碳纖維透水混凝土強度試驗研究

汪 慶，王小笑，羅梓茗，唐少龍，萬思源

(江西省水利科學研究院，江西 南昌 330029)

0 引 言

透水混凝土并不是現(xiàn)代新式材料，早在約150年前，歐洲就已經開始進行對多孔水泥混凝土的制備，制造出許多預制混凝土構件，并將它用于對房屋的建設[1，2]。目前，國內的某些設計院、科研院所，相關大學對透水混凝土進行了相關研究。例如，依托于國建局，中建科研院在1993年研究了透水混凝土與透水磚的研究，并且進行了實際的試點應用，取得了很好的評價[3，4]。1998年交通運輸部鑒定，專家認為鋪筑的透水混凝土磚技術具有國際先進水平[5]。目前各大設計院以及科研部門對于透水混凝土的綠色環(huán)保功能十分青睞，已經在一線城市進行了推廣[6，7]。20世紀90年代，經濟迅速發(fā)展，在透水混凝土中加入外加劑以及增強劑，可以大幅度的提高混凝土的強度[8]。長安大學的王秉綱教授和鄭木蓮博士在1999年做過多孔水泥混凝土排水基層的相關研究，給出了水泥穩(wěn)定碎石排水基層的建議級配，采用正交試驗法和均勻設計法分別對振動成型和插搗成型多孔水泥混凝土進行研究，并提出相應的配合比設計方法[9-11]。

本文通過查閱文獻，了解碳纖維混凝土蓋板的使用功能及制作所需原材料的參數(shù)、性能指標，分析透水混凝土的強度形成機理以及透水機理。通過室內試驗判斷和確定所需儀器、制作方法等，進行多組力學性能試驗和透水性能試驗，根據(jù)數(shù)據(jù)分析不同水灰比、碳纖維體積率以及孔隙率對碳纖維透水混凝土的水力學性能影響規(guī)律；深入研究碳纖維透水混凝土強度與透水性能之間的關系，得出滿足要求的最優(yōu)配合比。

1 試驗設計

1.1 試驗材料及主要性能

透水混凝土一般是由水泥、水、粗骨料、少量或者沒有細集料、化學添加劑等攪拌成的具有多孔隙的混凝土。由于透水混凝土形成過程以及力學性能以及透水性能要求等方面較普通混凝土要求嚴格，所以對原材料的選擇，主要從水泥強度等級、粗骨料粒徑及外加劑添加等方面考慮。

水泥：配制C25以下的混凝土，主要選用強度等級32.5以下硅酸鹽水泥；配制C30以上的混凝土宜選用強度等級42.5及以上的水泥；本文主要選用混凝土強度等級為C30。

粗集料：粗骨料分為連續(xù)級配、間斷級配和單粒級配。從力學強度來看，連續(xù)級配高于間斷級配和單粒級配，從透水性能上看，單粒級配和間斷級配高于連續(xù)級配。在實際應用中應該視情況而定，透水混凝土既要滿足透水性能又要滿足力學性能，一般選用單一粒徑來制備具有較高強度透水混凝土。

水：和普通混凝土的要求一樣，透水混凝土的配置要求是：不影響混凝土的強度及耐久性；不阻礙混凝土的硬化及凝結；對混凝土表面不污染等。因此，能夠用來飲用的清潔無雜質的自來水，即可用來滿足透水混凝土的攪拌、養(yǎng)護。

碳纖維：由實驗室提供，具有強度高，模量高，易分散，導電性好的特點。

粉煤灰：粉煤灰摻加在混凝土中的作用是節(jié)約大量的水泥和細集料，減少用水量，改善混凝土拌合物的和易性，減少混凝土的徐變提高混凝土的抗?jié)B能力。

減水劑：就是減少攪拌混凝土時對水的使用量，改善砂漿的和易性、減少泌水和離析，使混凝土的強度增強。

1.2 試驗配合比設計

1.2.1 配合比設計原則

本文提出的設計方法基于《混凝土的填充包裹理論》。該理論的具體描述為在緊密堆積狀態(tài)下，骨料與骨料之間被水泥等漿體均勻粘結被包裹在一起，膠結材料硬化后，混凝土多孔堆積，就形成了具有很多孔隙的混凝土結構。

1.2.2 配合比設計參數(shù)

(1)水灰比

配合比設計過程中，水灰比是影響透水混凝土力學性能和透水性能的一個重要指標。漿體過稀過稠都會導致混凝土的強度下降。

(2)粗集料的使用量

使用的粗集料緊密堆積密度ρ1、表觀密度ρ2及集料的空隙率P0。該集料每立方米堆積狀態(tài)下的質量就是混凝土粗集料的使用量，考慮到理論上和實際上的差異性，一般要乘以折減系數(shù)0.98。

(3)目標孔隙率

目標孔隙率主要影響著透水混凝土的透水系數(shù)，且對目標孔隙率的選定直接關系到實際中的孔隙情況變化。根據(jù)現(xiàn)有的資料選取10%、15%、20%作為本文的三種目標孔隙率。

