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摘要：本文通過研究不同種類的短切纖維（聚丙烯纖維：PPF、聚乙烯醇纖維：PVAF和玻璃纖維：GF）以及短切PPF的摻量、長度對透水混凝土力學性能和透水性能的影響發現：當透水混凝土中摻入長度為3mm、6mm和12mm的PPF時，隨著PPF長度的增大，抗壓強度先增大后減小，當長度為12mm時，不同摻量的PPF均使抗壓強度低于空白對照組。此外，透水混凝土的抗折強度隨PPF長度和摻量的增大而增大。不同長度和摻量的短切PPF均導致空隙率和透水系數的減小。當透水混凝土中摻入長度為6mm的PVAF時，抗壓強度和抗折強度均獲得提高，但摻入長度為6mm的GF使抗壓強度降低。此外，PVAF和GF的摻入降低了透水混凝土的空隙率和透水系數。

關鍵詞：透水混凝土，短切纖維種類，摻量，長度，聚丙烯纖維

隨著我國城市化進程的加快，許多綠化區域和裸露地表被建筑物、大型基礎設施及不透水的混凝土路面所覆蓋，造成了嚴重的城市內澇災害和熱島效應。自2013年開始，國家和地區政府大力推行海綿城市建設，透水混凝土作為一種生態型多孔材料得到了廣泛的重視。透水混凝土因具有透氣、透水和質量輕的特點，能在極大程度上解決城市內澇等問題。但也因為自身存在大量的空隙，導致自身強度較低，嚴重束縛了透水混凝土的推廣使用。近年來，研究者分別就骨料類型、粒徑和級配[1-4]、骨膠比[4,5]、外加劑[6]、輔助膠凝材料[7-10]和膠凝材料的厚度[11]等對透水混凝土空隙率、透水系數與力學性能的影響開展了大量的研究，并取得一定的成果。但目前，國內外對纖維改性透水混凝土的研究仍比較少。SaeidHesami[12]通過在透水混凝土中分別摻入聚苯硫醚纖維、玻璃纖維和鋼纖維發現，不同水灰比時，三種纖維均使抗壓、抗折和拉伸強度獲得提高，且聚苯硫醚纖維的增強效果最好。但試驗中三種纖維的長度均大于12mm且摻量一定，未研究不同摻量的纖維和長度較短的纖維對透水混凝土性能的影響。此外，MilenaRangelov[13]發現，固化碳纖維復合材料能有效地改善新拌透水混凝土的工作性能，同時能夠改善透水混凝土的透水性能和力學性能。LutfurAkand[14]利用化學方法處理長度為19mm的聚丙烯纖維，并將其作為增強材料摻入到透水混凝土中。實驗發現，經化學處理的聚丙烯纖維能夠提高纖維與基體的粘結強度，并提高了抗折強度，但對抗壓強度沒有增強效果。劉肖凡[15]在透水混凝土中摻入長度為38mm的剛性聚合纖維，研究剛性聚丙烯纖維的摻量對透水混凝土耐久性的影響。結果表明：隨著纖維摻量的增大，透水混凝土的抗凍融性能和抗硫酸鹽干濕循環性能均有所改善。雖然已有研究者就纖維對透水混凝土性能的影響進行了探索，但目前摻加的纖維長度均較長，未涉及短切纖維對透水混凝土的增強研究，無法有效的改善透水混凝土的性能。因此，本文通過在透水混凝土中摻入不同種類、摻量和長度的短切纖維，測定力學性能和透水性能，以研究短切纖維對透水混凝土性能的影響。

1試驗

1.1原材料

采用海螺牌42.5級普通硅酸鹽水泥為膠凝材料；粗骨料為單級粒徑的5~10mm玄武巖；細骨料采用細度模數為2.9的中砂；減水劑采用聚羧酸系高效減水劑（SP）。試驗所用纖維分別為長度為3mm、6mm和12mm的短切聚丙烯纖維（PPF），以及長度為6mm的短切聚乙烯醇纖維（PVAF）和短切玻璃纖維（GF）。三種纖維均為束狀單絲，PPF和GF呈白色，PVAF呈淡黃色。

