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：針對傳統透水混凝土極限承載性差，抗凍融性能低，以及易開裂和粗骨料間粘接力弱的問題，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制備的混凝土試件進行測試。結果表明，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，纖維混凝土抗凍性能達到最佳;在耐蝕系數方面，本試驗制備的纖維混凝土的耐蝕系數有顯著提高;在早期收縮性能方面，隨著時間的推移，試驗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組在45 d后的收縮量為-3.91×10-4 ，普通透水性混凝土對照組的收縮量為-5.41×10-4 mm。

關鍵詞：剛性聚丙烯纖維;透水混凝土;耐久性能;抗凍性能

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A 文章編號：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。透水混凝土能規避安全隱患問題，使得雨雪水能快速下滲集中到專用排水通道中。在實際工程中，透水混凝土因為其疏松多孔的結構特性，常出現極限承載性能差、抗凍融性能低、易開裂、粗骨料間粘接力弱等問題。保持混泥土透水特性的同時又能增加其性能是目前研究較為重要的課題，黃建凱等（2018）嘗試利用復合摻合料和聚合物對透水混凝土進行改性[1];趙劍鋒等（2019）則希望通過摻加短切纖維增加透水混凝土的性能[2];以上學者的成果給我們帶來新的思考，但在實際運用中，還是存在一定問題。本研究嘗試利用廉價的剛性聚丙烯纖維對透水混凝土進行改性，制備一種經濟實用，性能優良的透水混凝土。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

本試驗所用材料與設備如表1、表2所示。

1.2 試驗步驟

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

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

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

（4）將脫模后的試件放入相對濕度為90%、溫度為（20±3）℃的標準養護室中養護至指定齡期。具體流程如圖1所示：

1.3 性能測試

參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/ T 50082—2009） 對混凝土性能進行測定[3-5]，所用試驗方法皆參照普通混凝土試驗方法。

1.3.1 凍融循環試驗

制備分別摻入質量分數為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%試件為對照組（C1），0.3%、0.6%和1%試件為試驗組（C2～C4）。對以上制備的不同質量分數的混凝土試件進行抗凍性能測定;表3為凍融循環試驗試件的具體配比。

凍融循環試驗的具體實驗步驟：

（1）根據表3的配比制備凍融循環試驗試件，每組制備3個體積為100 mm×100 mm×400 mm的試件，并在標準養護條件下養護24 d;

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

（3）浸泡4 d后取出，擦除試件表面水分，并對試件尺寸進行測量。測量結束后，對試件進行編號;

（4）對試件橫向基頻初始值和初始質量進行檢測，分別記為woi和 foi;

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

（6）開啟凍融循環機，每隔25次循環再次測定試件質量和橫向基頻。相對動彈性模量由公式（1）、公式（2） 計算[6-7];單個試件的質量損失率由公式（3）計算[8];試件的平均質量損失率可用公式（4）計算[9]。

式中，Pi為經n次凍融循環后第i個試件的相對彈性模量;fni為經n次凍融循環后第i個試件橫向基頻值;foi為凍融循環前第i個試件橫向基頻值;P為經n次凍融循環后一組試件的相對彈性模量。

式中，wni為經次凍融循環后第i個試件的質量損失率;woi為凍融循環前第i個試件的質量;wni為凍融循環后第i個試件的質量。

式中，wn表示經n次凍融循環后一組試件的平均質量損失率。其余表達式含義與上述公式含義相同。

1.3.2 干濕循環試驗

選擇剛性聚丙烯纖維摻入的質量分數為1%的混凝土試件作為試驗組，普通透水性混凝土為對照組，從而確定經纖維改性后混凝土的耐久性能。具體步驟：

結合上述制備得到的100 mm×100 mm×400 mm的抗硫酸鹽腐蝕試件，將試件放入LSB/Ⅲ型干濕循環機中進行抗硫酸鹽干濕循環。循環結束后，用AL-589數顯壓力試驗機對干濕循環后的試件進行抗壓強度檢測，進而確定其耐腐蝕程度。混凝土抗壓強度耐蝕系數由公式（5）計算。

式中，Kf 為抗壓強度耐蝕系數; fcn為經n次干濕循環后受硫酸鹽腐蝕試驗組混凝土試件的抗壓強度測定值; fco為對照組混凝土試件的抗壓強度測定值。

1.3.3 早期收縮試驗

參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）的要求，采用非接觸法測試經纖維改性后混凝土的收縮性能。同樣選擇纖維摻入質量分數為1%的剛性聚丙烯混凝土為試驗組，未摻加纖維的透水混凝土為對照組，利用TEP型非接觸式位移傳感器對試件早期收縮性能進行檢測。混凝土收縮率由公式（6）計算[10]。

