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基于废旧塑料纤维的透水混凝土配合比设计研究

2024-06-12 53 上传者：管理员

摘要：废旧塑料纤维具有较好的力学性能，能够减少混凝土的收缩裂缝。基于此，本文选择8组级配，掺配3%废旧塑料纤维，通过测定透水混凝土试件的力学性能及空隙率，确定透水混凝土的最优水灰比、灰集比及级配。试验结果表明，当水灰比为0.28时，混凝土的抗折和抗压强度均为最大；当灰集比为0.24时，混凝土的抗折和抗压强度达到最大；3#级配混凝土抗压，抗折强度和空隙率均为最优。

关键词：
力学性能
废旧塑料纤维
空隙率
透水混凝土
道路工程
配合比设计
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PET（聚乙烯对苯二甲酸脂）抗拉伸强度高、蠕变性小、耐疲劳性好，且其力学性能受温度影响较小，若将PET废旧塑料制备成纤维，掺配到透水混凝土骨料中，不仅拓宽了废旧塑料的再生利用途径，而且在保证空隙率的情况下，能够提升混凝土的强度和耐久性[1,2]。透水混凝土性能发挥的基础是具有良好的配合比，在力学强度满足要求的基础上，要保持较高的空隙率，以满足路面透水要求。基于此，本文对PET废旧塑料纤维透水混凝土配合比设计进行研究[3,4]，系统研究矿料级配组成、水灰比以及灰集比对透水混凝土强度的影响。

1、试验原材料

1.1 水泥

本研究选用P.O.42.5普通硅酸盐水泥，其技术性能指标如表1所示。

1.2 集料

粗细集料选用优质玄武岩，其技术性能指标如表2所示。

1.3 减水剂

选用高效减水剂YNH-1，具有高效减水和增强等功能，其技术性能指标如表3所示。

1.4 PET废旧塑料纤维

PET塑料纤维选用废旧塑料瓶制备而成，其主要成分为聚对苯二甲酸乙二酯（PET），其性能指标如表4所示。

2、配合比试验方法

(1）级配选择：拟定8组不同矿料级配，以研究不同级配对透水混凝土强度及其空隙率的影响。依据强度指标，初步选出2～3组强度较好的级配组成，然后根据空隙率选择最佳级配。

(2）最佳水灰比确定：根据经验以及规范初步选择透水混凝土水灰比，依此为中值选择3个水灰比，成型试件对不同水灰比状况下，透水混凝土力学性能进行分析，根据透水混凝土的力学性能以及拌合物的状态确定最佳水灰比。

表1 水泥技术性能指标

表2 粗集料技术性能指标

表3 减水剂技术性能指标

表4 PET废旧塑料纤维技术性能指标

表5 透水混凝土初选级配

(3）最佳灰集比确定：根据经验初步选择透水混凝土灰集比，依此为中值选择三个灰集比，成型试件，对不同灰集比状况下，试件的力学性能进行分析，综合考虑透水水泥混凝土的强度和拌合物状态，确定最佳灰集比。

(4）最佳级配验证：在最佳水灰比以及最佳级配状况下，对比分析最佳级配与其他级配试件的强度以及空隙率，验证透水混凝土配合比是否满足要求确定最优设计配比。

3、试验结果与讨论

3.1 矿料级配组成设计

3.1.1 级配选择

根据两档玄武岩所占比例的不同，初选8组矿料级配，分别配制成透水混凝土试件，以研究不同级配对透水混凝土强度及其空隙率的影响，根据经验同时结合规范初定水灰比为0.27，灰集比0.25。透水混凝土级配初选结果如表5所示。

3.1.2 力学性能分析

根据初选的8组级配分别制备8组透水混凝土试件，通过测定试件的7 d抗压、抗折强度分析级配对透水混凝土强度影响，减水剂和PET纤维用量为水泥用量的1%和3%。不同级配试验结果如图1所示。

由图1可得：随着粗集料（10～20 mm）所占比例的不断增加，透水混凝土试件的7 d强度呈先增大后减小的趋势。究其原因，当全部为小粒径矿料时，矿料结构单一，混凝土结构内部无法形成致密结构；随着粗集料含量（15～20%）占比的提升，小粒径集料可以充分填充在大粒径集料间的空隙中，混凝土结构较密实，透水混凝土的总体强度较高；当粗集料所占比例持续增加时，混凝土内部胶结力降低，集料颗粒间的嵌挤作用减弱，混凝土总体强度降低。2#级配的抗压强度最高，3#级配的抗折强度最高。依据强度指标，初步选出级配1#、2#、3#这3组强度较好的级配，在测定各组透水混凝土的空隙率指标后，经综合考虑选出最佳级配。

