聚丙烯纖維長(zhǎng)徑比對(duì)再生透水混凝土改性研究

梁家紅

(固始縣公路管理局，河南 固始 465200)

透水混凝土相較傳統(tǒng)水泥混凝土具有透水、降噪以及輕質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于市政工程的人行道、廣場(chǎng)道路等非機(jī)動(dòng)車(chē)道[1-4]。同時(shí)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的急速發(fā)展，石料等不可再生資源的短缺問(wèn)題凸顯，但基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)產(chǎn)生的建筑廢料的處治也成為一個(gè)較為棘手的問(wèn)題[5-7]。為促進(jìn)資源的2次利用，降低全行業(yè)的碳排放，我國(guó)也在積極推行固廢資源的有效使用[8-9]。其中，再生透水混凝土即為其中之一，我國(guó)目前已發(fā)布了相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以規(guī)范再生透水混凝土在路面工程中的應(yīng)用[10-15]。但相較水泥混凝土以及新集料透水水泥混凝土，再生透水混凝土由于組成材料再生骨料存在潛在的微裂縫，在相關(guān)性能方面存在一定缺陷[5-6]，為此有必要對(duì)其進(jìn)行改性處理[16-18]。

本文擬采用混凝土常用改性劑聚丙烯纖維，研究其長(zhǎng)徑比對(duì)再生透水混凝土性能影響。通過(guò)采用2種直徑纖維，不同長(zhǎng)徑比對(duì)再生透水混凝土進(jìn)行改性，分別研究其對(duì)抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)以及耐磨性能影響規(guī)律，為再生透水混凝土的改性研究提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1)水泥：P·O42.4級(jí)普通硅酸鹽水泥，比表面積為350 m3/kg，其余各項(xiàng)基本性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；

(2)粗骨料：天然粗骨料選用粒徑為10～20 mm的碎石；再生粗骨料選用由廢棄混凝土路面破碎篩分而成的10～20 mm混凝土塊。粗骨料的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 粗骨料的基本技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Basic technical indicators of coarse aggregates

(3)纖維：選用直徑分別為31、450 μm的聚丙烯細(xì)纖維和聚丙烯粗纖維，其中聚丙烯細(xì)纖維長(zhǎng)度分別為6、12、18和24 mm；聚丙烯粗纖維長(zhǎng)度分別為15、30、45和60 mm，其性能指標(biāo)如表2所示；

表2 聚丙烯纖維性能指標(biāo)Tab.2 Performance indexes of polypropylene fiber

(4)水：城市生活用水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探討聚丙烯纖維摻量及長(zhǎng)徑比對(duì)再生骨料透水混凝土性能的影響，選定水灰比為0.3，再生骨料取代率分別為0%、50%；聚丙烯纖維摻量以體積百分比方式摻入再生骨料透水混凝土，聚丙烯粗、細(xì)纖維摻量分別為4.5%、0.6%。為了便于表述，將天然、再生和聚丙烯纖維再生透水混凝土分別記為NPC、RPC、PRPC；透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)Tab.3 Design of pervious concrete

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1力學(xué)性能試驗(yàn)

透水混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)儀器均采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試件尺寸均采用100 mm×200 mm的圓柱體，測(cè)試齡期均為28 d。

1.3.2透水性能試驗(yàn)

根據(jù)CJJ/T 253—2016、CJJ/T 135—2009中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行透水混凝土的連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)試驗(yàn)。其中，采用變水頭法測(cè)定試件的透水系數(shù)，試件尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm的立方體。

1.3.3耐磨性能試驗(yàn)

采用洛杉磯磨耗機(jī)測(cè)試透水混凝土的耐磨性能，磨耗機(jī)速率設(shè)定為30 r/min，磨耗試件尺寸為100 mm×200 mm的圓柱體。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在不摻加纖維條件下，通過(guò)對(duì)天然NPC、再生骨料RPC透水混凝土進(jìn)行力學(xué)性能、透水性能以及耐磨性能試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 NPC、RPC的性能測(cè)試結(jié)果Tab.4 Performance test results of NPC and RPC

