剛性聚丙烯纖維改性透水混凝土制備及路用性能研究

宋祥，張喆

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)透水混凝土極限承載性差，抗凍融性能低，以及易開(kāi)裂和粗骨料間粘接力弱的問(wèn)題，制備一種剛性聚丙烯纖維的透水混凝土，并從抗凍性能、耐腐蝕性能和早期收縮性能對(duì)制備的混凝土試件進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，摻入剛性聚丙烯纖維后，可有效改善混凝土的抗凍融性，且摻入8.73 kg/m3剛性聚丙烯纖維時(shí)，纖維混凝土抗凍性能達(dá)到最佳;在耐蝕系數(shù)方面，本試驗(yàn)制備的纖維混凝土的耐蝕系數(shù)有顯著提高;在早期收縮性能方面，隨著時(shí)間的推移，試驗(yàn)組早期收縮明顯減小，且摻入8.73 kg/m3的剛性聚丙烯混凝土的試驗(yàn)組在45 d后的收縮量為-3.91×10-4 ，普通透水性混凝土對(duì)照組的收縮量為-5.41×10-4 mm。

關(guān)鍵詞：剛性聚丙烯纖維;透水混凝土;耐久性能;抗凍性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）12-0120-05

Research on Preparation and Road Performance of Permeable Concrete Modified by Rigid Polypropylene Fiber

Song Xiang，? Zhang Zhe

（Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， China ）

Abstract：Traditional permeable concrete has poor ultimate bearing capacity， low freeze-thaw resistance effect， easy cracking and weak adhesion between coarse aggregate. A rigid polypropylene fiber permeable concrete is prepared， and the prepared concrete specimens are tested from freezing resistance， corrosion resistance and early shrinkage performance. The results show that the freeze-thaw resistance of concrete can be effectively improved by adding rigid polypropylene fiber， and the freeze-thaw resistance of fiber concrete reaches the best when adding 8.73 kg/m3 rigid polypropylene fiber. Furthermore， the corrosion resistance coefficient of the prepared fiber reinforced concrete has been significantly improved. In terms of early shrinkage property. And the early shrinkage of the experimental group decreases significantly with time goes on. The shrinkage of the experimental group mixed with 8.73 kg/m3 rigid polypropylene concrete is -3.91×10-4 after 45 days， while the shrinkage of the control group mixed with ordinary permeable concrete is -5.41×10-4 mm.

Key words：rigid polypropylene fiber; permeable concrete; durability; freezing resistance.

0 引言

混凝土作為目前最常用的一種路面鋪裝材料，但傳統(tǒng)混凝土透水性能差，雨雪天氣后，路面濕滑，安全隱患大。透水混凝土能規(guī)避安全隱患問(wèn)題，使得雨雪水能快速下滲集中到專(zhuān)用排水通道中。在實(shí)際工程中，透水混凝土因?yàn)槠涫杷啥嗫椎慕Y(jié)構(gòu)特性，常出現(xiàn)極限承載性能差、抗凍融性能低、易開(kāi)裂、粗骨料間粘接力弱等問(wèn)題。保持混泥土透水特性的同時(shí)又能增加其性能是目前研究較為重要的課題，黃建凱等（2018）嘗試?yán)脧?fù)合摻合料和聚合物對(duì)透水混凝土進(jìn)行改性[1];趙劍鋒等（2019）則希望通過(guò)摻加短切纖維增加透水混凝土的性能[2];以上學(xué)者的成果給我們帶來(lái)新的思考，但在實(shí)際運(yùn)用中，還是存在一定問(wèn)題。本研究嘗試?yán)昧畠r(jià)的剛性聚丙烯纖維對(duì)透水混凝土進(jìn)行改性，制備一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用，性能優(yōu)良的透水混凝土。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

本試驗(yàn)所用材料與設(shè)備如表1、表2所示。

1.2 試驗(yàn)步驟

（1）將粗骨料與剛性聚丙烯纖維加入JS1000型混凝土攪拌機(jī)中，采取干拌方式混合均勻;

