PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料基本性能及其工程應(yīng)用

田穩(wěn)苓 ，劉超 ，王曉偉 ，慕儒 ，李帆 ，陳培

（1.河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401）

0 引言

1824年波特蘭水泥問世以來，混凝土材料的發(fā)展一直以高性能作為其主線，被廣泛地應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。高性能混凝土（HPC）是當(dāng)前混凝土的主要發(fā)展方向之一。中國工程院吳中偉院士指出，復(fù)合化是水泥基材料高性能化的重要途徑，而纖維增強是其核心[1]。復(fù)合化是材料發(fā)展的重要途徑，復(fù)合化帶來的超疊加效應(yīng)，是材料獲得優(yōu)良性能的主要原因。

通過近200年對混凝土材料的研究與使用，發(fā)現(xiàn)混凝土材料在應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時仍存在以下主要缺點：1）極限荷載下的脆性破壞。通常所觀察到的破壞模式，比如開裂、剝落、沖擊或爆炸荷載下的破碎均與混凝土抗拉伸性能差有必然關(guān)系；2）正常工作狀態(tài)下的破壞。在正常工作狀態(tài)下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足的主要原因是混凝土的裂縫開展過大引發(fā)的鋼筋銹蝕及其他相關(guān)問題[2]。因此，要發(fā)展綠色高性能甚至超高性能混凝土就要求混凝土既要有足夠的強度，又要有良好的延性，以及必要的耐久性。

早期的聚丙烯纖維混凝土以及鋼纖維混凝土的纖維摻量通常小于2%，這類混凝土早期開裂得到控制，抗彎韌度提高，但在直接拉伸作用下仍發(fā)生應(yīng)變軟化破壞。為了進(jìn)一步提高混凝土的韌度和強度，出現(xiàn)了纖維摻量非常高的高性能纖維混凝土（HPFRCC），但由于纖維摻量非常高，導(dǎo)致攪拌及成型困難，施工性能不易保證，成本也大幅度提高。ECC（Engineered Cementitious Composite）纖維增強水泥基復(fù)合材料便應(yīng)運而生，美國密歇根大學(xué)的Li教授和麻省理工的Leung教授根據(jù)微觀力學(xué)和斷裂力學(xué)基本原理提出了該材料的基本設(shè)計理念[3]。ECC復(fù)合材料在體積率約2%纖維摻量下，最大拉應(yīng)變可達(dá)到3%甚至更高，纖維摻量適中有利于控制成本，也有利于攪拌及成型。

自20世紀(jì)90年代以來，美國、日本、瑞士等國均對纖維增強水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并在實際工程中應(yīng)用。因此，纖維增強水泥基復(fù)合材料在我國的研究與應(yīng)用迫在眉睫。

1 纖維增強水泥基復(fù)合材料的基本性能

1.1 ECC材料的概念

1992年，美國密歇根大學(xué)先進(jìn)土木工程材料研究工作實驗室研究了ECC。ECC是一種經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計，在拉伸和剪切荷載下呈現(xiàn)高延性的纖維增強水泥基復(fù)合材料[4]。近年來，隨著理論研究和試驗研究的不斷發(fā)展，以及工程應(yīng)用實踐的不斷增多，發(fā)現(xiàn)ECC材料的性能只有當(dāng)其拉應(yīng)變能力穩(wěn)定達(dá)到3%以上時其應(yīng)變硬化性能才是穩(wěn)定的，在變形增長的過程中才能穩(wěn)定地伴有多條細(xì)密裂縫的產(chǎn)生。當(dāng)今提到ECC材料通常會認(rèn)為其拉應(yīng)變能穩(wěn)定地超過3%，為普通混凝土的150～300倍，普通纖維混凝土的30～300倍。

ECC材料根據(jù)使用的纖維種類不同可以分為碳纖維ECC、鋼纖維ECC、聚乙烯ECC（PE-ECC）和聚乙烯醇ECC（PVA-ECC）等。其中碳纖維ECC在攪拌過程中碳纖維極易折斷，造成碳纖維不能充分利用，其最大拉應(yīng)變僅為0.9%[5]。鋼纖維由于受到自身韌性、長細(xì)比、摻量等的限制，鋼纖維ECC的最大拉應(yīng)變能力為0.5%左右[6]。而PEECC、PVA-ECC的極限拉應(yīng)變能穩(wěn)定地達(dá)到3%甚至3%以上。同等纖維體積摻量的PE-ECC比PVA-ECC的應(yīng)變能力大，前者的強度也比后者大，但是PE纖維的價格是PVA纖維的8倍[7]。因此從成本和性能兩方面綜合考慮，PVA-ECC性價比更高。根據(jù)PVA-ECC成型方式不同可分為擠壓成型ECC[8]、自密實ECC[9]和噴射ECC[10]。

