本发明涉及构建智慧型海绵城市的建筑材料领域，特别涉及一种高抗拉透水混凝土三明治结构及制备方法。
背景技术
透水混凝土是由特定级配的水泥、粗骨料、掺合料、外加剂按照一定比例拌和而成的生态混凝土。透水混凝土连续孔隙的存在可有效解决城市的积水和结构的水损坏，促进城市和自然的水循环。其吸热储热效果显著，可有效缓解城市的热岛效应。多孔的结构还可以吸声降噪，减轻城市的噪声污染。大孔隙的存在也使得透水混凝土的抗冻融能力高于一般混凝土。随着我国海绵城市建设进程的不断推进，透水混凝土结构将由于其生态优势被广泛应用到市政工程建设中。
透水混凝土多孔隙的结构特征带来诸多优势的同时也存在一定的不足：抗拉强度低，抗裂性能差。这限制了透水混凝土的应用范围，使得透水混凝土不能利用其排水优势更好的应用到诸如排水挡墙和排水管桩等受力结构中。现阶段透水混凝土多用于人行道、停车场的铺筑，用作荷载路面时多出现开裂。现有研究从材料组成和配合比出发得出水灰比、骨料粒径、纤维类型及长度等因素均是影响透水混凝凝土抗弯拉强度的重要因素，通过改善上述因素，也只能将抗弯拉强度从2mpa提高到3mpa左右，还是难以满足《cjj37－2012城市道路工程设计规范》中对快速路、主干路抗折强度不得低于5.0mpa的要求。
为进一步提高透水混凝土的抗拉性能，可在透水混凝土内部设置加筋材料。如中国发明专利(公开号cn104446076a)公开的一种透水钢筋混凝土，其是将透水混凝土与防腐钢筋相结合，但由于透水混凝土不同于常规混凝土，透水混凝土内的钢筋在长期频繁的水循环作用下易腐蚀，所以，该透水钢筋混凝土需要对防腐钢筋进行严密的覆盖包裹，施工工艺复杂。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种施工简单、成本经济的高抗拉透水混凝土三明治结构及制备方法。
本发明提供的高抗拉透水混凝土三明治结构，包括透水混凝土结构主体、土工格栅加筋层和粘结层；所述透水混凝土结构主体内受拉区铺设一层或间隔铺设多层土工格栅加筋层；各土工格栅加筋层的上下表面均涂覆粘结层；所述透水混凝土结构主体内分布有纤维材料；土工格栅加筋层的网格空隙内填满分布有纤维材料的透水混凝土。所述受拉区指透水混凝土结构主体易受拉破坏的区域。
进一步的，透水混凝土结构主体由水泥、粉煤灰、粗骨料、水以及减水剂拌和制备。
作为一种优选方案，透水混凝土结构主体制备时，水胶比为0.26～0.30；
水泥为标号为普通硅酸盐水泥，用量为410kg/m3～438kg/m3；
粉煤灰为一级粉煤灰，用量为51kg/m3～77kg/m3；
粗骨料为粒径范围5mm～15mm的级配碎石，用量为1400kg/m3～1800kg/m3；
减水剂为减水率不小于25％的液体聚羧酸高效减水剂，用量为2kg/m3～8kg/m3。
作为优选，纤维材料长度为18mm～20mm，其体积占整个透水混凝土结构主体体积的0.1％～0.3％。
进一步的，纤维材料为玄武岩纤维、碳纤维、聚丙烯纤维或玻璃纤维。
作为优选，土工格栅加筋层采用聚丙烯双向土工格栅，所采用聚丙烯双向土工格栅的抗拉强度不低于40kn/m。
作为优选，粘结层采用常温固化环氧树脂胶。
本发明中，土工格栅加筋层设置在透水混凝土结构主体的受拉区，并按受拉方向布置，即铺设土工格栅加筋层时，应保证土工格栅加筋层的受拉方向与透水混凝土结构主体的受拉方向一致。当间隔铺设多层土工格栅加筋层，可进一步增加透水混凝土结构主体的抗拉强度。由于纤维材料尤其是玄武岩纤维和水泥的相容性好，在透水混凝土结构主体内均匀分布纤维材料，可有效提高透水混凝土结构主体的水泥基体抗拉强度。
本发明提供的高抗拉透水混凝土三明治结构的制备方法，当铺设一层土工格栅加筋层时，包括：
步骤1，预制模具，并在模具内标定预埋土工格栅加筋层的位置；
步骤2，将分布有纤维材料的透水混凝土浇筑到模具内直至标定位置，浇筑同时进行振捣；
步骤3，将土工格栅加筋层下表面涂覆粘结剂，待粘结剂固化前，将土工格栅加筋层铺设于已浇筑的透水混凝土上，并使透水混凝土填满土工格栅加筋层的网格空隙内；之后在土工格栅加筋层上表面涂覆粘结剂；
