王　勃, 魯文清， 周柏成， 宋雨非

(1. 吉林建筑大學土木工程學院， 吉林長春 130118；2. 吉林省結(jié)構(gòu)與抗震科技創(chuàng)新中心， 吉林長春 130118)

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聚乙烯醇纖維水泥砂漿加固技術(shù)的研究

王勃1,2, 魯文清1， 周柏成1， 宋雨非1

(1. 吉林建筑大學土木工程學院， 吉林長春 130118；2. 吉林省結(jié)構(gòu)與抗震科技創(chuàng)新中心， 吉林長春 130118)

聚乙烯醇纖維水泥砂漿(PVA-ECC)材料在國內(nèi)外尚未廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，但其在加固工程中的應(yīng)用是土木工程研究的一大熱點。近年來的研究表明，PVA-ECC材料在加固混凝土結(jié)構(gòu)中的效果顯著。文章在前人的基礎(chǔ)上介紹了國內(nèi)外對PVA-ECC加固混凝土構(gòu)件的研究現(xiàn)狀，并分析了PVA-ECC加固法的抗彎、抗剪及耐久性能,最后對PVA-ECC加固混凝土結(jié)構(gòu)的前景做進一步展望。

PVA-ECC；結(jié)構(gòu)；加固；抗彎；抗剪；耐久性

21世紀以來，我國的建筑業(yè)和城市建設(shè)得到迅速的發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)越來越廣泛地被應(yīng)用到各種建筑物中。然而在建筑工程施工中，有時會因為一些自然或人為的因素導致混凝土結(jié)構(gòu)強度沒有達到使用要求，如果返工將會浪費大量的人力物力，造成巨大損失。從使用條件和成本等各種因素來考慮，現(xiàn)有的加固方式已經(jīng)滿足不了當前所有的建筑結(jié)構(gòu)形式，新型的加固材料和加固形式亟需探索和研究。

1　聚乙烯醇纖維水泥砂漿(PVA-ECC)的性能

PVA-ECC(PVA Engineered Cementitious Composite)是一種具有優(yōu)良抗裂性能和應(yīng)變硬化特性的高韌性纖維增強水泥基復(fù)合材料。PVA-ECC與鋼絲網(wǎng)進行混凝土結(jié)構(gòu)加固，提高結(jié)構(gòu)承載力的主要是鋼絲網(wǎng)，起錨固和保護作用的主要是聚乙烯醇纖維水泥砂漿。

王海波[1]經(jīng)過試驗得出結(jié)論，聚乙烯醇纖維的摻入使水泥基復(fù)合材料的阻裂性能得到改善，在高溫、嚴寒等極端環(huán)境下，依舊能發(fā)揮出很好的抗裂性能，而且在一定的纖維摻量下，砂漿的抗拉強度能顯著提高，砂漿的阻裂性能從而得到提升，并且這種砂漿在抗沖擊性能方面也有顯著提高。

在已有的加固界面粘貼技術(shù)中，國內(nèi)外大都采用環(huán)氧樹脂為主劑,而PVA-ECC作為膠凝材料，與基材間有更好的相容性、協(xié)調(diào)性、相互滲透性，并且抗老化、耐火、耐久性更好；加固層厚一般為25 mm左右，結(jié)構(gòu)的重量與截面尺寸幾乎沒有變化；也不需要復(fù)雜的施工技術(shù)和工藝，與普通鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿加固方式基本相同，施工質(zhì)量易保障，成本比較低。聚乙烯醇纖維水泥砂漿不僅是膠凝材料，還是保護層材料，無需另作保護層。這種加固方法在提高結(jié)構(gòu)強度的同時也增強了結(jié)構(gòu)的抗凍、抗裂以及耐火性能。

2　聚乙烯醇纖維水泥砂漿加固混凝土結(jié)構(gòu)

2.1PVA-ECC加固法的發(fā)展現(xiàn)狀

大量研究表明，PVA-ECC具有非常高的韌性、彈性、抗裂性以及抗?jié)B性，它與鋼絲網(wǎng)組成的加固結(jié)構(gòu)壁薄、輕質(zhì)、高強，可廣泛應(yīng)用于路橋、涵洞、大型建筑等各種工程以及板條、梁柱、圓筒等各種結(jié)構(gòu)加固。

PVA-ECC加固法的經(jīng)驗借鑒于鋼絲網(wǎng)水泥加固，在20世紀80年代，鋼絲網(wǎng)水泥加固就進入了工程領(lǐng)域。隨后PVA-ECC加固法漸漸被工程上重視。PVA-ECC加固法采用的鋼筋為普通Ⅲ級鋼，纖維水泥砂漿是普通水泥砂漿摻入聚乙烯醇纖維，這種加固法平均每1 m2的成本約是碳纖維的1/10。同時還能保護原構(gòu)件，在修補破損時起到作用。在施工上，PVA-ECC加固法因為工藝簡單、對施工條件要求比較低，相比其他加固法有比較大的優(yōu)勢。由于原結(jié)構(gòu)與鋼絲網(wǎng)是通過纖維砂漿粘結(jié)，出現(xiàn)粘結(jié)滑移的可能性也大大減小。

