刚性聚丙烯纤维用于透水混凝土路面砖的试验研究

王林，周浩，周春杰

(1.江苏工程职业技术学院建筑工程学院，江苏 南通 226007；2.悉地(苏州)勘察设计顾问有限公司，江苏 苏州 215000；3.海安市城建开发投资集团有限公司，江苏 海安 226600)

0 引言

块体材料在世界各国应用非常广泛，而且源远流长，它在建筑中也一直起着举足轻重的作用。透水混凝土路面砖属于块体材料，主要用于路肩、园林道路、广场、停车场等处的地面铺装。它是由水泥、特殊级配的粗骨料、特定的掺合料、外加剂以及水等原材料经特定的加工工艺制成，除上表面外几乎不含细集料。其骨料间以点接触形成混凝土骨架，有着特殊的透水机理[1-3]；可将路面雨水较快地渗入地下，在降暴雨时降低洪峰流量，减小市政排水系统负荷[4,5]。此外，其还可以起到吸声降噪、防滑、夜里防眩光等作用[6-8]。

刚性聚丙烯纤维属于聚丙烯纤维的一种，是一种弹性模量较高的聚丙烯纤维，具有优良的特性。王金晶等[9]证明了在透水性混凝土中掺聚丙烯纤维的可行性。刘卫东[10]将刚性聚丙烯纤维应用到了透水性混凝土中，做了初步试验研究，证明了刚性聚丙烯纤维透水混凝土具有较好的抗压强度，其透水性也能满足要求。王婷[11]对刚性聚丙烯纤维在透水性混凝土中的应用做了较充分地试验，主要总结了刚性聚丙烯纤维透水性混凝土在抗压强度、透水系数、孔隙率、抗折强度和劈裂抗拉强度等方面的性能。从大量的参考文献可知，刚性聚丙烯纤维能够掺入透水混凝土，并且能改善混凝土的抗压强度、抗折强度以及劈裂抗拉强度，并不影响透水混凝土的透水性。

透水性混凝土路面砖是由单一级配的混凝土经静压或振动加压工艺制成[12]。GB/T 25993—2010《透水路面砖和透水路面板》规定，透水性混凝土路面砖按其劈裂抗拉强度值进行等级划分，这是因为透水性混凝土路面砖在应用中主要以劈裂拉伸破坏为主，较少出现受压破坏。而刚性聚丙烯纤维具有较高的抗拉强度，与透水性混凝土粘接牢固，单丝拔出强度可达0.1 MPa以上[10]；则掺入刚性聚丙烯纤维的透水性混凝土路面砖制品，也应该具有较好的劈裂抗拉强度、抗压强度等方面的优势。本文提出将刚性聚丙烯纤维掺于透水性混凝土路面砖，通过试验证明了其可行性，并对相关试验结果进行了分析总结，结果可供同行学者借鉴。

1 试验

1.1 试验目的

为验证设想和几种主要因素对透水混凝土路面砖的抗压强度、劈裂抗拉强度、透水系数的影响，拟开展四大组试验，将每大组试验分别命名为试验A、试验B、试验C、试验D，每一大组试验又分别包含多个小组试验。

抗压强度测试使用万能试验机对整块路面砖进行加压试验，采用按长方体试验块体最大面的面积计算的极限抗压强度。抗压强度计算公式如下：

式中：f——试验块体的抗压强度；

F——万能试验机所施加的极限荷载；

A——长方体试验块体最大面的面积。

劈裂抗拉强度按照GB/T 25993—2010《透水路面砖和透水路面板》中附录B(规范性附录)透水路面砖的劈裂抗拉强度试验方法进行测试。

透水系数按照GB/T 25993—2010《透水路面砖和透水路面板》中附录C(规范性附录)透水路面砖的透水系数测试方法进行测试。

1.2 试验材料

(1)水泥：采用42.5级普通硅酸盐水泥，山东省诸城市杨春水泥有限公司生产，符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的相关规定。透水砖的配合比中水泥用量一般在300～400 kg/m3[8,12]。

(2)骨料：用于透水混凝土砖的骨料一般是单一粒级的粗骨料，碎石或卵石均可，粒径范围可以采用2.5～5 mm、5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm四个级别。单位体积透水混凝土中骨料总量一般用紧密堆积密度表示，可取1 200～1 800 kg/m3[1]。所用粗骨料产于山东泰安，符合GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》相关规定。一般不用细骨料。

(3)外加剂：可以使用高效或中效减水剂[3,8]，能提高胶粘材料、刚性聚丙烯纤维和骨料间的粘接强度。选用广州达盛世建材有限公司生产的聚羧酸减水剂，符合GB 8076—2008《混凝土外加剂》的相关规定。

