PVA－ECC的最优配比及力学性能试验研究

郑玉国，崔元东，王伟男，张 勇，刘思民

（湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201）

PVA－ECC的最优配比及力学性能试验研究

郑玉国，崔元东，王伟男，张 勇，刘思民

（湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201）

考虑影响纤维增强水泥基复合材料（ECC）力学性能的关键因素，从抗压强度入手，基于水胶比、粉煤灰掺量、减水剂掺量等的变化，制作各批次的ECC立方体试件并进行抗压强度试验，探索ECC的力学性能随材料配比而变化的规律.研究结果表明，在其它因素都相同的条件下，PVA－ECC的立方体抗压强度随水胶比的增大而减小、随粉煤灰掺量的增加而减小、随减水剂掺量的增加先增大后减小.在普遍意义上，当水胶比为0.25、粉煤灰掺量为45%、减水剂掺量为0.5%时，PVA－ECC达到最优配比，此时立方体抗压强度达到最大.

纤维增强水泥基复合材料；最优配比；力学性能试验；抗压强度

ECC（engineered cementitious composite）这种纤维增强水泥基复合材料，是由美国密歇根大学的Victor C.Li教授等［1］在20世纪90年代根据微观力学和断裂力学基本原理提出的一种新型材料.研究发现［2］，相对于传统混凝土材料，ECC的优势非常明显，具有很强的变形能力和裂缝宽度控制效果，抗剪、抗弯承载力高，抗爆、抗冲击性能好，抗疲劳能力强等.ECC的这些优良性能使其寿命相对于传统混凝土材料可以延长两倍以上，从而可以减少结构在整个寿命周期内的维护维修次数，在整个生命周期内的总耗能比普通钢筋混凝土结构有较大的降低，因此从长远看ECC具有更高的直接和间接经济价值，相对于普通混凝土来说具有更好的环保性和可持续性［3］.

由于ECC所具有的优良性能，国内外对其开展了理论分析、微宏观设计和实际应用等方面的研究［4－6］.然而由于并没有成熟的规范和标准对其配比、成型方法等进行明确的规定［7－8］，从而导致很多情况下制备出来的ECC性能并不理想，材料配比与力学性能之间还缺乏明确的规律，这在很大程度上限制了ECC的广泛应用.因此，在当前已有的ECC材料配制和力学性能研究的基础上，首先从立方体抗压强度入手，考虑影响ECC力学性能的主要因素，基于水胶比（W／B）、粉煤灰掺量（FA）、减水剂掺量（WR）等的变化，制作各批次的ECC立方体试件，并对各批次的ECC试件进行抗压强度试验.在大量试验的基础上，探索ECC的力学性能随材料配比而变化的规律并提出ECC的最优配比，为ECC的实践应用提出建议.

1 原材料及配比

应用于ECC的纤维材料主要有三种：聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），其中PVA 应用最为广泛.考虑到国内的PVA纤维没有经过特殊的油剂处理，分散性不足，大多达不到制备ECC的要求.因此采用日本Kuraray Co.生产的RECS15×12型PVA粗短纤维，如图1所示，纤维的各项性能参数如表1所示.

图1 RECS15×12型PVA纤维

表1 PVA纤维的性能参数

另外，水泥采用P.O32.5普通硅酸盐水泥，石英砂采用经过0.63mm筛孔的细沙，粉煤灰采用巩义市金丰净水材料有限公司生产的一级粉煤灰，减水剂采用北京德昌伟业生产的聚羧酸系高效减水剂.

根据当前的研究，PVA纤维的体积含量一般为2%，根据控制ECC性能的关键因素，基于水胶比（W／B）、粉煤灰掺量（FA）、减水剂掺量（WR）的变化，确定三种水胶比为0.25、0.35和0.45，粉煤灰取代水泥的比例为45%、55%和65%，减水剂占胶体的比例为0、0.5%和1.0%.从而确定的PVAECC的配比方案如表2所示，相应的材料用量如表3所示.

