聚丙烯纖維長徑比對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水泥混凝土具有透水、降噪以及輕質等優點，目前已廣泛應用于市政工程的人行道、廣場道路等非機動車道[1-4]。同時，隨著我國基礎建設的急速發展，石料等不可再生資源的短缺問題凸顯，但基礎設施建設產生的建筑廢料的處治也成為一個較為棘手的問題[5-7]。為促進資源的2次利用，降低全行業的碳排放，我國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，我國目前已發布了相應的行業標準以規范再生透水混凝土在路面工程中的應用[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，在相關性能方面存在一定缺陷[5-6]，為此有必要對其進行改性處理[16-18]。

本文擬采用混凝土常用改性劑聚丙烯纖維，研究其長徑比對再生透水混凝土性能影響。通過采用2種直徑纖維，不同長徑比對再生透水混凝土進行改性，分別研究其對抗壓強度、劈裂抗拉強度、連續孔隙率、透水系數以及耐磨性能影響規律，為再生透水混凝土的改性研究提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

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

(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。粗骨料的主要技術指標如表1所示。

表1 粗骨料的基本技術指標Tab.1 Basic technical indicators of coarse aggregates

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

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

(4)水：城市生活用水。

1.2 試驗設計

為了探討聚丙烯纖維摻量及長徑比對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計如表3所示。

表3 透水混凝土的配合比設計Tab.3 Design of pervious concrete

1.3 試驗方法

1.3.1力學性能試驗

透水混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度試驗儀器均采用萬能試驗機，試件尺寸均采用100 mm×200 mm的圓柱體，測試齡期均為28 d。

1.3.2透水性能試驗

根據CJJ/T 253—2016、CJJ/T 135—2009中相關標準進行透水混凝土的連續孔隙率、透水系數試驗。其中，采用變水頭法測定試件的透水系數，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

采用洛杉磯磨耗機測試透水混凝土的耐磨性能，磨耗機速率設定為30 r/min，磨耗試件尺寸為100 mm×200 mm的圓柱體。

2 試驗結果與分析

在不摻加纖維條件下，通過對天然NPC、再生骨料RPC透水混凝土進行力學性能、透水性能以及耐磨性能試驗，結果如表4所示。

表4 NPC、RPC的性能測試結果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透水混凝土抗壓強度增大。其中，NPC的抗壓強度為6.32 MPa；而RPC的抗壓強度為7.27 MPa，盡管再生骨料的密度強度較低且壓碎指標較大，但抗壓強度較前者仍增大了16.8%。這主要原因是再生骨料經過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，因此透水混凝土的抗壓強度增大。RPC劈裂抗拉強度、連續孔隙率、透水系數減小，質量損耗率增大，表明在上述性能方面再生集料對透水混凝土具有不利影響。其中，RPC的劈裂抗拉強度較于NPC降低了10.3%左右，其原因是再生骨料經破碎處理后產生了少量的微小裂紋，故在拉應力作用下易出現損壞。RPC的透水系數與連續孔隙較于NPC分別降低了2.2%、7.7%，這主要原因是再生骨料經過機械破碎后表面粗糙且含微裂紋；同時其內部結構也存有一定缺陷，在攪拌混合時易出現破損現象，從而產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性能均低于天然骨料，故RPC的耐磨性較于NPC略差。

根據試驗設計，將粗、細2種纖維材料分別摻入再生透水混凝土中，分別研究不同長徑比試驗條件下對再生透水混凝土各項性能指標影響。

2.1 28 d抗壓強度

不同長徑比聚丙烯粗、細纖維再生透水混凝土的28 d抗壓強度試驗，結果如圖1所示。

圖1 纖維長徑比對抗壓強度的影響曲線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度顯著高于細纖維。這是由于粗纖維強度相對較大，在透水混凝土的多孔隙結構下仍可起到一定的加筋作用；而細纖維抗拉強度相對較小，反而對抗壓強度有一定的削弱作用。摻入直徑31 μm的聚丙烯細纖維后PRPC的28 d抗壓強度均低于RPC，且隨著聚丙烯細纖維長徑比的增大，PRPC的抗壓強度呈現一定的波動，但整體仍呈現下降趨勢。原因可能是聚丙烯細纖維強度較低，且由于聚丙烯為疏水材料，細纖維摻入再生透水混凝土后，其對混凝土強度的加筋不強作用小于其對混凝土整體結構干擾的削弱作用，因此導致抗壓強度的降低。且長徑比越大，纖維長度越大，其對混凝土的貫穿削弱更為顯著，最后表現為長徑比越大，28 d抗壓強度越低。摻入450 μm的聚丙烯粗纖維后PRPC的28 d抗壓強度呈現先增大后減小的趨勢，且減小后強度仍大于未摻纖維再生透水混凝土，表明450 μm聚丙烯粗纖維對再生透水混凝土28 d抗壓強度具有較好的增強作用。這是由于粗纖維摻入后，對再生透水混凝土起到了良好的加筋作用，且長徑比越大時，纖維長度越大，纖維對混凝土的纏繞增強效果更明顯。但長徑比并非越大越好，由于摻量固定，長度過大時，纖維數量減小，盡管長度越大可能加筋效果越明顯，但較少量的纖維對混凝土試塊補強區域減小，二者綜合作用導致再生透水混凝土抗壓強度降低。

