易 鑄

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074）

高性能PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料研究進(jìn)展及應(yīng)用

易 鑄

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074）

高性能 PVA（聚乙烯醇）纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（PVA-ECC）是一種具有應(yīng)變硬化、多縫開(kāi)裂能力和高能量吸收能力的超高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。文中闡述了高性能PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的研究背景、進(jìn)展以及基本性能。得出：與普通水泥基復(fù)合材料相比，PVA-ECC的抗彎抗拉以及抗壓性能均有所提高，同時(shí)具有良好的延性和耐久性。目前，PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料已成功應(yīng)用于實(shí)際工程中。

PVA；增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料；纖維；應(yīng)變硬化

0 引言

鋼筋混凝土作為建筑材料中的一種，目前被大范圍的應(yīng)用于各種建設(shè)項(xiàng)目中。但是由于基礎(chǔ)研究的不斷深化以及在實(shí)際應(yīng)用時(shí)所發(fā)現(xiàn)的種種不足，混凝土材料的大范圍推廣運(yùn)用還存在不少問(wèn)題；如拉伸強(qiáng)度低、可靠性差、韌性差、較低的早期強(qiáng)度、自重大和開(kāi)裂后裂縫寬度不能滿足工程實(shí)際要求等不足。目前已有大量研究表明：水、二氧化碳和氯離子等有害離子向混凝土內(nèi)部惡化的速度是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的主要原因，而裂縫是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞的最直接表現(xiàn)。如果混凝土裂縫得不到有效的控制，則會(huì)加速引起這些有害介質(zhì)侵入到混凝土內(nèi)部，并最終使結(jié)構(gòu)的使用功能喪失[1]。因此，混凝土具備良好的抗裂控制能力是大力發(fā)展綠色高性能甚至超高性能混凝土結(jié)構(gòu)的基本要求。為了減少甚至消除混凝土早期收縮裂縫、提高韌性，纖維混凝土材料在最近幾年里得到了廣泛的應(yīng)用，如采用聚丙烯纖維混凝土、玻璃纖維增強(qiáng)混凝土在控制早期開(kāi)裂、彎曲韌度提高等方面都取得了可觀的效果。

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)摻加纖維量很高的高性能纖維混凝土（HPFRCC）對(duì)提高混凝土的韌度和強(qiáng)度有很好的效果；但由于纖維的含量過(guò)高，導(dǎo)致其成型困難，成本也顯著增加?；诖耍绹?guó)密歇根大學(xué)的Li教授和麻省理工的Leung教授采用微觀力學(xué)和斷裂力學(xué)的基本原理提出了ECC(Engineered Cementitious Composites）纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[2]。在體積率摻量約為2%的情況下，ECC復(fù)合材料的最大拉應(yīng)變可達(dá)到3%以上，并且適量的纖維摻量對(duì)成本控制有利。

1 高性能PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

通過(guò)摻加纖維來(lái)改善水泥基材料的性能研究由來(lái)已久，聚乙烯醇纖維（Polyvinyl alcohol fiber）稱為PVA纖維，通過(guò)在水泥砂漿中添加體積摻量不超過(guò)2%的 PVA纖維而制成一種新型復(fù)合材料，具有較高的延性和裂縫控制能力[3]。PVA-ECC可增大受彎構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度、變形能力和損傷容限，并能有效阻止有害介質(zhì)向內(nèi)部的滲透，延長(zhǎng)了工程結(jié)構(gòu)的使用壽命[4]。

