摘要：為解決傳統(tǒng)透水混凝土強(qiáng)度較低的問(wèn)題，文章通過(guò)體積法進(jìn)行透水混凝土配合比設(shè)計(jì)，研究了水灰比、碳纖維摻量、納米二氧化硅摻量等因素對(duì)透水混凝土透水系數(shù)、孔隙率、抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度的影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化了配合比，并從成本考慮設(shè)計(jì)以聚丙烯纖維和炭黑替代碳纖維，研究二者摻量對(duì)透水混凝土性能的影響。得出主要結(jié)論：水灰比對(duì)透水混凝土各性能的影響最大，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的水灰比為0.28、納米二氧化硅摻量為2.2%、碳纖維摻量為1.6%；聚丙烯纖維摻量和炭黑纖維摻量均會(huì)對(duì)透水混凝土的透水性能造成負(fù)面影響，其中炭黑摻量的影響相對(duì)較大；聚丙烯纖維對(duì)透水混凝土的力學(xué)性能有正向影響，而炭黑摻量的增加使得透水混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，使得其抗折強(qiáng)度不斷減小。

關(guān)鍵詞：透水混凝土；碳纖維；聚丙烯纖維；透水性能；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：U416.03? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-4074（2024）04-0084-04

0 引言

近年來(lái)隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，城市內(nèi)澇、噪音效應(yīng)、熱島效應(yīng)等問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，海綿城市的建設(shè)也逐漸成為一大研究熱點(diǎn)，透水混凝土因其高透水性、透氣性及降噪等特點(diǎn)而得到了廣泛的使用。但傳統(tǒng)透水混凝土存在強(qiáng)度低，從而限制了其使用范圍，為加速海綿城市的建設(shè)，提高透水混凝土的性能至關(guān)重要。對(duì)此，大量學(xué)者進(jìn)行了深入研究。辛志鵬等［1］提出用再生紅磚和混凝土骨料替代天然骨料，通過(guò)復(fù)摻碳纖維、聚丙烯纖維和粉煤灰的方式提高再生透水混凝土的力學(xué)性能。夏冬桃等［2］采用再生粗骨料和聚丙烯纖維配置透水混凝土，并采用正交試驗(yàn)研究了其抗壓強(qiáng)度、有效孔隙率、透水系數(shù)的變化規(guī)律。周家慧等［3］為研究單一及復(fù)合的玄武巖纖維和聚丙烯纖維的長(zhǎng)度、摻量對(duì)透水混凝土的透水性能、力學(xué)性能的影響，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)試驗(yàn)組進(jìn)行訓(xùn)練和輸出，其結(jié)果具有一定的參考價(jià)值。陳守開等［4］為提高再生骨料透水混凝土的強(qiáng)度，進(jìn)行了基于不同摻量的短切玄武巖纖維、短切碳纖維、聚丙烯纖維的混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，0.3%摻量的聚丙烯纖維可使再生骨料透水混凝土性能達(dá)到最優(yōu)。單景松等［5］研究了不同長(zhǎng)度、不同摻量的聚丙烯纖維對(duì)透水混凝土的抗壓、抗折和抗凍融性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)聚丙烯纖維長(zhǎng)度在12～18 mm、摻量在1.0～1.5 kg/m3時(shí)，透水混凝土性能最優(yōu)。吳旭等［6］通過(guò)摻入不同含量的玄武巖纖維、棉纖維、碳纖維和聚丙烯纖維構(gòu)造再生透水混凝土，并對(duì)其坍落度、密度、滲水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，6%的棉纖維能構(gòu)造出更高性能的再生透水混凝土。本文通過(guò)響應(yīng)面中心復(fù)合設(shè)計(jì)法進(jìn)行試驗(yàn)，研究了水灰比、碳纖維摻量、納米二氧化硅摻量對(duì)透水混凝土的透水性能和力學(xué)性能的影響，考慮到碳纖維的成本問(wèn)題，提出聚丙烯纖維和炭黑代替法，通過(guò)控制變量法，研究了兩者摻量對(duì)透水混凝土性能的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥為符合標(biāo)準(zhǔn)的早強(qiáng)型硅酸鹽水泥；粗骨料為粒徑4.75～9.5 mm的玄武巖碎石，其堆積密度為1 528.5 kg/m3，表觀密度為2 685 kg/m3；為提高透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和容許應(yīng)力，采用人工制造的機(jī)制砂作為細(xì)集料，其占比為粗骨料質(zhì)量的7%；礦物摻合料主要包括平均粒徑＜10 [WTBZ]μm的超細(xì)粉煤灰，和南京某公司生產(chǎn)的粒徑為1～100 nm的納米二氧化硅，其參數(shù)見(jiàn)表1；為提高透水混凝土的工作性能，試驗(yàn)采用減水劑和納米二氧化硅分散劑作為外加劑，其檢測(cè)值均符合標(biāo)準(zhǔn)值要求。

