鋼纖維透水混凝土性能研究

王 博，劉 飛，王飛宇，梁 輝，姚文山

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

0 引言

我國城市建設的人行道、自行車道、公園、庭院及公共廣場路面，仍以不透水的石板材、柏油瀝青和鋼筋混凝土為主。此類傳統路面施工工藝成熟、鋪裝簡單，但硬化路面無滲透雨水的能力，缺乏呼吸性，對生態環境影響較大。而透水混凝土路面，由于強度較低、耐磨性能差等原因，導致路面使用年限低，不能得到廣泛應用。針對上述問題，需不斷改進研究透水混凝土，最大程度減輕環境負擔、提高透水混凝土性能，實現建筑與自然環境協調共生。

1 透水混凝土概況

1.1 結構特征

透水混凝土由水、水泥、粗集料組成，采用單粒級粗集料作為骨架，水泥凈漿中加入少量細集料的砂漿薄層包裹在粗集料顆粒表面，作為集料顆粒間的膠結層，集料顆粒通過硬化水泥漿薄層膠結成多孔的堆積結構，因此混凝土內部存在大量連通孔隙，且多為直徑>1mm的大孔。透水混凝土具有良好的透水性和透氣性，當降雨或綠化噴灑時，水流能及時沿連通孔隙通道滲入地下或導流，避免表面積水。透水混凝土內部結構模型如圖1所示。

圖1 透水混凝土內部結構模型

根據結構模型可知，透水混凝土受力時，通過集料間的膠結點傳遞作用力，由于集料本身強度較高，水泥凝膠層很薄，水泥凝膠體與粗集料界面間的膠結面積小，集料顆粒間的連接點處被破壞，因此在保證一定孔隙率的前提下，增加膠結點面積，提高膠結層強度是提高透水混凝土強度的關鍵。

1.2 優缺點

1)透水性路面能使雨水迅速滲入路基，使地下水資源得到及時補充，以保持土壤濕度，改善城市地表植物和土壤微生物的生存條件。透水混凝土可增加城市土壤與外界環境的水、氣交換，明顯增加土壤有效養分含量，提高土壤養分利用率。還可降低土壤溫度、鹽分含量和pH值。

2)透水性路面具有較大的孔隙率，與土壤相通，能蓄積較多熱量，有利于調節城市空間濕度和溫度，減輕熱島現象。同時改善水分供應狀況，提高土壤含水率，節約灌溉用水。

3)當集中降雨時，能減輕排水設施的負擔，減少路面積水和夜間反光，避免輪胎與路面形成水膜，縮短剎車距離，提高車輛、行人通行舒適性與安全性。結構空隙構造能吸收車輛行使時產生的噪聲，創造安靜舒適的交通環境。

4)由透水混凝土本身構造可知，內部空隙可很大程度降低結構抗壓性能及耐磨性能。

2 透水混凝土試驗

2.1 配合比及鋼纖維摻量設計

透水性生態路面應滿足強度和滲透性，粗集料的顆粒級配是決定這兩個性能的主要因素之一。若集料級配不良，則透水系數大，強度偏低；反之，如果粗細集料達到最佳配合比，孔隙很少，則強度提高而滲透性極差。當水泥用量一定時，增大骨灰比，集料顆粒表面水泥漿厚度變薄，孔隙率增加，透水性提高，但強度卻降低；反之，則透水性降低，強度提高。因此，針對強度與滲透性兩個對立指標，選擇0.3，0.37水膠比，對混凝土的最佳配合比進行試驗。

為增加抗壓性能及耐磨性能，本試驗加入鋼纖維，以加強粗集料間的聯系，可認為增加集料與膠凝材料間的接觸面積，并提高混凝土整體性，以增加強度。制作鋼纖維摻量梯度試塊后，進行強度測定，確定最高強度下摻入的鋼纖維量。

1)水泥 為提高透水混凝土強度，本試驗采用P·O 42.5水泥。

2)粗集料 集料質量對透水混凝土強度及透水性有較大影響。集料應采用天然碎石或破碎后的卵石，粒徑均勻潔凈，粒徑范圍在10～16mm，針片狀顆粒占比<5%，含泥量<1%，壓碎值<20%。

3)鋼纖維 選用可使接觸面積增加到最大的波紋狀鋼纖維，截面為弓形，外觀為波浪形，長30mm,寬2.0～2.6mm,厚0.5～1.0mm,波長3mm,波高(2±0.2)mm，鋼纖維抗拉強度>750MPa。

2.2 透水混凝土制備工藝

影響透水混凝土強度及透水性能的主要因素有水灰比、粗集料級配、鋼纖維摻量、成型密實方法、養護條件等。在前期探索性試驗基礎上，選擇水灰比和鋼纖維摻量作為影響因素進行正交試驗。

1)將石子、鋼纖維與30%的水預拌30s，然后倒入水泥和50%的水，繼續攪拌60s，隨后加入剩余水，繼續攪拌60s，整個過程共150s。

2)將混凝土裝入150mm×150mm×150mm試模中，在振動臺上振搗15～20s，然后用鐵棒整平試塊表面，最后再振搗5s。

3)試塊在標準養護室養護3d后拆模，然后將試塊繼續養護至齡期。

4)采用特制裝置測定透水混凝土透水系數，如圖2所示。裝置采用非恒壓法，先密封試塊4個面，使成型面作為測試表面，將液體從200mm處自由下滲，測得液體全部滲漏所需時間和透水系數。