美國(guó)密歇根大學(xué)早在1992年就開(kāi)始研究ECC材料。該材料是一種通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在拉伸和剪切荷載作用下呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化性能的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，按其成型方式的不同可分為擠壓成型ECC、自密實(shí)ECC和噴射ECC。近年來(lái)，隨著理論研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)拉應(yīng)變能力穩(wěn)定達(dá)到3%以上時(shí)，材料的應(yīng)變硬化性能才是穩(wěn)定的，才能穩(wěn)定地出現(xiàn)多條細(xì)密裂縫。因此，目前常用的ECC材料認(rèn)為其拉應(yīng)變能超過(guò)3%，且為普通纖維混凝土的30-300倍。高性能PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料是纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料中的一種，也是現(xiàn)今高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在性能和成本優(yōu)化中最好的一種材料。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)PVA-ECC 的性能已開(kāi)展了一些研究。如徐世烺 等人[5][6]通過(guò)對(duì)PVA-ECC進(jìn)行單軸拉伸、壓縮和彎曲試驗(yàn)，分析了PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的基本力學(xué)性能，構(gòu)建了超高韌性水泥基復(fù)合材料單軸壓縮本構(gòu)模型。張君等[7]通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)ECC基材得到低收縮ECC 材料的主要力學(xué)特性，并通過(guò)調(diào)整水膠比制備出了抗壓強(qiáng)度為20～60MPa的PVA-ECC。陳升平等[8]對(duì)PVA 纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)研究，得出摻入PVA 纖維能夠顯著增加ECC的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，而抗壓強(qiáng)度僅提高約10%。李 艷等[9]采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究利用工業(yè)廢料制備高強(qiáng)度的PVA-ECC，結(jié)果表明在水膠比較低的情況下，摻入適量的硅灰和粉煤灰能顯著提高其脆性和抗壓性能。鄧宗才等[10]研究了水灰比、砂灰比、纖維種類以及減縮劑等因素對(duì)高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料收縮變形性能的影響。本文在前人研究的基礎(chǔ)之上，闡述了高性能PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的研究背景、進(jìn)展以及基本性能，得出與普通水泥基復(fù)合材料相比，PVA-ECC的抗彎抗拉以及抗壓性能均有所提高，同時(shí)具有良好的延性和耐久性能。

2 PVA-ECC的基本性能

2.1 多縫開(kāi)裂現(xiàn)象

多縫開(kāi)裂是指在摻加PVA纖維的混凝土梁受彎時(shí)，當(dāng)混凝土梁底部初裂縫產(chǎn)生以后，能在梁底部受力范圍內(nèi)繼續(xù)生成新的裂縫，同時(shí)混凝土梁能繼續(xù)承受荷載作用。眾多密集細(xì)小的裂縫，形成了幾乎均勻的變形區(qū)域，裂縫間距基本相等，并且這些裂縫最終大致平行。多縫開(kāi)裂是PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的基本特性，斷裂力學(xué)原理分析認(rèn)為纖維的亂向分布在裂縫處起著“橋接”作用，因此在一定程度上阻礙了裂縫的發(fā)展。

2.2 應(yīng)變硬化特性

應(yīng)變硬化是材料在單軸拉伸時(shí)，達(dá)到極限抗拉應(yīng)變之前應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增大。不減少其形成機(jī)理的若干微細(xì)裂紋在材料中的張力和承載力，形成多條微細(xì)裂紋將有望使材料的宏觀拉應(yīng)變成倍增大。雖然微細(xì)裂紋形成，但材料整體的傳力性能并沒(méi)有被顯著削弱，這主要是因?yàn)榱鸭y間纖維的橋接作用。直拉試驗(yàn)可以比較直觀地顯示出用PVA纖維做增強(qiáng)材料的ECC的應(yīng)變硬化特征。有關(guān)試驗(yàn)表明，ECC材料相對(duì)于素混凝土，極限拉應(yīng)變接近普通混凝土的500倍，極限受拉荷載偏低，表現(xiàn)出極大的韌性性能。普通素混凝土在直拉試驗(yàn)條件下形成一條寬的主裂縫，裂縫寬度達(dá)到0.2mm-0.3mm，而 PVA-ECC在相同條件下能形成多條裂縫，其寬度能控制在50μm-60μm左右。

2.3 高性能PVA-ECC的特殊優(yōu)勢(shì)

