聚丙烯纖維改性聚合物透水混凝土路面路用性能試驗

羅維剛，鈔 鑫，盧國文，肖永站

(1.蘭州理工大學 西部土木工程防災減災教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

2014年10月國家住房和城鄉(xiāng)建設部推出了《海綿城市建設技術指南》，表明中國將來城市規(guī)劃工作的重點是以減少對自然的干擾和損害，節(jié)約土地、水、能源等資源為原則，以解決城市缺水問題，建設積存、滲透和凈化的“海綿城市”為目的[1]。透水混凝土路面可以改善城市道路路面的缺陷，能夠有效收集雨水并滲入地下，保持水資源平衡，緩解城市地下水位急劇下降。

針對透水混凝土的獨特之處，國內外學者從不同方面展開了研究。Rehder等[2]研究了孔隙結構和纖維對透水混凝土斷裂的影響，結果表明斷裂韌性主要取決于透水混凝土的孔隙率。Barnhouse等[3]通過加入再生骨料、沙子和二氧化鈦(TiO2)研究大孔透水混凝土的物理和水力傳導性能，結果表明再生骨料的高吸收性和低密度不會影響透水混凝土的滲透性。Gesoglu等[4]研究了摻雜廢棄橡膠對透水混凝土抗凍性能的影響，結果表明添加橡膠明顯改善了透水混凝土的抗凍性能，降低了透水混凝土的抗彎強度。林武星等[5-7]通過模型試驗，研究了剛性聚丙烯纖維對透水混凝土路面的耐久性、路用性能以及對土基層穩(wěn)定性的影響，結果表明剛性聚丙烯纖維可有效提高透水混凝土的強度、耐久性和抗彎沉能力。張茂林等[8]研究了聚丙烯纖維和橡膠顆粒對透水混凝土性能的影響，結果表明相比摻入橡膠顆粒，聚丙烯纖維更能提高透水混凝土的力學性能。劉肖凡等[9]在透水混凝土中摻入聚合纖維研究了透水混凝土強度與抗裂性能。梅迎軍等[10]研究了聚丙烯纖維及聚合物乳液對水泥混凝土抗沖擊性及耐磨性的影響。張巨松等[11]以水泥和水性環(huán)氧樹脂作為膠凝材料對透水混凝土的強度和透水性能進行了研究。

目前對透水混凝土路用性能的研究較少，透水混凝土在工程應用中既要有足夠的強度，又要有良好的透水性。聚合物透水混凝土靠樹脂聚合固化將骨料膠結[12]，較普通透水混凝土有更好的滲透性能，且骨料的多色彩化使其具有更好的裝飾效果。復摻聚丙烯纖維后可大大提高其強度、磨耗、抗沖擊等性能，解決了硬化后脆性發(fā)展對路面的破壞問題，提高了透水混凝土路面的耐久性[13]。本文以普通透水混凝土、聚合物透水混凝土與聚丙烯纖維改性聚合物透水混凝土為研究對象，制作了路段模型并探討其強度、滲透性、抗沖擊性等性能的差異，基于路面設計與本地降雨參數(shù)，分析了其對徑流的削減效果，對“海綿城市”中透水混凝土路面的施工研究具有一定的指導意義。

1 試驗研究

1.1 原材料

1.1.1 水泥

水泥采用慶陽祁連山P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥部分物理力學性能如表1所示。

表1 水泥物理性能Tab.1 Physical Properties of Cement

1.1.2 粗集料

選用本地附近產卵石，粗集料級配為4.75～9.5 mm，卵石符合《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)質量要求，其壓碎指標、堅固性指標、含泥量(質量分數(shù))等技術指標皆符合Ⅰ級要求，如表2所示。

表2 粗骨料技術指標Tab.2 Technical Indexes of Coarse Aggregates

1.1.3 無溶劑型聚氨酯膠黏劑

采用德國漢高公司研制的UF7508型無溶劑型聚氨酯膠黏劑，主劑與固化劑質量比為6∶1，黏度為1 500 Pa·s(75 ℃)，具有以下特點：初始黏結力強，黏度低，操作溫度小于80 ℃。