步骤4，待土工格栅加筋层上表面的粘结剂固化前，在土工格栅加筋层上浇筑分布有纤维材料的透水混凝土，浇筑同时进行振捣；
步骤5，养护并拆模。
本发明提供的高抗拉透水混凝土三明治结构的制备方法，当间隔铺设多层土工格栅加筋层时，包括：
步骤1，预制模具，并在模具内标定预埋各层土工格栅加筋层的位置；
步骤2，将分布有纤维材料的透水混凝土浇筑到模具内直至最低处的标定位置，浇筑同时进行振捣；
步骤3，将土工格栅加筋层下表面涂覆粘结剂，待粘结剂固化前，将土工格栅加筋层铺设于已浇筑的透水混凝土上，并使透水混凝土填满土工格栅加筋层的网格空隙内；之后在土工格栅加筋层上表面涂覆粘结剂；
步骤4，待土工格栅加筋层上表面的粘结剂固化前，在土工格栅加筋层上浇筑分布有纤维材料的透水混凝土直至当前最低处的标定位置，浇筑同时进行振捣；
步骤5，重复步骤3～4，直至完成多层土工格栅加筋层的铺设；
步骤6，养护并拆模。
步骤4中，当前最低处的标定位置指，在刚铺设的土工格栅加筋层上方、距离刚铺设的土工格栅加筋层最近的标定位置。
上述两种制备方法中，浇筑同时进行振捣，可保证土工格栅加筋层和透水混凝土的紧密结合。
上述两种制备方法中，分布有纤维材料的透水混凝土，采用如下方法获得：
将一半用量的水和全部粗骨料倒入搅拌机搅拌45s～60s；
将纤维材料分散在剩余的水中，将分散有纤维材料的水、水泥、以及粉煤灰倒入搅拌机继续搅拌60s～90s；
将减水剂加入搅拌机继续搅拌30s～45s，即得到分布有纤维材料的透水混凝土。
作为优选，在浇筑分布有纤维材料的透水混凝土时，振捣采用低频振动台振动与人工振捣相结合的方式。采用低频振动台振动，可避免透水混凝土浆体下沉底部封浆。
本发明透水混凝土三明治结构具有高抗拉强度的机理如下：
首先，纤维材料尤其是玄武岩纤维与透水混凝土结构主体的水泥基体相容性好，能够与水泥基体形成良好的握裹力，掺加纤维材料使得水泥基体具有良好的抗拉强度；均匀分布于水泥基体内的纤维材料形成三维网格，可使透水混凝土结构主体力学性能均一。
其次，土工格栅加筋层作为加筋材料，利用自身的高抗拉优势可显著提高透水混凝土结构的抗拉强度；同时，土工格栅加筋层的二维网格孔隙被粗骨料填充，使得土工格栅加筋层和透水混凝土嵌锁为一个整体。
加之，土工格栅加筋层的上下表面涂抹粘结剂，使得土工格栅加筋层和透水混凝土结构的界面强度提高，防止土工格栅加筋层和透水混凝土的相对滑移。
基于上述，当透水混凝土三明治结构受弯时，土工格栅加筋层、粘结层、纤维材料以及透水混凝土共同作用，即可保证透水混凝土三明治结构的高抗拉强度。
与现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：
(1)本发明透水混凝土三明治结构在充分发挥透水混凝土的透水能力的同时，还可保证良好的抗拉能力，可用作受拉部位的多种透水构件，应用面更广泛。
(2)土工格栅加筋层和纤维材料的化学性能和热稳定性良好，不会在水环境下被侵蚀。
(3)施工简单且灵活，成本经济，适用于现浇混凝土构件，也适用于预制混凝土构件，对扩大透水混凝土的应用范围，促进我国海绵城市建具有重要意义。
附图说明
图1所示为实施例中高抗拉透水混凝土三明治结构的示意图。
图中，1-下层透水混凝土，2-上层透水混凝土，3-土工格栅加筋层，4-玄武岩纤维，5-粘结层。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1
本实施例中纤维材料采用玄武岩纤维。
本实施例提供一种高抗拉透水混凝土三明治梁结构，见图1所示，该梁结构包括下层透水混凝土1、上层透水混凝土2、土工格栅加筋层3、粘结层5以及均匀分布于下层透水混凝土1和上层透水混凝土2内的玄武岩纤维4。土工格栅加筋层3平铺于距梁底部
本实施例中，下层透水混凝土1和上层透水混凝土2采用透水混凝土制备，透水混凝土由水泥、粉煤灰、粗骨料、水以及减水剂拌和制备。其中，水泥采用标号42.5的普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用一级粉煤灰；粗骨料采用粒径范围10mm～15mm的石英碎石，所采用粗骨料的表观密度为2.73g/cm3，紧密堆积密度为1.51g/cm3；玄武岩纤维长度为20mm，单丝直径为15μm，密度为2.65g/cm3，弹性模量为95gpa～115gpa，抗拉强度为3300mpa～4500mpa，断裂延伸率为2.4％～3.0％；水为自来水；减水剂为减水率25％的液体聚羧酸高效减水剂。
