混杂纤维增强超高性能透水混凝土的弯曲性能研究

张玉斌，鲍世辉，张 聪

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，合肥 230000;2.江南大学，环境与土木工程学院，无锡 214000; 3.公路交通节能与环保技术及装备交通运输行业研发中心(合肥)，合肥 230000)

0 引 言

透水混凝土作为一种新型生态环保建筑材料，通过利用其内部孔隙结构，对扩大城市的透水、透气面积,调节城市空气的温度和湿度,雨水循环利用,维持土壤地下水位和生态平衡具有重要意义，在我国的海绵城市建设中得到了越来越广泛的应用[1]。但是目前，由于力学性能偏低(抗压强度通常不足30 MPa)，普通透水混凝土主要用于轻载道路铺装，如城市绿道、景观道路、人行辅道、非机动车道、广场和生态停车场等[2]。

提升透水混凝土的力学性能是其能够用于重载道路(大型公路、隧道、桥梁等)的前提，这需要透水混凝土在保证良好透水能力的同时具有较高的强度和韧性，因为高强度是满足重载要求的基本条件，而高韧性是避免铺装材料因变形导致开裂的必要条件[3-4]。超高性能透水混凝土(ultra-high performance pervious concrete, UHPPC)是近年来备受关注的一种新型功能化道路铺装材料[5-8]，其抗压强度通常不低于50 MPa,抗弯强度不低于6 MPa,透水系数不低于0.5 mm/s。虽然目前UHPPC兼具超高的强度和良好的透水能力，但是其韧性依然较低[5,7]。现有研究[9-13]表明，添加纤维是提升透水混凝土力学性能尤其是改善其韧性的有效手段。但是目前的相关研究主要关注于单一种类纤维对普通透水混凝土韧性的影响，缺乏混杂纤维增强超高性能透水混凝土相关性能的探究，而合理混杂使用不同尺度、不同性能纤维是进一步提升超高透水混凝土抗弯强度和韧性的潜在方法[13-16]。

本文通过引入碳酸钙晶须、聚乙烯纤维和聚乙烯醇纤维，制备了混杂纤维增强UHPPC材料，测试了其抗压强度、透水性能和弯曲性能，分析了混杂纤维对超高性能透水混凝土强度、韧性和透水能力的影响。本文的研究成果可为纤维增强超高性能透水混凝土的配制与性能优化提供重要的试验依据与参考。

1 实 验

1.1 原材料与配合比

配制UHPPC所用原材料包括P·O 52.5硅酸盐水泥(安徽海螺)、SF92级硅灰(河南铂润)、S95级矿粉(山东蟠龙山)、机制砂(粒径0～5 mm，连续级配)、玄武岩碎石(粒径5～10 mm，连续级配)、聚乙烯醇纤维(PVA，安徽皖维)、聚乙烯纤维(PE，东莞索维特)、碳酸钙晶须(CW，上海峰竺)、透水混凝土无机增强剂(无锡纳思同)。PVA纤维、PE纤维和碳酸钙晶须的形貌如图1所示，其基本物理力学性能如表1所示。共设计了6组UHPPC配比，如表2所示。

图1 纤维与碳酸钙晶须的形貌Fig.1 Morphology of fibers and CaCO3 whisker

表1 纤维和碳酸钙晶须的基本物理力学性能Table 1 Basic physical and mechanical properties of fibers and CaCO3 whisker

表2 试验配合比Table 2 Experimental mix proportion

1.2 试验方法

采用单轴强制式混凝土搅拌机将全部石子和50%水拌和30 s，随后加入水泥、硅灰、矿粉、碳酸钙晶须、机制砂、剩余50%水和透水混凝土无机增强剂继续搅拌1 min，最后均匀加入PE纤维和PVA纤维，搅拌2 min，获得新拌UHPPC材料。将新拌UHPPC分别装入100 mm×100 mm×100 mm以及100 mm×100 mm×400 mm的钢模后，插捣成型，放入混凝土标准养护箱养护24 h，拆模，随后在温度为(20±2) ℃，湿度为95%的标准养护箱中继续将试件养护至28 d，参照JC/T 2558—2020《透水混凝土》试验规程进行透水系数、抗压强度和弯曲性能测试，每组配比各性能测试3个试件。采用WAW-1000型万能材料试验机进行压缩和弯曲试验，弯曲试验加载装置如图2所示，通过荷载传感器和位移计分别采集弯曲荷载和跨中挠度，试验加载方式为位移控制，加载速率为0.05 mm/min。