由表4可知，相較天然NPC透水混凝土，RPC透水混凝土抗壓強(qiáng)度增大。其中，NPC的抗壓強(qiáng)度為6.32 MPa；而RPC的抗壓強(qiáng)度為7.27 MPa，盡管再生骨料的密度強(qiáng)度較低且壓碎指標(biāo)較大，但抗壓強(qiáng)度較前者仍增大了16.8%。這主要原因是再生骨料經(jīng)過(guò)破碎處理后其表面比較粗糙，能夠促使水泥漿與骨料間包裹更為充實(shí)，因此透水混凝土的抗壓強(qiáng)度增大。RPC劈裂抗拉強(qiáng)度、連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)減小，質(zhì)量損耗率增大，表明在上述性能方面再生集料對(duì)透水混凝土具有不利影響。其中，RPC的劈裂抗拉強(qiáng)度較于NPC降低了10.3%左右，其原因是再生骨料經(jīng)破碎處理后產(chǎn)生了少量的微小裂紋，故在拉應(yīng)力作用下易出現(xiàn)損壞。RPC的透水系數(shù)與連續(xù)孔隙較于NPC分別降低了2.2%、7.7%，這主要原因是再生骨料經(jīng)過(guò)機(jī)械破碎后表面粗糙且含微裂紋；同時(shí)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也存有一定缺陷，在攪拌混合時(shí)易出現(xiàn)破損現(xiàn)象，從而產(chǎn)生部分小顆粒填充于骨料孔隙間，致使RPC的透水性降低。NPC和RPC的質(zhì)量損耗率分別為26.44%、27.95%，RPC較于NPC增大了5.7%，這主要原因是再生骨料的各項(xiàng)性能均低于天然骨料，故RPC的耐磨性較于NPC略差。

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將粗、細(xì)2種纖維材料分別摻入再生透水混凝土中，分別研究不同長(zhǎng)徑比試驗(yàn)條件下對(duì)再生透水混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)影響。

2.1 28 d抗壓強(qiáng)度

不同長(zhǎng)徑比聚丙烯粗、細(xì)纖維再生透水混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 纖維長(zhǎng)徑比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響曲線Fig.1 Effect curve of fiber length ratio on compressive strength

從圖1可以看出，摻加粗纖維再生透水混凝土強(qiáng)度顯著高于細(xì)纖維。這是由于粗纖維強(qiáng)度相對(duì)較大，在透水混凝土的多孔隙結(jié)構(gòu)下仍可起到一定的加筋作用；而細(xì)纖維抗拉強(qiáng)度相對(duì)較小，反而對(duì)抗壓強(qiáng)度有一定的削弱作用。摻入直徑31 μm的聚丙烯細(xì)纖維后PRPC的28 d抗壓強(qiáng)度均低于RPC，且隨著聚丙烯細(xì)纖維長(zhǎng)徑比的增大，PRPC的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)一定的波動(dòng)，但整體仍呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。原因可能是聚丙烯細(xì)纖維強(qiáng)度較低，且由于聚丙烯為疏水材料，細(xì)纖維摻入再生透水混凝土后，其對(duì)混凝土強(qiáng)度的加筋不強(qiáng)作用小于其對(duì)混凝土整體結(jié)構(gòu)干擾的削弱作用，因此導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的降低。且長(zhǎng)徑比越大，纖維長(zhǎng)度越大，其對(duì)混凝土的貫穿削弱更為顯著，最后表現(xiàn)為長(zhǎng)徑比越大，28 d抗壓強(qiáng)度越低。摻入450 μm的聚丙烯粗纖維后PRPC的28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且減小后強(qiáng)度仍大于未摻纖維再生透水混凝土，表明450 μm聚丙烯粗纖維對(duì)再生透水混凝土28 d抗壓強(qiáng)度具有較好的增強(qiáng)作用。這是由于粗纖維摻入后，對(duì)再生透水混凝土起到了良好的加筋作用，且長(zhǎng)徑比越大時(shí)，纖維長(zhǎng)度越大，纖維對(duì)混凝土的纏繞增強(qiáng)效果更明顯。但長(zhǎng)徑比并非越大越好，由于摻量固定，長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，纖維數(shù)量減小，盡管長(zhǎng)度越大可能加筋效果越明顯，但較少量的纖維對(duì)混凝土試塊補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域減小，二者綜合作用導(dǎo)致再生透水混凝土抗壓強(qiáng)度降低。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

