混雜纖維增強超高性能透水混凝土的彎曲性能研究

張玉斌，鮑世輝，張 聰

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，合肥 230000;2.江南大學，環境與土木工程學院，無錫 214000; 3.公路交通節能與環保技術及裝備交通運輸行業研發中心(合肥)，合肥 230000)

0 引 言

透水混凝土作為一種新型生態環保建筑材料，通過利用其內部孔隙結構，對擴大城市的透水、透氣面積,調節城市空氣的溫度和濕度,雨水循環利用,維持土壤地下水位和生態平衡具有重要意義，在我國的海綿城市建設中得到了越來越廣泛的應用[1]。但是目前，由于力學性能偏低(抗壓強度通常不足30 MPa)，普通透水混凝土主要用于輕載道路鋪裝，如城市綠道、景觀道路、人行輔道、非機動車道、廣場和生態停車場等[2]。

提升透水混凝土的力學性能是其能夠用于重載道路(大型公路、隧道、橋梁等)的前提，這需要透水混凝土在保證良好透水能力的同時具有較高的強度和韌性，因為高強度是滿足重載要求的基本條件，而高韌性是避免鋪裝材料因變形導致開裂的必要條件[3-4]。超高性能透水混凝土(ultra-high performance pervious concrete, UHPPC)是近年來備受關注的一種新型功能化道路鋪裝材料[5-8]，其抗壓強度通常不低于50 MPa,抗彎強度不低于6 MPa,透水系數不低于0.5 mm/s。雖然目前UHPPC兼具超高的強度和良好的透水能力，但是其韌性依然較低[5,7]。現有研究[9-13]表明，添加纖維是提升透水混凝土力學性能尤其是改善其韌性的有效手段。但是目前的相關研究主要關注于單一種類纖維對普通透水混凝土韌性的影響，缺乏混雜纖維增強超高性能透水混凝土相關性能的探究，而合理混雜使用不同尺度、不同性能纖維是進一步提升超高透水混凝土抗彎強度和韌性的潛在方法[13-16]。

本文通過引入碳酸鈣晶須、聚乙烯纖維和聚乙烯醇纖維，制備了混雜纖維增強UHPPC材料，測試了其抗壓強度、透水性能和彎曲性能，分析了混雜纖維對超高性能透水混凝土強度、韌性和透水能力的影響。本文的研究成果可為纖維增強超高性能透水混凝土的配制與性能優化提供重要的試驗依據與參考。

1 實 驗

1.1 原材料與配合比

配制UHPPC所用原材料包括P·O 52.5硅酸鹽水泥(安徽海螺)、SF92級硅灰(河南鉑潤)、S95級礦粉(山東蟠龍山)、機制砂(粒徑0～5 mm，連續級配)、玄武巖碎石(粒徑5～10 mm，連續級配)、聚乙烯醇纖維(PVA，安徽皖維)、聚乙烯纖維(PE，東莞索維特)、碳酸鈣晶須(CW，上海峰竺)、透水混凝土無機增強劑(無錫納思同)。PVA纖維、PE纖維和碳酸鈣晶須的形貌如圖1所示，其基本物理力學性能如表1所示。共設計了6組UHPPC配比，如表2所示。

圖1 纖維與碳酸鈣晶須的形貌Fig.1 Morphology of fibers and CaCO3 whisker

表1 纖維和碳酸鈣晶須的基本物理力學性能Table 1 Basic physical and mechanical properties of fibers and CaCO3 whisker

