干掺纤维再生透水混凝土强度、透水性和耐磨性研究.pdf

96李 莉 干掺纤维再生透水混凝土强度、透水性和耐磨性研究干掺纤维再生透水混凝土强度、透水性和耐磨性研究李 莉（河南光大路建工程管理有限公司，河南平顶山 467000）摘要：为提高透水再生混凝土工程性能，对比研究了干掺玄武岩纤维和聚丙烯纤维对再生透水混凝土强度特性、透水性及耐磨性影响规律。研究结果表明：再生透水混凝土掺入纤维后抗拉强度提高，聚丙烯纤维再生混凝土抗压强度呈降低趋势变化，玄武岩纤维掺量 0.3%时，再生透水混凝土抗压强度取得最大值，较未掺纤维再生透水混凝土抗压强度提高 9.7%；纤维掺量超过 0.43%时，掺聚丙烯纤维较玄武岩纤维再生透水混凝土抗拉性能要优；纤维掺量对再生混凝土孔隙率和透水系数影响较小，且满足 CJJ/T 135-2009 中透水混凝土设计要求；再生混凝土掺入纤维后的质量磨耗率减小，在玄武岩纤维掺量 0.5%时，再生混凝土质量磨耗率取得最小值，较未掺纤维再生混凝土磨耗率降低29.2%；纤维掺量超过 0.3%时，掺聚丙烯纤维较玄武岩纤维对再生混凝土耐磨性促进作用提高。建议玄武岩纤维最佳掺量为 0.5%，聚丙烯纤维最佳掺量为 0.7%。关键词：玄武岩纤维；聚丙烯纤维；再生透水混凝土；强度；透水性，耐磨性中图分类号：TU 528Research on the Strength,Permeability and Wear Resistance of Dry-doped Fiber Recycled Permeable ConcreteLI Li(Henan Guangda Road Construction Engineering Management Co.,LTD.,Pingdingshan 467000,Henan,China)Abstract:In order to improve the engineering performance of permeable reclaimed concrete,the influence of dry-doped basalt fi ber and polypropylene fi ber on the strength characteristics,permeability and wear resistance of recycled permeable concrete were compared.The results show that the tensile strength of regenerated permeable concrete is increased after being incorporated into fibers,and the compressive strength of polypropylene fiber regenerated concrete shows a decreasing trend,and the compressive strength of regenerated permeable concrete is maximized when the basalt fi ber is mixed with 0.3%,which is 9.7%higher than that of unadded fi ber regenerated permeable concrete.When the fi ber dosage exceeds 0.43%,the polypropylene-doped fi ber concrete has better tensile performance than the basalt fi ber regenerated permeable concrete.The infl uence of fi ber content on the porosity and permeability coeffi cient of recycled concrete is relatively small,and it meets the design requirements of permeable concrete in CJJ/T 135-2009.The quality wear rate of recycled concrete decreases after adding fi bers.When the content of basalt fi bers is 0.5%,the quality wear rate of recycled concrete reaches the minimum value,which is 29.2%lower than that of recycled concrete.without fi bers.When the fi ber content exceeds 0.3%,the promotion eff ect