1.1.4 聚丙烯纖維

纖維采用甘肅唯克隆工程建材有限公司生產的聚丙烯纖維，其原貌如圖1所示，纖維技術指標見表3。

表3 聚丙烯纖維技術指標Tab.3 Technical Indexes of Polypropylene Fiber

1.2 配合比設計

由于目前透水混凝土的研究還并不完善，一般建議采用質量法[14]，抗壓強度要求僅為20 MPa，根據填充原理，粗集料用量為1 300～1 500 kg，粒徑為4.75～9.50 mm，膠凝材料用量為345 kg,水膠比為0.28～0.32，對于聚丙烯纖維改性聚合物透水混凝土，取聚合物摻量(質量分數(shù))為膠凝材料的4%，8%，12%，復摻聚丙烯纖維摻量為0.5%，1.0%，1.5%。該方法容易控制各材料用量，在工程中容易實現(xiàn)。本文設計了普通透水混凝土、聚合物透水混凝土、聚丙烯纖維改性聚合物透水混凝土3種路面，配合比如表4所示。

1.3 路段模型設計與制作

選取模型尺寸為1.6 m×1.2 m×0.43 m，模板四周用木板封閉，在側壁從低往高標記刻度130,150,150 mm,并按照這個高度進行透水混凝土路段模型隔層的制作，如圖2所示。透水混凝土路段模型設計制作包括土基層、碎石基層、面層，各層在受荷載及其他因素影響時發(fā)揮的作用不同，路基用土取自蘭州城關區(qū)某施工場地，加入少量水使其含水量為17%～22%，攪拌并振動壓實，厚度為130 mm?；鶎蛹壟錇?.35～4.75 mm，4.75～9.5 mm，9.5～13.5 mm，篩余百分率比值為1∶2∶5。將該級配碎石沿長度方向均勻鋪于路基上，厚度為150 mm，根據表4配合比制作路段面層，將攪拌好的透水混凝土均勻攤鋪于碎石基層上，厚度為150 mm，人工進行振搗并整平。3種透水混凝土路面依據試驗要求分為2組，一組在養(yǎng)護后不再加水，確保其在自然條件下風干干燥，另一組在養(yǎng)護后采用人工降雨系統(tǒng)模擬降雨條件下的路段蓄水排水能力，其面層超過持水能力而溢出時停止。

1.4 試驗方法

1.4.1 路面快速堵塞試驗

透水混凝土路面堵塞直觀表現(xiàn)為滲透系數(shù)的降低，現(xiàn)有的滲透性評價方法中，試件側壁滲透問題是影響滲透系數(shù)測量不嚴格的主要原因之一。與鉆芯取樣相比，實驗室中試模表面比較粗糙，加之透水混凝土粗骨料為剛性材料，在試模中成型后會在側壁形成大量的開口孔隙，在滲透試驗時，水更容易從開口孔隙與側壁形成的開放通道中流出，改變滲透路徑，與工程實際相差較大。鑒于此，對透水裝置進行了一定的改進[15-18]，使用防水涂料(凡士林)-柔性橡膠墊-透水裝置組成的復合透水系數(shù)測試儀，如圖3所示。為實時記錄堵塞過程中滲透系數(shù)的變化，在試驗裝置中安裝2個電子水壓力傳感器和1個超聲波流速傳感器，通過模數(shù)轉換器連接計算機。由水壓力傳感器可測得試件上、下表面的水頭損失，由超聲波流速傳感器可測得出水管內水的流速。

由達西定律計算滲透系數(shù)，即

(1)

式中:k為滲透系數(shù);v1為試件內水的平均流速；i為水頭梯度；v2為出水管內水的流速；Δh為水頭損失；Aef為試件有效截面面積，計算參見文獻[16]；Aou為出水管的內截面面積；L為試件長度。