式中，εst 測試期為 t 的混凝土收縮率， t 從初始讀數時算起;L10表示左側非接觸式標靶位移傳感器初始讀數;L1t左側非接觸式位移傳感器測試期為 t 的讀數;L20為右側非接觸式標靶位移傳感器初始讀數;L2t右側非接觸式位移傳感器測試期為 t 的讀數;L0為試件測量標距，即試件長度減去試件中兩個反射標靶沿試件長度方向埋入試件中的長度之和。

2 結果與討論

2.1 抗凍性能分析

表4為凍融循環后，C1～C4試件的相對動彈性模量質量損失率結果。通過分析表4數據可發現，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。當摻入的剛性聚丙烯纖維質量分數為1%時，抗凍性能最佳，經125次凍融循環后，質量損失率為8.72%。由此可以說明，在該試驗的配比中，當摻入的纖維質量分數為1%時，得到的混凝土試件的抗凍性能最佳。

出現上述現象的原因，是在凍融循環過程中，隨凍融循環次數的增加，試件骨料脫落的現象越加明顯，未摻入纖維的透水混凝土試件出現斷裂性破壞的現象，而纖維混凝土試件則是從中部開裂。這是因為剛性聚丙烯纖維與水泥漿的粘接性能良好，在凍融次數較少時，試件表面水泥粘接力失效，使得表面骨料脫落。隨著凍融次數的增加，試件開始出現裂縫，此時剛性聚丙烯纖維發揮阻裂和增強作用，使裂縫源的數量和裂縫的寬度受到限制。在裂縫出現時，剛性聚丙烯纖維可以跨越裂縫，繼續傳遞應力，起到抵抗外力的作用。凍融循環進展到一定程度后，裂縫的數量與寬度隨之增加，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多次凍融循環后，內部骨料的粘接效應消失，試件失去穩定，所以出現從中間斷開的現象。

2.2 混凝土干濕循環測試

為更好對比摻入纖維和不摻入纖維混凝土試件的性能，選擇表4中的對照組（C1）和試驗組（C2）進行抗硫酸鹽干濕循環試驗;表5為抗硫酸鹽干濕循環后試件的抗壓強度和耐蝕系數結果。由表5的數據可知，剛性聚丙烯纖維改性透水混凝土的抗壓性能始終優于普通透水混凝土的抗壓性能。在30次干濕循環之前，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接近;在45次凍融循環時，纖維混凝土耐蝕系數明顯高于普通混凝土;但在60次凍融循環時，耐蝕系數又趨于一致。這是因為硫酸鹽的析出對內部孔隙產生膨脹作用，硫酸鹽與水泥之間發生一定化學反應，進而降低了水泥的粘接作用。纖維在一定程度內可維持整體結構，當裂縫產生時，剛性聚丙烯纖維橫跨在裂縫中間，仍能夠傳遞應力，抵抗外力作用。但經過60次凍融循環后，硫酸鹽與水泥化學反應徹底，水泥基粘接效應降低，纖維的阻斷作用也慢慢的消失，所以兩者耐蝕系數趨于一致。

2.3 早期收縮性能測試

圖2為混凝土試件隨齡期增長收縮變化情況，C1為對照組，C4為試驗組。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。因為纖維在混凝土中，與水泥基界面產生粘接與嚙齒合力，在兩者共同受力作用下，纖維混凝土的塑性抗拉強度隨之增加。在膨脹早期，纖維混凝土內部纖維因為和水泥共同受力，因此可抑制試件膨脹。在收縮過程中，收縮能量被分散到纖維上，對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生以及發展，減小混凝土收縮量。

3 結語

本研究采用的P.O42.5硅酸鹽水泥、剛性聚丙烯纖維和二級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，并對其強度和耐久性能進行檢測，具體試驗結果：

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

（2）在摻入的纖維質量分數為1%時，即選擇纖維體積摻量為8.73 kg/m3時，剛性聚丙烯纖維混凝土的耐久性始終優于普通混凝土。經60次凍融循環后，纖維混凝土的耐蝕系數與普通混凝土的耐蝕系數趨于一致，此時纖維混凝土C4試驗組和普通混凝土C1試驗組的耐蝕系數分別為60.7%和58.9%。

（3）收縮對比試驗可知，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對照組和C4試驗組混凝土試件的收縮量分別為和，證實摻入纖維后，對混凝土內部裂縫的發生和發展有抑制作用，能夠有效減小混凝土的收縮值。

（3）通過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比試驗可知，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對照組和普通混凝土C4的收縮量分別為和。證實摻入纖維后，對混凝土內部裂縫的發生和發展有抑制作用，能夠有效減小混凝土的收縮值。

參考文獻

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