of polypropylene fi ber on the wear resistance of recycled concrete is higher than that of basalt fiber.It is recommended that the optimal dosage of basalt fiber is 0.5%,and the optimal dosage of polypropylene fi ber is 0.7%.Key words:basalt fi ber;polypropylene fi ber;recycled permeable concrete;strength;water permeability;wear resistance随着我国城镇化建设速度加快，新老建筑不断更替，产生大量建筑垃圾，且传统混凝土建筑材料恶化了地表生态环境，暴雨天气下城市易出现严重内涝1-4。因此，透水材料和建筑垃圾的有效结合可实现海绵城市建设及资源可持续发展。透水混凝土由水泥、水及粗集料拌制而成，孔隙率大、渗水速率高，较普通混凝土具有良好的透水、降噪性能，改善地表土壤湿度与温度5-6。而透水混凝土强度相对较低，主要由水泥浆与集料的物理化学作用组成，集料强度一般高于水泥浆及水泥浆与集料间的强度7-8，故可选用再生集料制备透水混凝土。为提高再生集料利用率，改善透水混凝土工程性能，国内对再生透水混凝土开展了一定研究。陈守开8、郭磊9等分别研究了钢纤维、聚丙烯纤维对再生透水混凝土力学强度和透水性影响规律。黄军福等10研究表明，干掺PVA 纤维在混凝土中分散效果良好，较湿掺法提高再生混凝土力学强度显著。而针对不同地区，透水混凝土混合料级配、孔隙率、强度等指标设计要求不一，且再生集料破碎程度不一，技术性质存在差异。对此，笔者选用玄武岩纤维和聚丙烯纤维对再生混凝土进行改性，通过室内试验研究纤维再生混凝土强度特性、透水性及耐磨性，并确定聚丙烯纤维和玄武岩纤维在再生混凝土中的最佳掺量，以期为作者简介：李莉，本科，高级工程师，主要从事道路桥梁方向研究工作。合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 3 期97实体工程提供参考。1 原材料与试验方案1.1 原材料水泥选用 P.O42.5 级普通硅酸盐水泥，技术性质见表 1。粗集料选用破碎机破碎的混凝土路面再生集料和石灰岩碎石，粒径为 9.516 mm 和 4.759.5 mm，技术性质见表 2。纤维选用玄武岩纤维和聚丙烯纤维，技术性质见表 3。试验拌和用水选用自来水。表 1 水泥技术性质Table 1 Technical properties of cement项目比表面积/(m3kg-1)凝结时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa初凝终凝3d28d3d28d测试值346.520031024.6857.164.749.52规定值3004560017.042.53.56.5表 2 再生集料与天然集料技术性质Table 2 Technical properties of recycled aggregate and natural aggregate集料表观密度/(gcm-3)吸水率/%空隙率/%压碎值/%再生集料2.6120.5846.8715.45天然集料2.7310.1240.959.35表 3 纤维技术性质Table 3 Technical properties of fiber纤维长度/mm 密度/(gcm-3)抗拉强度/MPa 拉伸模量/GPa 断裂伸长率/%玄武岩纤维62.6435101751.6聚丙烯纤维60.925604.0627.81.2 试验方案1.2.1 配合比设计掺纤维再生透水混凝土和普通透水混凝土配合比见表 4，水灰比为 0.3012-13。纤维采用干掺法，即纤维与水泥拌和均匀后，再依次加入集料和水进行拌和。纤维掺量为纤维体积与混合料体积的百分比。试件尺寸为150mm150mm150mm，养生龄期为 28d。表 4 配合比设计方案Table 4 Mix design scheme试件类型再生集料(kgm-3)天然集料(kgm-3)水泥(kgm-3)水(kgm-3)4.759 mm 9.516 mm 4.759 mm 9.516 mm普通透水混凝土00737.07737.07327.5998.28再生透水混凝土737.07737.0700327.5998.28掺纤维再生透水混凝土737.07737.0700327.5998.281.2.2 方案设计基于水泥混凝土路面工程性能，通过室内无侧限抗压强度试验、劈裂抗拉试验、孔隙率试验、渗水试验及耐磨性试验，对比研究纤维再生透水混凝土与普通透水混凝土强度特性、透水性及耐磨性，分析纤维类型及掺量对再生透水混凝土强度、透水性及耐磨性影响规律。试验中，拟纤维掺量为 0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%。