下层透水混凝土1和上层透水混凝土2制备所采用的采用透水混凝土，其配合比如下：
水泥用量438kg/m3，粉煤灰用量77kg/m3，粗骨料用量1480kg/m3，玄武岩纤维用量为7.8kg/m3，水用量137kg/m3，减水剂用量2.1kg/m3。
本实施例高抗拉透水混凝土三明治梁结构的制备方法如下：
(1)预制模具：
根据实际需求预制模具，本实施例中，预制大小为550mm×150mm×150mm的模具，在模具内部标定预埋土工格栅加筋层3的位置。
(2)制备透水混凝土：
将一半用量的水和全部粗骨料倒入搅拌机搅拌60s；之后将玄武岩纤维4均匀分散于剩余的水中，将分散有玄武岩纤维4的水、水泥、以及粉煤灰倒入搅拌机继续搅拌90s；再加入减水剂搅拌30s，即可得到和易性良好的透水混凝土。
(3)浇筑下层透水混凝土1：
将透水混凝土分2～3层倒入模具内，至模具的标定位置。浇筑的同时，采用低频振动台振动与人工振捣相结合的方法进行振捣，以避免浆体下沉底部封浆。
(4)安装土工格栅加筋层3：
本实施例中，土工格栅加筋层3采用抗拉强度为40kn/m的聚丙烯双向土工格栅。首先，将土工格栅加筋层3下表面涂覆常温固化环氧树脂胶。待常温固化环氧树脂胶固化前，将土工格栅加筋层3平整的放入模具并平铺于下层透水混凝土2上。平铺土工格栅加筋层3时，沿土工格栅加筋层3同一方向，逐步将土工格栅加筋层3的四角、底部以及网格空隙内尽可能填满透水混凝土并人工振实，此过程中应严格控制土工格栅加筋层3的位置，使其位于标定位置处。最后，在铺设完成的土工格栅加筋层3上表面涂覆常温固化环氧树脂胶。
(5)浇筑上层透水混凝土2：
待土工格栅加筋层3上表面的常温固化环氧树脂胶固化前，将透水混凝土浇筑至土工格栅加筋层3上，边浇筑边振捣，以确保土工格栅加筋层3和透水混凝土紧密结合。
(6)养护和拆模：
在温度20±2℃、相对湿度95％的环境中养护24h，之后拆模。拆模后，在温度20±2℃、相对湿度为95％的环境中继续养护至28天。
实施例2
本实施例用来提供对比试验及试验数据。
制作透水混凝土梁结构u、r0、r1和高抗拉透水混凝土三明治梁结构r2、r3。梁结构u无土工格栅加筋层、粘结层和玄武岩纤维，仅为透水混凝土结构主体。梁结构r0无土工格栅加筋层和粘结层，仅在透水混凝土结构主体内均匀分布玄武岩纤维。梁结构r1在透水混凝土结构主体内平铺有土工格栅加筋层、并均匀分布有玄武岩纤维，但土工格栅加筋层上下表面未涂覆粘结层。梁结构r2和r3采用实施例1方法制作，均在透水混凝土结构主体内平铺有土工格栅加筋层、并均匀分布有玄武岩纤维，且土工格栅加筋层上下表面涂覆粘结层，但梁结构r2中仅设单层土工格栅加筋层，梁结构r3内设两层土工格栅加筋层。本实施例所制作梁结构所采用透水混凝土的配合比和工艺相同。
分别测量梁结构u、r0、r1、r2、r3的抗压强度和抗拉强度，试验结果见表1。从表1中可以看出，高抗拉透水混凝土梁r2、r3的抗折强度均在5mpa以上，优于无土工格栅加筋层和玄武岩纤维的梁结构u、仅加玄武岩纤维的梁结构r0以及加土工格栅加筋层和玄武岩纤维但无粘结层的梁结构r1。比较梁结构r1、r2，在土工格栅加筋层上下表面均匀涂覆常温固化环氧树脂胶后，梁结构r2的抗拉强度较梁结构r1提高10％，粘结层的增益效果明显。有两层土工格栅加筋层的梁结构r3的抗拉强度可达6mpa，较梁结构u提高88.2％，较梁结构r0提高56.1％，较梁结构r1提高30.6％，较梁结构r2提高18.5％，因此，增加受拉区土工格栅加筋层的层数可显著提高其抗拉强度。
另外，由表1数据也可看出，本发明高抗拉透水混凝土梁的抗压强度也较透水混凝土梁结构有了明显提高。
表1实施例2中梁结构的抗压抗拉强度表
上述实施例所述是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。