表4 不同類型透水混凝土面層的配合比Tab.4 Mix Ratios of Different Types of Pervious Concrete Surface

快速堵塞試驗中，本文將篩選后的河砂作為堵塞材料，取砂率為6%，粒徑范圍為0.15～2.36 mm，所用砂的級配如表5所示。

1.4.2 路面承載力測定

依據《公路路基路面現(xiàn)場教程》的加載方式，加載裝置立面如圖4所示。取和車輪與路面接觸面積大小的鐵片作為接觸面，鐵片與反力架之間放置千斤頂達到加載的目的，接觸面荷載以均布荷載分布，試驗直徑為50 cm，上面輔以型鋼支座作為過渡緩沖，其上放置千斤頂與壓力傳感器。初始荷載等級為4.5 kN·min-1，每級加載用時2 min，當面層位移發(fā)生較大變化或者不穩(wěn)定時，荷載等級變?yōu)?.8 kN·min-1,反復加載，連續(xù)加載至位移達到最大值，當面層出現(xiàn)貫穿裂縫時停止加載，進行記錄。

表5 堵塞材料河砂級配Tab.5 Sand Gradation of Clogged Material

1.4.3 路面抗沖擊試驗

目前中國關于抗沖擊性能測試沒有一致的規(guī)定，相關規(guī)范[19-20]也沒有統(tǒng)一的試驗方法。本次試驗采用ACI建議的自制自由落錘方法，如圖5所示。試件(尺寸為300 mm×150 mm×150 mm)底部涂抹1層黃油以減緩裝置的橫向約束作用，質量為4.54 kg的重錘從落距為457 mm的高空自由落體而下沖擊試件，沖擊產生的能量傳遞給試件，連續(xù)沖擊作用下，當試件表面出現(xiàn)第1條裂縫時，記錄初裂沖擊次數(shù)為N1。接著上述步驟繼續(xù)沖擊試件，試件表面裂縫不斷擴大，體積膨脹，當試件表面出現(xiàn)貫穿裂縫時，標志著試件破壞，記錄終裂沖擊次數(shù)為N2。ACI推薦的沖擊功計算公式為

W=Nmgh

(2)

式中：W為沖擊功；N為沖擊次數(shù)；h為落距；m為

重錘質量；g為重力加速度。

1.4.4 路面徑流削減試驗

本試驗使用人工模擬降雨系統(tǒng)和路段模型裝置，進行3種不同類型透水混凝土路面徑流削減試驗，根據降雨歷時與重現(xiàn)期設計了表6所示的試驗，測試路面的徑流量，通過計算徑流系數(shù)來觀測不同類型透水混凝土路面對徑流的削減作用。

表6 不同類型透水混凝土路面徑流量及徑流系數(shù)Tab.6 Runoff and Runoff Coefficients of Different Types of Pervious Concrete Pavements

2 試驗結果及分析

2.1 路面快速堵塞試驗結果分析

取投砂前試件滲透系數(shù)的平均值為初始滲透系數(shù)，將堵塞過程中計算滲透系數(shù)與初始滲透系數(shù)的比值作為歸一化滲透系數(shù)。

2.1.1 普通透水混凝土路面堵塞過程分析

取配合比編號1的普通透水混凝土路面試件分析透水混凝土路面的堵塞過程。普通透水混凝土路面滲透系數(shù)隨時間的變化趨勢如圖6所示。由圖6可以看出：初始階段普通透水混凝土的歸一化滲透系數(shù)波動不大，細砂緩慢進入試件內部；快速堵塞階段滲透系數(shù)迅速降低，大量連通孔隙被細砂填充；一定時間后，細砂開始從試件底部流走，此時堵塞緩慢恢復；當細砂幾乎不從底部流出時，滲透系數(shù)變化趨于穩(wěn)定。

