高性能PVA纤维增强水泥基复合材料研究进展及应用

易 铸

（重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074）

高性能PVA纤维增强水泥基复合材料研究进展及应用

易 铸

（重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074）

高性能 PVA（聚乙烯醇）纤维增强水泥基复合材料（PVA-ECC）是一种具有应变硬化、多缝开裂能力和高能量吸收能力的超高韧性纤维增强水泥基复合材料。文中阐述了高性能PVA纤维增强水泥基复合材料的研究背景、进展以及基本性能。得出：与普通水泥基复合材料相比，PVA-ECC的抗弯抗拉以及抗压性能均有所提高，同时具有良好的延性和耐久性。目前，PVA纤维增强水泥基复合材料已成功应用于实际工程中。

PVA；增强水泥基复合材料；纤维；应变硬化

0 引言

钢筋混凝土作为建筑材料中的一种，目前被大范围的应用于各种建设项目中。但是由于基础研究的不断深化以及在实际应用时所发现的种种不足，混凝土材料的大范围推广运用还存在不少问题；如拉伸强度低、可靠性差、韧性差、较低的早期强度、自重大和开裂后裂缝宽度不能满足工程实际要求等不足。目前已有大量研究表明：水、二氧化碳和氯离子等有害离子向混凝土内部恶化的速度是影响钢筋混凝土结构性能的主要原因，而裂缝是钢筋混凝土结构破坏的最直接表现。如果混凝土裂缝得不到有效的控制，则会加速引起这些有害介质侵入到混凝土内部，并最终使结构的使用功能丧失[1]。因此，混凝土具备良好的抗裂控制能力是大力发展绿色高性能甚至超高性能混凝土结构的基本要求。为了减少甚至消除混凝土早期收缩裂缝、提高韧性，纤维混凝土材料在最近几年里得到了广泛的应用，如采用聚丙烯纤维混凝土、玻璃纤维增强混凝土在控制早期开裂、弯曲韧度提高等方面都取得了可观的效果。

进一步的研究发现掺加纤维量很高的高性能纤维混凝土（HPFRCC）对提高混凝土的韧度和强度有很好的效果；但由于纤维的含量过高，导致其成型困难，成本也显著增加。基于此，美国密歇根大学的Li教授和麻省理工的Leung教授采用微观力学和断裂力学的基本原理提出了ECC(Engineered Cementitious Composites）纤维增强水泥基复合材料[2]。在体积率掺量约为2%的情况下，ECC复合材料的最大拉应变可达到3%以上，并且适量的纤维掺量对成本控制有利。

1 高性能PVA纤维增强水泥基复合材料

通过掺加纤维来改善水泥基材料的性能研究由来已久，聚乙烯醇纤维（Polyvinyl alcohol fiber）称为PVA纤维，通过在水泥砂浆中添加体积掺量不超过2%的 PVA纤维而制成一种新型复合材料，具有较高的延性和裂缝控制能力[3]。PVA-ECC可增大受弯构件的抗剪强度、变形能力和损伤容限，并能有效阻止有害介质向内部的渗透，延长了工程结构的使用寿命[4]。

美国密歇根大学早在1992年就开始研究ECC材料。该材料是一种通过系统设计，在拉伸和剪切荷载作用下呈现出应变硬化性能的纤维增强水泥基复合材料，按其成型方式的不同可分为挤压成型ECC、自密实ECC和喷射ECC。近年来，随着理论研究的不断深入，发现只有当拉应变能力稳定达到3%以上时，材料的应变硬化性能才是稳定的，才能稳定地出现多条细密裂缝。因此，目前常用的ECC材料认为其拉应变能超过3%，且为普通纤维混凝土的30-300倍。高性能PVA纤维增强水泥基复合材料是纤维增强水泥基复合材料中的一种，也是现今高性能纤维增强水泥基复合材料在性能和成本优化中最好的一种材料。