(4)碳纖維體積率

和普通混凝土相比，透水混凝土強度上明顯不足，特別是體現(xiàn)在抗折強度上，因此在透水混凝土中摻入碳纖維，對增強混凝土的強度作用巨大。根據(jù)現(xiàn)有的資料選取的碳纖維直徑為7 μm，長度為10 mm，碳纖維體積率為 0%、1.0%、1.5%、2.0%。

1.3 試驗方法

攪拌工藝：將1/2的粗集料、水泥、粉煤灰、減水劑、50%～60%的水混合均勻攪拌2 min，隨后再加入粗骨料以及剩下的水攪拌3 min。

試塊制作及養(yǎng)護：利用上述攪拌方式攪拌后，分3層裝模，每層用搗棒插搗10次，加以人工輕輕振動，填滿后微微磨平。自然養(yǎng)護24 h后拆模。尺寸是100×100×100 mm3的試件用于試驗的抗壓、抗折強度；每組試驗做6個試件，3個用于抗壓試驗，3個用于透水試驗；尺寸為100×100×400 mm3的試塊用于抗折試驗，每組試驗做3個試件。

采用自然養(yǎng)護，由于用于試驗的所有試件均是在夏季完成，溫度較高，在35C°左右，所以試件脫模成型后，應該放在陰涼處，用塑料薄膜覆蓋，并且每間隔24 h灑水一次，連續(xù)灑水7天。

2 混凝土強度試驗研究

2.1 孔隙率對透水混凝土抗壓強度的影響

透水混凝土有3種孔隙：外部完全封閉，內部有空隙的孔；外部開口，內部不連續(xù)的孔；上下貫通，連續(xù)的孔。正是由于孔隙上下貫通才能夠保證透水混凝土的透水性，但也是導致混凝土強度降低的原因，因此為了保證混凝土的強度以及透水性，合理選擇孔隙率十分重要。由于上一小節(jié)研究了碳纖維體積率與抗壓強度的關系，確定了碳纖維體積率為1%～1.5%時能夠滿足透水蓋板的路用性能，因此選取碳纖維體積率為1%～1.5%；水灰比為0.20，0.25，0.30，0.35；孔隙率10%，15%，20%不同情況下的試驗，得出以下數(shù)據(jù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制孔隙率與抗壓強度的關系曲線圖。

(1)碳纖維體積率為1%時，孔隙率與抗壓強度的關系如表1，圖1。

表1 孔隙率與抗壓強度的關系(碳纖維體積率為1%)

圖1 孔隙率與抗壓強度的關系(碳纖維體積率為1%)

從表1和圖1觀察到，在碳纖維體積率為1%，孔隙率為10%，15%，20%的條件下，分析關系曲線的整體分布趨勢，抗壓強度隨著孔隙率的增大而減小。水灰比為0.20和0.30時，由圖中曲線得出混凝土的抗壓強度幅度變化幾乎一致，表明孔隙率在10%～15%之間，混凝土抗壓強度減弱不明顯。水灰比為0.25和0.35時，孔隙率在10%～15%之間，混凝土抗壓強度幅度變化大，為17.3%和10.2%，孔隙率在15%～20%之間，混凝土抗壓強度幅度變化小，為3.5%和4.3%，表明隨著孔隙率的增大，混凝土強度變化趨于穩(wěn)定。觀察到水灰比為0.35時，混凝土的抗壓強度要遠小于其他水灰比下的抗壓強度，因此在進行混凝土蓋板配比時，為保證混凝土強度盡量減少水灰比數(shù)值。

(2)碳纖維體積率為1.5%時，孔隙率與抗壓強度的關系如表2，圖2。

表2 孔隙率與抗壓強度的關系(碳纖維體積率為1.5%)

圖2 孔隙率與抗壓強度的關系(碳纖維體積率為1.5%)

從表2和圖2觀察到，在碳纖維體積率為1.5%，孔隙率為10%，15%，20%的條件下，分析關系曲線的整體分布趨勢是抗壓強度隨著孔隙率的增大而減小。與圖1曲線不同，圖2的曲線變化更加平順。水灰比不同，孔隙率為10%～15%之間時，混凝土的抗壓強度幅度變化小，表明混凝土抗壓強度減弱不明顯；孔隙率為15%～20%之間時，混凝土強度變化幅度較大，表明混凝土抗壓強度減弱明顯，因此碳纖維體積率為1.5%時，孔隙率控制在10%～15%之間，混凝土的抗壓強度較大，能夠更好地滿足混凝土蓋板的路用性能。

綜合以上兩組試驗數(shù)據(jù)分析，為了保證混凝土透水蓋板的抗壓強度滿足路用性能，應盡量選擇孔隙率為10%～15%配制透水混凝土。根據(jù)圖2得出，水灰比為0.35時，混凝土的抗壓強度要遠小于其他水灰比下的抗壓強度，故在配制透水混凝土時應該盡量減少水灰比值。

2.2 水灰比對透水混凝土抗折強度的影響

(1)孔隙率為10%時，水灰比與抗折強度的關系如表3，圖3。

表3 水灰比與抗折強度的關系(孔隙率為10%)