(4)刚性聚丙烯纤维：采用方大牌刚性聚丙烯纤维，长度有6 mm、9 mm、12 mm、15 mm、19 mm五种，等效直径为0.6 mm。

(5)水：饮用水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水标准》的规定。

5例病人居住在医院周边，出院随访比较方便，其他4例病人住址离医院较远，行动又不方便，希望出院后到社区复诊。病人A:“肢体活动受限，出院后复诊困难，希望医院与社区联动，方便病人就医”。

1.3 试验方案

1.3.1 材料选取及配合比

该配合比为质量比，确定原则根据各组试验的具体目的而定。具体情况如下：

(1)试验A各小组所采用的原材料配合比及搅拌方式见表1。该试验主要研究搅拌方式、刚性聚丙烯纤维的有无对透水混凝土路面砖的抗压强度、劈裂抗拉强度、透水系数的影响。

表1 试验A各小组所采用的原材料配合比及搅拌方式

(2)试验B各小组所采用的原材料配合比见表2。该试验主要研究粗骨料种类、粒径大小对刚性聚丙烯纤维透水混凝土路面砖的抗压强度、劈裂抗拉强度、透水系数的影响。

表2 试验B各小组所采用的原材料配合比

(3)试验C各小组所采用的原材料配合比见表3。该试验主要研究刚性聚丙烯纤维掺量对透水混凝土路面砖的抗压强度、劈裂抗拉强度、透水系数的影响。

表3 试验C各小组所采用的原材料配合比

(4)试验D各小组所采用的原材料配合比见表4。该试验主要研究刚性聚丙烯纤维长度变化对透水混凝土路面砖的抗压强度、劈裂抗拉强度、透水系数的影响。

表4 试验D各小组所采用的原材料配合比

1.3.2 搅拌方式

1.3.3 成型方式

每个小组均制备13个试块，其中5个长方体试块用于抗压测试，5个长方体试块用于劈裂抗拉强度测试，其余3个为圆柱体试块用于透水系数测试。长方体试块规格均采用200 mm×100 mm×60 mm。圆柱体试块规格均采用直径为75 mm、厚度为60 mm。成型压力采用2 MPa，成型后表面覆盖塑料薄膜以防止水分散失，经24 h后拆模并放入标准养护室养护28 d[15]。

刚性聚丙烯纤维混凝土路面砖的具体生产工艺如图1所示。普通混凝土路面砖的生产工艺与其相同，只是不掺刚性聚丙烯纤维。

图1 刚性聚丙烯纤维混凝土路面砖生产工艺流程

2 试验结果分析

2.1 试验A

试验A各小组试验结果如表5和图2～4所示。

表5 试验A各小组所得试验结果

图2 掺入刚性聚丙烯纤维及搅拌方式对抗压强度的影响

图3 掺入刚性聚丙烯纤维及搅拌方式对劈裂抗拉强度的影响

图4 掺入刚性聚丙烯纤维及搅拌方式对透水系数的影响

由表5和图2～图4可知，在均采用一次投料法搅拌时，透水混凝土路面砖在掺入刚性聚丙烯纤维后，抗压强度提高了3.67 MPa，即提高了17.69%；劈裂抗拉强度提高了0.94 MPa，即提高了30.13%；透水系数提高了1.84 mm/s，即提高了35.25%。在均采用水泥裹石法搅拌时，透水混凝土路面砖在掺入刚性聚丙烯纤维后，抗压强度提高了4.72 MPa，即提高了21.94%；劈裂抗拉强度提高了0.85 MPa，即提高了23.48%；透水系数提高了2.09 mm/s，即提高了60.58%。可见，把刚性聚丙烯纤维掺入透水混凝土路面砖确实能提高其抗压强度、劈裂抗拉强度，增强效果比较明显，并且也提高了其透水系数。

由表5和图2～图4还可得出，搅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砖的抗压强度和劈裂抗拉强度，对于素混凝土路面砖分别提高了3.66%和16.03%，对于掺入15%的长度为9 mm的纤维后的混凝土路面砖分别提高了7.41%和10.10%；但是采用水泥裹石法比一次投料法会使其透水系数有所下降，对于素混凝土路面砖降低了33.91%，对于掺入15%的长度为9 mm的纤维后的混凝土路面砖降低了21.53%。综合考虑两种搅拌方式，为了提高透水混凝土路面砖的抗压强度和劈裂抗拉强度，最好采用水泥裹石法搅拌。

