增稠剂掺量对PVA-ECC性能的影响

郑银林，马锋玲，刘艳霞

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

1 研究背景

水泥基体材料属脆性材料，抗拉强度很低，在结构中的使用受到了限制，可以通过掺加纤维以增加水泥基材料的韧性，传统的纤维混凝土FRC在一定程度上减轻了这种脆性，但还是出现张拉软化特性。ECC（Engineered Cementitious Composites）砂浆是一种具有超高韧性的水泥基复合材料，通常是以水泥、矿物掺合料以及平均粒径不大于0.15mm的石英砂作为基体，纤维做增强材料，在纤维体积掺量不大于2%的情况下，极限拉应变通常可达到3%以上。ECC砂浆在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝，破坏时呈现多缝开裂现象并具有显著的应变硬化特征[1]。

聚乙烯醇（PVA）纤维具有分散性好、密度小、与水泥黏结性好、亲水和无毒等特点，其抗拉强度和弹性模量都较高，是一种较好的增强、增韧材料。PVA-ECC的特点就是超高韧性，能提高水泥基材料的延性、抗冲击性、抗震和抗变形等方面的性能[2]，这使得PVA-ECC在抗裂结构、结构修复等领域具有广阔的发展前景。

增稠剂作为一种以增稠和保水作用来防止水泥砂浆离析及泌水的外加剂，用在配制PVA-ECC中，能够增加砂浆的黏聚性，减少砂浆组分的离析及泌水，改善纤维分散性能，提高材料匀质性和硬化性能。增稠剂种类繁多，已有学者对增稠剂的种类和掺量进行了研究[3]。本文在前期优选试验基础上选择适用于干混水泥砂浆中的甲基羟丙基纤维素醚增稠剂，研究增稠剂掺量对PVA-ECC工作性的改善和力学变形性能的影响。

2 试验材料与配合比

2.1 材料水泥为北京太行前景水泥有限公司的42.5普通硅酸盐水泥；河砂为粒径为70-140目水洗河砂，表观密度为2.62g/cm3；粉煤灰为宣威电厂Ⅰ级粉煤灰；纤维为日本尤尼吉可公司PVA纤维，密度1.3g/cm3，长度12mm，伸长率5.5%，抗拉强度1 510MPa，弹性模量34.3GPa；增稠剂为甲基羟丙基纤维素醚。

2.2 配合比试验水胶比为0.4，纤维体积掺量为1%，增稠剂掺量按所占胶凝材料质量的百分比选取，共7组。试验配合比见表1。

表1 试验配合比

3 试件制作与试验方法

PVA-ECC采用行星式砂浆搅拌机拌和。试验时先将称量好的砂子、水泥和粉煤灰人工搅拌1min，再使用搅拌机加水搅拌，3min后加入增稠剂再搅拌3min，然后用手慢慢向旋转的搅拌桶中加入PVA纤维，搅拌6min，直到纤维均匀分散。试验证明，这种搅拌方式有利于纤维在砂浆中均匀分散。试件成型后2d脱模，置于标准养护室水中养护至28d试验龄期。

轴向拉伸试验在CMT5504型微机控制电子万能试验机上进行，采用0.15mm/min的等位移拉伸控制加载速度，荷载传感器测量范围为0～5kN，试件变形位移传感器最大量程为9mm。拉伸强度试件采用哑铃形，试件尺寸如图1所示，直线段长100mm，宽度为25mm，厚度为25mm。每组试件共成型6条，由于偏心会造成试件在标距以外断裂，且试验离散性较大。因此，试验结果处理时每组试件均选取试验效果较好的3条试件，取其试验数据的平均值进行相对比较。

抗压强度和抗折强度试验按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》GB/T17671-1999 idt ISO 679：1989进行，试件尺寸为40mm×40mm×160mm。

4 试验结果及讨论

4.1 PVA-ECC的工作性表2为PVA-ECC的工作性试验结果。由表2可知，不掺加增稠剂的PVA-ECC拌和后黏聚性较差，有泌水现象，纤维较难分散，并有结团现象，工作性较差。随着增稠剂掺量的增加，PVA-ECC纤维分散均匀性有了很大改善，砂浆黏聚性变好，无泌水，纤维分散均匀不结团，工作性好。当增稠剂掺量超过0.20%时，浆体黏聚性过大，工作性变差。