目前，国内对PVA-ECC 的性能已开展了一些研究。如徐世烺 等人[5][6]通过对PVA-ECC进行单轴拉伸、压缩和弯曲试验，分析了PVA纤维增强水泥基复合材料的基本力学性能，构建了超高韧性水泥基复合材料单轴压缩本构模型。张君等[7]通过改进传统ECC基材得到低收缩ECC 材料的主要力学特性，并通过调整水胶比制备出了抗压强度为20～60MPa的PVA-ECC。陈升平等[8]对PVA 纤维增强水泥基复合材料进行力学性能试验研究，得出掺入PVA 纤维能够显著增加ECC的抗拉强度和抗弯强度，而抗压强度仅提高约10%。李 艳等[9]采用正交试验设计方法，研究利用工业废料制备高强度的PVA-ECC，结果表明在水胶比较低的情况下，掺入适量的硅灰和粉煤灰能显著提高其脆性和抗压性能。邓宗才等[10]研究了水灰比、砂灰比、纤维种类以及减缩剂等因素对高韧性纤维增强水泥基复合材料收缩变形性能的影响。本文在前人研究的基础之上，阐述了高性能PVA纤维增强水泥基复合材料的研究背景、进展以及基本性能，得出与普通水泥基复合材料相比，PVA-ECC的抗弯抗拉以及抗压性能均有所提高，同时具有良好的延性和耐久性能。

2 PVA-ECC的基本性能

2.1 多缝开裂现象

多缝开裂是指在掺加PVA纤维的混凝土梁受弯时，当混凝土梁底部初裂缝产生以后，能在梁底部受力范围内继续生成新的裂缝，同时混凝土梁能继续承受荷载作用。众多密集细小的裂缝，形成了几乎均匀的变形区域，裂缝间距基本相等，并且这些裂缝最终大致平行。多缝开裂是PVA纤维增强水泥基复合材料的基本特性，断裂力学原理分析认为纤维的乱向分布在裂缝处起着“桥接”作用，因此在一定程度上阻碍了裂缝的发展。

2.2 应变硬化特性

应变硬化是材料在单轴拉伸时，达到极限抗拉应变之前应力随应变的增加而增大。不减少其形成机理的若干微细裂纹在材料中的张力和承载力，形成多条微细裂纹将有望使材料的宏观拉应变成倍增大。虽然微细裂纹形成，但材料整体的传力性能并没有被显著削弱，这主要是因为裂纹间纤维的桥接作用。直拉试验可以比较直观地显示出用PVA纤维做增强材料的ECC的应变硬化特征。有关试验表明，ECC材料相对于素混凝土，极限拉应变接近普通混凝土的500倍，极限受拉荷载偏低，表现出极大的韧性性能。普通素混凝土在直拉试验条件下形成一条宽的主裂缝，裂缝宽度达到0.2mm-0.3mm，而 PVA-ECC在相同条件下能形成多条裂缝，其宽度能控制在50µm-60µm左右。

