聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料應用與展望

白建文 閆 敏

1 聚乙烯醇纖維簡介

聚乙烯醇纖維(Polyvinyl Alcohol Fiber)簡稱PVA纖維,在我國與日本又稱之為維綸纖維與維尼綸纖維,是以高聚合度的優質聚乙烯醇為原料,采用特定的先進技術加工而成的一種合成纖維。普通紡織用聚乙烯醇纖維的彈性模量較低、極限延伸率過高,不能作為水泥增強材料。20世紀80年代初,日本可樂麗(Kuraray)公司與尤尼切可(Unitika)公司開發了可用于增強水泥基體的高彈性模量聚乙烯醇纖維,80年代中期我國以自主知識產權研制成功改性聚乙烯醇纖維和高模量聚乙烯醇纖維,并相繼投入生產[1]。

高強高彈模聚乙烯醇纖維(PVA纖維)的彈性模量僅次于鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維和超高分子聚乙烯纖維,其抗拉強度可與鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維、超高分子聚乙烯纖維和對位芳香聚酰胺纖維媲美,PVA纖維的價格低、密度小、粘結力高、分散性好、易于攪拌;與其他合成纖維相比,PVA纖維親水性好、彈性模量高,并且具有高比表面積,與水泥相容性好,增強效果明顯。另外,其耐光性和耐堿性也好,具有優良的化學穩定性。

2 PVA-ECC的性能及特點

2.1 ECC的定義及特點

高延性纖維增強水泥基復合材料(Engineered Cementitious Composite,簡稱為ECC)是經系統設計,在拉伸和剪切荷載下呈現高延展性的一種纖維增強水泥基復合材料[2]。ECC通常是以水泥或者以水泥加填料,或在上面的基礎上再摻加小粒徑細骨料作為基體,用纖維做增強材料。采用纖維體積摻量僅為2%的ECC,其單軸拉伸荷載下最大應變大于3%[3],約為普通混凝土的100倍～300倍。使用摻量適中的短纖維能滿足不同的施工要求,包括自密實ECC和噴射ECC。目前,通過擠壓成型已經生產出了ECC結構構件。在增強結構安全性、耐久性及可持續性方面,ECC有相當大的優勢。ECC的特點就是超高韌性,具有高耗能、抗震、抗沖擊、抗變形、防腐蝕、防泄漏的作用。

2.2 PVA-ECC的特點

PVA-ECC(Polyvinyl Alcohol-Engineered Cementitious Composites)即高強度高彈性模量聚乙烯醇纖維水泥基復合材料。PVAECC通常是以水泥或者以水泥加填料,或在上面的基礎上再摻加小粒徑細骨料作為基體,用PVA纖維做增強材料。國內外的研究表明,PVA-ECC的重要特點是以低摻量的PVA纖維實現超高韌性,其拉應變值大于3%,且多縫開裂,裂縫寬度小于3 mm,具有較高的抗裂性能。此外,PVA-ECC還具有耐高溫、耐磨、耐疲勞及對環境無污染等特點。

1997年Victor C.Li和Kanda等開始將PVA纖維用于ECC,制成了PVA-ECC。

3 ECC在實際工程中的應用

1)ECC較高的能量吸收能力使其可用于抗震結構關鍵部位,例如梁柱節點、剛節點、剪力墻,并可以用做抗震結構的阻尼器。當連梁有足夠的延性時,它能通過塑性鉸的變形吸收大量的地震能量。同時,通過塑性鉸仍能繼續傳遞彎矩和剪力,對墻肢起到一定的約束作用,使聯肢墻保持足夠的剛度和強度。為了保證聯肢墻的延性要求,對連梁的延性要求是非常高的。而ECC這種材料正好滿足延性要求,如圖1所示是位于日本東京市中心的高層住宅使用ECC做連梁的示意圖。

2)ECC可以作為框架的填充板,能大幅度提高結構的延性。

3)ECC可以做混凝土表面的覆蓋層,可以用于維修加固,即使在下部混凝土完全斷開的情況下,仍能夠承受一定的荷載和變形。在橋面板、路面尤其在高速公路、機場跑道的鋪裝和修復方面具有重要的作用。例如2005年7月,在美國密歇根州南部的公路橋上成功的應用了這種連接板。如圖2所示,該橋建于1976年,為四跨、簡支鋼梁橋,鋼筋混凝土面板厚229 mm。大量的11輪運石車通過這座橋,橋的活載很大。通過與傳統維修材料混凝土的比較得出PVA-ECC作為修補料的優點。又如瑞士蘇黎世機場跑道、停機坪在更換跑道上的4塊板、停機坪上的1塊板時,很好的利用ECC的特點,在 0:00～6:00沒有航班的6 h即完成更換,完全沒有影響機場的正常工作。如圖3所示為2005年5月通車的地處日本北海道的三原大橋,該橋屬于斜拉橋,有一塊復合ECC板,拉伸延性和裂縫寬度控制都有嚴格的控制要求,這有助于自重減少40%和100年的設計預期使用壽命。

4)噴射ECC做維修材料,用于建筑物的修補和翻新工程;擠壓式ECC用于預制板管等。如圖4所示為Mitaka大壩,使用60年,混凝土表面嚴重破損(開裂、剝落、滲水),利用噴射ECC做修補材料,迎水面修補面積600 m2,噴射厚度20 mm。

5)ECC可以用于混凝土路面、地下管道、橋墩、放射性廢物使用的容器等。

ECC可以現場澆筑,ECC通過合適的流變特性控制,可以制成自密實ECC(Kong,2003年),噴射 ECC(Kim,2003年)和擠壓ECC(Starig and Li,1999年),能滿足實際應用工程中的多種需要。

4 ECC的發展展望

我國是個多震國家,在抗震設計要求嚴格的地方,需要采用延性材料,遭遇地震時可以消耗更大的能量,成為一道防線,因此ECC在這方面有著獨特的優勢。

ECC在地面基礎工程上的應用較廣,比如在橋面板、橋連接板、路面尤其在高速公路、機場跑道的鋪裝和修復方面具有很重要的作用。截至2005年年底,據不完全統計,我國通車公路上現有的各種橋梁已達32萬座,由于超期服役、超載加之各種自然災害的襲擊,普查出的危橋達10萬余座。有些橋梁結構已處在不利狀態,有的還岌岌可危,為確保安全,急需大修、加固或者重建,因此ECC的應用將是非常有發展前景的。

在建筑結構構件中,人們越來越重視提高結構的韌性和耐久性。試驗已經證明ECC這種先進的建筑材料用于結構構件中可以產生很高的性能,對結構的強度、變形能力、耐久性、耐破壞、可修復性都有很大的作用。PVA-ECC的特點是斷裂能大,用于梁—柱連接的塑性鉸處能量吸收率大。在PVA-ECC獲得高性能的同時,由于ECC有著相對比較低的纖維摻量,所以在實際工程應用中是切實可行的。

[1] 沈榮熹,王璋水,崔玉忠.纖維增強水泥與纖維增強混凝土[M].北京:化學工業出版,2006.

[2] LI.V.C,Wang S,Wu C.Tensile strain-hardening behavior of PVA-ECC[J].ACI Mater J,2001,98(6):483-492.

[3] LIN Z,KANDA T,LI VC.On interface property characterization and performance of fiber reinforced cementitious composites[J].Concr Sci Eng,RILEM,1999(1):173-184.