表2 PVA-ECC的工作性能试验结果

纤维素醚类增稠剂在水中溶解时，其长链上的羟基和醚键上的氧原子与水分子缔合成氢键，使水失去流动性，游离水不再“自由”，致使溶液变稠。靠化学键的相互结合，使水失去流动性，增加了保水性[4]。因此，掺加增稠剂可以增加PVA-ECC的保水作用以防止泌水的发生，并能增强浆体的黏聚性。这一理论在试验中得到充分验证。

4.2 PVA-ECC的拉伸性能PVA-ECC的拉伸性能试验结果见表3。图2为不同增稠剂掺量下PVA-ECC的应力-应变关系曲线。表中轴拉强度是指在轴向拉伸作用下所能达到的最大应力。由表3可知，未掺增稠剂编号为CF-0的PVA-ECC虽然轴拉强度最大，但由于浆体黏聚性较差，纤维分散不均匀，其极限拉伸最低；随着增稠剂掺量的增加，浆体黏聚性及纤维分散性明显改善，PVA-ECC的极限拉伸逐渐增大，增稠剂掺量为0.15%时，PVA-ECC的极限拉伸最高，为2.47；继续增加增稠剂的掺量，PVA-ECC的极限拉伸有所降低。可见，在PVA掺量为1%的情况下，增稠剂掺量为0.10%～0.15%，PVA-ECC既具有较高的轴拉强度也具有较高的极限拉伸能力。

表3 PVA-ECC的拉伸性能试验结果

4.3 PVA-ECC抗压强度图3为增稠剂掺量对抗压强度影响的关系曲线。图3表明，编号CF-0的PVA-ECC抗压强度最高，为29.0MPa，随着增稠剂掺量的增大，抗压强度呈逐渐下降趋势，增稠剂掺量由0增加到0.10%时，强度下降较明显；之后随着掺量的继续增加，强度下降缓慢，CF-3.0的抗压强度最低，为19.3MPa。图4为增稠剂掺量对容重影响的关系曲线。随着增稠剂掺量的增加，PVA-ECC含气量增加、容重减小，容重变化趋势与抗压强度一致。由此表明，增稠剂掺量的增加，使PVA-ECC含气量不断增大，进而导致抗压强度的不断下降。

4.4 PVA-ECC抗折强度图5为增稠剂掺量对抗折强度影响的关系曲线。由图4可见，PVA-ECC抗折强度均在10.4～12.2MPa之间，虽然增稠剂掺量不同抗折强度有一定波动，但波动范围不大（小于10%）。可见，与抗压强度不同，增稠剂对PVA-ECC的抗折强度影响不大。

5 结论

（1）当不掺增稠剂或增稠剂掺量较小时，PVA-ECC黏聚性较差，不利于纤维均匀分散；当增稠剂掺量超过0.20%时，PVA-ECC黏聚性过大，工作性降低。因此，适合的增稠剂掺量对ECC工作性非常重要；（2）PVA-ECC中掺入增稠剂，使PVA-ECC含气量增大，导致抗压强度下降。增稠剂对PVA-ECC的抗折强度影响不大；（3）PVA体积掺量1%情况下，增稠剂掺量为0.10%～0.15%时，PVA-ECC既具有较高的轴拉强度也具有较高的极限拉伸能力，能够较明显的改善PVA-ECC的工作性和力学变形性能。

图2 不同配合比的应力-应变曲线

图5 增稠剂掺量与抗折强度关系

[1]丁一，陈小兵，李荣.ECC材料的研究进展与应用[J].建筑结构，2007，37（增刊）：378-382.

[2]徐至钧.纤维混凝土技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[3]张帅.增稠剂在PVA超高韧性水泥基复合材料中的应用[D].大连：大连理工大学，2007.

[4]张帅，张英华.增稠剂对超高韧性纤维增强水泥基复合材料性能的影响[J].混凝土与水泥制品，2008，1（2）：34-37.