2.1.2 不同類型透水混凝土對堵塞的影響

為研究不同類型透水混凝土的堵塞效應，選取普通透水混凝土、聚合物摻量為4%，8%，12%的聚合物透水混凝土，以及聚丙烯纖維摻量為1.5%、聚合物摻量為12%的混凝土進行透水試驗，歸一化滲透系數(shù)隨時間的變化如圖7所示。

由圖7可以看出，對于普通透水混凝土與聚合物透水混凝土，滲透系數(shù)分別為初始滲透系數(shù)的81%與92%。普通透水混凝土較聚合物透水混凝土易堵，主要由于聚合物乳液改善了新拌透水混凝土的工作性能，提高了混凝土的致密性。同時，膠乳中含有大量活性物質，在混凝土水化、硬化過程中增加了膠乳與集料及水化產物的黏附性。膠乳失水后形成的聚合物薄膜緊密吸附在集料表面，填塞在集料-水泥石界區(qū)，形成了集料-聚合物薄膜-水泥石的空間網狀結構。孔隙尺寸和滲流速度較小，減小了細砂進入孔隙通道堵塞較細部位的可能性，復摻聚丙烯纖維較單摻聚合物透水混凝土路面不易堵塞，但效果不明顯，究其原因為亂向分布的纖維增強了空間網狀作用，使得細砂更不易進入孔隙通道。因此，聚合物透水混凝土路面的投入使用成為一種趨勢。

2.2 路面承載力分析

壓力傳感器將傳遞的信號轉化為應變，文獻[14]通過整理多組數(shù)據擬合得到壓力P與應變ε的線性方程為P=-1.042 6ε+0.051 69。本文通過測試壓力傳感器的應變，計算不同類型透水混凝土路面的承載力。對普通透水混凝土按加載制度加載，荷載增加至54 kN時，路段出現(xiàn)聲響，觀測面層無明顯裂縫，繼續(xù)加載至63 kN時，傳感器讀數(shù)出現(xiàn)跳躍式變化，面層中心處出現(xiàn)貫穿裂縫，標志著路段破壞。相同加載制度下，聚合物透水混凝土加載至48 kN時，路段側面板出現(xiàn)聲響，繼續(xù)加載至53 kN時，傳感器讀數(shù)呈跳躍式降低，路段破壞。對于聚丙烯纖維改性聚合物透水混凝土路段，按照加載制度先加載至88 kN時，側面板出現(xiàn)開裂聲響，面層表面無明顯裂縫，繼續(xù)加載至96 kN時，荷載值出現(xiàn)跳躍式降低，路段方向中心處出現(xiàn)貫穿裂縫，標志著路段破壞。

通過比較發(fā)現(xiàn)，普通透水混凝土承載力較聚合物透水混凝土高，主要由于兩者膠結材料和膠結作用原理不同。聚合物透水混凝土是以樹脂膠黏劑為膠結材料，對基料的包裹層較薄，膠黏劑固化后基料間膠結面積小。聚丙烯纖維改性聚合物透水混凝土的承載力較聚合物透水混凝土提高了52%，在加載過程中，聚丙烯纖維-聚合物-基料-水泥形成空間網狀共同受力，抑制了路面板的拉彎變形，提高了路面的承載性能，彌補了聚合物透水混凝土路面透水性好而承載力差的劣勢。

2.3 不同類型透水混凝土抗沖擊性能分析

由于計算結果具有較大的離散性，為保證數(shù)據的可靠性，本文采用格拉布拉斯統(tǒng)計法進行數(shù)據處理[21]，表7為試驗條件下沖擊功的測試結果。圖8為透水混凝土抗沖擊功與聚丙烯纖維摻量的關系。圖9為透水混凝土抗沖擊功與聚合物摻量的關系。

表7 不同類型透水混凝土沖擊功及提高率Tab.7 Impact Power and Increase Rate of Different Types of Pervious Concrete