（2）加入實(shí)際用水量的20%，攪拌20 s后加入P.O42.5硅酸鹽水泥和羧酸高能減水劑，繼續(xù)攪拌90 s;

（3）往混合物中加入剩余水量，繼續(xù)攪拌90 s。待骨料每一接觸面都均勻包裹一層水泥漿后，用擊實(shí)成型的方式裝入模具。擊實(shí)振動(dòng)時(shí)間為15～20 s，靜置48 h后脫模;

（4）將脫模后的試件放入相對(duì)濕度為90%、溫度為（20±3）℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至指定齡期。具體流程如圖1所示：

1.3 性能測(cè)試

參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/ T 50082—2009） 對(duì)混凝土性能進(jìn)行測(cè)定[3-5]，所用試驗(yàn)方法皆參照普通混凝土試驗(yàn)方法。

1.3.1 凍融循環(huán)試驗(yàn)

制備分別摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、0.3%、0.6%和1%的剛性聚丙烯纖維改性透水混凝土試件，其中，0%試件為對(duì)照組（C1），0.3%、0.6%和1%試件為試驗(yàn)組（C2～C4）。對(duì)以上制備的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的混凝土試件進(jìn)行抗凍性能測(cè)定;表3為凍融循環(huán)試驗(yàn)試件的具體配比。

凍融循環(huán)試驗(yàn)的具體實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）根據(jù)表3的配比制備凍融循環(huán)試驗(yàn)試件，每組制備3個(gè)體積為100 mm×100 mm×400 mm的試件，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)24 d;

（2）24 d后，將試件取出放入水中浸泡。在浸泡過(guò)程中，水面需高出試件頂面20～30 mm，浸泡溫度和時(shí)間分別為（20±2） ℃和4 d;

（3）浸泡4 d后取出，擦除試件表面水分，并對(duì)試件尺寸進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)束后，對(duì)試件進(jìn)行編號(hào);

（4）對(duì)試件橫向基頻初始值和初始質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，分別記為woi和 foi;

（5）將試件放入HC-HDK9型混凝土凍融循環(huán)機(jī)中，注水，使得水面始終高于試件頂面5 mm;

（6）開(kāi)啟凍融循環(huán)機(jī)，每隔25次循環(huán)再次測(cè)定試件質(zhì)量和橫向基頻。相對(duì)動(dòng)彈性模量由公式（1）、公式（2） 計(jì)算[6-7];單個(gè)試件的質(zhì)量損失率由公式（3）計(jì)算[8];試件的平均質(zhì)量損失率可用公式（4）計(jì)算[9]。

式中，Pi為經(jīng)n次凍融循環(huán)后第i個(gè)試件的相對(duì)彈性模量;fni為經(jīng)n次凍融循環(huán)后第i個(gè)試件橫向基頻值;foi為凍融循環(huán)前第i個(gè)試件橫向基頻值;P為經(jīng)n次凍融循環(huán)后一組試件的相對(duì)彈性模量。

式中，wni為經(jīng)次凍融循環(huán)后第i個(gè)試件的質(zhì)量損失率;woi為凍融循環(huán)前第i個(gè)試件的質(zhì)量;wni為凍融循環(huán)后第i個(gè)試件的質(zhì)量。

式中，wn表示經(jīng)n次凍融循環(huán)后一組試件的平均質(zhì)量損失率。其余表達(dá)式含義與上述公式含義相同。

1.3.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)

選擇剛性聚丙烯纖維摻入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的混凝土試件作為試驗(yàn)組，普通透水性混凝土為對(duì)照組，從而確定經(jīng)纖維改性后混凝土的耐久性能。具體步驟：

結(jié)合上述制備得到的100 mm×100 mm×400 mm的抗硫酸鹽腐蝕試件，將試件放入LSB/Ⅲ型干濕循環(huán)機(jī)中進(jìn)行抗硫酸鹽干濕循環(huán)。循環(huán)結(jié)束后，用AL-589數(shù)顯壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)干濕循環(huán)后的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，進(jìn)而確定其耐腐蝕程度?；炷量箟簭?qiáng)度耐蝕系數(shù)由公式（5）計(jì)算。

