剛性聚丙烯纖維用于透水混凝土路面磚的試驗研究

王林，周浩，周春杰

(1.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226007；2.悉地(蘇州)勘察設(shè)計顧問有限公司，江蘇 蘇州 215000；3.海安市城建開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，江蘇 海安 226600)

0 引言

塊體材料在世界各國應(yīng)用非常廣泛，而且源遠(yuǎn)流長，它在建筑中也一直起著舉足輕重的作用。透水混凝土路面磚屬于塊體材料，主要用于路肩、園林道路、廣場、停車場等處的地面鋪裝。它是由水泥、特殊級配的粗骨料、特定的摻合料、外加劑以及水等原材料經(jīng)特定的加工工藝制成，除上表面外幾乎不含細(xì)集料。其骨料間以點接觸形成混凝土骨架，有著特殊的透水機(jī)理[1-3]；可將路面雨水較快地滲入地下，在降暴雨時降低洪峰流量，減小市政排水系統(tǒng)負(fù)荷[4,5]。此外，其還可以起到吸聲降噪、防滑、夜里防眩光等作用[6-8]。

剛性聚丙烯纖維屬于聚丙烯纖維的一種，是一種彈性模量較高的聚丙烯纖維，具有優(yōu)良的特性。王金晶等[9]證明了在透水性混凝土中摻聚丙烯纖維的可行性。劉衛(wèi)東[10]將剛性聚丙烯纖維應(yīng)用到了透水性混凝土中，做了初步試驗研究，證明了剛性聚丙烯纖維透水混凝土具有較好的抗壓強(qiáng)度，其透水性也能滿足要求。王婷[11]對剛性聚丙烯纖維在透水性混凝土中的應(yīng)用做了較充分地試驗，主要總結(jié)了剛性聚丙烯纖維透水性混凝土在抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)、孔隙率、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度等方面的性能。從大量的參考文獻(xiàn)可知，剛性聚丙烯纖維能夠摻入透水混凝土，并且能改善混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及劈裂抗拉強(qiáng)度，并不影響透水混凝土的透水性。

透水性混凝土路面磚是由單一級配的混凝土經(jīng)靜壓或振動加壓工藝制成[12]。GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》規(guī)定，透水性混凝土路面磚按其劈裂抗拉強(qiáng)度值進(jìn)行等級劃分，這是因為透水性混凝土路面磚在應(yīng)用中主要以劈裂拉伸破壞為主，較少出現(xiàn)受壓破壞。而剛性聚丙烯纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度，與透水性混凝土粘接牢固，單絲拔出強(qiáng)度可達(dá)0.1 MPa以上[10]；則摻入剛性聚丙烯纖維的透水性混凝土路面磚制品，也應(yīng)該具有較好的劈裂抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等方面的優(yōu)勢。本文提出將剛性聚丙烯纖維摻于透水性混凝土路面磚，通過試驗證明了其可行性，并對相關(guān)試驗結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié)，結(jié)果可供同行學(xué)者借鑒。

1 試驗

1.1 試驗?zāi)康?/h3>

為驗證設(shè)想和幾種主要因素對透水混凝土路面磚的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、透水系數(shù)的影響，擬開展四大組試驗，將每大組試驗分別命名為試驗A、試驗B、試驗C、試驗D，每一大組試驗又分別包含多個小組試驗。

抗壓強(qiáng)度測試使用萬能試驗機(jī)對整塊路面磚進(jìn)行加壓試驗，采用按長方體試驗塊體最大面的面積計算的極限抗壓強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度計算公式如下：

式中：f——試驗塊體的抗壓強(qiáng)度；

F——萬能試驗機(jī)所施加的極限荷載；

A——長方體試驗塊體最大面的面積。

劈裂抗拉強(qiáng)度按照GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》中附錄B(規(guī)范性附錄)透水路面磚的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗方法進(jìn)行測試。