2.2 劈裂抗拉強度

不同長徑比聚丙烯粗細纖維再生透水混凝土的劈裂抗拉強度試驗，結果如圖2所示。

圖2 纖維長徑比對劈裂抗拉強度的影響曲線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聚丙烯細纖維后PRPC的劈裂抗拉強度呈現先減小、后增大，最后線性降低的變化趨勢。這表明細纖維對劈裂抗拉強度改善存在最佳長徑比，該最佳長徑比為387，此時纖維長度為12.0 mm。纖維長徑比過小，同抗壓強度影響規律一致，纖維的加筋效果小于其對再生透水混凝土的削弱效果。纖維長徑比過大時，纖維數量有限，改性效果反而降低。摻入直徑450 μm聚丙烯細纖維后PRPC的劈裂抗拉強度初期為小幅增長，后期顯著增強，然后呈現降低趨勢。這表明只有當粗纖維長徑比達到一定范圍時，才會對再生透水混凝土劈裂抗拉強度起到增強效果。其中，對劈裂抗拉強度改善最佳長徑比為100，此時纖維長度為45 mm。

就整體而言，在2種纖維最佳長徑比下，粗纖維對再生透水混凝土劈裂抗拉強度增強效果仍顯著高于細纖維。

2.3 連續孔隙率與透水系數

不同長徑比聚丙烯粗細纖維再生透水混凝土的連續孔隙率、透水系數試驗，結果如圖3所示。

圖3 纖維長徑比對連續孔隙率與透水系數的影響曲線Fig.3 Effect curve of fiber length ratio on continuous porosity and water permeability coefficient

從圖3可以看出，2種纖維在不同長徑比試驗條件下，再生透水混凝土孔隙率與透水系數呈現相似的變化規律。這是由于2個指標測試機理存在一定的內在關聯，即連續空隙率越大，透水混凝土的滲水性能越強。根據CJJ/T 253—2016對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聚丙烯細纖維后PRPC的連續孔隙率與透水系數呈現先增大，后減小再增大的變化趨勢。但總體而言，除長徑比為400時透水系數外，再生透水混凝土連續孔隙率及透水系數均較未摻纖維的透水混凝土大，這表明聚丙烯細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的連續孔隙率與透水系數呈現先持續減小，后增大的變化趨勢。且總體而言，摻加纖維后試樣2個透水性能指標值均小于未摻纖維的再生透水混凝土。這與抗壓強度及劈裂抗拉強度存在相反的變化規律，表明聚丙烯粗纖維長徑比對強度與透水系數的改善不能同時兼顧。這可能是聚丙烯粗纖維在對再生透水混凝土進行加筋增強作用的同時，較粗的纖維構造阻擋了部分透水孔隙，進而導致透水性能指標的降低，且在對強度改善效果最佳(長徑比為100)時，透水性能最低。

2.4 耐磨性能

當透水混凝土作為路面材料使用時，必須具備一定的耐磨性能，以保證路面結構的穩定[19-20]；不同長徑比聚丙烯粗細纖維再生透水混凝土的耐磨性試驗，結果如圖4所示。

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

從圖4可以看出，根據CJJ/T 135—2009對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，在增強了混凝土強度的同時，也增強了耐磨性能。相較未摻纖維的RPC，摻入2種聚丙烯纖維后PRPC的質量損失率均呈現先減小后增大的變化趨勢，表明聚丙烯纖維對耐磨性能的改善存在最優長徑比，細纖維、粗纖維最優長徑比分別為387與100，對應纖維長度分別為12、45 mm。與強度改善機理類似，在固定摻量條件下，過長的長徑比將導致纖維數量的減少，這是因為一方面過長的纖維存在離析導致的分散不均勻；同時纖維數量的降低也將減小再生透水混凝土改性區域。

3 結語

通過研究粗、細2種聚丙烯纖維長徑比對再生透水混凝土28 d抗壓強度、劈裂抗拉強度、連續透水孔隙率、透水系數以及耐磨性能影響，得到如下結論：

(1)摻入再生集料后，透水混凝土抗壓強度增大。對劈裂抗拉強度、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均滿足規范要求；

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

(3)整體而言，除透水性能外，聚丙烯細纖維與粗纖維最佳長徑比分別為378、100，對應長度分別為12、45 mm。在最佳長徑比下，粗纖維對再生透水混凝土改善效果優于細纖維。