表2 PVA－ECC配比方案

表3 PVA－ECC配比材料用量（kg／m3）

2 PVA－ECC的制备

ECC的成型与其力学性能密切相关，由于大含量纤维的存在，一般应采用强制式混凝土搅拌机搅拌才能取得较好的效果.通常，ECC的成型一般应遵循如下程序［7］［9］：

（1）将砂和水泥置于搅拌筒中，搅拌2min；

（2）放入l／2的水和粉煤灰，搅拌2min；

（3）放入剩余l／2的水，搅拌2min；

（4）加入减水剂，搅拌1min；

（5）加入PVA纤维，搅拌5～10min，此时搅拌的终止时间以纤维浆体不成团、结块为判断依据，保证纤维的充分分散，搅拌的时间要适中，时间太短了可能纤维不分散，时间太长纤维的分散性反而不好；

（6）随后将拌合物装入已涂好脱模剂的试模中，选用100×100×100mm的三联立方体试模，装料时应用抹刀沿试模壁插捣，并使拌和物略高出试模口；

（7）将试模置于高频混凝土振动台上进行振动，拌合物在振动台上的振动应使试模表面出浆为止，时间不够可以延长，但不得过振；

（8）振动完成之后，从振动台上取下试模，刮除试模口上多余的拌合物，待临近初凝时，用抹刀抹平；

（9）试件成型后，在室温为20±5℃的环境中静置24h，然后编号、拆模放入温度为20±2℃及相对湿度为95%以上的标养室中养护，养护28d以后开始进行力学性能试验.

按照上述程序，制备并养护完成的27批次的PVA－ECC试件如图2所示.

图2 制备完成的PVA－ECC试件

3 抗压强度试验及结果

在PVA－ECC试件养护达到28d之后，将其从养护室中取出进行立方体抗压强度试验，抗压强度试验在2000kN的万能试验机上进行，加载速率为0.5～0.8MPa／s.

3.1 水胶比影响分析

通过对各批次PVA－ECC试件抗压强度的分析，在其它条件都相同的情况下，水胶比（W／B）对PVA－ECC抗压强度的影响如图3所示.

图3 PVA－ECC抗压强度与水胶比关系图

可以看出，在粉煤灰掺量分别为55%和65%、减水剂掺量为0时，随着水胶比的增大，PVAECC的抗压强度先增大后减小，即在这两种情况下当水胶比为0.35时，PVA－ECC的抗压强度达到最大.除此之外在大多数情况下，当粉煤灰掺量、减水剂掺量一定时，随着水胶比的增大PVA－ECC的抗压强度逐渐减小，即在水胶比为0.25时PVA－ECC的抗压强度均达到最大.

3.2 粉煤灰掺量影响分析

在其它条件都相同的情况下，粉煤灰掺量对PVA－ECC抗压强度的影响如图4所示.

图4 PVA－ECC抗压强度与粉煤灰掺量关系图

由图4可以看出，在水胶比为0.25、减水剂掺量为0.5%时，随着粉煤灰掺量的增大，PVA－ECC的抗压强度先增大后减小，即在粉煤灰掺量为55%时，PVA－ECC的抗压强度达到最大.除了这一种配比之外在其它绝大多数情况下，当水胶比、减水剂掺量一定时，随着粉煤灰掺量的增加，PVA－ECC的抗压强度逐渐减小，即在粉煤灰掺量为45%时，PVA－ECC的抗压强度达到最大.

3.3 减水剂掺量影响分析

在其它条件都相同的情况下，减水剂掺量对PVA－ECC抗压强度的影响如图5所示.

图5 PVA－ECC抗压强度与减水剂掺量关系图

可以看出，在水胶比为0.25和粉煤灰掺量为45%时，随着减水剂掺量的增大，PVA－ECC的抗压强度逐渐增大，即在减水剂掺量为1.0%时PVA－ECC的抗压强度达到最大.在水胶比为0.45和粉煤灰掺量为55%时，随着减水剂掺量的增大，PVA－ECC的抗压强度逐渐减小，即在减水剂掺量为0时PVA－ECC的抗压强度达到最大.在水胶比为0.45和粉煤灰掺量为65%时，随着减水剂掺量的增大，PVA－ECC的抗压强度先减小后增大，即在减水剂掺量为1.0%时PVA－ECC的抗压强度达到最大.除这三种配比之外，在其它大多数情况下，当水胶比、粉煤灰掺量一定时，随着减水剂掺量的增加PVA－ECC的抗压强度先增大后减小，即在减水剂掺量为0.5%时，PVA－ECC的抗压强度均达到最大.

