PVA纖維增強水泥基復合材料的耐久性能

王曉偉 ，劉品旭 ，田穩苓 ，慕儒 ，李帆 ，陳培

（1.河北工業大學土木工程學院，天津 300401；2.河北省土木工程技術研究中心，天津 300401）

0 引言

混凝土結構的耐久性仍然是目前工程領域急需解決的問題之一。混凝土結構中，材料或結構的耐久性受裂縫及其寬度的影響較大，寬大的裂縫能加速水、氯鹽等外界物質進入混凝土結構內部，引起嚴重的耐久性問題。提高材料和結構耐久性的關鍵是改善材料的脆性，提高其韌性，而材料復合化正是實現這一目標的主要途徑。1910年，美國的Porter發表了一篇關于短鋼纖維增強混凝土的論文。自此之后，國內外關于纖維混凝土的研究有較大的發展，其中以鋼纖維和聚丙烯纖維混凝土發展較為突出。但在實際應用過程中，鋼纖維混凝土不但攪拌困難，分散性差，而且會增加混凝土的自重[1]；聚丙烯纖維與基體的黏結性較差、易燃、抗拉強度低等問題都限制了其發展。1992年，美國密歇根大學先進土木工程材料研究工作實驗室研究了ECC（Engineered Cementitious Composite），是一種經過系統設計，在拉伸和剪切荷載下呈現高延性的纖維增強水泥基復合材料[2]。ECC復合材料在PVA纖維體積率約2%的摻量下，最大拉應變可達到3%甚至更高，為普通混凝土的150～300倍，普通纖維混凝土的30～300倍。ECC在拉伸狀態下多條細密裂縫的開裂模式，不管極限拉應變如何，平均裂縫寬度始終保持在60μm左右[3]，因此ECC自我控制裂縫寬度的能力就成了改善混凝土結構耐久性的一個重要防御，將其用于混凝土結構保護層，荷載作用下的裂縫可以得到有效的控制和分散，減少有害介質的侵入，從而提高混凝土結構耐久性。因此對ECC材料的耐久性能的研究迫在眉睫。

1 PVA-ECC的抗凍性能

在寒冷地區，混凝土要經受更多次的凍融循環作用。因此研究適用于凍融循環過強的復合材料，且通過優化設計提高材料的致密程度和抗裂性能，呈現良好的抗凍融性，以提高結構的耐久性。Victor.C.Li等人試驗研究表明，PVA增強水泥基復合材料試件經過300次凍融循環后沒有出現任何表面劣化的現象，試件的極限拉伸應變也僅僅從3%下降到2.8%，抗壓強度與標準養護的試件相比下降了22%[4]。

1.1 纖維對PVA-ECC抗凍性的影響

凍融環境下會產生較大的膨脹壓力，在凍融循環累積作用下，水泥基材料會產生開裂或原有微細裂紋會繼續擴展。吳中偉認為，水泥基材料的復合化是提高性能的主要途徑之一，而核心是纖維增強[5]。Sahmaran等人對ECC抗凍性進行了試驗研究，主要針對質量損失、超聲波、極限應變和彎曲強度在經歷了凍融循環前后的變化[6]，與不加纖維的ECC混凝土進行了對比，結果表明：不加纖維的ECC混凝土在經過凍融循環后已嚴重劣化，而摻加纖維的ECC混凝土卻表現出良好的抗凍性能，極限拉伸強度和韌性降低幅度很小，且動彈模量并沒降低，另外極限應變量大約為3%，遠高于不加纖維的ECC混凝土的應變量。因此向水泥基材料中摻入一定量的PVA纖維，由于PVA纖維較細，在水泥基材料中能夠很好的均勻分布，單位面積內纖維較多，對水泥基體有很好的約束作用，能夠很好地抵抗凍融循環作用下產生的膨脹壓力，從而提高材料的抗凍能力[7]。