图2 弯曲试验加载装置Fig.2 Loading instrument for flexural test

2 结果与讨论

2.1 抗压强度与透水系数

图3为各组UHPPC的抗压强度和透水系数测试结果。可以看到，各组UHPPC的28 d抗压强度均高于50 MPa，透水系数均大于1 mm/s，满足UHPPC对于抗压强度和透水系数的要求。相比于UHPPC的常规配制方法(Control-1组)，采用硅灰和矿粉等量取代水泥(Control-2组)提高了UHPPC的抗压强度，但透水系数降低。比如，抗压强度由51.6 MPa提升为55.8 MPa，提高了8.1%，而透水系数由1.6 mm/s降低为1.4 mm/s。这是由于硅灰和矿粉的粒径更小，比表面积更大，它们可以细化孔隙并填充UHPPC基体中的空隙。此外，硅灰和矿粉均具有非常高的活性，能够与水泥的水化产物如Ca(OH)2反应生成更多的凝胶产物，从而提高了UHPPC的强度，但这会对透水能力产生一定的不利影响[12]。因此建议在设计UHPPC配合比时可以适当考虑添加优质的矿物掺合料以改善UHPPC的强度，但需统筹考虑其对UHPPC透水性能的不利影响。

由图3(a)可以看到，与Control-1组相比，添加PVA纤维和PE纤维均提高了UHPPC的抗压强度，尤其是混杂使用碳酸钙晶须对UHPPC抗压强度的改善效果最为明显。比如，单掺PVA纤维组和PE纤维组抗压强度分别为57.2 MPa和55.1 MPa，而引入碳酸钙晶须后其强度分别提升至61.4 MPa和58.5 MPa。这是由于：(1)UHPPC基体中分布的纤维能够通过桥联作用控制裂缝的发展，同时，纤维的存在减轻了基体内部的应力集中，使UHPPC能够承受更高的荷载，直至完全压溃[9]；(2)碳酸钙晶须能够通过填充作用密实UHPPC基体，同时，晶须通过桥联作用能够控制微裂纹的扩展，从而发挥微观增强作用，进一步提高UHPPC的抗压强度[17]。同时也可以发现，PVA纤维的增强作用高于PE纤维，这是由于纤维与基体的黏结性能决定了其增强效果，亲水性的PVA纤维与水泥基体的黏结能力比PE纤维更强。UHPPC中PVA纤维和PE纤维的拔出形貌如图4所示。可以看到，由于PVA纤维的亲水特性，纤维在拔出后其表面附着了较多的UHPPC水化产物；相反地，PE纤维由于其疏水性，纤维拔出后其表面较为光滑，纤维与UHPPC基体的黏结能力较差。

由图3(b)可以看到，与Control-1组相比，添加PVA纤维或PE纤维均降低了UHPPC的透水系数，由1.62 mm/s分别下降为1.35 mm/s和1.31 mm/s。而混杂使用碳酸钙晶须则进一步加剧了透水系数的降低效果，PVA+CW组和PE+CW组的透水系数分别为1.05 mm/s和1.20 mm/s，降幅分别达到了35.2%和25.9%。这是由于：(1)纤维在透水混凝土基体中会干扰空隙的形成与分布，导致UHPPC的渗透性和空隙率下降[9,12]；(2)引入纤维尤其是碳酸钙晶须在一定程度上降低了新拌水泥砂浆基体的工作性[17]，从而影响UHPPC的空隙结构。

图3 UHPPC的抗压强度与透水系数Fig.3 Compressive strength and permeability coefficient of UHPPC

图4 UHPPC中PVA纤维和PE纤维的拔出形貌Fig.4 Pull-out morphology of PVA and PE fibers in UHPPC

2.2 抗弯强度与挠度

图5为各组UHPPC试件的抗弯强度与极限挠度的测试结果。可以看到，各组UHPPC的28 d抗弯强度均高于6.2 MPa，满足UHPPC对于抗弯强度的要求。与Control-1组相比，添加硅灰和矿粉(Control-2组)提高了UHPPC的抗弯强度，但是对极限挠度的影响并不明显，UHPPC的抗弯强度由6.27 MPa提高至6.85 MPa。与前述抗压强度类似，硅灰和矿粉的填充效应和活性效应改善了UHPPC的抗弯强度[12]。

相比于Control-1组，添加PVA纤维或PE纤维均明显提高了UHPPC的抗弯强度和极限挠度，且PVA纤维的提升效果优于PE纤维。比如，单掺PVA纤维组和PE纤维组UHPPC的抗弯强度由对照组的6.27 MPa分别提高为8.53 MPa和7.68 MPa，而极限挠度则由对照组的0.18 mm分别提升至0.32 mm和0.28 mm。这是由于乱向分布的纤维可以很好地桥联UHPPC的基体裂缝，阻碍其扩展，延缓宏观裂缝的发生与发展，对主要由主拉应力控制的抗弯性能有明显的提升作用[3,11]。同时，由于PE纤维表面的疏水性，其与水泥基体的黏结较PVA纤维弱，因此PE纤维对UHPPC抗弯强度和挠度的提升效果不及PVA纤维。相比于单掺PVA纤维组和PE纤维组，混杂使用碳酸钙晶须则进一步地提高了UHPPC的抗弯强度和极限挠度。这是由于碳酸钙晶须的微观填充作用和微观限裂作用能够改善UHPPC基体的强度，并能够通过晶须拔出和裂纹偏转等微观机制提高UHPPC基体的韧性[17]，UHPPC中的PVA纤维和碳酸钙晶须如图6所示。同时，微观纤维和宏观纤维之间具有一定的正混杂效应，碳酸钙晶须对水泥基体的增强与增韧作用能够提高基体对宏观纤维的黏结性能，从而进一步强化宏观纤维的桥联和拔出作用[18]。