高性能PVA-ECC通過(guò)應(yīng)變硬化特征提高水泥基材的韌性，并增強(qiáng)了基材的抗拉、抗折強(qiáng)度，對(duì)解決混凝土的耐久性問(wèn)題有較大的提高。主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

(1)耐疲勞性能好。高性能 PVA-ECC在承受反復(fù)荷載作用時(shí)能發(fā)揮良好的作用。

(2)抗爆、抗沖擊性能好。高性能PVA-ECC基體中分布的纖維能產(chǎn)生“橋接”效應(yīng)，在沖擊和爆炸荷載作用下，起到耗能、緩沖的作用。

(3)抗剪和抗彎性能好。由于纖維的亂向分布，高性能PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料可以很好的適應(yīng)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，從而提高結(jié)構(gòu)承載力，減少截面尺寸。

(4)阻裂效果好、耐久性能好。其裂縫寬度可控制在0.6mm左右，阻止了外界物質(zhì)的侵入，同時(shí)可降低內(nèi)部鋼筋的銹蝕，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性。

(5)抗震性能好。高性能PVA-ECC是一種很好的抗震耗能材料，其耗能能力強(qiáng)，可通過(guò)大變形、 多縫開(kāi)裂和應(yīng)變硬化實(shí)現(xiàn)耗能作用。

3 工程應(yīng)用

PVA-ECC是建筑工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的材料，可用于橋面、隧道修復(fù)，大壩、污水管線維護(hù)。在結(jié)構(gòu)部位（節(jié)點(diǎn)抗震結(jié)構(gòu)或混合結(jié)構(gòu)等），承受沖擊荷載的結(jié)構(gòu)或部位（路面、橋面、港口等），承受較大變形的結(jié)構(gòu)等方面也有較多應(yīng)用。此外，由于PVA-ECC施工可以通過(guò)自密實(shí)、泵送和噴射來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而大大提高了工作效率，縮短了施工時(shí)間。

例如，在2005年美國(guó)密歇根州南部的四跨簡(jiǎn)支鋼梁公路橋就運(yùn)用了PVA-ECC連接板。該橋部分用PVA-ECC維修，在澆筑兩天后對(duì)其表觀進(jìn)行檢測(cè)，與普通混凝土維修相比，PVA-ECC表面無(wú)可見(jiàn)裂縫，而混凝土表面則有大約300mm寬的可見(jiàn)裂縫。同時(shí)，日韓和歐美等國(guó)家也成功應(yīng)用了PVA-ECC進(jìn)行各項(xiàng)工程建設(shè)或維修，并取得了很好的效果。

4 結(jié)論及展望

在建設(shè)工程中，由于實(shí)際工程問(wèn)題的凸顯，人們?cè)絹?lái)越重視于提高結(jié)構(gòu)的耐久性和變形能力。同時(shí)試驗(yàn)研究表明PVA-ECC用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件中能夠發(fā)揮很好的效應(yīng)，對(duì)強(qiáng)度、變形能力、耐久性等的提高都有很好的效果。由于ECC的纖維摻量相對(duì)較低，所以是可以實(shí)現(xiàn)在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用的。

ECC材料的應(yīng)變硬化特性是復(fù)合材料中一種具有重大技術(shù)突破的性能，但對(duì)于研究高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的機(jī)理還需進(jìn)一步深化；而且，國(guó)內(nèi)在有關(guān)耐久性方面的試驗(yàn)研究也需要進(jìn)一步的探究。所以仍有大量的工作問(wèn)題需要解決：

（1）材料的基本力學(xué)性能研究是高性能 PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的主要研究任務(wù)，如在抗疲勞性能、抗剪性能、斷裂韌性等方面的研究。

（2）需要研究高性能PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的耐久性能，包括抗?jié)B、耐磨、抗凍，以及在淡水、日照、海水及有害離子作用下的抗腐蝕性能研究。

（3）在限制收縮條件下的抗裂防裂性能方面還需進(jìn)一步研究。

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易鑄（1991-），男，四川南充人，碩士研究生。