透水系數(shù)按照GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》中附錄C(規(guī)范性附錄)透水路面磚的透水系數(shù)測試方法進(jìn)行測試。

1.2 試驗材料

(1)水泥：采用42.5級普通硅酸鹽水泥，山東省諸城市楊春水泥有限公司生產(chǎn)，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的相關(guān)規(guī)定。透水磚的配合比中水泥用量一般在300～400 kg/m3[8,12]。

(2)骨料：用于透水混凝土磚的骨料一般是單一粒級的粗骨料，碎石或卵石均可，粒徑范圍可以采用2.5～5 mm、5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm四個級別。單位體積透水混凝土中骨料總量一般用緊密堆積密度表示，可取1 200～1 800 kg/m3[1]。所用粗骨料產(chǎn)于山東泰安，符合GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》相關(guān)規(guī)定。一般不用細(xì)骨料。

(3)外加劑：可以使用高效或中效減水劑[3,8]，能提高膠粘材料、剛性聚丙烯纖維和骨料間的粘接強(qiáng)度。選用廣州達(dá)盛世建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》的相關(guān)規(guī)定。

(4)剛性聚丙烯纖維：采用方大牌剛性聚丙烯纖維，長度有6 mm、9 mm、12 mm、15 mm、19 mm五種，等效直徑為0.6 mm。

(5)水：飲用水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。

5例病人居住在醫(yī)院周邊，出院隨訪比較方便，其他4例病人住址離醫(yī)院較遠(yuǎn)，行動又不方便，希望出院后到社區(qū)復(fù)診。病人A:“肢體活動受限，出院后復(fù)診困難，希望醫(yī)院與社區(qū)聯(lián)動，方便病人就醫(yī)”。

1.3 試驗方案

1.3.1 材料選取及配合比

該配合比為質(zhì)量比，確定原則根據(jù)各組試驗的具體目的而定。具體情況如下：

(1)試驗A各小組所采用的原材料配合比及攪拌方式見表1。該試驗主要研究攪拌方式、剛性聚丙烯纖維的有無對透水混凝土路面磚的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、透水系數(shù)的影響。

表1 試驗A各小組所采用的原材料配合比及攪拌方式

(2)試驗B各小組所采用的原材料配合比見表2。該試驗主要研究粗骨料種類、粒徑大小對剛性聚丙烯纖維透水混凝土路面磚的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、透水系數(shù)的影響。

表2 試驗B各小組所采用的原材料配合比

(3)試驗C各小組所采用的原材料配合比見表3。該試驗主要研究剛性聚丙烯纖維摻量對透水混凝土路面磚的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、透水系數(shù)的影響。

表3 試驗C各小組所采用的原材料配合比

(4)試驗D各小組所采用的原材料配合比見表4。該試驗主要研究剛性聚丙烯纖維長度變化對透水混凝土路面磚的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、透水系數(shù)的影響。

表4 試驗D各小組所采用的原材料配合比

1.3.2 攪拌方式

1.3.3 成型方式

每個小組均制備13個試塊，其中5個長方體試塊用于抗壓測試，5個長方體試塊用于劈裂抗拉強(qiáng)度測試，其余3個為圓柱體試塊用于透水系數(shù)測試。長方體試塊規(guī)格均采用200 mm×100 mm×60 mm。圓柱體試塊規(guī)格均采用直徑為75 mm、厚度為60 mm。成型壓力采用2 MPa，成型后表面覆蓋塑料薄膜以防止水分散失，經(jīng)24 h后拆模并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d[15]。

剛性聚丙烯纖維混凝土路面磚的具體生產(chǎn)工藝如圖1所示。普通混凝土路面磚的生產(chǎn)工藝與其相同，只是不摻剛性聚丙烯纖維。

圖1 剛性聚丙烯纖維混凝土路面磚生產(chǎn)工藝流程

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗A

試驗A各小組試驗結(jié)果如表5和圖2～4所示。

表5 試驗A各小組所得試驗結(jié)果

圖2 摻入剛性聚丙烯纖維及攪拌方式對抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 摻入剛性聚丙烯纖維及攪拌方式對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖4 摻入剛性聚丙烯纖維及攪拌方式對透水系數(shù)的影響