2.3 高性能PVA-ECC的特殊优势

高性能PVA-ECC通过应变硬化特征提高水泥基材的韧性，并增强了基材的抗拉、抗折强度，对解决混凝土的耐久性问题有较大的提高。主要有以下几个方面的优势：

(1)耐疲劳性能好。高性能 PVA-ECC在承受反复荷载作用时能发挥良好的作用。

(2)抗爆、抗冲击性能好。高性能PVA-ECC基体中分布的纤维能产生“桥接”效应，在冲击和爆炸荷载作用下，起到耗能、缓冲的作用。

(3)抗剪和抗弯性能好。由于纤维的乱向分布，高性能PVA纤维增强水泥基复合材料可以很好的适应复杂应力状态，从而提高结构承载力，减少截面尺寸。

(4)阻裂效果好、耐久性能好。其裂缝宽度可控制在0.6mm左右，阻止了外界物质的侵入，同时可降低内部钢筋的锈蚀，增强结构的耐久性。

(5)抗震性能好。高性能PVA-ECC是一种很好的抗震耗能材料，其耗能能力强，可通过大变形、 多缝开裂和应变硬化实现耗能作用。

3 工程应用

PVA-ECC是建筑工程领域应用广泛的材料，可用于桥面、隧道修复，大坝、污水管线维护。在结构部位（节点抗震结构或混合结构等），承受冲击荷载的结构或部位（路面、桥面、港口等），承受较大变形的结构等方面也有较多应用。此外，由于PVA-ECC施工可以通过自密实、泵送和喷射来实现，从而大大提高了工作效率，缩短了施工时间。

例如，在2005年美国密歇根州南部的四跨简支钢梁公路桥就运用了PVA-ECC连接板。该桥部分用PVA-ECC维修，在浇筑两天后对其表观进行检测，与普通混凝土维修相比，PVA-ECC表面无可见裂缝，而混凝土表面则有大约300mm宽的可见裂缝。同时，日韩和欧美等国家也成功应用了PVA-ECC进行各项工程建设或维修，并取得了很好的效果。

4 结论及展望

在建设工程中，由于实际工程问题的凸显，人们越来越重视于提高结构的耐久性和变形能力。同时试验研究表明PVA-ECC用于结构构件中能够发挥很好的效应，对强度、变形能力、耐久性等的提高都有很好的效果。由于ECC的纤维掺量相对较低，所以是可以实现在实际工程中广泛应用的。

ECC材料的应变硬化特性是复合材料中一种具有重大技术突破的性能，但对于研究高性能纤维增强水泥基复合材料的机理还需进一步深化；而且，国内在有关耐久性方面的试验研究也需要进一步的探究。所以仍有大量的工作问题需要解决：

（1）材料的基本力学性能研究是高性能 PVA纤维增强水泥基复合材料的主要研究任务，如在抗疲劳性能、抗剪性能、断裂韧性等方面的研究。

（2）需要研究高性能PVA纤维增强水泥基复合材料的耐久性能，包括抗渗、耐磨、抗冻，以及在淡水、日照、海水及有害离子作用下的抗腐蚀性能研究。

（3）在限制收缩条件下的抗裂防裂性能方面还需进一步研究。

[1]徐世烺,李贺东.超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用[J].土木工程学报, 2008, 41(6): 45-60.

[2]Li V C, Leung C K Y. Steady state and multiple cracking ofshort random fiber composites[ J] . Journal of EngineeringMechanics, ASCE, 1992, 188 ( 11) : 2246- 2264

[3]Li V C. Mishra D.K. and Wu H.C. Matrix Design for Pseudo Strain-Hardening Fiber Reinforced Cementitious Composites [J]. RILEM J. Materials and Structures, 1995, 28(183): 586-595.

[4]韩建平,柴巧利. 高延性纤维增强水泥基复合材料研究应用新进展[J]. 土木工程与管理学报, 2011, 28(3): 18-23.

[5]徐世烺,蔡向荣, 张英华.超高韧性水泥基复合材料单轴受压应力-应变全曲线试验测定与分析[J].土木工程学报，2009，42(11)：79-85.

[6]李贺东,徐世烺. 超高韧性水泥基复合材料弯曲性能及韧性评价方法[J]. 土木工程学报, 2010, 43(3): 32-39.

[7]张君,公成旭, 居贤春. 高韧性低收缩纤维增强水泥基复合材料特性及应用[J].水利学报, 2011, 42(12): 1 452-1 461.

[8]陈升平,李素华. PVA纤维增强水泥基复合材料的性能试验研究[J].湖北工业大学学报, 2011, 26(2): 108-112.

[9]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.

[10]邓宗才,薛会青. 高韧性纤维增强水泥基复合材料的收缩变形[J].北京科技大学学报, 2011.33(2): 210-214.

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1007-6344（2016）08-0007-02

易铸（1991-），男，四川南充人，硕士研究生。