1.2 PVA纖維增強水泥基材料的基本性能

1.2.1 抗壓性能

普通混凝土、PE-ECC及PVA-ECC的壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。由于未使用粗骨料，所以PE-ECC和PVA-ECC的彈性模量均低于普通混凝土。PVA-ECC和PE-ECC的極限壓應(yīng)力對應(yīng)的壓應(yīng)變在0.5%左右，而普通混凝土對應(yīng)的壓應(yīng)變僅為0.2%。PVA-ECC與PE-ECC試件到達(dá)峰值荷載后明顯比普通混凝土下降緩慢。

圖1 三種材料的壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比

1.2.2 抗拉性能

圖2為PVA（聚乙烯醇）纖維體積摻量2%的ECC在單軸拉伸荷載條件下的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線[2]。從圖中可以看出，該材料達(dá)到初裂強度之后，并沒有如普通混凝土沿一條裂縫開展逐漸增大直至破壞，而是伴隨著多裂縫開裂的準(zhǔn)應(yīng)變硬化過程，荷載逐漸增加，裂縫寬度的開展并不大，裂縫數(shù)量逐漸增多。在極限荷載破壞時，裂縫間距在1～2 mm，裂縫寬度在60 μm左右，極限拉應(yīng)變甚至能達(dá)到5%，約為普通混凝土極限拉應(yīng)變的500倍。由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可看出，曲線有許多應(yīng)力瞬間下降段及恢復(fù)段，這是由于在荷載增長過程中，在最大初始缺陷尺寸的界面上首先出現(xiàn)裂縫，應(yīng)力瞬間下降，而后ECC材料中纖維的橋聯(lián)應(yīng)力開始發(fā)揮作用，應(yīng)力又逐漸上升。如此重復(fù)，最終呈現(xiàn)均勻分布大量細(xì)密的裂縫。當(dāng)橋聯(lián)應(yīng)力不足以讓新的裂縫產(chǎn)生時，隨著荷載的增加，直至某一條裂縫發(fā)生局部擴展而導(dǎo)致試件最終破壞。

圖2 典型的ECC拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和裂縫寬度發(fā)展

1.2.3 彎曲性能

如圖3（a）所示的試件1尺寸為304.8 mm×76.2 mm×12.2 mm的ECC試驗試件，在四點彎曲試驗下，其極限狀態(tài)下的撓度約為22 mm，圖3（b）所示試件2尺寸為400 mm×100 mm×15 mm，支座間距為300 mm，極限狀態(tài)下?lián)隙燃s為20 mm，是傳統(tǒng)混凝土材料的極限撓度的40倍左右，與單軸拉伸試驗下表現(xiàn)出來的多裂縫開裂和超強的韌性極為相似，試驗全程表現(xiàn)出顯著的彎曲硬化特性。

1.2.4 抗剪性能

1998年，Watanabe和Kanda通過ohno剪力梁，研究了ECC抗剪性能，PVA-ECC梁產(chǎn)生細(xì)密裂縫，裂縫大約延伸到梁高一半的位置。研究表明：ECC使試件增加了延性。2003年，Vasillag比較系統(tǒng)地研究了PVA-ECC的抗剪切性能。平面純剪試驗顯示：試件在剪切荷載的作用下，以一個漸進(jìn)的過程從完好到開裂，未發(fā)生常規(guī)混凝土材料脆性剪切破壞時所表現(xiàn)出來的明顯的突然的剛度下降。PVA-ECC試件產(chǎn)生如圖4所示的裂縫，全程PVAECC都未剝落。在抗壓強度相同的情況下，顯示出比常規(guī)混凝土更高的抗剪承載力與抗剪切變形能力。本試驗采用的PVA-ECC僅僅具有1%的極限拉應(yīng)變，如果采用具有更高拉應(yīng)變能力的ECC，可以預(yù)見其各項性能將會有更大的提高[11]。

圖3 四點彎曲試驗及多裂縫開裂

圖4 PVA-ECC與常規(guī)混凝土平面純剪試驗結(jié)果對比

2 工程應(yīng)用

由于材料成本高，目前PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料在國內(nèi)還未廣泛應(yīng)用，主要在美國、日本、瑞士等發(fā)達(dá)國家實際工程中應(yīng)用。

1）橋面板。2005年投入使用的日本北海道的三原橋，為斜拉索橋，橋面板采用鋼/ECC復(fù)合結(jié)構(gòu)橋面板，其厚度僅僅為5 cm，自重減少至原來的60%，通過減少自重應(yīng)力來增強橋面板的承載能力和剛度，從而提高橋面的抗疲勞強度。預(yù)計使用壽命為100 a[12]。

2） 橋面連接板。ECC材料具有足夠的延性和良好的耐久性，2005年，美國的密歇根州在修補橫跨94號州級公路的一座高速公路大橋時，由于橋面連接板對延性要求和耐久性要求很高，大量采用了ECC材料作為橋面連接板[13]。

3）在交替荷載作用下，ECC-鋼筋復(fù)合結(jié)構(gòu)可以吸收大量的能量，可以作為防震抗震的阻尼器，減少震害及后期對結(jié)構(gòu)的修復(fù)工作。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物中，利用與ECC復(fù)合來減震，于2004年和2005年分別在日本東京和橫濱得到應(yīng)用[14]。