图5 UHPPC的抗弯强度与极限挠度Fig.5 Flexural strength and ultimate deflection of UHPPC

图6 UHPPC中的PVA纤维和碳酸钙晶须Fig.6 PVA fiber and calcium carbonate whisker in UHPPC

2.3 弯曲破坏过程

图7为各组UHPPC的弯曲荷载-挠度曲线。可以看到，各组UHPPC试件的弯曲破坏过程均偏于脆性，由于纤维掺量较低，曲线的峰后软化段较难获得。通过对比各组曲线可以发现，相比于Control-1组，添加PVA纤维或PE纤维降低了UHPPC荷载-挠度曲线的斜率，说明PVA纤维和PE纤维会降低UHPPC的弯曲弹性模量，这是由于PVA纤维和PE纤维均为高分子聚合物纤维，自身弹性模量较低。但是纤维的引入提高了UHPPC试件在弯曲破坏过程中的变形能力，试件的极限挠度明显增大，尤其是混杂使用碳酸钙晶须后，UHPPC抵抗弯曲破坏的能力进一步提高。

图8为各组UHPPC试件的弯曲破坏形态。可以发现，UHPPC的弯曲破坏模式与普通透水混凝土基本一致，更多地表现为单缝开裂。但是，单独使用12 mm长度PVA纤维或混杂使用6 mm长度PVA纤维与碳酸钙晶须的UHPPC试件的弯曲裂缝数量有所增加，说明该两组UHPPC具有更好的抗裂能力和韧性，该现象与图7所示的弯曲荷载-挠度曲线结果较为一致。但是单独使用PE纤维或者混杂使用PE纤维和碳酸钙晶须的UHPPC试件的弯曲破坏模式与常规方法配制的UHPPC以及使用硅灰和矿粉等量取代水泥所配制的UHPPC的弯曲破坏模式并无差异，说明PE纤维在UHPPC弯曲破坏过程中的控裂效果不及PVA纤维。

图7 UHPPC的弯曲荷载-挠度曲线Fig.7 Flexural load-deflection curves of UHPPC

图8 UHPPC的弯曲破坏形态Fig.8 Flexural failure mode of UHPPC

综合以上分析讨论，在实际制备含纤维UHPPC时，建议考虑混杂使用PVA纤维和碳酸钙晶须，其原因有二：(1)该混杂方式能够显著提升UHPPC的抗压强度、抗弯强度和弯曲变形能力，虽然对UHPPC的透水能力有一定的劣化作用，但依然能够达到1 mm/s以上的透水系数，明显高于JC/T 2558—2020《透水混凝土》试验规程的基本要求；(2)通过本研究可以发现，混杂使用碳酸钙晶须可以在一定程度上降低PVA纤维的掺量，但并不会因此劣化UHPPC的力学性能，这对降低PVA纤维增强UHPPC的成本具有重要意义。

3 结 论

本文研究了超高性能透水混凝土UHPPC的弯曲性能，并通过引入力学性能优异的碳酸钙晶须配制了新型的混杂纤维UHPPC材料，研究了PVA纤维、PE纤维和碳酸钙晶须对UHPPC弯曲性能的改善效果。通过本文研究，可以得到以下结论：

(1)添加PVA纤维或PE纤维均能够提高UHPPC的抗压强度，但PVA纤维对UHPPC抗压强度的提升作用优于PE纤维；混杂使用碳酸钙晶须能够进一步改善UHPPC的抗压强度，尤其是混杂使用PVA纤维和碳酸钙晶须，UHPPC的抗压强度可达61.4 MPa。

(2)添加PVA纤维或PE纤维均降低了UHPPC的透水系数，而引入碳酸钙晶须则进一步加剧了透水系数的降低效果，尤其是混杂使用PVA纤维和碳酸钙晶须，UHPPC的透水系数下降了35.2%，但依然达到了1.05 mm/s，满足工程使用要求。

(3)添加PVA纤维或PE纤维均明显提高了UHPPC的抗弯强度和极限挠度，且PVA纤维的提升效果优于PE纤维；与单掺PVA纤维或PE纤维相比，混杂使用碳酸钙晶须则进一步地提高了UHPPC的抗弯强度和极限挠度；与PE纤维与碳酸钙晶须混杂相比，PVA纤维混杂碳酸钙晶须对UHPPC弯曲强度和挠度的改善效果更加显著。

(4)添加PVA纤维或PE纤维降低了UHPPC的弯曲弹性模量，但提高了UHPPC试件在弯曲破坏过程中的变形能力，尤其是混杂使用PVA纤维和碳酸钙晶须，UHPPC抵抗弯曲破坏的能力进一步提高，试件弯曲破坏模式发生转变，弯曲裂缝条数增加。