PVA纤维增强水泥基复合材料基本性能及其工程应用

田稳苓 ，刘超 ，王晓伟 ，慕儒 ，李帆 ，陈培

（1.河北工业大学土木工程学院，天津 300401；2.河北省土木工程技术研究中心，天津 300401）

0 引言

1824年波特兰水泥问世以来，混凝土材料的发展一直以高性能作为其主线，被广泛地应用于建筑领域。高性能混凝土（HPC）是当前混凝土的主要发展方向之一。中国工程院吴中伟院士指出，复合化是水泥基材料高性能化的重要途径，而纤维增强是其核心[1]。复合化是材料发展的重要途径，复合化带来的超叠加效应，是材料获得优良性能的主要原因。

通过近200年对混凝土材料的研究与使用，发现混凝土材料在应用于基础设施建设时仍存在以下主要缺点：1）极限荷载下的脆性破坏。通常所观察到的破坏模式，比如开裂、剥落、冲击或爆炸荷载下的破碎均与混凝土抗拉伸性能差有必然关系；2）正常工作状态下的破坏。在正常工作状态下，钢筋混凝土结构耐久性不足的主要原因是混凝土的裂缝开展过大引发的钢筋锈蚀及其他相关问题[2]。因此，要发展绿色高性能甚至超高性能混凝土就要求混凝土既要有足够的强度，又要有良好的延性，以及必要的耐久性。

早期的聚丙烯纤维混凝土以及钢纤维混凝土的纤维掺量通常小于2%，这类混凝土早期开裂得到控制，抗弯韧度提高，但在直接拉伸作用下仍发生应变软化破坏。为了进一步提高混凝土的韧度和强度，出现了纤维掺量非常高的高性能纤维混凝土（HPFRCC），但由于纤维掺量非常高，导致搅拌及成型困难，施工性能不易保证，成本也大幅度提高。ECC（Engineered Cementitious Composite）纤维增强水泥基复合材料便应运而生，美国密歇根大学的Li教授和麻省理工的Leung教授根据微观力学和断裂力学基本原理提出了该材料的基本设计理念[3]。ECC复合材料在体积率约2%纤维掺量下，最大拉应变可达到3%甚至更高，纤维掺量适中有利于控制成本，也有利于搅拌及成型。

自20世纪90年代以来，美国、日本、瑞士等国均对纤维增强水泥基复合材料进行了系统的研究，并在实际工程中应用。因此，纤维增强水泥基复合材料在我国的研究与应用迫在眉睫。

1 纤维增强水泥基复合材料的基本性能

1.1 ECC材料的概念

1992年，美国密歇根大学先进土木工程材料研究工作实验室研究了ECC。ECC是一种经过系统设计，在拉伸和剪切荷载下呈现高延性的纤维增强水泥基复合材料[4]。近年来，随着理论研究和试验研究的不断发展，以及工程应用实践的不断增多，发现ECC材料的性能只有当其拉应变能力稳定达到3%以上时其应变硬化性能才是稳定的，在变形增长的过程中才能稳定地伴有多条细密裂缝的产生。当今提到ECC材料通常会认为其拉应变能稳定地超过3%，为普通混凝土的150～300倍，普通纤维混凝土的30～300倍。

ECC材料根据使用的纤维种类不同可以分为碳纤维ECC、钢纤维ECC、聚乙烯ECC（PE-ECC）和聚乙烯醇ECC（PVA-ECC）等。其中碳纤维ECC在搅拌过程中碳纤维极易折断，造成碳纤维不能充分利用，其最大拉应变仅为0.9%[5]。钢纤维由于受到自身韧性、长细比、掺量等的限制，钢纤维ECC的最大拉应变能力为0.5%左右[6]。而PEECC、PVA-ECC的极限拉应变能稳定地达到3%甚至3%以上。同等纤维体积掺量的PE-ECC比PVA-ECC的应变能力大，前者的强度也比后者大，但是PE纤维的价格是PVA纤维的8倍[7]。因此从成本和性能两方面综合考虑，PVA-ECC性价比更高。根据PVA-ECC成型方式不同可分为挤压成型ECC[8]、自密实ECC[9]和喷射ECC[10]。

1.2 PVA纤维增强水泥基材料的基本性能

1.2.1 抗压性能

普通混凝土、PE-ECC及PVA-ECC的压应力-应变曲线如图1所示。由于未使用粗骨料，所以PE-ECC和PVA-ECC的弹性模量均低于普通混凝土。PVA-ECC和PE-ECC的极限压应力对应的压应变在0.5%左右，而普通混凝土对应的压应变仅为0.2%。PVA-ECC与PE-ECC试件到达峰值荷载后明显比普通混凝土下降缓慢。