式中，Kf 為抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù); fcn為經(jīng)n次干濕循環(huán)后受硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)組混凝土試件的抗壓強(qiáng)度測(cè)定值; fco為對(duì)照組混凝土試件的抗壓強(qiáng)度測(cè)定值。

1.3.3 早期收縮試驗(yàn)

參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）的要求，采用非接觸法測(cè)試經(jīng)纖維改性后混凝土的收縮性能。同樣選擇纖維摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的剛性聚丙烯混凝土為試驗(yàn)組，未摻加纖維的透水混凝土為對(duì)照組，利用TEP型非接觸式位移傳感器對(duì)試件早期收縮性能進(jìn)行檢測(cè)?；炷潦湛s率由公式（6）計(jì)算[10]。

式中，εst 測(cè)試期為 t 的混凝土收縮率， t 從初始讀數(shù)時(shí)算起;L10表示左側(cè)非接觸式標(biāo)靶位移傳感器初始讀數(shù);L1t左側(cè)非接觸式位移傳感器測(cè)試期為 t 的讀數(shù);L20為右側(cè)非接觸式標(biāo)靶位移傳感器初始讀數(shù);L2t右側(cè)非接觸式位移傳感器測(cè)試期為 t 的讀數(shù);L0為試件測(cè)量標(biāo)距，即試件長(zhǎng)度減去試件中兩個(gè)反射標(biāo)靶沿試件長(zhǎng)度方向埋入試件中的長(zhǎng)度之和。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗凍性能分析

表4為凍融循環(huán)后，C1～C4試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量質(zhì)量損失率結(jié)果。通過(guò)分析表4數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，隨剛性聚丙烯纖維體積摻量的增加，試件的抗凍性能也隨之增加。當(dāng)摻入的剛性聚丙烯纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，抗凍性能最佳，經(jīng)125次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率為8.72%。由此可以說(shuō)明，在該試驗(yàn)的配比中，當(dāng)摻入的纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，得到的混凝土試件的抗凍性能最佳。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因，是在凍融循環(huán)過(guò)程中，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件骨料脫落的現(xiàn)象越加明顯，未摻入纖維的透水混凝土試件出現(xiàn)斷裂性破壞的現(xiàn)象，而纖維混凝土試件則是從中部開(kāi)裂。這是因?yàn)閯傂跃郾├w維與水泥漿的粘接性能良好，在凍融次數(shù)較少時(shí)，試件表面水泥粘接力失效，使得表面骨料脫落。隨著凍融次數(shù)的增加，試件開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，此時(shí)剛性聚丙烯纖維發(fā)揮阻裂和增強(qiáng)作用，使裂縫源的數(shù)量和裂縫的寬度受到限制。在裂縫出現(xiàn)時(shí)，剛性聚丙烯纖維可以跨越裂縫，繼續(xù)傳遞應(yīng)力，起到抵抗外力的作用。凍融循環(huán)進(jìn)展到一定程度后，裂縫的數(shù)量與寬度隨之增加，剛性聚丙烯纖維與水泥漿粘接力受到破壞，骨料、水泥以及纖維間的連接趨于分離，使試件遭到破壞。未摻纖維的混凝土經(jīng)多次凍融循環(huán)后，內(nèi)部骨料的粘接效應(yīng)消失，試件失去穩(wěn)定，所以出現(xiàn)從中間斷開(kāi)的現(xiàn)象。