John等人[2]對含有普通纖維和微纖維的混雜纖維增強混凝土進行了試驗，研究纖維混凝土的工作性能。為了讓摻入混凝土中纖維和混凝土共同工作，將纖維和混凝土按一定比例混合，使其具有良好的和易性。研究該新型材料的力學性能、抗?jié)B性能以及抗開裂性能的試驗表明，這種混雜纖維增強的混凝土與普通纖維增強的混凝土相比，具有更高的抗開裂能力和強度。

我國的一些專家在聚乙烯醇纖維結(jié)構(gòu)的研究上也有所建樹，肖長發(fā)[3]認為高強度聚乙烯醇具有較好的親水性、黏結(jié)性以及抗沖擊性。用高強度聚乙烯醇纖維增強后的混凝土的抗沖擊、抗疲勞及防龜裂性能均有所改善。聚乙烯纖維結(jié)構(gòu)還具有良好的抗腐蝕性能，適用于大型水利工程。

2.2PVA-ECC加固機理及破壞特征

PVA-ECC加固法主要是在加固構(gòu)件上綁扎鋼絲網(wǎng)，外噴或壓抹聚乙烯醇水泥砂漿，使其與原結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個整體，提高加固構(gòu)件的承載力。通過鋼絲網(wǎng)增加構(gòu)件的配筋量從而提高構(gòu)件的抗彎、抗剪等性能。根據(jù)所加固構(gòu)件的要求不同，加固方法分為單側(cè)加厚(單包法)、雙側(cè)加厚(雙包法)、三面(U包法)和四面外包(全包法)等。

PVA-ECC加固法的基本原理類似于混凝土結(jié)構(gòu)，加固構(gòu)件中鋼絲網(wǎng)的作用等同于鋼筋，纖維水泥砂漿起保護層和粘結(jié)劑的作用。加固構(gòu)件在受力時產(chǎn)生的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力通過粘結(jié)劑傳遞給粘貼的鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)和原構(gòu)件共同承擔荷載，達到增加構(gòu)件承載力的目的。對于單包法，鋼絲網(wǎng)僅僅承擔拉應(yīng)力，相當于受拉鋼筋，對于全包法，受壓區(qū)鋼絲網(wǎng)承擔壓應(yīng)力，受拉區(qū)鋼絲網(wǎng)承擔拉應(yīng)力。

PVA-ECC加固后的混凝土屬于二次受力的受力狀態(tài)，其破壞形式也比較復(fù)雜，其破壞形式有：(1)受壓區(qū)混凝土被壓碎；(2)鋼絲網(wǎng)被拉直，裂縫變大；(3)粘貼的鋼絲網(wǎng)與原構(gòu)件剝離，發(fā)生剝離破壞。其最終的破壞形式還取決于PVA-ECC加固層厚度、原構(gòu)件配筋特征、受力形式等。

2.3PVA-ECC加固結(jié)構(gòu)的力學性能研究

2.3.1PVA-ECC抗彎加固

應(yīng)用聚乙烯醇纖維水泥砂漿進行抗彎加固和補強主要利用了這種材料抗拉承載力高的特性 。將PVA-ECC加固層噴射在混凝土構(gòu)件的受拉面 ,使之與混凝土構(gòu)件共同承受荷載 ,以提高構(gòu)件受彎承載力,可以根據(jù)具體情況設(shè)計所需加固材料的厚度，讓其達到不同的加固強度。

卜良桃[4]等人對6根PVA-ECC加固的鋼筋混凝土足尺梁進行了試驗，對其中3根進行了正截面抗彎試驗，另外3根進行了正截面抗彎二次試驗。通過與1根未加固但配置相同的足尺梁對比研究發(fā)現(xiàn)，加固梁的屈服荷載和極限荷載均有大幅度的提高：屈服荷載平均提高60 %，極限荷載平均提高70 %。通過對試驗現(xiàn)象、撓度、鋼筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變等幾個方面分析得到結(jié)論：用聚乙烯醇纖維水泥加固后的混凝土梁延性有了明顯提高，二次受力加固梁的屈服荷載相對一次受力加固梁來說提升的幅度較小，極限荷載提高幅度基本相同，相同試驗下梁的屈服荷載及極限荷載與鋼筋網(wǎng)間距成反比。

