PVA纤维长度与掺量对工程水泥基复合材料性能影响试验研究

谭明轮，孙仁娟，周志东，祝秀海，赵志钦

(1．青岛交通工程监理咨询有限公司，山东青岛 266071;2．山东大学 土建与水利学院，山东济南 250061;3．山东东青公路有限公司，山东青州 262500)

工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite，ECC)是一种新型的纤维增强水泥基材料。1992 年，美国密歇根大学的 Victor．C．Li等［1］提出了乱向纤维增强水泥基复合材料的纤维桥联法则，该法则为ECC的研究奠定了理论基础。1997年Victor．C．Li等［2］开始将聚乙烯醇(PVA)纤维掺加到水泥砂浆中，制备成PVA纤维增强水泥基复合材料PVA-ECC。2001年，Zhang Jun等［3］对 PVA纤维表面进行涂油处理以降低纤维—基材界面的化学粘结力，用以增加混凝土极限拉应变和抗拉强度，其抗拉试验中混凝土裂缝平均宽度在0.1 mm以下，裂缝平均间距在2.5 mm左右。2002年，Nelson等［4］采用断裂韧度试验证明了PVA纤维具有延缓混凝土微裂缝的扩展和增加混凝土断裂韧度的效果。

20世纪90年代以来，我国的高等院校和科研院所对PVA-ECC展开了相关研究。2003年，王海波［5］研究指出纤维的掺入对浆体的工作性有一定影响，并可提高水泥浆体的抗拉强度和阻裂能力。2009年，张君等［6］的研究表明，掺加PVA纤维的ECC表现出应变硬化和多道开裂模式，极限拉应变能够达到2.6%。2010年，徐世烺等［7］通过大量的试验研究，将拉应变稳定在3%以上，将具有显著应变硬化特征的纤维水泥基复合材料定义为“超高韧性水泥基复合材料”，为工程应用奠定了基础。

总之，PVA-ECC作为一种新材料，具有多缝稳态开裂的特点，抗拉应变、强度和韧性增强，在安全性、耐久性、适用性等方面有着优异的性能，可以很好地解决传统水泥基材料由于易脆性、弱拉伸性而导致的种种缺陷。本文通过试验研究分析PVA纤维体积掺量和长度对ECC流动度和抗折、抗压性能的影响，为PVAECC的工程应用提供参考。

1 PVA-ECC材料与配合比设计

1)胶凝材料

试验中采用基准水泥，为增加新拌PVA-ECC工作性，降低水化热，减少干缩和增加后期强度，该试验中采用Ⅱ级粉煤灰。水泥与粉煤灰质量比为56∶44［8］。

2)PVA纤维

选用的国产品牌PVA纤维性能如表1所示。

表1 PVA纤维的性能

通常，用水泥基复合材料中纤维的体积百分率来表示纤维含量，称之为“纤维体积率”。目前的分类主要有低、中、高三类。其中，0.1% ～1.0%为低掺量，1.0% ～5.0%为中掺量，5.0% ～20.0%为高掺量。本研究取用的纤维体积率为0.5%～2.5%。

3)高效减水剂

高效减水剂的用量根据品种、掺量和施工条件而定，通常为胶凝材料总量的0.8% ～2.0%。本研究考虑到拌合物所要求的工作性、凝结性能和经济性，通过多次试验确实其添加量为胶凝材料质量的1%［9］。

4)配合比设计

PVA-ECC水胶比为0.4，试验用各种组成材料用量如表2所示。纤维体积率和长度为试验变量，试验中采用0.5%，1.0%，1.5%，2.0%和2.5%共5种不同纤维体积率，纤维长度分别为3，6，9和12 mm 4种。拌合用砂采用中粗河砂。

表2 PVA-ECC的设计配合比

2 试验方法及过程

水泥砂浆的流动性通常采用跳桌试验和浆体稠度试验来判定，这两种方法是包括我国在内的世界上的许多国家用以评价浆体流动性的标准试验方法［10］。其中跳桌试验对于低、中流动性砂浆的流动性能有很好的表征。本研究采用跳桌试验测定PVAECC流动度，并结合砂浆坍落度来判断其流动性及离析趋势。

试验中先将砂、粉煤灰和水泥干拌2 min，然后将PVA纤维均匀地撒入混合物搅拌5 min。最后将水和减水剂混合物加入并搅拌2 min后进行跳桌试验(图1)，测定PVA-ECC的流动度，同时，测试PVA-ECC的坍落度。之后，将水泥砂浆制成40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试件，标准养护28 d后对试件进行抗折和抗压试验。

图1 跳桌试验仪器

3 PVA-ECC流动性试验结果与分析

3.1 PVA纤维对PVA-ECC流动度的影响

PVA纤维对PVA-ECC流动度的影响如图2所示。由图2可知，随着PVA纤维体积率的增大，PVAECC流动度逐渐减小，这是由于纤维的乱向分布形成空间网络结构，将水泥砂浆团聚在网络结构中，从而阻碍了水泥砂浆的自由流动，降低了PVA-ECC的流动度。随着纤维掺量的增加，纤维在单位体积中形成的网络结构空间变小，分布密度变大，需包裹纤维表面的水泥砂浆数量就要增多，纤维的阻力作用相应会增大。