不同長(zhǎng)徑比聚丙烯粗細(xì)纖維再生透水混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 纖維長(zhǎng)徑比對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響曲線Fig.2 Effect curve of fiber length ratio on compressive strength

從圖2可以看出，相較RPC，摻入直徑31 μm聚丙烯細(xì)纖維后PRPC的劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小、后增大，最后線性降低的變化趨勢(shì)。這表明細(xì)纖維對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度改善存在最佳長(zhǎng)徑比，該最佳長(zhǎng)徑比為387，此時(shí)纖維長(zhǎng)度為12.0 mm。纖維長(zhǎng)徑比過(guò)小，同抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律一致，纖維的加筋效果小于其對(duì)再生透水混凝土的削弱效果。纖維長(zhǎng)徑比過(guò)大時(shí)，纖維數(shù)量有限，改性效果反而降低。摻入直徑450 μm聚丙烯細(xì)纖維后PRPC的劈裂抗拉強(qiáng)度初期為小幅增長(zhǎng)，后期顯著增強(qiáng)，然后呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。這表明只有當(dāng)粗纖維長(zhǎng)徑比達(dá)到一定范圍時(shí)，才會(huì)對(duì)再生透水混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度起到增強(qiáng)效果。其中，對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度改善最佳長(zhǎng)徑比為100，此時(shí)纖維長(zhǎng)度為45 mm。

就整體而言，在2種纖維最佳長(zhǎng)徑比下，粗纖維對(duì)再生透水混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)效果仍顯著高于細(xì)纖維。

2.3 連續(xù)孔隙率與透水系數(shù)

不同長(zhǎng)徑比聚丙烯粗細(xì)纖維再生透水混凝土的連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 纖維長(zhǎng)徑比對(duì)連續(xù)孔隙率與透水系數(shù)的影響曲線Fig.3 Effect curve of fiber length ratio on continuous porosity and water permeability coefficient

從圖3可以看出，2種纖維在不同長(zhǎng)徑比試驗(yàn)條件下，再生透水混凝土孔隙率與透水系數(shù)呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律。這是由于2個(gè)指標(biāo)測(cè)試機(jī)理存在一定的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，即連續(xù)空隙率越大，透水混凝土的滲水性能越強(qiáng)。根據(jù)CJJ/T 253—2016對(duì)透水混凝土面層透水性能要求可知(如表5所示)，所有試樣透水性能均滿足規(guī)范要求。

表5 透水水泥混凝土面層透水性能要求Tab.5 Water permeability performance requirementsof permeable cement concrete surface layer

(1)相較未摻纖維的RPC，摻入直徑31 μm聚丙烯細(xì)纖維后PRPC的連續(xù)孔隙率與透水系數(shù)呈現(xiàn)先增大，后減小再增大的變化趨勢(shì)。但總體而言，除長(zhǎng)徑比為400時(shí)透水系數(shù)外，再生透水混凝土連續(xù)孔隙率及透水系數(shù)均較未摻纖維的透水混凝土大，這表明聚丙烯細(xì)纖維的摻入有助于提高再生透水混凝土的透水性能；