1.2試驗配合比

研究短切纖維對透水混凝土性能的影響時，通過固定與透水混凝土相同配比砂漿的流動度和骨料的干濕度來保證透水混凝土工作性能的一致。根據前期試驗探索，當透水混凝土獲得較好的工作性能時，同配比砂漿的流動度為210mm。因此設定目標流動度為210mm，可得到相應的透水混凝土的試驗用水量。試驗中設定透水混凝土的目標空隙率為20%，根據CJJT135-2009《透水水泥混凝土路面技術規程》可計算得到試驗配合比，如表2所示。試驗分為三個部分：研究短切纖維的種類對透水混凝土性能的影響時，分別摻入PPF、PVAF和GF等三種短切纖維，纖維長度均為6mm，且摻量均為1.5kg/m3；研究短切纖維的摻量和長度對透水混凝土性能的影響時，根據前期試驗，僅以短切PPF為增強材料，在透水混凝土中分別摻入0.5kg/m3、1.0kg/m3和1.5kg/m3的PPF與空白對照組進行比較；研究短切纖維的長度對透水混凝土性能的影響時，將長度為3mm、6mm和12mm的PPF摻入到透水混凝土中，且纖維的摻量均為1.5kg/m3，并設置空白對照組進行比較。

1.3試件制備與性能測試

透水混凝土作為干硬性混凝土，一次投料的拌合方法無法使漿體均勻地包裹骨料，因此采用二次投料法，如圖1所示。透水混凝土的成型采用手工插搗和平板振動相結合的方式，且在入模時，控制拌合物的質量一定，以得到相應的目標空隙率。成型后的混凝土試塊必須用保鮮膜覆蓋，24h后拆模，然后在恒溫水中養護至齡期并進行性能測試。（1）抗壓強度測試透水混凝土養護至7d、28d齡期后，按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測定。加載時，應該連續而均勻地進行，速率控制在0.3MPa/s~0.5MPa/s。（2）抗折強度測試透水混凝土養護至7d、28d齡期后，按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測定。本試驗采用三點抗折法進行測定，速率控制在0.02MPa/s~0.05MPa/s。（3）空隙率測定采用重量法測定透水混凝土的空隙率。試驗所用的試塊尺寸為100mm×100mm×100mm，試塊齡期為28d。分別稱量試塊浸沒在水中和在烘箱烘干后的重量，二者之差即為試塊的空隙被水填充后實際受到的浮力，由此可計算得出空隙率。（4）透水系數測定為了與實際生活中透水混凝土路面的透水過程相符合，采用變水頭法對透水系數進行測定。試驗所用的試塊尺寸為100mm×100mm×100mm，試塊齡期為28d。通過測定單位時間內水垂直透過試塊截面的體積，可計算得到透水系數。

2結果與討論

2.1短切纖維的種類對透水混凝土性能的影響

纖維長度為6mm且摻量為1.5kg/m3時，不同種類的短切纖維下透水混凝土的抗壓強度和抗折強度。由圖可知，空白對照組的28d抗壓強度為21.9MPa，摻入PPF和PVAF后，28d抗壓強度分別增長8.7%和8.2%；但當摻入GF時，28d抗壓強度降低。理論上，較短的纖維在混凝土基體中呈無序分布狀態，能夠在任意方向起到增強作用。但PVAF和GF的直徑遠小于PPF，且GF為中纖維體積率纖維，根據“擁擠因子”的概念[16]，纖維長度一致時，直徑越小，體積率越大，越易使其轉動受到限制并保持連續性接觸。成型時也發現，較細的纖維容易打彎和結團，使混凝土內部孔隙增多，不利于強度發展。此外，GF易受到堿性環境的影響，水泥水化生成的Ca(OH)2與GF的SiO2發生不可逆的化學反應導致纖維的骨架被破壞，最終使混凝土強度降低。由圖2(b)可知，三種短切纖維均有利于提高透水混凝土的抗折強度，摻入三種纖維后，28d抗折強度分別較空白對照組增大10.0%、8.0%和4.0%，其中PPF對抗折強度的改善效果最好。此外，短切纖維對抗折強度的改善優于抗壓強度，主要是由于混凝土內部的微裂縫對抗彎拉強度的影響遠大于抗壓強度。在結構形成過程中，纖維阻止了裂縫的引發，并使裂縫尺度變小，緩和了裂縫尖端應力的集中程度；同時在加載時，纖維在受力區的增強作用延緩了裂縫發展的速度，使抗折性能提高。同樣，摻入PVAF和GF的透水混凝土在攪拌過程中會出現打彎和結團，導致抗折強度低于摻入PPF的透水混凝土。