每组试验采用 3 个平行试件，养生龄期为 28d。1.2.3 性能测试方法（1）强度特性采用抗压强度和抗拉强度评价纤维再生透水混凝土和普通透水混凝土强度特性，试验方法参照公路工程水泥及水泥混凝土试验规程（JTG 3420-2020）抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验。试验仪器选用液压伺服万能试验机 WAW-1000，加载速率为 0.3MPa/s。（2）透水性采用连续孔隙率（简称孔隙率）和透水系数评价纤维再生透水混凝土和普通透水混凝土透水性，试验方法分别参照再生骨料透水混凝土应用技术规程（CJJ/T 253-2016）连续孔隙率试验和透水水泥混凝土路面技术规程（CJJ/T 135-2009）固定水头渗水试验。为保证水从试件顶面渗入，试件侧面及四周分别涂抹水泥胶浆和橡胶填缝剂密封，待试件底部渗水量均匀稳定时，调整进水量，保持透水装置水位恒定，并记录 5min 内试件渗水量，计算透水系数。（3）耐磨性采用质量磨耗率评价纤维再生透水混凝土和普通透水混凝土耐磨性，试验方法参照 公路工程集料试验规程（JTG E42-2005）洛杉矶磨耗试验，计算质量磨耗率。试验中，洛杉矶磨耗机旋转速率为 30r/min，旋转次数为500r。2 试验结果与分析2.1 强度特性纤维再生透水混凝土强度试验结果如图 1 所示。普通透水混凝土抗压强度和抗拉强度分别为6.24MPa、1.60MPa。0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.02345678910?0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.60.91.21.51.82.1?(a)纤维掺量 再生透水混凝土抗压强度关系 (b)纤维掺量 再生透水混凝土抗拉强度关系图 1 纤维再生透水混凝土强度试验结果Fig.1 Strength test results of fiber recycled pervious concrete由图 1 可知：（1）随玄武岩纤维掺量增加，再生透水混凝土抗压强度先提高后降低，在纤维掺量 0.3%时，其抗压强度取得最大值，为 8.85MPa，较未掺纤维再生透水混凝土抗压强度提高 9.7%；当纤维掺量 0.5%，再生透水混凝土抗压强度与纤维掺量呈线性负相关，相关系数为 0.996，可以看出 0.55%纤维掺量的再生透水混凝土抗压强度与未掺纤维再生透水混凝土抗压强度相当，0.78%纤维掺量的再生透水混凝土抗压强度与普通透水混凝土抗压强度相当。而再生透水混凝土掺入聚丙烯纤维后抗压强度大致呈降低趋势规律变化，在纤维掺量 0.5%时，再生透水混凝土抗压强度最大，为 7.69MPa，较未掺纤维再生透水混凝土抗压强度降低 14.7%；在纤维掺量 0.9%时，再生透水混凝土抗压强度最小，为 6.02MPa，较未掺纤维再生透水混凝土抗压强度降低 25.4%。（2）玄武岩纤维掺量和聚丙烯纤维掺量对再生透水混凝土抗拉强度影响规律相近，且再生透水混凝土掺入纤维后抗拉强度提高，这是因为纤维抗拉强度高，提高98李 莉 干掺纤维再生透水混凝土强度、透水性和耐磨性研究混凝土韧性，能有效抑制裂缝发展。随纤维掺量增加，再生透水混凝土抗拉强度先提高后降低，在玄武岩掺量0.3%或聚丙烯纤维掺量 0.7%时，其抗拉强度取得最大值，分别为 1.73MPa 和 1.92MPa；在纤维掺量 0.43%，玄武岩纤维再生透水混凝土与聚丙烯纤维再生透水混凝土抗拉强度相当，且随纤维掺量增加，掺聚丙烯纤维再生透水混凝土抗拉性能较优。另外，与普通透水混凝土强度相比，再生透水混凝土抗压强度提高 29.3%，抗拉强度减少 18.1%，这是因为再生集料较普通集料表面粗糙，与水泥胶浆接触面积增大，结构整体性提高，而机械破碎得到的再生集料表面产生微小裂纹，结构抗拉作用减弱，易发生劈裂破坏，从而再生透水混凝土抗压强度较高，抗拉强度较低。2.2 透水性2.2.1 连续孔隙率纤维再生透水混凝土连续孔隙率如图 2 所示。普通透水混凝土连续孔隙率为 22.0%。0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.012141618202224?图 2 纤维再生透水混凝土连续孔隙率Fig.2 Continuous porosity of fiber recycled pervious concrete由图 2 可知：（1）纤维掺量对再生透水混凝土孔隙率影响较小，掺纤维的再生透水混凝土的孔隙率介于 19%22%范围内，满足 CJJ/T 135-2009 中透水混凝土孔隙率设计要求，即孔隙率 10%。在纤维掺量 0.3%0.6%时，再生透水混凝土孔隙率变化相对较明显，且玄武岩纤维和聚丙烯纤维对再生透水混凝土孔隙率影响规律不同，这是因为透水混凝土孔隙率大小主要与集料类型、粒径、级配等因素相关，且纤维掺量相对较低，从而再生透水混凝土结构内孔隙率变化不大。