試驗(yàn)用纖維有兩種，蘇州某科技公司生產(chǎn)的短切碳纖維和廊坊某公司生產(chǎn)的聚丙烯纖維，各纖維參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)用炭黑采購(gòu)自江蘇某石墨烯商城。

1.2 配合比試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)透水混凝土的配合比試驗(yàn)設(shè)計(jì)，目前應(yīng)用較多的有質(zhì)量法、體積法和比表面積法。其中體積法是根據(jù)目標(biāo)孔隙率進(jìn)行材料配合比，方便控制漿體體積且適配量少，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛，故本文選用該方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

為保障纖維的分散率及水泥漿與骨料的充分接觸，試驗(yàn)采用水泥裹石法進(jìn)行攪拌，其流程如圖1所示。為減小透水混凝土的孔隙率以提高其強(qiáng)度，同時(shí)避免底部封漿等現(xiàn)象的存在，試驗(yàn)采用人工插搗結(jié)合振動(dòng)臺(tái)的方式對(duì)透水混凝土進(jìn)行成型。將攪拌完成后的混凝土分三層置于模型中，每層混凝土四周人工插搗15次，中間人工插搗20次；人工插搗結(jié)束后，將其略整平，置于振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)20 s。試件成型后24 h進(jìn)行拆模，并將其標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。

2 水灰比、碳纖維和納米二氧化硅的影響

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

因?yàn)橥杆炷恋耐杆阅芨眩鋬?nèi)部必然存在大量的孔隙，這些孔隙導(dǎo)致該類混凝土的強(qiáng)度嚴(yán)重下降，進(jìn)一步導(dǎo)致耐磨性、抗凍性的缺乏。因此，如何在保障透水混凝土透水性能的前提下提高其力學(xué)性能，是目前的一大研究熱點(diǎn)。透水混凝土力學(xué)性能的提升常采用兩種手段：（1）添加各類纖維，其中以碳纖維最為常見(jiàn)；（2）添加粉煤灰等礦物成分。而隨著納米材料的興起，在透水混凝土中添加納米二氧化硅也逐漸被廣泛應(yīng)用。但在兩者協(xié)同狀態(tài)下，對(duì)透水混凝土性能的影響尚不明確，故需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步研究。

