面。

基于上述研究不足,拟着重研究在不同掺量的硅灰及玄武岩纤维共同作用下透水混凝土的力学性能及耐久性能。采用控制变量法设计试验,对改性透水混凝土的抗压强度、孔隙率和冻融循环质量损失率等指标进行了综合评价,确定掺合料最优掺量,为合理设计硅灰-玄武岩纤维改性透水路面提供理论基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

研究采用P·Ⅰ 42.5水泥,购自吉林亚泰水泥公司;粗骨料为4.75～9.5 mm级配的玄武岩碎石,技术指标见表1;硅灰为河南铂润铸造材料有限公司提供的SF96型硅灰,其化学成分和物理性质见表2;胶结剂购于江苏佳境生态工程技术有限公司,技术指标见表3;玄武岩纤维由海宁市丁桥安邦建材有限公司提供,相关指标见表4。

表2 硅灰化学成分和物理性质

表3 胶结剂技术指标

表4 玄武岩纤维技术指标

1.2 配合比设计

按照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》[19]进行配合比设计。试验采用等效体积法,分别用6%、8%、10%、12%和14%的硅灰替代水泥制备硅灰改性透水混凝土;在掺入10%硅灰的基础上分别外掺1 kg·m-3、2 kg·m-3和3 kg·m-3玄武岩纤维制备硅灰-玄武岩纤维复合改性透水混凝土。另外,制备普通透水混凝土作为对照组。试验选用集料粒径为4.75～9.5 mm,设计孔隙率为15%,水胶比为0.3,胶结剂用量为胶凝材料的2%,具体试验配合比见表5,粗骨料级配曲线如图1所示。

图1 透水混凝土制备流程

表5 A系列透水混凝土配合比 kg·m-3

1.3 试验方法

孔隙率与透水混凝土透水性能直接相关,参照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》[19]采用重量法进行有效孔隙率试验,如图2所示。测定力学性能时,参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[20]要求进行抗压强度的试验。测定耐久性时,参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[21]采用快冻法进行冻融循环试验;冻融循环次数水平设置为20次、40次、60次、80次、100次和120次,分别测试各组试件的质量,由此得出不同冻融循环次数下试件的质量损失率;冻融循环终止条件为质量损失率>5%,冻融循环试验装置如图3所示。

图2 静水天平

图3 透水混凝土冻融循环试验机

2 试验结果与分析

各配合比试件的抗压强度、有效孔隙率以及冻融循环质量损失率结果见表6。

表6 试验结果

2.1 抗压强度

2.1.1硅灰对抗压强度的影响

硅灰改性混凝土抗压强度如图4所示。由图4可知,与普通透水混凝土相比,硅灰的掺入提高了其抗压强度。随着硅灰掺入量的增加,强度呈先增大后减小的趋势。当硅灰掺入量为10%时,抗压强度达到最大,此时抗压强度比对照组提升了17.2%。

图4 硅灰改性混凝土抗压强度

这是由于硅灰中的化学成分与水泥水化物发生火山灰反应,形成新型浆体凝胶,优化原本水泥浆体与集料之间的界面效应。此外,由于硅灰粒径较小,复合胶凝材料浆体微孔隙结构分布更加均匀,进而提升了改性透水混凝土强度。随着硅灰掺量继续增加,水泥量逐渐减小,无法形成足够的火山灰类C-S-H凝胶,致使强度下降。由此可见,适量的硅灰有助于提升透水混凝土强度,最优掺量为10%。

2.1.2玄武岩纤维对抗压强度的影响

硅灰-玄武岩纤维改性混凝土抗压强度如图5所示。由图5可知,随着纤维掺量的增加,复合改性透水混凝土的抗压强度先增大后减小。当纤维掺入量为2 kg·m-3时,抗压强度达到最大,此时抗压强度比未掺纤维组提升了4.5%。这是因为掺入纤维后,纤维会附着在骨料周围将其包裹,形成更加稳定的纤维骨架网结构,结构整体性与内部密实度增强,从而强度提高。当掺入过量纤维时,胶凝材料浆体不足,无法将纤维充分包裹,游离的纤维将聚拢成团附着在骨料周围,使胶凝材料与骨料之间接触面积减小,强度下降。因此,适宜的玄武岩纤维有助于提升透水混凝土强度,最优掺量为2 kg·m-3。