图2 PVA-ECC流动度与PVA纤维体积率的关系

不同长度PVA纤维对PVA-ECC的流动度均起到降低作用，但PVA纤维长度对PVA-ECC流动度的影响规律并不明显。

3.2 PVA纤维对PVA-ECC坍落度的影响

图3为PVA-ECC坍落度随PVA纤维体积率的变化曲线。随着PVA纤维体积率的逐渐增加，PVA-ECC坍落度明显下降。这主要是由于PVA纤维的掺入在水泥砂浆中增加了巨大的表面积。PVA的直径为12 μm，与水泥颗粒直径的数量级相同，需要更多的水泥砂浆包裹在纤维表面，导致PVA-ECC坍落度降低。

图3 PVA-ECC坍落度与PVA纤维体积率的关系

由图3可知，各种长度的PVA纤维其掺量的增加均会降低PVA-ECC的坍落度。在各种体积率下，掺加3 mm PVA纤维的PVA-ECC坍落度大于掺加其他尺寸纤维的PVA-ECC的坍落度。而且掺加其他尺寸PVA纤维对PVA-ECC坍落度的影响规律不明显。

同等密度的纤维，其长度越长，单根纤维的质量越大。因此，在体积率相等的情况下，纤维的根数少，就会减少纤维之间的相互缠绕，有利于流动性的提高;然而纤维直径不变长度越大，其在搅拌中越易成团，因此，从纤维分散的角度来讲，纤维越短越容易分散，纤维越长分散的难度越大，可能需要更大的搅拌功率。特别是当纤维体积率超过2%时，PVA-ECC中便会伴随一定的结团现象，即使增加搅拌时间，也不会使结团现象消失。

4 PVA-ECC抗折、抗压性能试验结果与分析

4.1 PVA纤维对PVA-ECC抗折强度的影响

PVA纤维体积率对PVA-ECC抗折强度的影响如图4所示。由图4可知，PVA纤维的掺加可明显提高PVA-ECC抗折强度。在选用的体积率范围内，PVAECC抗折强度随纤维体积率的增加而增加，说明PVA纤维可很好地促使ECC应变硬化和阻裂。以掺9 mm PVA纤维的 PVA-ECC抗折强度为例，当体积率由0.5%提高到2.5%，抗折强度由5.75 MPa增加到9.35 MPa，增加了62.6%。

图4 PVA-ECC抗折强度与PVA纤维体积率的关系

一般来说，纤维越长，PVA-ECC抗折强度越大，以掺2%PVA纤维的PVA-ECC抗折强度为例，掺12 mm PVA纤维的 PVA-ECC抗折强度为8.35 MPa，比掺3 mm PVA的PVA-ECC的抗折强度5.74 MPa高出45.5%。

4.2 PVA纤维对PVA-ECC抗压强度的影响

由于PVA-ECC在材料组成上没有使用粗集料，纤维掺量不是很高，所以提高韧性的同时，必须要考虑强度要求。不同长度PVA纤维体积率与PVA-ECC抗压强度关系如图5所示。

由图5可知，各种长度PVA纤维的掺加，均会稍微降低PVA-ECC的抗压强度，且纤维掺加的体积率越大，抗压强度降低得越大，这是因为纤维的增加降低了PVA-ECC的密实程度，从而减小了抵抗压力的能力。同时，PVA-ECC的抗压强度与纤维长度并无相关性。

图5 PVA-ECC抗压强度与PVA纤维体积率的关系

5 结论

1)随着PVA纤维体积率的增大，PVA-ECC流动度和坍落度均会明显减小;各种长度 PVA纤维对PVA-ECC的流动度和坍落度都有一定的影响，但影响规律不明显。

2)PVA纤维的掺加对PVA-ECC抗折强度有明显的增强作用。PVA纤维掺量越大，增强效果越明显;PVA纤维越长，PVA-ECC的抗折强度一般也越大，说明PVA纤维可很好地促使ECC应变硬化和阻裂。

3)因PVA纤维掺量的增加降低了PVA-ECC的密实程度，所以随PVA纤维体积率的增大，PVA-ECC的抗压强度有降低的趋势，但是降低程度较小。

［1］LI V C，LUANG C K．Steady state and multiple cracking of short random fibercomposites［J］．JournalofEngineering Mechanics，1992，118(11):2246-2264．

［2］LI V C，STANG H．Interface property characterization and strengthening mechanisms in fiber reinforced cement based composites［J］．Advanced Cement Based Materials，1997，6(1):1-20．

［3］ZHANG Jun，STANG H，LI V C．Crack bridging model for fiber reinforced concrete under fatigue tension［J］．International Journal of Fatigue，2001，23(8):655-670．

［4］NELSON P K，LI V C，KAMADA T．Fracture toughness of microfiber reinforced cement composites［J］．Journal of Mechanics in Civil Engineering，2002，14(5):384-391．

［5］王海波．聚乙烯醇纤维(维纶)增强浆体性能的研究［D］．北京:北京工业大学，2003．

［6］张君，居贤春，郭自力．PVA纤维直径对水泥基复合材料抗拉性能的影响［J］．建筑材料学报，2009，12(6):706-710．

［7］徐世烺，李庆华．超高韧性水泥基复合材料在高性能建筑结构中的基本应用［M］．北京:科学出版社，2010．

［8］中华人民共和国建设部．GBJ 146—90 粉煤灰混凝土应用技术规程［S］．北京:中国计划出版社，1990．

［9］中华人民共和国国家发展和改革委员会．JC 477—2005喷射混凝土用速凝剂［S］．北京:中国建材工业出版社，2005．

［10］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．GB/T 2419—2005 水泥胶砂流动度测定方法［S］．北京:中国标准出版社，2005．