由表5和圖2～圖4可知，在均采用一次投料法攪拌時，透水混凝土路面磚在摻入剛性聚丙烯纖維后，抗壓強(qiáng)度提高了3.67 MPa，即提高了17.69%；劈裂抗拉強(qiáng)度提高了0.94 MPa，即提高了30.13%；透水系數(shù)提高了1.84 mm/s，即提高了35.25%。在均采用水泥裹石法攪拌時，透水混凝土路面磚在摻入剛性聚丙烯纖維后，抗壓強(qiáng)度提高了4.72 MPa，即提高了21.94%；劈裂抗拉強(qiáng)度提高了0.85 MPa，即提高了23.48%；透水系數(shù)提高了2.09 mm/s，即提高了60.58%?？梢?，把剛性聚丙烯纖維摻入透水混凝土路面磚確實能提高其抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度，增強(qiáng)效果比較明顯，并且也提高了其透水系數(shù)。

由表5和圖2～圖4還可得出，攪拌方式采用水泥裹石法比一次投料法更能提高透水混凝土路面磚的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，對于素混凝土路面磚分別提高了3.66%和16.03%，對于摻入15%的長度為9 mm的纖維后的混凝土路面磚分別提高了7.41%和10.10%；但是采用水泥裹石法比一次投料法會使其透水系數(shù)有所下降，對于素混凝土路面磚降低了33.91%，對于摻入15%的長度為9 mm的纖維后的混凝土路面磚降低了21.53%。綜合考慮兩種攪拌方式，為了提高透水混凝土路面磚的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，最好采用水泥裹石法攪拌。

2.2 試驗B

試驗B各小組試驗結(jié)果如表6和圖5～圖7所示。

表6 試驗B各小組所得試驗結(jié)果

圖5 粗骨料種類及粒徑范圍對抗壓強(qiáng)度的影響

圖6 粗骨料種類及粒徑范圍對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖7 粗骨料種類及粒徑范圍對透水系數(shù)的影響

由表6和圖5可知，不論粗骨料選用碎石還是卵石，剛性聚丙烯纖維透水混凝土路面磚的抗壓強(qiáng)度均隨粒徑的增大而降低，當(dāng)粒徑在10～15 mm之前時，抗壓強(qiáng)度均下降較慢，當(dāng)粒徑在10～15 mm之后時，抗壓強(qiáng)度均下降迅速。由表6和圖6可知，不論粗骨料選用碎石還是卵石，剛性聚丙烯纖維透水混凝土路面磚的劈裂抗拉強(qiáng)度均隨粒徑的增大而降低，下降幅度都較為均勻。由表6和圖7可知，不論粗骨料選用碎石還是卵石，透水系數(shù)均隨粒徑的增大而逐漸增大，在粒徑為5～10 mm之前和粒徑為10～15 mm之后時，透水系數(shù)增加幅度均較大，在粒徑處于5～10 mm和10～15 mm之間時，透水系數(shù)增加幅度均較小。綜合考慮粒徑范圍對抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及透水系數(shù)的影響，建議在實際工程中可取粒徑范圍為5～10 mm。

由表6和圖5～圖7還可知，粗骨料選用碎石比選用卵石更能提高剛性聚丙烯纖維透水混凝土路面磚的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，但粗骨料選用卵石一般比選用碎石具有更大的透水系數(shù)。在粒徑范圍為5～10 mm時，抗壓強(qiáng)度碎石比卵石提高了2.69 MPa，即提高了11.38%；劈裂抗拉強(qiáng)度碎石比卵石提高了1.58 MPa，即提高了53.56%；透水系數(shù)碎石比卵石降低了1.27 mm/s，即降低了19.33%。綜合考慮碎石和卵石對抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及透水系數(shù)的影響，在實際生產(chǎn)中可按性能需求選擇。