表2 試驗配合比Table 2 Experimental mix proportion

1.2 試驗方法

采用單軸強制式混凝土攪拌機將全部石子和50%水拌和30 s，隨后加入水泥、硅灰、礦粉、碳酸鈣晶須、機制砂、剩余50%水和透水混凝土無機增強劑繼續攪拌1 min，最后均勻加入PE纖維和PVA纖維，攪拌2 min，獲得新拌UHPPC材料。將新拌UHPPC分別裝入100 mm×100 mm×100 mm以及100 mm×100 mm×400 mm的鋼模后，插搗成型，放入混凝土標準養護箱養護24 h，拆模，隨后在溫度為(20±2) ℃，濕度為95%的標準養護箱中繼續將試件養護至28 d，參照JC/T 2558—2020《透水混凝土》試驗規程進行透水系數、抗壓強度和彎曲性能測試，每組配比各性能測試3個試件。采用WAW-1000型萬能材料試驗機進行壓縮和彎曲試驗，彎曲試驗加載裝置如圖2所示，通過荷載傳感器和位移計分別采集彎曲荷載和跨中撓度，試驗加載方式為位移控制，加載速率為0.05 mm/min。

圖2 彎曲試驗加載裝置Fig.2 Loading instrument for flexural test

2 結果與討論

2.1 抗壓強度與透水系數

圖3為各組UHPPC的抗壓強度和透水系數測試結果。可以看到，各組UHPPC的28 d抗壓強度均高于50 MPa，透水系數均大于1 mm/s，滿足UHPPC對于抗壓強度和透水系數的要求。相比于UHPPC的常規配制方法(Control-1組)，采用硅灰和礦粉等量取代水泥(Control-2組)提高了UHPPC的抗壓強度，但透水系數降低。比如，抗壓強度由51.6 MPa提升為55.8 MPa，提高了8.1%，而透水系數由1.6 mm/s降低為1.4 mm/s。這是由于硅灰和礦粉的粒徑更小，比表面積更大，它們可以細化孔隙并填充UHPPC基體中的空隙。此外，硅灰和礦粉均具有非常高的活性，能夠與水泥的水化產物如Ca(OH)2反應生成更多的凝膠產物，從而提高了UHPPC的強度，但這會對透水能力產生一定的不利影響[12]。因此建議在設計UHPPC配合比時可以適當考慮添加優質的礦物摻合料以改善UHPPC的強度，但需統籌考慮其對UHPPC透水性能的不利影響。

由圖3(a)可以看到，與Control-1組相比，添加PVA纖維和PE纖維均提高了UHPPC的抗壓強度，尤其是混雜使用碳酸鈣晶須對UHPPC抗壓強度的改善效果最為明顯。比如，單摻PVA纖維組和PE纖維組抗壓強度分別為57.2 MPa和55.1 MPa，而引入碳酸鈣晶須后其強度分別提升至61.4 MPa和58.5 MPa。這是由于：(1)UHPPC基體中分布的纖維能夠通過橋聯作用控制裂縫的發展，同時，纖維的存在減輕了基體內部的應力集中，使UHPPC能夠承受更高的荷載，直至完全壓潰[9]；(2)碳酸鈣晶須能夠通過填充作用密實UHPPC基體，同時，晶須通過橋聯作用能夠控制微裂紋的擴展，從而發揮微觀增強作用，進一步提高UHPPC的抗壓強度[17]。同時也可以發現，PVA纖維的增強作用高于PE纖維，這是由于纖維與基體的黏結性能決定了其增強效果，親水性的PVA纖維與水泥基體的黏結能力比PE纖維更強。UHPPC中PVA纖維和PE纖維的拔出形貌如圖4所示。可以看到，由于PVA纖維的親水特性，纖維在拔出后其表面附著了較多的UHPPC水化產物；相反地，PE纖維由于其疏水性，纖維拔出后其表面較為光滑，纖維與UHPPC基體的黏結能力較差。