2.2 混凝土干濕循環(huán)測(cè)試

為更好對(duì)比摻入纖維和不摻入纖維混凝土試件的性能，選擇表4中的對(duì)照組（C1）和試驗(yàn)組（C2）進(jìn)行抗硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn);表5為抗硫酸鹽干濕循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度和耐蝕系數(shù)結(jié)果。由表5的數(shù)據(jù)可知，剛性聚丙烯纖維改性透水混凝土的抗壓性能始終優(yōu)于普通透水混凝土的抗壓性能。在30次干濕循環(huán)之前，剛性聚丙烯纖維改性透水混凝土與普通透水混凝土的耐蝕系數(shù)接近;在45次凍融循環(huán)時(shí)，纖維混凝土耐蝕系數(shù)明顯高于普通混凝土;但在60次凍融循環(huán)時(shí)，耐蝕系數(shù)又趨于一致。這是因?yàn)榱蛩猁}的析出對(duì)內(nèi)部孔隙產(chǎn)生膨脹作用，硫酸鹽與水泥之間發(fā)生一定化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而降低了水泥的粘接作用。纖維在一定程度內(nèi)可維持整體結(jié)構(gòu)，當(dāng)裂縫產(chǎn)生時(shí)，剛性聚丙烯纖維橫跨在裂縫中間，仍能夠傳遞應(yīng)力，抵抗外力作用。但經(jīng)過(guò)60次凍融循環(huán)后，硫酸鹽與水泥化學(xué)反應(yīng)徹底，水泥基粘接效應(yīng)降低，纖維的阻斷作用也慢慢的消失，所以兩者耐蝕系數(shù)趨于一致。

2.3 早期收縮性能測(cè)試

圖2為混凝土試件隨齡期增長(zhǎng)收縮變化情況，C1為對(duì)照組，C4為試驗(yàn)組。從圖2可看出，剛性聚丙烯纖維改性透水混凝土比普通混凝土的收縮量小，45 d后，普通混凝土對(duì)照組和剛性聚丙烯纖維改性透水混凝土C4組的收縮量分別為-5.41×10-4 mm和-3.91×10-4 mm。因?yàn)槔w維在混凝土中，與水泥基界面產(chǎn)生粘接與嚙齒合力，在兩者共同受力作用下，纖維混凝土的塑性抗拉強(qiáng)度隨之增加。在膨脹早期，纖維混凝土內(nèi)部纖維因?yàn)楹退喙餐芰?，因此可抑制試件膨脹。在收縮過(guò)程中，收縮能量被分散到纖維上，對(duì)混凝土的整體韌性有所提高，還能有效抑制混凝土裂縫的產(chǎn)生以及發(fā)展，減小混凝土收縮量。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究采用的P.O42.5硅酸鹽水泥、剛性聚丙烯纖維和二級(jí)粗骨料為主要原材料制備剛性聚丙烯纖維改性透水混凝土，并對(duì)其強(qiáng)度和耐久性能進(jìn)行檢測(cè)，具體試驗(yàn)結(jié)果：

（1）隨纖維摻量的增加，纖維混凝土的抗凍性能隨之增加，當(dāng)剛性聚丙烯纖維摻量為1%，即纖維摻量為8.73 kg/m3時(shí)，剛性聚丙烯纖維混凝土的抗凍融性能最佳。

（2）在摻入的纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，即選擇纖維體積摻量為8.73 kg/m3時(shí)，剛性聚丙烯纖維混凝土的耐久性始終優(yōu)于普通混凝土。經(jīng)60次凍融循環(huán)后，纖維混凝土的耐蝕系數(shù)與普通混凝土的耐蝕系數(shù)趨于一致，此時(shí)纖維混凝土C4試驗(yàn)組和普通混凝土C1試驗(yàn)組的耐蝕系數(shù)分別為60.7%和58.9%。

（3）收縮對(duì)比試驗(yàn)可知，剛性聚丙烯纖維改性透水混凝土的收縮量明顯小于普通混凝土的收縮量，45d后C1對(duì)照組和C4試驗(yàn)組混凝土試件的收縮量分別為和，證實(shí)摻入纖維后，對(duì)混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)生和發(fā)展有抑制作用，能夠有效減小混凝土的收縮值。

（3）通過(guò)最佳摻量的剛性聚丙烯纖維改性混凝土試件與普通混凝土的收縮對(duì)比試驗(yàn)可知，剛性聚丙烯纖維改性透水混凝土的收縮量明顯小于普通混凝土的收縮量，45 d后纖維混凝土C1對(duì)照組和普通混凝土C4的收縮量分別為和。證實(shí)摻入纖維后，對(duì)混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)生和發(fā)展有抑制作用，能夠有效減小混凝土的收縮值。

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