（2）随玄武岩纤维掺量增加，再生透水混凝土孔隙率整体呈增大趋势，0.3%玄武岩纤维掺量的再生透水混凝土孔隙率为 19.9%，与未掺纤维的再生透水混凝土孔隙率相当；0.9%玄武岩纤维掺量的再生透水混凝土孔隙率为 21.8%，与普通透水混凝土孔隙率相当。当聚丙烯纤维掺量大于 0.3%后，再生透水混凝土孔隙率及其降低幅度逐渐降低，且趋于稳定，在聚丙烯纤维掺量 0.5%时，其孔隙率为 19.6%，较未掺纤维的再生透水混凝土孔隙率降低 2%。另外，再生透水混凝土孔隙率较普通透水混凝土孔隙率降低 2%，这是因为再生集料表面有少量裂纹且表面较粗糙，拌和过程中较天然集料易产生细小微粒，填充结构孔隙，从而使得再生透水混凝土孔隙率较低。2.2.2 透水系数纤维再生透水混凝土透水系数如图 3 所示。普通透水混凝土透水系数为 4.130mm/s。由图 3 可知，纤维类型及其掺量对再生透水混凝土透水系数影响较小，玄武岩纤维再生透水混凝土与聚丙烯纤维再生透水混凝土透水系数分别介于 3.904.04 mm/s 和 4.054.16 mm/s，满足CJJ/T 135-2009 中透水混凝土透水系数设计要求，即透水系数 0.5mm/s。与未掺纤维再生透水混凝土透水系数相比，随玄武岩纤维掺量增加，再生透水混凝土透水系数先增大后降低，在玄武岩纤维掺量 0.3%时，取得最大值，为 4.035mm/s，较未掺纤维再生透水混凝土透水系数增大了 0.035mm/s；随聚丙烯纤维掺量增加，再生透水混凝土透水系数逐渐增大，而增大速率不断减小，在聚丙烯纤维掺量 0.9%时，其透水系数为 4.152mm/s，较未掺纤维再生透水混凝土透水系数增大了 0.152mm/s，这是因为混凝土透水系数与结构孔隙率相关，因此再生透水混凝土掺入纤维后透水系数变化幅度较小，且再生透水混凝土透水系数低于普通透水混凝土透水系数。0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.03.03.23.43.63.84.04.24.4?图 3 纤维再生透水混凝土透水系数Fig.3 Permeability coefficient of fiber recycled pervious concrete2.3 耐磨性纤维再生透水混凝土质量磨耗率如图 4 所示。普通透水混凝土质量磨耗率为 27.13%。0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.018202224262830?图 4 纤维再生透水混凝土质量磨耗率Fig.4 Mass wear rate of fiber recycled pervious concrete由图 4 可知：（1）再生透水混凝土掺入纤维后的质量磨耗率减小，且低于普通透水混凝土质量磨耗率，即掺纤维利于提高再生透水混凝土耐磨性，这是因为纤维、水泥浆、集料间相互形成网状结构，增强结构整体性，从而混凝土耐磨性提高。（2）掺玄武岩纤维再生透水混凝土质量磨耗率随纤维掺量增加呈先降低后增大趋势变化，在玄武岩纤维掺量 0.5%时，其质量磨耗率取得最小值 20.56%，较未掺纤维的再生透水混凝土磨耗率降低了 29.2%；在玄武岩纤维掺量 0.9%时，其质量磨耗率为 22.72%，较未掺纤维的再生透水混凝土磨耗率降低了 21.8%。同时，玄武岩纤维掺量 0.5%时，再生透水混凝土磨耗率与纤维掺量呈线性负相关，纤维掺量每增加 0.1%，其磨耗率平均降低 5.8%；玄武岩纤维掺量 0.5%时，再生透水混凝土磨耗率与纤维掺量呈线性正相关，纤维掺量每增加 0.1%，?114?114辛 明 等 新型超分子化合物的合成应用研究新进展分子化学学术讨论会论文集.呼伦贝尔:内蒙古大学,呼伦贝尔学院,2018:501-502.18 BALCH A L.Dynamic Crystals:Visually Detected Mechanochemical Changes in the Luminescence of Gold and Other Transition-Metal ComplexesJ.Angew.Chem.Int.Ed.,2009,48(15):2641-2644.19 YUAN W Z,TAN Y,GONG Y,et al.Synergy between Twisted Conformation and Effective Intermolecular Interactions:Strategy for Efficient Mechanochromic Luminogens with High ContrastJ.Adv.Mater.,2013,25(20):2837-2843.20 吴敏,李赛,郑涵文,等.系列酰腙化合物的超分子组装、力致发光变色和 Al(III)及 Zn(II)的荧光传感器 C/中国化学会.全国第十九届大环化学暨第十一届超分子化学学术讨论会论文集.