由圖3(b)可以看到，與Control-1組相比，添加PVA纖維或PE纖維均降低了UHPPC的透水系數，由1.62 mm/s分別下降為1.35 mm/s和1.31 mm/s。而混雜使用碳酸鈣晶須則進一步加劇了透水系數的降低效果，PVA+CW組和PE+CW組的透水系數分別為1.05 mm/s和1.20 mm/s，降幅分別達到了35.2%和25.9%。這是由于：(1)纖維在透水混凝土基體中會干擾空隙的形成與分布，導致UHPPC的滲透性和空隙率下降[9,12]；(2)引入纖維尤其是碳酸鈣晶須在一定程度上降低了新拌水泥砂漿基體的工作性[17]，從而影響UHPPC的空隙結構。

圖3 UHPPC的抗壓強度與透水系數Fig.3 Compressive strength and permeability coefficient of UHPPC

圖4 UHPPC中PVA纖維和PE纖維的拔出形貌Fig.4 Pull-out morphology of PVA and PE fibers in UHPPC

2.2 抗彎強度與撓度

圖5為各組UHPPC試件的抗彎強度與極限撓度的測試結果。可以看到，各組UHPPC的28 d抗彎強度均高于6.2 MPa，滿足UHPPC對于抗彎強度的要求。與Control-1組相比，添加硅灰和礦粉(Control-2組)提高了UHPPC的抗彎強度，但是對極限撓度的影響并不明顯，UHPPC的抗彎強度由6.27 MPa提高至6.85 MPa。與前述抗壓強度類似，硅灰和礦粉的填充效應和活性效應改善了UHPPC的抗彎強度[12]。

相比于Control-1組，添加PVA纖維或PE纖維均明顯提高了UHPPC的抗彎強度和極限撓度，且PVA纖維的提升效果優于PE纖維。比如，單摻PVA纖維組和PE纖維組UHPPC的抗彎強度由對照組的6.27 MPa分別提高為8.53 MPa和7.68 MPa，而極限撓度則由對照組的0.18 mm分別提升至0.32 mm和0.28 mm。這是由于亂向分布的纖維可以很好地橋聯UHPPC的基體裂縫，阻礙其擴展，延緩宏觀裂縫的發生與發展，對主要由主拉應力控制的抗彎性能有明顯的提升作用[3,11]。同時，由于PE纖維表面的疏水性，其與水泥基體的黏結較PVA纖維弱，因此PE纖維對UHPPC抗彎強度和撓度的提升效果不及PVA纖維。相比于單摻PVA纖維組和PE纖維組，混雜使用碳酸鈣晶須則進一步地提高了UHPPC的抗彎強度和極限撓度。這是由于碳酸鈣晶須的微觀填充作用和微觀限裂作用能夠改善UHPPC基體的強度，并能夠通過晶須拔出和裂紋偏轉等微觀機制提高UHPPC基體的韌性[17]，UHPPC中的PVA纖維和碳酸鈣晶須如圖6所示。同時，微觀纖維和宏觀纖維之間具有一定的正混雜效應，碳酸鈣晶須對水泥基體的增強與增韌作用能夠提高基體對宏觀纖維的黏結性能，從而進一步強化宏觀纖維的橋聯和拔出作用[18]。

圖5 UHPPC的抗彎強度與極限撓度Fig.5 Flexural strength and ultimate deflection of UHPPC

圖6 UHPPC中的PVA纖維和碳酸鈣晶須Fig.6 PVA fiber and calcium carbonate whisker in UHPPC

2.3 彎曲破壞過程

圖7為各組UHPPC的彎曲荷載-撓度曲線。可以看到，各組UHPPC試件的彎曲破壞過程均偏于脆性，由于纖維摻量較低，曲線的峰后軟化段較難獲得。通過對比各組曲線可以發現，相比于Control-1組，添加PVA纖維或PE纖維降低了UHPPC荷載-撓度曲線的斜率，說明PVA纖維和PE纖維會降低UHPPC的彎曲彈性模量，這是由于PVA纖維和PE纖維均為高分子聚合物纖維，自身彈性模量較低。但是纖維的引入提高了UHPPC試件在彎曲破壞過程中的變形能力，試件的極限撓度明顯增大，尤其是混雜使用碳酸鈣晶須后，UHPPC抵抗彎曲破壞的能力進一步提高。