2.3 試驗C

試驗C各小組試驗結(jié)果如表7和圖8～圖10所示。

表7 試驗C各小組所得試驗結(jié)果

圖8 纖維摻量對抗壓強(qiáng)度的影響

圖9 纖維摻量對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖10 纖維摻量對透水系數(shù)的影響

由表7和圖8可知，剛性聚丙烯纖維透水混凝土路面磚的抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而增大，在纖維摻量超過9%以后其增加幅度迅速減小，曲線趨近于水平；由表7和圖9可知，劈裂抗拉強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而增大，在纖維摻量超過9%以后其增加幅度也開始減小，曲線也趨近于平緩；由表7和圖10可知，透水系數(shù)隨纖維摻量的增加而增大，增加幅度較大且較穩(wěn)定，未出現(xiàn)極值。綜合考慮纖維摻量對剛性聚丙烯纖維透水混凝土路面磚的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及透水系數(shù)的影響，建議在實際工程中纖維摻量控制在0.9%。

2.4 試驗D

試驗D各小組試驗結(jié)果如表8和圖11～圖13所示。

表8 試驗D各小組所得試驗結(jié)果

圖11 纖維長度對抗壓強(qiáng)度的影響

圖12 纖維長度對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖13 纖維長度對透水系數(shù)的影響

由表8和圖11可知，剛性聚丙烯纖維透水混凝土路面磚的抗壓強(qiáng)度隨纖維長度的增加先增大然后略有減小，當(dāng)纖維長度在15 mm時抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值26.56 MPa；由表8和圖12可知，劈裂抗拉強(qiáng)度隨纖維長度的增加先增大然后略有減小，當(dāng)纖維長度在12 mm時劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值4.80 MPa。那么抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生此種變化的主要原因是：當(dāng)纖維長度達(dá)到12～15 mm之間的某長度時，纖維與水泥、粗骨料間的粘接力達(dá)到了纖維本身的抗拉強(qiáng)度，在纖維摻量確定后，繼續(xù)增加纖維的長度，則會減少纖維的根數(shù)，這樣不僅不會增加剛性聚丙烯纖維透水混凝土路面磚的強(qiáng)度，反而會使其強(qiáng)度降低。由表8和圖13可知，透水系數(shù)隨纖維長度的增加一直增大，增大幅度較大且較穩(wěn)定，未出現(xiàn)極值。綜合考慮纖維長度對剛性聚丙烯纖維透水混凝土路面磚的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及透水系數(shù)的影響，建議在實際工程中纖維長度宜控制在12～15 mm之間。

3 結(jié)論

(1)在透水混凝土路面磚的原材料中摻入適量的剛性聚丙烯纖維能提高其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，并且隨著纖維摻量的增加其透水系數(shù)在增大，也改善了其透水性。從而驗證了將剛性聚丙烯纖維按一定配合比摻入透水混凝土路面磚的可行性。

(2)在制備剛性聚丙烯纖維透水混凝土路面磚時，所用粗骨料的粒徑范圍可取5～10 mm，采用碎石比卵石能獲得相對更高的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，但透水系數(shù)有所減小，在實際產(chǎn)品生產(chǎn)時可按需而定。攪拌方式采用水泥裹石法比一次投料法能適當(dāng)提高成品的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，但也會造成透水系數(shù)的減小，在實際產(chǎn)品生產(chǎn)時建議采用水泥裹石法。

(3)纖維摻量和纖維長度的變化均會影響成品的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、透水系數(shù)。根據(jù)試驗C，建議在實際產(chǎn)品生產(chǎn)時纖維摻量控制在0.9%。根據(jù)試驗D，建議在實際產(chǎn)品生產(chǎn)時纖維長度控制在12～15 mm之間。