图1 水泥混凝土力学强度结果

3.1.3 空隙率对比

透水混凝土试件成型后其实测空隙率应与目标空隙率基本一致，实测空隙率按照毛体积密度法进行试验测定，具体试验结果如图2所示。

由图2可得：8组不同级配透水混凝土空隙率具有较大差异，实测空隙率在18.89%～21.43%之间。当粗集料用量增多时，透水混凝土空隙率总体呈现增长趋势，逐步从18.89%上升到21.43%(3#级配除外），表明粗集料的加入确实能够增加透水混凝土的空隙率。3#级配配制的透水混凝土试件空隙率为18.71%，综合考虑透水混凝土力学性能指标，选择3#级配作为最佳级配。

图2 不同级配透水混凝土空隙率

3.2 水灰比确定

初步拟定水灰比为0.28，并以此为中值确定三组水灰比进行试验，试验过程中保证灰集比为0.26。将拌和完毕的3种不同水灰比透水混凝土成型试件，测定其7天抗折强度、抗压强度，具体结果如图3所示。

图3 不同水灰比透水混凝土力学性能

由图3可得：水灰比为0.28时，透水混凝土的7d抗折强度和抗压强度均达到最大，分别为2.25 MPa和13.4 MPa。根据透水混凝土力学性能测试结果，选定最佳水灰比为0.28。

3.3 灰集比的确定

以水灰比为0.28，选用0.23、0.24和0.25三个灰集比，研究透水混凝土的灰集比对混凝土力学性能的影响，具体试验结果如图4所示。

图4 不同灰集比透水混凝土力学性能

由图4可得：灰集比为0.24时，透水混凝土的7 d抗折强度和抗压强度均达到最大，分别为2.32 MPa和14.12 MPa。综合考虑透水水泥混凝土的强度和拌合物状态，确定最佳灰集比为0.24。

3.4 最佳级配验证

采用经试验验证的最佳水灰比0.28及灰集比0.24，拌制混凝土并成型试件，对比分析前4组级配透水混凝土7 d抗压强度、抗折强度以及空隙率。试验结果如表6所示。

矿料级配对透水混凝土力学性能及空隙率具有较大影响。随着粗集料掺配比例的升高，透水混凝土7 d抗压强度及抗折强度均呈现先增大后减小的趋势。且3#级配透水混凝土抗压强度为15.24 MPa，抗折强度为2.44 MPa，空隙率实测值18.89%，满足预定目标空隙率要求。综合考虑透水混凝土力学性能和空隙率，确定3#级配为最佳级配。

4、结论

(1）通过测定8组透水混凝土抗压强度、抗折强度及空隙率，结果表明3#级配的抗压、抗折强度较优，分别为15.87 MPa和2.22 MPa，空隙率为18.71%，与目标空隙率最为接近，拟定3#级配为最优级配。

(2）随着水灰比的增加，透水水泥混凝土的抗压强度和抗弯拉强度均呈现先增加后减小的趋势，且在水灰比为0.28时达到峰值，分别为13.4 MPa和2.25 MPa，综合考虑透水混凝土拌和状态，拟定最佳水灰比为0.28。

表6 不同级配透水混凝土7 d抗压强度、抗折强度以及空隙率

(3）随着灰集比的增加，透水水泥混凝土的抗压强度和抗弯拉强度均呈现先增加后减小的趋势，当灰集比为0.24时，透水混凝土的7 d抗折强度和抗压强度均达到最大，分别为2.32 MPa和14.12 MPa，拟定最佳灰集比为0.24。

(4）在水灰比0.28、灰集比0.24的状况下，对比分析4组级配透水混凝土力学性能及空隙率，结果表明3#级配透水混凝土抗压强度和抗弯拉强度均为最大值，分别为15.24 MPa和2.44MPa，空隙率为18.89%，力学性能、空隙率均为最优，因此确定3#级配为最优级配。

参考文献:

[1]刘志峰,石丹丹,周斌斌,等.透水混凝土研究进展及废弃物骨料对其力学性能的影响[J].混凝土与水泥制品,2018(12):6-12.

[2]王宾,周立超,潘杰,等.透水性混凝土材料试验研究[J].科学技术与工程,2010,10(16):4052-4056.

[3]郭建国.透水性路面材料对路面温度影响的研究[J].中外公路,2014,34(6):226-228.

[4]李争,李宏亮,孙晋明.高性能环氧树脂透水混凝土的制备及其性能研究[J].功能材料,2022,53(9):231-236.

文章来源:成钢.基于废旧塑料纤维的透水混凝土配合比设计研究[J].科学技术创新,2024(12):116-119.