2.2短切PPF的摻量對透水混凝土性能的影響

如前所述，當短切纖維的摻量為1.5kg/m3且長度為6mm時，PPF對透水混凝土力學性能的增強效果最佳。因此，本文僅研究短切PPF的摻量和長度對透水混凝土性能的影響。圖3為不同短切PPF摻量下透水混凝土的7d、28d抗壓強度和抗折強度。當透水混凝土中摻入長度為12mm的短切PPF時，不同摻量的PPF均導致抗壓強度降低，但隨著PPF摻量的增大，抗壓強度先增大后減小。當PPF長度為12mm時，纖維和混凝土基體的界面區域增加，因為纖維的彈性模量低于混凝土基體，導致纖維與基體的接口變得薄弱，使纖維在受力時易產生拔出破壞，影響了透水混凝土的整體性，從而導致抗壓強度降低。圖3(b)中，不同摻量的PPF均使抗折強度獲得提高，且隨摻量的增大，抗折強度也逐漸增大。空白對照組的7d和28d抗折強度分別為4.1MPa和5.0MPa，當PPF摻量為1.5kg/m3時，透水混凝土的抗折強度達到最大值，其7d和28d抗折強度分別為5.0MPa和5.7MPa，提高22.0%和14.0%。其原因為PPF不僅可以在結構形成過程中阻止裂縫的引發，同時當混凝土承擔荷載時，橫跨裂縫的纖維還能夠延緩裂縫發展，使基體的變形能力得到提高，從整體上提高了透水混凝土的抗折性能。此外，當PPF摻量較小時，纖維無法充分地分散到混凝土基體中，所以隨著PPF摻量的增大，透水混凝土的抗折強度也逐漸增大。

2.3短切PPF的長度對透水混凝土性能的影響

不同短切PPF長度下透水混凝土的抗壓強度和抗折強度。圖4(a)中，隨著PPF長度的增大，抗壓強度先增大后減小，當PPF長度為3mm和6mm時，28d抗壓強度分別增大3.7%和8.7%，但摻入長度為12mm的PPF導致抗壓強度降低。當PPF長度為3mm和6mm時，纖維的亂向分布使其在任意方向都能起到增強作用。而且在承擔荷載時，橫跨裂縫的纖維限制了裂縫的擴展，從而提高了抗壓韌性。但因纖維長度過小，纖維和基體間的接觸面積較小，因而界面結合力也較小，導致纖維很容易從基體中拔出。而當PPF長度為12mm時，纖維和基體的界面區域增加，因二者間的接口較為薄弱，使其在受力時易產生拔出破壞，影響了透水混凝土的整體性，導致抗壓強度降低。此外，由圖4(b)可知，隨著纖維長度的增大，透水混凝土的7d和28d抗折強度均呈增大趨勢。空白對照組的28d抗折強度為5.0MPa，摻入不同長度的PPF后，28d抗折強度分別為5.5MPa、5.5MPa和5.7MPa，較空白對照組分別增大10.0%、10.0%和14.0%。當PPF長度為3mm時，因短纖維易從基材中拔出而無法對大裂縫起到抑制作用。隨著纖維長度的增大，纖維的增強效果越好，當PPF長度為12mm時，因大纖維從基材拔出過程中能夠消耗較多的能量，可延緩大裂縫的擴展和透水混凝土的破壞，從而提高了抗折強度。

3結論

（1）當透水混凝土中摻入長度為3mm、6mm和12mm的短切PPF時，隨著PPF長度的增大，抗壓強度先增大后減小，當長度為12mm時，不同摻量的PPF均使抗壓強度低于空白對照組。此外，透水混凝土的抗折強度隨PPF長度和摻量的增大而增大。當透水混凝土中摻入長度為6mm的PVAF時，抗壓強度和抗折強度均獲得提高，但摻入長度為6mm的GF使抗壓強度降低。三種纖維對透水混凝土強度的改善效果為：PPF>PVAF>GF。（2）當透水混凝土中摻入不同種類、摻量和長度的短切纖維后，空隙率和透水系數均出現不同程度的降低，其中透水系數降低較為明顯。直徑較細的纖維易在成型時打彎結團，從而導致空隙堵塞。因此，摻入PVAF和GF的透水混凝土的空隙率下降較多。此外，隨著PPF摻量和長度的增大，透水混凝土的空隙率也逐漸減小。

作者：趙劍鋒1,2，楊曉杰1,2，李好新1,2，馬一平1,2 單位：1.同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室，2.同濟大學材料科學與工程學院