图1 三种材料的压应力-应变曲线对比

1.2.2 抗拉性能

图2为PVA（聚乙烯醇）纤维体积掺量2%的ECC在单轴拉伸荷载条件下的典型应力-应变曲线[2]。从图中可以看出，该材料达到初裂强度之后，并没有如普通混凝土沿一条裂缝开展逐渐增大直至破坏，而是伴随着多裂缝开裂的准应变硬化过程，荷载逐渐增加，裂缝宽度的开展并不大，裂缝数量逐渐增多。在极限荷载破坏时，裂缝间距在1～2 mm，裂缝宽度在60 μm左右，极限拉应变甚至能达到5%，约为普通混凝土极限拉应变的500倍。由应力-应变曲线可看出，曲线有许多应力瞬间下降段及恢复段，这是由于在荷载增长过程中，在最大初始缺陷尺寸的界面上首先出现裂缝，应力瞬间下降，而后ECC材料中纤维的桥联应力开始发挥作用，应力又逐渐上升。如此重复，最终呈现均匀分布大量细密的裂缝。当桥联应力不足以让新的裂缝产生时，随着荷载的增加，直至某一条裂缝发生局部扩展而导致试件最终破坏。

图2 典型的ECC拉伸应力-应变曲线和裂缝宽度发展

1.2.3 弯曲性能

如图3（a）所示的试件1尺寸为304.8 mm×76.2 mm×12.2 mm的ECC试验试件，在四点弯曲试验下，其极限状态下的挠度约为22 mm，图3（b）所示试件2尺寸为400 mm×100 mm×15 mm，支座间距为300 mm，极限状态下挠度约为20 mm，是传统混凝土材料的极限挠度的40倍左右，与单轴拉伸试验下表现出来的多裂缝开裂和超强的韧性极为相似，试验全程表现出显著的弯曲硬化特性。

1.2.4 抗剪性能

1998年，Watanabe和Kanda通过ohno剪力梁，研究了ECC抗剪性能，PVA-ECC梁产生细密裂缝，裂缝大约延伸到梁高一半的位置。研究表明：ECC使试件增加了延性。2003年，Vasillag比较系统地研究了PVA-ECC的抗剪切性能。平面纯剪试验显示：试件在剪切荷载的作用下，以一个渐进的过程从完好到开裂，未发生常规混凝土材料脆性剪切破坏时所表现出来的明显的突然的刚度下降。PVA-ECC试件产生如图4所示的裂缝，全程PVAECC都未剥落。在抗压强度相同的情况下，显示出比常规混凝土更高的抗剪承载力与抗剪切变形能力。本试验采用的PVA-ECC仅仅具有1%的极限拉应变，如果采用具有更高拉应变能力的ECC，可以预见其各项性能将会有更大的提高[11]。

图3 四点弯曲试验及多裂缝开裂

图4 PVA-ECC与常规混凝土平面纯剪试验结果对比

2 工程应用

由于材料成本高，目前PVA纤维增强水泥基复合材料在国内还未广泛应用，主要在美国、日本、瑞士等发达国家实际工程中应用。

1）桥面板。2005年投入使用的日本北海道的三原桥，为斜拉索桥，桥面板采用钢/ECC复合结构桥面板，其厚度仅仅为5 cm，自重减少至原来的60%，通过减少自重应力来增强桥面板的承载能力和刚度，从而提高桥面的抗疲劳强度。预计使用寿命为100 a[12]。

2） 桥面连接板。ECC材料具有足够的延性和良好的耐久性，2005年，美国的密歇根州在修补横跨94号州级公路的一座高速公路大桥时，由于桥面连接板对延性要求和耐久性要求很高，大量采用了ECC材料作为桥面连接板[13]。

3）在交替荷载作用下，ECC-钢筋复合结构可以吸收大量的能量，可以作为防震抗震的阻尼器，减少震害及后期对结构的修复工作。在钢筋混凝土结构建筑物中，利用与ECC复合来减震，于2004年和2005年分别在日本东京和横滨得到应用[14]。

4）用ECC材料对大坝和灌溉渠道进行表面修补，提高了抗渗性能[15-16]。

日本广岛辖区内的Mitaka大坝，2003年在该坝的上游表面（面积500 m2）喷射了30 m3的ECC保护层，厚度为30 mm，增强对已破坏混凝土表面的保护。

位于日本Shiga辖区的中心枢纽渠道表面粗骨料裸露，边角部分磨损，有长l m、宽1 mm的裂缝。首先用水对底层表面进行冲洗，清除掉被破坏的砂浆。边墙上每石块接缝处均由砂浆填充。2005年采用ECC涂抹或喷射方式，对中心枢纽渠道进行修补。

普通砂浆和超高强聚合物水泥砂浆也曾用于中心枢纽渠道的修补中，但是1个月后就能观测到裂缝，而应用ECC，尚未观测到裂缝。

5）混凝土结构的加固。在日本，使用喷射ECC对混凝土重力挡土墙、Mitaka重力坝和东海道新干线的高架桥进行了维修加固和翻新，用来延迟碳化腐蚀，从而增强结构耐久性。

3 结论及展望

本文阐述了PVA纤维增强水泥基复合材料的基本性能，与普通混凝土相比，其抗压试验中达到峰值荷载后承载力下降缓慢，抗拉和弯曲试验中均显示出应变硬化特性，且具有更好的抗剪承载力和抗剪切变形能力，充分说明了PVA纤维增强水泥基复合材料具有优异的延性、微裂缝宽度控制特性以及耐久性。PVA纤维水泥基复合材料属于一种可持续发展的建筑材料，不仅适应于现代工程的需要，而且有利于节约资源，具有良好的社会效益，值得研究推广和应用。

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