劉曙光等人通過對PVA纖維混凝土材料鹽凍試驗研究表明：摻入適量的PVA纖維，可有效提高基體的抗剝落能力，改善凍融性能，水泥基復合材料隨PVA纖維摻量的增加而提高；PVA纖維在水泥基復合材料中分散性較好，纖維和水泥基體界面結合狀況要比鋼纖維和聚丙烯纖維好，因為纖維的阻裂作用，混凝土的初始裂縫數量大大減少，而且還抑制了裂縫的寬度和長度，最終降低了通縫的形成，提高了ECC混凝土的抗凍性[8]。

徐世烺、蔡新華[9]進行了ECC的抗凍融循環試驗，并與同強度等級的普通混凝土、引氣混凝土和鋼纖維混凝土進行對比。試驗結果表明：在經過300次凍融循環后，ECC混凝土質量損失超過1%，動彈性模量損失不到5%。

1.2 粉煤灰對PVA-ECC抗凍性能的影響

粉煤灰的摻入，一方面，降低了混凝土與集料界面過渡層的孔隙率；另一方面，由于細微顆粒及其水化產物填充水泥石孔，改善了混凝土的孔結構，而且，粉煤灰的一部分空心玻璃球體引入混凝土中，會切斷毛細孔滲水的通道從而提高混凝土抗凍性[10]。另外，研究表明對于摻粉煤灰的ECC混凝土，只要加入適量的引氣劑，還可以進一步提高其抗凍性能[11]。

周偉通過對大量摻粉煤灰的ECC的抗凍性能研究表明[12]：經150次凍融循環后，ECC的抗剝落能力較普通混凝土強，ECC梁經過凍融循環后，在試件表面只有部分出現纖維起毛，幾乎不出現表面剝落現象，ECC薄板經過凍融循環后仍能保持較好的外觀完整性。初裂荷載和極限荷載均降低，彎曲撓度增大，尤其是在鹽溶液中進行凍融的試件；ECC在水中的抗凍性優于在鹽溶液中的抗凍性；且水中凍融150次時韌性達到最大，鹽溶液中凍融50次時韌性達到最大。

1.3 硅粉對PVA-ECC抗凍性能的影響

纖維水泥基復合材料中添加硅粉，能夠明顯改善其抗凍性，主要是因為硅粉的細度大，具有較高的無定形性以及SiO2的含量高，在纖維增強水泥中會產生填充效應、火山灰效應，使水泥基的結構更為致密，孔隙尺寸得以降低，同時又阻斷了許多連通孔，減少了毛細孔水的數量，進而提高了水泥基體的抗凍性能[13]。

王秀紅等人的研究表明：纖維水泥基復合材料中摻入硅粉，明顯提高了水泥基復合材料的抗凍融性，而且抗凍融能力隨著硅粉摻量的增加不斷增強[14]。

1.4 凍融介質對ECC混凝土抗凍性影響

凍融循環試驗的凍融介質通常采用NaCl溶液，據有關文獻[15]介紹：溶液質量分數影響混凝土材料鹽剝落性能，過高或過低的溶液質量分數都會減少混凝土的剝落，經過試驗研究發現臨界質量分數為3.0%～4.0%。

2 PVA-ECC的抗滲性能

混凝土的滲透性是指流體介質通過混凝土內部的難易。混凝土是一種多孔的材料，水是最容易通過孔隙進入混凝土的介質，但又同時攜帶了有害離子，引起了混凝土的破壞。所以水在混凝土中的滲透速度決定了混凝土的劣化速度，研究水在混凝土中的滲透性具有普遍意義[16]。

杜志芹、孫偉等學者的研究表明摻加了PVA纖維的混凝土抗滲性有所提高，是因為其自身強度和彈性模量較高，有較高的阻裂效果，有效的抑制了裂紋的引發與擴展[17]。

2.1 纖維摻量對PVA-ECC抗滲性能的影響

PVA纖維的抗滲性是通過抗裂實現的，抗裂的機理是建立在PVA纖維對混凝土的固結、收縮的基礎上。在混凝土內部PVA纖維能夠形成一種均勻的亂向支撐體系，有效阻止微裂縫發展成細裂縫，因此PVA纖維可以明顯提高水泥基復合材料的抗滲性能[18]。