图5 硅灰-玄武岩纤维改性混凝土抗压强度

2.2 孔隙率

2.2.1硅灰对孔隙率的影响

硅灰改性混凝土孔隙率如图6所示。根据图6可以看出,硅灰的掺入对改性透水混凝土的孔隙率无显著影响。此次试验基于等体积法采用硅灰等体积替代水泥制备试件,所制备试样的总体积并没有因硅灰的掺入而发生巨大改变。除此之外,各组配合比的试件实测孔隙率(12.3%～13.2%)均小于设计孔隙率(15%),这是由于设计孔隙率中包括开孔、半开孔以及闭口孔隙,而实测孔隙率只能测出前两者,因而实测孔隙率要略小一些,这也说明该试验满足设计要求。由此可见,硅灰等体积替代水泥并不会对透水混凝土孔隙率造成影响。

图6 硅灰改性混凝土孔隙率

2.2.2玄武岩纤维对孔隙率的影响

硅灰-玄武岩纤维改性混凝土孔隙率如图7所示。由图7可知,随着玄武岩纤维掺量的增加,透水混凝土的孔隙率减小。当掺入少量的玄武岩纤维时,纤维会进入混凝土开孔和半开孔隙的内部,造成闭口孔隙数量增加,从而导致孔隙率下降。但当掺入过多纤维时,纤维将聚拢成团附着在骨料周围并填充在孔隙中,造成结构内部孔隙大量堵塞,使得连通孔隙体积大量减少,孔隙率大幅度降低。由此可见,过量的玄武岩纤维会对透水混凝土孔隙率造成影响。

图7 硅灰-玄武岩纤维改性混凝土孔隙率

2.3 冻融循环

2.3.1硅灰对冻融循环试验结果的影响

硅灰改性混凝土质量及质量损失率如图8和图9所示。由图8可以看出,对于对照组与硅灰改性组来说,试件质量均随着冻融循环次数的增加而减少,表明透水混凝土耐久性随着冻融次数增加而逐渐退化。根据图9可知,各组质量损失率均随着冻融循环次数的增加而增加。冻融循环次数相同时,对照组试件质量损失率明显高于改性组,表明硅灰的掺入改善了透水混凝土的耐久性,这是由于硅灰的掺入增强了胶凝材料表面的附着力,减少内部渗透压力,整体结构密实度增加,进而减少了冻融条件下的劣化损伤。当硅灰掺量为10%时,相同条件下此组配合比试件质量损失率最小,这是由于过少或过多的硅灰均不能使其与水泥水化物之间的特定化学反应达到最佳。因此,硅灰的掺入提升了透水混凝土抗冻性,且最优掺量为10%,冻融循环次数可达120次。

图8 硅灰改性混凝土质量

图9 硅灰改性混凝土质量损失率

2.3.2玄武岩纤维对冻融循环试验结果的影响

硅灰-玄武岩纤维改性混凝土质量及质量损失率如图10和图11所示。由图8和图10可知,对于任何形式的透水混凝土而言,混凝土抗冻性均随着冻融次数增加而逐渐劣化。根据图11可以看出,当掺入适量纤维时,试件质量损失率随着纤维掺量的增加而下降,因为纤维的掺入会与骨料融合形成纤维骨架网结构,产生抵抗裂缝拓展的特殊应力,抵御冻融膨胀收缩产生的拉力,阻止结构内部裂缝的出现与蔓延,进而达到质量损失率减少的效果。但当纤维掺量过高时,多余的纤维则聚拢成团分布在结构内部,使得胶凝材料与骨料纤维网接触面积变少,最终导致抗冻性变差,质量损失率增加。由此可见,掺入适量的玄武岩纤维可以抑制裂缝扩散,提升透水混凝土耐久性。

3 结论

通过分析硅灰以及玄武岩纤维对透水混凝土性能的影响,可得到以下结论:

3.1 硅灰的掺入可以提高透水混凝土的抗压强度,适量的硅灰可使混凝土强度达到最优。采用等体积法制备的试件孔隙率并未随着硅灰的掺入而发生巨大改变。

3.2 掺入适量的玄武岩纤维可在不影响透水混凝土渗透性的前提下进一步提升其强度,但过量的纤维会同时损失强度与渗透性能。

3.3 硅灰及玄武岩纤维的掺入显著提高了透水混凝土的抗冻性能,但掺入过量的硅灰和纤维会导致材料耐久性退化,造成资源浪费。

3.4 通过试验探究得出硅灰的最优掺量为10%、玄武岩纤维的最优掺量为2 kg·m-3。此时,改性透水混凝土的渗透性良好,强度与抗冻性能达到最优。