2.2 试验B

试验B各小组试验结果如表6和图5～图7所示。

表6 试验B各小组所得试验结果

图5 粗骨料种类及粒径范围对抗压强度的影响

图6 粗骨料种类及粒径范围对劈裂抗拉强度的影响

图7 粗骨料种类及粒径范围对透水系数的影响

由表6和图5可知，不论粗骨料选用碎石还是卵石，刚性聚丙烯纤维透水混凝土路面砖的抗压强度均随粒径的增大而降低，当粒径在10～15 mm之前时，抗压强度均下降较慢，当粒径在10～15 mm之后时，抗压强度均下降迅速。由表6和图6可知，不论粗骨料选用碎石还是卵石，刚性聚丙烯纤维透水混凝土路面砖的劈裂抗拉强度均随粒径的增大而降低，下降幅度都较为均匀。由表6和图7可知，不论粗骨料选用碎石还是卵石，透水系数均随粒径的增大而逐渐增大，在粒径为5～10 mm之前和粒径为10～15 mm之后时，透水系数增加幅度均较大，在粒径处于5～10 mm和10～15 mm之间时，透水系数增加幅度均较小。综合考虑粒径范围对抗压强度、劈裂抗拉强度及透水系数的影响，建议在实际工程中可取粒径范围为5～10 mm。

由表6和图5～图7还可知，粗骨料选用碎石比选用卵石更能提高刚性聚丙烯纤维透水混凝土路面砖的抗压强度和劈裂抗拉强度，但粗骨料选用卵石一般比选用碎石具有更大的透水系数。在粒径范围为5～10 mm时，抗压强度碎石比卵石提高了2.69 MPa，即提高了11.38%；劈裂抗拉强度碎石比卵石提高了1.58 MPa，即提高了53.56%；透水系数碎石比卵石降低了1.27 mm/s，即降低了19.33%。综合考虑碎石和卵石对抗压强度、劈裂抗拉强度及透水系数的影响，在实际生产中可按性能需求选择。

2.3 试验C

试验C各小组试验结果如表7和图8～图10所示。

表7 试验C各小组所得试验结果

图8 纤维掺量对抗压强度的影响

图9 纤维掺量对劈裂抗拉强度的影响

图10 纤维掺量对透水系数的影响

由表7和图8可知，刚性聚丙烯纤维透水混凝土路面砖的抗压强度随纤维掺量的增加而增大，在纤维掺量超过9%以后其增加幅度迅速减小，曲线趋近于水平；由表7和图9可知，劈裂抗拉强度随纤维掺量的增加而增大，在纤维掺量超过9%以后其增加幅度也开始减小，曲线也趋近于平缓；由表7和图10可知，透水系数随纤维掺量的增加而增大，增加幅度较大且较稳定，未出现极值。综合考虑纤维掺量对刚性聚丙烯纤维透水混凝土路面砖的抗压强度、劈裂抗拉强度及透水系数的影响，建议在实际工程中纤维掺量控制在0.9%。

2.4 试验D

试验D各小组试验结果如表8和图11～图13所示。

表8 试验D各小组所得试验结果

图11 纤维长度对抗压强度的影响

图12 纤维长度对劈裂抗拉强度的影响

图13 纤维长度对透水系数的影响

由表8和图11可知，刚性聚丙烯纤维透水混凝土路面砖的抗压强度随纤维长度的增加先增大然后略有减小，当纤维长度在15 mm时抗压强度达到最大值26.56 MPa；由表8和图12可知，劈裂抗拉强度随纤维长度的增加先增大然后略有减小，当纤维长度在12 mm时劈裂抗拉强度达到最大值4.80 MPa。那么抗压强度和劈裂抗拉强度产生此种变化的主要原因是：当纤维长度达到12～15 mm之间的某长度时，纤维与水泥、粗骨料间的粘接力达到了纤维本身的抗拉强度，在纤维掺量确定后，继续增加纤维的长度，则会减少纤维的根数，这样不仅不会增加刚性聚丙烯纤维透水混凝土路面砖的强度，反而会使其强度降低。由表8和图13可知，透水系数随纤维长度的增加一直增大，增大幅度较大且较稳定，未出现极值。综合考虑纤维长度对刚性聚丙烯纤维透水混凝土路面砖的抗压强度、劈裂抗拉强度及透水系数的影响，建议在实际工程中纤维长度宜控制在12～15 mm之间。

3 结论

(1)在透水混凝土路面砖的原材料中掺入适量的刚性聚丙烯纤维能提高其抗压强度和劈裂抗拉强度，并且随着纤维掺量的增加其透水系数在增大，也改善了其透水性。从而验证了将刚性聚丙烯纤维按一定配合比掺入透水混凝土路面砖的可行性。

(2)在制备刚性聚丙烯纤维透水混凝土路面砖时，所用粗骨料的粒径范围可取5～10 mm，采用碎石比卵石能获得相对更高的抗压强度和劈裂抗拉强度，但透水系数有所减小，在实际产品生产时可按需而定。搅拌方式采用水泥裹石法比一次投料法能适当提高成品的抗压强度和劈裂抗拉强度，但也会造成透水系数的减小，在实际产品生产时建议采用水泥裹石法。

(3)纤维掺量和纤维长度的变化均会影响成品的抗压强度、劈裂抗拉强度、透水系数。根据试验C，建议在实际产品生产时纤维掺量控制在0.9%。根据试验D，建议在实际产品生产时纤维长度控制在12～15 mm之间。