4 结 论

通过制作不同配比的各批次PVA－ECC试件并进行立方体抗压强度试验，探索PVA－ECC的力学性能随配比而变化的规律.

（1）当粉煤灰掺量、减水剂掺量一定时，随着水胶比的增大PVA－ECC的抗压强度逐渐减小；

（2）当水胶比、减水剂掺量一定时，随着粉煤灰掺量的增加，PVA－ECC的抗压强度逐渐减小；

（3）当水胶比、粉煤灰掺量一定时，随着减水剂掺量的增大PVA－ECC的抗压强度先增大后减小；

（4）在普遍意义上，从抗压强度的角度来看，当水胶比为0.25、粉煤灰掺量为45%、减水剂掺量为0.5%时，PVA－ECC达到最优配比.

［1］LI V C.ECC－tailored Composites Through Microme Chanical Modeling ［A］.Fiber Reinforced Concrete：Present and the Future Edited by Banthia et al，CSCE［C］，Montreal，1998，64－97.

［2］Li V C.On Engineered Cementitious Composites（ECC）－A Review of the Material and Its Applications［J］.Journal of Advanced Concrete Technology，2003，1（3）：215－230.

［3］Li V C.高延性纤维增强水泥基复合材料的研究进展及应用［J］.硅酸盐学报，2007，35（4）：531－536.

［4］李启宏，张 君，赵金平.纤维增强水泥薄板及其复合梁抗弯性能研究［J］.工程力学，2011，28（5）：135－142.

［5］李庆华，徐世烺.钢筋增强超高韧性水泥基复合材料弯曲性能计算分析与试验研究［J］.建筑结构学报，2010，31（3）：151－161.

［6］卜良桃，李易越，袁 超，陶剑剑.PVA－ECC加固RC方柱轴压性能试验研究［J］.建筑结构，2012，42（7）：97－102.

［7］杨英姿，姚 燕.高性能PVA纤维增强水泥基材料的制备与性能［J］.中国材料进展，2010，29（9）：19－24.

［8］李 艳，梁兴文，刘泽军.高性能生态型建筑材料PVA－ECC的试验研究［J］.工业建筑，2011，41（4）：97－102.

［9］王金羽.PVA纤维与钢纤维对高性能纤维增强水泥基复合材料断裂性能的影响试验研究［D］.北京：北京交通大学硕士论文，2011.

Study on Optimal Mix Proportion and Mechanical Property Experiment of PVA－ECC

ZHENG Yu－guo，CUI Yuan－dong， WANG Wei－nan，ZHANG Yong，LIU Si－min
（School of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China）

From the aspect of compressive strength and considering the essential influencing factors for the mechanical properties of the engineered cementitious composite（ECC），a batch of cube specimens of ECC are manufactured based on the variation of water binder ratio，amount of fly ash and amount of water reducer.And the compressive strength test is conducted for the ECC specimens.Then the variation law is studied about the mechanical properties of ECC along with the mix proportion.The results show that the cube compressive strength of PVA－ECC reduces along with the increase of the water binder ratio and the amount of the fly ash.And the cube compressive strength of PVA－ECC increases firstly and then decreases along with the increase of the amount of the water reducer.In a general sense，the PVA－ECC attains the optimal mix proportion and the cube compressive strength reaches the maximum when the water binder ratio is 0.25，the amount of fly ash is 45%and the amount of water reducer is 0.5%.

engineered cementitious composite；optimal mix proportion；mechanical property experiment；compression strength

TU528

A

1671－119X（2014）02－0069－04

2014－01－12

国家自然科学基金资助项目（51348010）；湖南科技大学2013年度SRIP重点项目（SZZ2013004）

郑玉国（1978－），博士，讲师，研究方向：桥梁抗震及桥梁性能评价.