呼伦贝尔:内蒙古大学,呼伦贝尔学院,2018:503-504.21 HARTL R,KERSCHNERA H,LEPUSCHITZ S,et al.Detection of the mcr-1 Gene in a Multidrug-Resistant Escherichia coli Isolate from an Austrian PatientJ.Antimicrob.Agents Ch.,2017,61(4):https:/doi.org/10.1128/AAC.02623-16.22 TIAN T,SONG Y,WEI L,et al.Reversible manipulation of the G-quadruplex structures and enzymatic reactions through supramolecular hostguest interactionsJ.Nucleic Acids Res.,2017,45(5):2283-2293.23 苑立博,罗沛如,付相衡,等.大环多胺化合物对铜绿假单胞菌中耐药基因表达调控的研究 C/中国化学会.全国第十九届大环化学暨第十一届超分子化学学术讨论会论文集.呼伦贝尔:内蒙古大学,呼伦贝尔学院,2018:443-444.其磨耗率平均提高 2.6%。（3）随聚丙烯纤维掺量增加，再生透水混凝土磨耗率逐渐降低，在聚丙烯纤维掺量 0.9%时，其质量磨耗率为 17.12%，较未掺纤维的再生透水混凝土磨耗率降低了34.2%；且纤维掺量 0.3%时，玄武岩纤维再生透水混凝土与聚丙烯纤维再生透水混凝土质量磨耗率相当，随纤维掺量的继续增加，掺聚丙烯纤维较玄武岩纤维对再生透水混凝土耐磨性促进作用提高。基于纤维对再生透水混凝土强度特性、透水性及耐磨性影响规律可知，掺入纤维后，再生透水混凝土工程性能满足透水混凝土路面设计要求，且透水性变化较小，而纤维掺量对再生透水混凝土强度和耐磨性影响较大。因此，结合纤维再生透水混凝土强度和质量磨耗率，建议玄武岩纤维最佳掺量为 0.5%，聚丙烯纤维最佳掺量为0.7%。3 结论（1）再生透水混凝土掺入纤维后抗拉强度提高，随纤维掺量增加，玄武岩纤维再生透水混凝土抗压强度先提高后降低，聚丙烯纤维再生透水混凝土抗压强度呈降低趋势变化；玄武岩纤维掺量 0.3%或聚丙烯纤维掺量为0.5%时，再生透水混凝土抗压强度取得最大值，玄武岩纤维再生透水混凝土较未掺纤维再生透水混凝土抗压强度提高 9.7%，聚丙烯纤维再生透水混凝土抗压强度较未掺纤维再生透水混凝土降低 14.7%；纤维掺量超过 0.43%时，掺聚丙烯纤维较玄武岩纤维再生透水混凝土抗拉性能要优。（2）纤维掺量对再生混凝土孔隙率和透水系数影响较小，掺纤维的再生透水混凝土的孔隙率和透水系数分别介于 19%22%和 3.90%4.16%，满足 CJJ/T 135-2009 中透水混凝土设计要求。（3）再生透水混凝土掺入纤维后的质量磨耗率减小，且低于普通透水混凝土质量磨耗率，随纤维掺量增加，玄武岩纤维再生透水混凝土磨耗率呈先降低后增大趋势变化，聚丙烯纤维再生透水混凝土磨耗率逐渐降低，在玄武岩纤维掺量 0.5%时，质量磨耗率取得最小值；纤维掺量超过 0.3%时，掺聚丙烯纤维较玄武岩纤维对再生透水混凝土耐磨性促进作用提高。（4）基于纤维对再生透水混凝土强度特性、透水性及耐磨性影响规律，纤维掺量对再生透水混凝土强度和耐磨性影响较大，建议玄武岩纤维最佳掺量为 0.5%，聚丙烯纤维最佳掺量为 0.7%。?1 李凡,郭红兵.基于合成纤维的混凝土制备及力学性能研究 J.合成材料老化与应用,2021,50(03):94-97.2 杨利香,韩云婷,宋兴福.多因素对再生骨料透水混凝土性能的影响及其协同优化研究 J.新型建筑材料,2020,47(04):6-9,17.3 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(01):253-256.4 姚明来,陈洲,刘秦南,等.再生骨料无砂透水混凝土抗冻性能试验研究 J.三峡大学学报(自然科学版),2017,39(03):53-57.5 佟钰,赵立,马鹏毅,等.再生粗集料透水混凝土的力学强度与透水性能研究 J.混凝土,2017(09):61-63,68.6 王利莉.绿色高性能混凝土材料及其应用研究 J.合成材料老化与应用,2022,51(02):133-135.7 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,No.399(01):73-77+81.8 陈守开,杨晴,刘秋常,等.再生骨料透水混凝土强度及透水性能试验 J.农业工程学报,2017,33(15):141-146.9 郭磊,刘思源,陈守开,等.纤维改性再生骨料透水混凝土力学性能透水性和耐磨性研究 J.农业工程学报,2019,35(02):153-160.10 黄军福,王福胜,周敬勇,等.PVA 纤维对再生透水混凝土的性能影响研究 J.非金属矿,2018,41(06):98-100.?98?