圖3 水灰比與抗折強度的關系(孔隙率為10%)

從表3和圖3觀察到在同一條曲線下，即在固定的碳纖維體積率下，曲線的整體趨勢是混凝土的抗折強度隨著水灰比的變化先增大后減小，除碳纖維體積率為2.0%的曲線外，其它三條曲線均在水灰比0.30處混凝土抗折強度達到峰值。水灰比為0.20～0.25時，試塊抗折強度上升幅度為26.7%，13.1%，12.6%，10.7%；水灰比為0.25～0.30時，抗折強度上升幅度為10.9%，11.3%，10.6%；7.1%；水灰比為0.30～0.35之間時，抗折強度下降幅度18.1%，11.4%，12.8%，8%，水灰比為0.25～0.30時，幅度變化相對較小，說明水灰比為0.25～0.30時，混凝土的抗折強度增強不明顯，強度趨于穩(wěn)定。同時發(fā)現(xiàn)在水灰比相同時，碳纖維體積率為0%的曲線與其它曲線數(shù)值差距較大，表明水灰比相同時，碳纖維的摻入對混凝土的抗折強度影響很大。為了滿足混凝土蓋板的路用性能，水灰比盡量在0.25～0.30之間。

(2)孔隙率為15%時，水灰比與抗折強度的關系如表4，圖4。

表4 水灰比與抗折強度的關系(孔隙率為15%)

圖4 水灰比與抗折強度的關系(孔隙率為15%)

從表4和圖4觀察到，碳纖維體積率為1.5%、2.0%時，曲線的趨勢是混凝土的抗折強度隨著水灰比的增大先增大后減小，水灰比0.3時達到峰值。水灰比為0.2～0.3之間時碳纖維體積率為1.5%的曲線增加幅度明顯大于碳纖維體積率為2.0%的曲線幅度，表明水灰比一定的情況下，碳纖維體積率為1.5%的混凝土抗折強度的彎拉性能更好；碳纖維體積率為0、1.0%時曲線的趨勢是隨著水灰比的增加而增加，水灰比為0.30～0.35之間時曲線趨勢增加不再明顯，表明水灰比達到一定值時混凝土的抗折強度難以再增強。與圖3相似，水灰比相同時，碳纖維體積率為0%的曲線與其它曲線數(shù)值差距較大，表明水灰比相同時，碳纖維的摻入對混凝土的抗折強度影響很大。結合圖中的四條曲線趨勢，在對透水混凝土蓋板設計時，水灰比盡量控制在0.25～0.30之間。

(3)孔隙率為20%時，水灰比與抗折強度的關系如表5，圖5。

表5 水灰比與抗折強度的關系(孔隙率為20%)

圖5 水灰比與抗折強度的關系(孔隙率為20%)

從表5和圖5觀察到，在同一條曲線下，即在固定的碳纖維體積率下，曲線的整體趨勢是混凝土的抗折強度隨著水灰比的變化先增大后減小，均在水灰比0.30處混凝土抗折強度達到峰值。碳纖維體積率為0、1.0%、1.5%時，3條曲線的變化趨勢相似，表明水灰比對抗折強度的影響與碳纖維的量關系不大。水灰比0.25～0.30之間，混凝土抗折強度幅度變化較大，表明在此區(qū)間的水灰比內，改變水灰比的大小能夠更好地改變混凝土扥抗折強度。碳纖維體積率為2.0%時，曲線整體幅度變化很小，表明碳纖維體積率較大的情況下，水灰比的增加并不能使混凝土的抗折強度增大，也就是說應盡量減少混凝土中碳纖維的摻量。與圖3、4相似，水灰比相同時，碳纖維體積率為0%的曲線與其它曲線數(shù)值差距較大，表明水灰比相同時，碳纖維的摻入對混凝土的抗折強度影響很大。

綜合以上3組試驗數(shù)據(jù)分析，為了保證混凝土透水蓋板的抗折強度滿足路用性能，應盡量選擇水灰比為0.25～0.30配制透水混凝土。

3 結 論

(1)選用質量法來測試的實測孔隙率與目標孔隙率幾乎完全符合，水灰比為0.30時，目標孔隙率與實測孔隙率的符合度最為接近，其次水灰比為0.20。碳纖維體積率為1 %時目標孔隙率與實測孔隙率符合度最高，其次為碳纖維體積率為1.5%。

(2)綜合抗壓、抗折試驗數(shù)據(jù)，混凝土抗壓、抗折強度隨著碳纖維體積率的增加先增大后減小，在碳纖維體積率為1.5%時達到峰值，為了保證混凝土透水蓋板的抗壓、抗折強度滿足路用性能以及兼顧經濟性，應盡量選擇碳纖維體積率為1%～1.5%配制透水混凝土。

(3)綜合抗壓、抗折試驗數(shù)據(jù)，混凝土的抗壓、抗折強度隨著孔隙率的增大而減小，為了保證混凝土透水蓋板的抗壓、抗折強度滿足路用性能，應盡量選擇孔隙率為10%～15%配制透水混凝土。