(2)相較未摻纖維的RPC，摻入直徑450 μm聚丙烯粗纖維后PRPC的連續(xù)孔隙率與透水系數(shù)呈現(xiàn)先持續(xù)減小，后增大的變化趨勢(shì)。且總體而言，摻加纖維后試樣2個(gè)透水性能指標(biāo)值均小于未摻纖維的再生透水混凝土。這與抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度存在相反的變化規(guī)律，表明聚丙烯粗纖維長(zhǎng)徑比對(duì)強(qiáng)度與透水系數(shù)的改善不能同時(shí)兼顧。這可能是聚丙烯粗纖維在對(duì)再生透水混凝土進(jìn)行加筋增強(qiáng)作用的同時(shí)，較粗的纖維構(gòu)造阻擋了部分透水孔隙，進(jìn)而導(dǎo)致透水性能指標(biāo)的降低，且在對(duì)強(qiáng)度改善效果最佳(長(zhǎng)徑比為100)時(shí)，透水性能最低。

2.4 耐磨性能

當(dāng)透水混凝土作為路面材料使用時(shí)，必須具備一定的耐磨性能，以保證路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[19-20]；不同長(zhǎng)徑比聚丙烯粗細(xì)纖維再生透水混凝土的耐磨性試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 纖維長(zhǎng)徑比對(duì)耐磨性的影響曲線Fig.4 Effect curve of fiber length ratio on wear resistance

從圖4可以看出，根據(jù)CJJ/T 135—2009對(duì)透水混凝土路面耐磨性能要求(≤35%)，所有試樣耐磨性均滿足規(guī)范要求。相較未摻加纖維再生混凝土試樣，摻加2種聚丙烯纖維后，所有試樣質(zhì)量損失率均減小，表明2種纖維均可顯著改善再生透水混凝土耐磨性能。這可能是由于纖維的加入增強(qiáng)了透水混凝土表層水泥膠漿以及水泥膠漿與集料的粘附性能，在增強(qiáng)了混凝土強(qiáng)度的同時(shí)，也增強(qiáng)了耐磨性能。相較未摻纖維的RPC，摻入2種聚丙烯纖維后PRPC的質(zhì)量損失率均呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，表明聚丙烯纖維對(duì)耐磨性能的改善存在最優(yōu)長(zhǎng)徑比，細(xì)纖維、粗纖維最優(yōu)長(zhǎng)徑比分別為387與100，對(duì)應(yīng)纖維長(zhǎng)度分別為12、45 mm。與強(qiáng)度改善機(jī)理類似，在固定摻量條件下，過(guò)長(zhǎng)的長(zhǎng)徑比將導(dǎo)致纖維數(shù)量的減少，這是因?yàn)橐环矫孢^(guò)長(zhǎng)的纖維存在離析導(dǎo)致的分散不均勻；同時(shí)纖維數(shù)量的降低也將減小再生透水混凝土改性區(qū)域。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究粗、細(xì)2種聚丙烯纖維長(zhǎng)徑比對(duì)再生透水混凝土28 d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、連續(xù)透水孔隙率、透水系數(shù)以及耐磨性能影響，得到如下結(jié)論：

(1)摻入再生集料后，透水混凝土抗壓強(qiáng)度增大。對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度、透水性能及耐磨性能均有不利影響，但再生透水混凝土各指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；

(2)2種纖維長(zhǎng)徑比對(duì)再生透水混凝土28 d抗壓強(qiáng)度、透水性能存在較大甚至相反的影響規(guī)律，對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度與耐磨性能存在相似的影響規(guī)律，均為先提升，后降低；

(3)整體而言，除透水性能外，聚丙烯細(xì)纖維與粗纖維最佳長(zhǎng)徑比分別為378、100，對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度分別為12、45 mm。在最佳長(zhǎng)徑比下，粗纖維對(duì)再生透水混凝土改善效果優(yōu)于細(xì)纖維。