本文采用響應(yīng)面中心復(fù)合設(shè)計(jì)法，其主要步驟為：（1）定義相互獨(dú)立的變量和試驗(yàn)結(jié)果響應(yīng)量；（2）選擇設(shè)計(jì)模型；（3）擬合模型；（4）確定最佳擬合結(jié)果。以水灰比分別為0.26、0.28、0.30，碳纖維摻量（水泥體積替代）分別為1%、1.5%、2%，納米二氧化硅摻量（水泥質(zhì)量替代）分別為1%、2%、3%設(shè)計(jì)了19組試驗(yàn)，各變量的編碼水平分別設(shè)置為-1、0、1。其中，透水混凝土中粉煤灰含量始終為44.3 kg/m3，粗骨料始終為1 553 kg/m3，細(xì)集料始終為108.7 kg/m3，其余成分具體如表3所示。其中，C15～C19組為基礎(chǔ)試驗(yàn)組，其各項(xiàng)變量一致，以避免試驗(yàn)過(guò)程中的偶然性，保障后續(xù)統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果的可信度。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)方案，每組制備3個(gè)直徑100 mm、高50 mm的圓柱體透水系數(shù)試驗(yàn)試件、3個(gè)尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體孔隙率試驗(yàn)試件、3個(gè)尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件和3個(gè)尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體抗折試驗(yàn)試件。以統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析并擬合各試驗(yàn)組的各參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果并擬合模型，如下頁(yè)表4所示。四個(gè)模型的R2均在0.95以上，預(yù)測(cè)與調(diào)整R2的誤差在20%以內(nèi)，且信噪比均在4以上，故認(rèn)為試驗(yàn)所得模型有較好的擬合效果和精度。

分析三變量對(duì)透水系數(shù)的影響可知，三個(gè)變量的增加均會(huì)導(dǎo)致透水系數(shù)的減小，其中水灰比的影響最大，即透水混凝土的透水系數(shù)對(duì)水灰比的變化最為敏感。分析三變量對(duì)孔隙率的影響可知，三個(gè)變量的增加均會(huì)導(dǎo)致孔隙率減小，其中水灰比的影響最大。此外，孔隙率與透水系數(shù)成正比，與抗壓/抗折強(qiáng)度成反比。分析三變量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響可知，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著水灰比和納米二氧化硅摻量的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，其中水灰比的影響最大，而與碳纖維摻量的變化關(guān)聯(lián)較小，即增加碳纖維摻量并不能使透水混凝土的抗壓強(qiáng)度得到提升。分析三變量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響可知，透水混凝土的抗折強(qiáng)度隨著三變量的增大均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，其中水灰比的影響最大，碳纖維摻量和納米二氧化硅摻量的影響程度相近。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果及統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，以透水系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可得，當(dāng)水灰比為0.28、碳纖維摻量為1.6%、納米二氧化硅摻量為2.2%時(shí)，透水混凝土的各項(xiàng)性能達(dá)到最優(yōu)。

3 聚丙烯纖維透水混凝土性能研究

根據(jù)前文試驗(yàn)可知，碳纖維摻量對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響較小，且其價(jià)格較高，經(jīng)濟(jì)性較低。因此考慮以造價(jià)相對(duì)較低的聚丙烯纖維進(jìn)行替代，并輔助以一定體積摻量的炭黑，以求增強(qiáng)透水混凝土的力學(xué)性能。根據(jù)前文優(yōu)化結(jié)果，設(shè)置試驗(yàn)組水灰比為0.28、納米二氧化硅摻量為2.2%、骨膠比為3.5，采用控制變量法，根據(jù)聚丙烯纖維摻量（水泥體積替代）分別為0、0.5%、1%，炭黑（水泥體積替代）摻量分別為0、1%、2%、3%進(jìn)行19組試驗(yàn)，并對(duì)其透水性能（透水系數(shù)、孔隙率）及力學(xué)性能（抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度）進(jìn)行分析。

不同聚丙烯纖維摻量和炭黑摻量與透水系數(shù)的關(guān)系如圖2所示。由圖2（a）可知，當(dāng)炭黑摻量一定時(shí)，聚丙烯纖維摻量越多時(shí)，混凝土透水系數(shù)越低。由圖2（b）可知，當(dāng)聚丙烯纖維摻量一定時(shí)，炭黑摻量越多，混凝土透水系數(shù)越低；相較而言，炭黑摻量對(duì)透水系數(shù)的影響更大，而聚丙烯纖維摻量的影響略不明顯。