4）用ECC材料對大壩和灌溉渠道進(jìn)行表面修補，提高了抗?jié)B性能[15-16]。

日本廣島轄區(qū)內(nèi)的Mitaka大壩，2003年在該壩的上游表面（面積500 m2）噴射了30 m3的ECC保護(hù)層，厚度為30 mm，增強對已破壞混凝土表面的保護(hù)。

位于日本Shiga轄區(qū)的中心樞紐渠道表面粗骨料裸露，邊角部分磨損，有長l m、寬1 mm的裂縫。首先用水對底層表面進(jìn)行沖洗，清除掉被破壞的砂漿。邊墻上每石塊接縫處均由砂漿填充。2005年采用ECC涂抹或噴射方式，對中心樞紐渠道進(jìn)行修補。

普通砂漿和超高強聚合物水泥砂漿也曾用于中心樞紐渠道的修補中，但是1個月后就能觀測到裂縫，而應(yīng)用ECC，尚未觀測到裂縫。

5）混凝土結(jié)構(gòu)的加固。在日本，使用噴射ECC對混凝土重力擋土墻、Mitaka重力壩和東海道新干線的高架橋進(jìn)行了維修加固和翻新，用來延遲碳化腐蝕，從而增強結(jié)構(gòu)耐久性。

3 結(jié)論及展望

本文闡述了PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料的基本性能，與普通混凝土相比，其抗壓試驗中達(dá)到峰值荷載后承載力下降緩慢，抗拉和彎曲試驗中均顯示出應(yīng)變硬化特性，且具有更好的抗剪承載力和抗剪切變形能力，充分說明了PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料具有優(yōu)異的延性、微裂縫寬度控制特性以及耐久性。PVA纖維水泥基復(fù)合材料屬于一種可持續(xù)發(fā)展的建筑材料，不僅適應(yīng)于現(xiàn)代工程的需要，而且有利于節(jié)約資源，具有良好的社會效益，值得研究推廣和應(yīng)用。

[1] 吳中偉.纖維增強-水泥基材料的未來[J].混凝土與水泥制品，1999（1）：5-6.

[2] Li Victor C.Progress and Application of Engineered Cementitious Composites[J].硅酸鹽學(xué)報，2007（4）：531-536.

[3] Li Victor C，Leung C K Y.Steady State and Multiple Cracking of Short Random Fiber Composites[J].Journal of Engineering Mechanics，1992，188（11）：2 246-2 264.

[4] Li Victor C.On Engineered Cementitious Composites（ECC）：A Review of the Material and Its Applications[J].Adv Concrete Technol，2003，1（3）：215-230.

[5] Li Victor C，Obla K H.Effect of Fiber Length Variation on Tensile Properties of Carbon Fiber Cement Composites[J].Composites Engineering，1994，4（9）：947-964.

[6]Li Victor C，Wu H C，Maalej M.Tensile Behavior of Cement Based Composites with Random Discontinuous Steel Fibers[J].Journal of the American Ceramic Society，1996，79（1）：74-78.

[7] Li Victor C，Wang S，Wu H C.Tensile Srain-hardening Behavior of PVA-ECC[J].Materials Journal，2001，98（6）：483-492.

[8] Stang H，Li V C.Extrusion of ECC-Material[C]//Proceedings of High Performance Fiber Reinforced Cement Composites 3（HPFRCC-3）.New York：Chapman ＆ Hull，1999：203-212.

[9] Kong H J，Bike S G，Li V C.Development of a Self-Consolidating Engineered Cementitious Composite Employing Electrosteric Dispersion/Stabilization[J].Cement and Concrete Composites，2003，25（3）：301-309.

[10]Vasillag X.Investigating the Shear Characteristics of High PerformanceFiberReinforcedConcrete[D].Toronto：Universityof Toronto，2003.

[11] Wang S，Li Victor C.Polyvinyl Alcohol Fiber Reinforced Engineered Cementitious Composites：Material Design and Performances[C]//Proceedings of International RILEM Workshop on HPFRCC in Structural Applications.RILEM SARL，2006：65-73.

[12] Rokogo K，Kanda T.Presentation Recent HPFRCC R＆D Progress in Japan[C]//Proceedings of International Workshop on HPFRCC in StructuralApplications. Bagneux：RILEM Publications SARL，2005：23-26.

[13]Li V C，M Lepech.Crack Resistant Concrete Material for Transportation Construction[R].Michigan： University of Michigan，2004.

[14]Maruta Kanda T，Nagai S，Yamamoto Y.New High-Rise RC Structure Using Pre-Cast ECC Coupling Beam[J].Concrete Journal，2005，43（11）：18-26.

[15] JSCE.Evaluation and Application of Fiber Reinforced Mortar with Multiple Fine Cracks[C]//Concrete Engineering Series 64.Japan Society of Civil Engineers，2005.

[16]Kojima S，Sakata N，Kanda T，et al.Application of Direct Sprayed ECC for Retrofitting Dam Structure Surface-Application for Mitaka-Dam[J].Concrete Journal，2004，42（5）：135-139.