圖8為各組UHPPC試件的彎曲破壞形態。可以發現，UHPPC的彎曲破壞模式與普通透水混凝土基本一致，更多地表現為單縫開裂。但是，單獨使用12 mm長度PVA纖維或混雜使用6 mm長度PVA纖維與碳酸鈣晶須的UHPPC試件的彎曲裂縫數量有所增加，說明該兩組UHPPC具有更好的抗裂能力和韌性，該現象與圖7所示的彎曲荷載-撓度曲線結果較為一致。但是單獨使用PE纖維或者混雜使用PE纖維和碳酸鈣晶須的UHPPC試件的彎曲破壞模式與常規方法配制的UHPPC以及使用硅灰和礦粉等量取代水泥所配制的UHPPC的彎曲破壞模式并無差異，說明PE纖維在UHPPC彎曲破壞過程中的控裂效果不及PVA纖維。

圖7 UHPPC的彎曲荷載-撓度曲線Fig.7 Flexural load-deflection curves of UHPPC

圖8 UHPPC的彎曲破壞形態Fig.8 Flexural failure mode of UHPPC

綜合以上分析討論，在實際制備含纖維UHPPC時，建議考慮混雜使用PVA纖維和碳酸鈣晶須，其原因有二：(1)該混雜方式能夠顯著提升UHPPC的抗壓強度、抗彎強度和彎曲變形能力，雖然對UHPPC的透水能力有一定的劣化作用，但依然能夠達到1 mm/s以上的透水系數，明顯高于JC/T 2558—2020《透水混凝土》試驗規程的基本要求；(2)通過本研究可以發現，混雜使用碳酸鈣晶須可以在一定程度上降低PVA纖維的摻量，但并不會因此劣化UHPPC的力學性能，這對降低PVA纖維增強UHPPC的成本具有重要意義。

3 結 論

本文研究了超高性能透水混凝土UHPPC的彎曲性能，并通過引入力學性能優異的碳酸鈣晶須配制了新型的混雜纖維UHPPC材料，研究了PVA纖維、PE纖維和碳酸鈣晶須對UHPPC彎曲性能的改善效果。通過本文研究，可以得到以下結論：

(1)添加PVA纖維或PE纖維均能夠提高UHPPC的抗壓強度，但PVA纖維對UHPPC抗壓強度的提升作用優于PE纖維；混雜使用碳酸鈣晶須能夠進一步改善UHPPC的抗壓強度，尤其是混雜使用PVA纖維和碳酸鈣晶須，UHPPC的抗壓強度可達61.4 MPa。

(2)添加PVA纖維或PE纖維均降低了UHPPC的透水系數，而引入碳酸鈣晶須則進一步加劇了透水系數的降低效果，尤其是混雜使用PVA纖維和碳酸鈣晶須，UHPPC的透水系數下降了35.2%，但依然達到了1.05 mm/s，滿足工程使用要求。

(3)添加PVA纖維或PE纖維均明顯提高了UHPPC的抗彎強度和極限撓度，且PVA纖維的提升效果優于PE纖維；與單摻PVA纖維或PE纖維相比，混雜使用碳酸鈣晶須則進一步地提高了UHPPC的抗彎強度和極限撓度；與PE纖維與碳酸鈣晶須混雜相比，PVA纖維混雜碳酸鈣晶須對UHPPC彎曲強度和撓度的改善效果更加顯著。

(4)添加PVA纖維或PE纖維降低了UHPPC的彎曲彈性模量，但提高了UHPPC試件在彎曲破壞過程中的變形能力，尤其是混雜使用PVA纖維和碳酸鈣晶須，UHPPC抵抗彎曲破壞的能力進一步提高，試件彎曲破壞模式發生轉變，彎曲裂縫條數增加。