影響PVA-ECC抗彎加固效果的因素主要有：加固層的厚度，復(fù)合砂漿及混凝土的強度，粘結(jié)面的處理情況以及配筋特征。

2.3.2PVA-ECC抗剪加固

利用聚乙烯醇纖維水泥砂漿對混凝土構(gòu)件進行抗剪加固 ,其受力特征與箍筋類似，利用PVA-ECC對混凝土的約束來阻止剪切裂縫的開裂和發(fā)展。

陳文永[5]分別對普通鋼筋混凝土梁、碳纖維布加固混凝土梁、纖維網(wǎng)格及聚合砂漿加固鋼筋混凝土梁和纖維網(wǎng)格及ECC加固鋼筋混凝土梁進行受剪試驗，對比結(jié)果表明纖維網(wǎng)格及ECC組合加固梁擁有更好的抗剪加固性能，在增加延性、抵抗剝離、提高承載力及裂縫控制等方面相比其他體系更加出色。之后，卜良桃[6]對4根鋼筋混凝土懸臂梁進行抗剪試驗，其中兩根作對比梁，另外兩根采用PVA-ECC鋼筋網(wǎng)加固。加固梁開裂荷載得到大幅度提升；加固梁受剪承載力和箍筋屈服荷載也有明顯提高；加固梁開裂、屈服和極限荷載提高的幅度與剪跨比成正比。

2.3.3PVA-ECC的耐久性

PVA-ECC加固結(jié)構(gòu)具有良好的耐火性能，這是因為PVA纖維會在高溫下溶解，會為水蒸氣提供遷移通道，使ECC構(gòu)件中的水蒸氣快速的釋放，延緩了水泥基體的分解和破壞，所以ECC能承受更高的溫度。

美國的En-Hua Yang博士對ECC構(gòu)件進行耐久性試驗，發(fā)現(xiàn)PVA-ECC結(jié)構(gòu)具有較強的自愈合能力，這種能力會提升加固構(gòu)件的耐久性。Patricia Kim Nelson 和Victor C.Li[7]在氣干狀態(tài)下分別對聚乙烯醇纖維、精制纖維素纖維和聚丙烯纖維增強的水泥復(fù)合材料板進行了斷裂韌性測試，驗證纖維水泥基材料的增強效果。研究表明：聚乙烯醇纖維和精制纖維素纖維阻礙了微裂縫的形成，延長了結(jié)構(gòu)失效的時間，而聚丙烯纖維效果卻不明顯。

3　結(jié)論

PVA-ECC加固法現(xiàn)在處于研究階段，在工程應(yīng)用中還比較少見。PVA-ECC加固法在諸多方面優(yōu)于傳統(tǒng)加固，在提高承載力、抗裂、抗剝離方面擁有更大的優(yōu)勢。PVA-ECC不僅彌補了普通混凝土結(jié)構(gòu)破壞時延性差，抗裂性差的缺點，還彌補了常規(guī)FRP加固時耐火性差的缺陷。隨著科技的發(fā)展，PVA-ECC材料的價格也會更加低廉，這種加固法的價格優(yōu)勢相比傳統(tǒng)加固也更加顯著。PVA-ECC的種種優(yōu)勢表明，對種加固法的研究會成為今后工程加固領(lǐng)域的重點。

[1]王海波.聚乙烯醇纖維(維綸)增強砂漿性能的研究 [D].北京工業(yè)大學，2003.

[2]John S.Lawler,Davide Zampini,and Surendra P.Shah Microfiber and Macrofiber Hybrid Fiber-Reinforced Concrete. Journal of Material in Civil Engineering, 2005, 17(5):595-604.

[3]肖長發(fā).高強度聚乙烯醇纖維結(jié)構(gòu)與性能研究[J].高科技纖維與應(yīng)用，2005,30(2)，11-17.

[4]卜良桃，萬長勝，尹鵬.PVA-ECC加固RC足尺梁受彎性能試驗研究[J].湖南大學學報: 自然科學版，2010,31(1):5-10.

[5]陳文永，陳小兵.纖維網(wǎng)格及ECC材料抗剪性加固性能研究[J].工業(yè)建筑，2009,39(12):118-122.

[6]卜良桃，段文鋒.PVA-ECC抗剪加固帶懸梁RC梁承載力計算研究[J].鐵道科學與工程學報，2015,12(5):1143-1149.

[7]Patricia Kim Nelson, Victor C. Li, and Toshiro Kamada Fracture Toughness of Microfiber Reinforced Cement Composites. Journal of Material in Civil Engineering, 2002, 14(5):384-391.

國家自然科學基金項目[51178206];吉林省科技發(fā)展計劃項目[20080711];住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技項目[2009-H-11]; 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局重點項目

王勃(1972～)，男，博士研究生，教授，碩士生導師，主要從事復(fù)合材料在土木基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用研究。

TU746.3

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[定稿日期]2016-04-29