由圖3可知，混凝土孔隙率與透水系數(shù)變化規(guī)律為正相關(guān)，呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，這與前文的試驗(yàn)結(jié)果一致。對(duì)其進(jìn)行線性擬合，可得擬合方程斜率為0.749，截距為-4.985，R2為0.832 7。

不同聚丙烯纖維摻量和炭黑摻量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如下頁(yè)圖4所示。由圖4（a）可知，當(dāng)炭黑摻量一定時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度與聚丙烯纖維摻量呈正相關(guān)，該結(jié)果與普通混凝土試驗(yàn)結(jié)果不一致，究其原因是透水混凝土存在自身強(qiáng)度較低這一特性，而少量摻入低彈性模量的聚丙烯纖維有利于減緩其內(nèi)部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，提高強(qiáng)度；由圖4（b）可知，當(dāng)聚丙烯纖維摻量一定時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著炭黑摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的發(fā)展趨勢(shì)。究其原因是少量炭黑摻入可以填補(bǔ)水泥漿體微小孔隙，同時(shí)與水化產(chǎn)物結(jié)合使過(guò)渡區(qū)致密，故而透水混凝土抗壓強(qiáng)度提高；而當(dāng)炭黑摻入量過(guò)多時(shí)，則會(huì)阻礙水泥水化，也降低了水泥漿和骨料之間的粘結(jié)能力，則透水混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。

不同聚丙烯纖維摻量和炭黑摻量與抗折強(qiáng)度的關(guān)系如下頁(yè)圖5所示。由圖5（a）可知，當(dāng)炭黑摻量一定時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度與聚丙烯纖維摻量呈正相關(guān)。究其原因是聚丙烯纖維具有較好的柔性，可以改善透水混凝土的裂縫延展問(wèn)題，從而提高其抗折強(qiáng)度。由圖5（b）可知，當(dāng)聚丙烯纖維摻量一定時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度與炭黑摻量呈負(fù)相關(guān)。究其原因是炭黑摻量的增加，使得透水混凝土脆性更強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)透水混凝土因其強(qiáng)度較低的特性，無(wú)法滿足城市的承載要求，本文通過(guò)響應(yīng)面中心復(fù)合設(shè)計(jì)法進(jìn)行了19組試驗(yàn)，研究了水灰比、碳纖維摻量、納米二氧化硅摻量對(duì)透水混凝土的透水系數(shù)、孔隙率、抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度的影響，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；根據(jù)上述優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，在考慮經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，以聚丙烯纖維和炭黑替代碳纖維，研究了兩者摻量對(duì)透水混凝土各性能參數(shù)的影響，得到如下結(jié)論：

（1）水灰比對(duì)透水混凝土的透水性能及力學(xué)性能影響較大，其透水系數(shù)及孔隙率隨著水灰比的增大而明顯增大，抗壓強(qiáng)度、抗折系數(shù)均隨著水灰比的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，水灰比0.28為最優(yōu)；納米二氧化硅摻量與透水混凝土的透水性能呈負(fù)相關(guān)，對(duì)其力學(xué)性能有一定影響，摻量以2.2%最優(yōu)；碳纖維與透水混凝土的透水性能呈負(fù)相關(guān)，對(duì)其抗壓強(qiáng)度基本無(wú)影響，對(duì)其抗折強(qiáng)度有正向影響，其最優(yōu)摻量為1.6%。

（2）聚丙烯纖維摻量和炭黑纖維摻量均與透水混凝土的透水性能呈負(fù)相關(guān)，其摻量越高，則混凝土透水系數(shù)和孔隙率均越低，其中炭黑摻量的影響更大；透水系數(shù)與孔隙率呈線形關(guān)系。

（3）透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨著聚丙烯纖維摻量的增大而增大；其抗壓強(qiáng)度隨著炭黑摻量的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的發(fā)展趨勢(shì)，抗折強(qiáng)度隨著炭黑摻量的增大而明顯降低。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：吳宜桉（1989—），工程師，主要從事公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)管理工作。