由表7可知，普通透水混凝土的初裂沖擊次數(shù)與終裂沖擊次數(shù)相同且較小，表明普通透水混凝土在沖擊荷載作用下呈脆性破壞。聚合物透水混凝土在沖擊荷載作用下沖擊性能有所增強，較普通透水混凝土提高了15.6%～40%，主要由于加入聚合物后形成乳膠-集料-水泥空間網狀結構，加強了混凝土的內部結構性，進而提高了透水混凝土的抗沖擊性能。

摻入聚丙烯纖維的聚合物透水混凝土可以顯著增強其抗沖擊性能。由表7及圖9還可以看出：聚丙烯纖維摻量為0.5%時，抗沖擊性能大致提高了101%，且隨著纖維摻量的增加，混凝土吸收的沖擊功越大，抗沖擊性能越好；當聚丙烯纖維摻量為1.5%時，抗沖擊性能提高了245.9%，較聚合物透水混凝土有更好的抗沖擊性。主要由于聚丙烯纖維的混亂分布，與混凝土內部結構一起承擔沖擊荷載作用，阻止了混凝土碎塊從基體中脫落，使得混凝土表現(xiàn)出較好的韌性，進一步提高了透水混凝土的抗沖擊性能。

2.4 不同類型透水混凝土路面徑流量的分析

圖10為不同降雨歷時與重現(xiàn)期下3種透水混凝土路面的徑流系數(shù)變化。對聚丙烯纖維改性聚合物透水混凝土路面分析可知，降雨歷時為30 min，重現(xiàn)期由20年到100年時徑流系數(shù)由0.11增至0.24，表明降雨頻率增大時，徑流系數(shù)減小，透水混凝土路面對徑流的削減作用越明顯。通過對比發(fā)現(xiàn)，普通透水混凝土路面雨量徑流系數(shù)為0.26～0.48，相同的重現(xiàn)期與降雨歷時下，聚合物透水混凝土與聚丙烯纖維改性聚合物透水混凝土徑流系數(shù)相差不大，但較普通透水混凝土路面徑流系數(shù)要小，徑流系數(shù)為0.11～0.29。

綜合分析可知，對于重現(xiàn)期小、降雨歷時較短的多雨地區(qū)，聚丙烯纖維改性聚合物透水混凝土路面較普通透水混凝土路面有較好的徑流削減效果。

3 結 語

(1)普通透水混凝土與聚合物透水混凝土滲透系數(shù)分別為初始滲透系數(shù)的81%與92%。普通透水混凝土較聚合物透水混凝土易堵，主要由于聚合物乳液改善了新拌透水混凝土的工作性能，提高了混凝土的致密性。同時，膠乳中含有大量活性物質，在混凝土水化、硬化過程中增加了膠乳與集料及水化產物的黏附性。

(2)通過比較發(fā)現(xiàn)，普通透水混凝土承載力較聚合物透水混凝土高，聚合物透水混凝土中摻入聚丙烯纖維后承載力提高了52%，彌補了聚合物透水混凝土路面透水性好而承載力差的劣勢。

(3)普通透水混凝土面層的初裂沖擊次數(shù)等于終裂沖擊次數(shù)，呈脆性破壞，隨著聚合物摻量的增加，透水混凝土路面抗沖擊性能增強，聚氨酯膠黏劑摻量為4%～12%時，抗沖擊性能較普通透水混凝土提高了15.6%～40%。復摻聚丙烯纖維摻量為1.5%時，抗沖擊性能提高了245.90%。聚丙烯纖維-聚合物-基料-水泥形成的空間網狀結構是增強其抗沖擊性的根本。

(4)普通混凝土路面徑流系數(shù)為0.26～0.48，重現(xiàn)期與降雨歷時相同時，聚合物透水混凝土與聚丙烯纖維改性聚合物透水混凝土徑流系數(shù)相差不大，但較普通透水混凝土徑流系數(shù)要小，路面徑流系數(shù)為0.11～0.29。綜合分析可知，對于重現(xiàn)期小、降雨歷時較短的多雨地區(qū)，聚丙烯纖維改性聚合物透水混凝土路面較普通透水混凝土路面有更好的徑流削減效果。

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