圖2 透水系數測定裝置

5)透水混凝土抗壓強度按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測定。

2.3 試驗數據記錄

鋼纖維透水混凝土性能試驗共設計7個配合比，每個配合比做7個鋼纖維摻量，同配合比、同鋼纖維摻量做3組試塊，取試驗有效值，試塊抗壓強度及透水系數如表1所示。

表1 試塊抗壓強度及透水系數

3 試驗結果分析

不同配合比的抗壓強度如圖3所示。

圖3 不同配合比的抗壓強度

1)由圖3可知，同一鋼纖維摻量，同一水灰比(0.37∶1)的抗壓強度隨粗集料占比降低而提高。

2)當鋼纖維摻量<90g時，同一配合比的試塊抗壓強度隨鋼纖維摻量增加而提高。觀察試塊破壞截面，可發現隨著鋼纖維摻量增加，集料間的搭接相對較多，故強度不斷提高。

3)當鋼纖維摻量達到90g時，試塊抗壓強度達到極值，當繼續增加鋼纖維摻量時，抗壓強度沒有明顯增加，甚至存在下降情況。觀察試塊破壞截面，可發現鋼纖維摻量達150g時，出現鋼纖維重疊或聚積情況，限制振搗時集料的密實，降低集料間的搭接，故強度降低。

4)本次試驗最優配合比為配合比5(石灰∶水∶粗集料=1∶0.30∶3.9)。

不同配合比下的透水系數如圖4所示，水灰比差異的影響如圖5所示。

圖4 不同配合比下的透水系數

圖5 水灰比差異的影響

5)分析圖4可知，配合比1～3的水灰比一致，配合比4～7的水灰比一致，即同一鋼纖維摻量的試塊，透水系數隨集料占比降低逐漸降低，即粗集料比例降低，空隙率降低，透水系數減小。

6)配合比3，4間的透水系數有明顯突變，配合比3，4的區別在于水灰比不同。配合比1～3的水灰比較大，使水泥漿體流動性偏大，振搗時漿體在短時間內到達試塊底部，底部出現一層薄的密實層，使水流在下滲過程中受較大阻力，影響透水系數。

7)圖5中，粗集料摻量相同，水灰比不同，當鋼纖維摻量不大時，配合比3的抗壓強度高于配合比4的抗壓強度。這是由于鋼纖維摻量較少時，作用不明顯，對抗壓強度的提高作用不明顯。同時沒有細集料，導致水泥漿對粗集料的包裹有限，使鋼纖維摻量較少時，試塊抗壓強度離散性較明顯。

8)由于試塊空隙比普通混凝土試塊孔隙率大，振搗時不易振實，即振搗時間對試塊密實度有較大影響。當鋼纖維摻量>50g時，降低水灰比，主要是由于水泥成分增加，使集料間的膠結面積增加，集料間的膠結力增大，故試塊抗壓強度提高。

4 結語

4.1結論

1)在試塊制備和養護條件均相同的情況下，配合比、鋼纖維摻量、孔隙率均是影響透水混凝土透水性和抗壓強度的因素。通過水灰比控制集料包裹程度，配合比控制孔隙率，再調配適度鋼纖維摻量，使鋼纖維透水混凝土達到最優性能。當集料選用粒徑10～16mm的石子，水灰比為0.3時可達最優。當配合比超過1∶0.3∶3.9時，抗壓強度增加不明顯，可摻入細集料提高強度。

2)通過試驗研究，鋼纖維的加入對透水系數影響較小，摻入適量鋼纖維，可改善透水混凝土工作性能。當摻量>120g時，抗壓強度增加不顯著。從經濟和技術方面考慮，標準試塊中，鋼纖維摻量為90～120g時可達最優，抗壓強度可提高10%～25%。

3)同一鋼纖維摻量、同一水灰比，抗壓強度由于粗集料占比降低而提高。當鋼纖維摻量過高時，出現鋼纖維重疊或聚積情況，限制振搗時集料的密實，降低集料間的搭接，故強度降低。當鋼纖維摻量過低時，導致水泥漿對粗集料包裹有限，使鋼纖維摻量少時試塊抗壓強度的離散性較明顯。同一鋼纖維摻量的試塊透水系數隨集料占比降低逐漸降低，即粗集料比例降低，空隙率降低，透水系數減小。

4.2 展望

本試驗對透水混凝土的相關性能進行研究，由于透水混凝土結構較復雜、性能影響因素較多，還需更深入的研究。

本文針對鋼纖維水泥透水混凝土進行試驗研究，如瀝青透水混凝土、碳纖維摻料透水混凝土等均可作為研究課題，對不同摻量透水混凝土進行對比分析，研究各自適合的路況。本試驗測試透水系數的裝置還有待進一步完善，此裝置適合小規模測試，實際應用中進行不斷優化有利于探索最優配合比。透水混凝土的維護、易開裂和路面孔隙內雜質的清洗同樣值得進一步深入研究。