劉曙光等研究了PVA纖維體積率對水泥基復合材料抵抗壓力水的抗滲性能的影響，表明：在纖維體積率為0.5%和1%時，體現出了優良的抗滲性能[18]。這是因為纖維抑制了材料早期收縮裂縫的產生和發展，有效地降低了材料的孔隙率；另外，纖維減小水泥基體的失水面積，增大了水分遷移的難度，減小了毛細管因失水收縮所形成的張力，從而提高了水泥基復合材料的抗滲性[19]。

但鄭志均等人通過試驗研究發現體積摻量為0.5%的PVA纖維混凝土，由于混凝土流動度減小，混凝土中的薄弱界面和孔隙等缺陷增加，其抗壓強度和抗氯離子滲透性能有所下降[20]。

2.2 引氣劑對PVA-ECC抗滲性能的影響

引氣劑是一種降低固-液-氣相界面張力的活性劑，摻入混凝土后，微小氣泡在混凝土的攪拌過程中會被引入，且其具有分布均勻、封閉、互不連通等特點。

杜志芹等學者研究表明：摻加適量引氣劑后，由于引入的微小氣泡分布均勻且獨立封閉，所以引入氣泡量在一定范圍內可以有效地抑制水的滲透。當引氣劑的摻加量為0.05%時，最大幅度地提高了混凝土的抗滲性，當引氣劑的摻量超過了0.06%時，混凝土的抗滲性開始下降[17]。

2.3 粉煤灰、硅粉礦物摻合料對PVA-ECC抗滲性能的影響

礦物摻合料能夠明顯的改善混凝土的抗氯離子滲透性，主要原因有以下兩個方面：

1）礦物摻合料能夠改善混凝土的水化和微觀結構，降低了混凝土孔隙率，使孔徑細化，提高了混凝土對氯離子滲透的擴散阻力；

2）礦物摻合料提高了混凝土對氯離子的固化能力。

周偉、楊英姿等人對大量摻粉煤灰的ECC通過氯離子快速擴散試驗發現，ECC混凝土抗滲性與普通混凝土相比明顯較差。這是由于纖維的加入，為氯離子的進入提供了通道，而且大摻量粉煤灰的使用也降低了結構的密實性[12]。

劉曙光等通過粉煤灰、硅粉對PVA纖維水泥基復合材料抗滲性的研究表明：粉煤灰雖然能夠減緩水化反應，但是未完全水化的水會使PVA纖維水泥基復合材料內形成毛細孔，并且毛細孔很容易與其他孔隙相連形成連通孔，從而減小了PVA纖維水泥基復合材料的抗滲能力[21]。硅粉減緩水化反應，而且比粉煤灰流動性更高，提高了PVA纖維水泥基復合材料的密實度，降低了PVA水泥基復合材料孔隙率。因此相對于粉煤灰，硅粉對PVA纖維水泥基復合材料的抗滲性能有利[18]。

2.4 水膠比對ECC抗滲性能的影響

混凝土的孔結構特征由水膠比決定，隨著水膠比的增大，混凝土的孔隙率增大，增加了連通孔的數量，使混凝土的抗滲性降低。此外混凝土中水泥漿體與骨料的過渡區處的裂縫和連通孔隙進一步降低了混凝土的滲透性。水膠比對PVAECC抗滲性能的影響還需進一步研究。

Powers[22]對水膠比影響混凝土滲透性的研究表明：水膠比大于0.55時，滲透系數會急劇增大。水膠比低于0.6時，毛細孔的孔徑變小，易被水泥水化物堵塞，增大了流動阻力，滲透系數降低。

2.5 養護齡期對ECC混凝土抗滲性的影響

隨著齡期增長，水泥水化的程度加大，不僅使混凝土孔隙率、孔徑減小，還使毛細孔的貫通程度也減小，最終導致滲透性降低。

趙鐵軍[23]等人以養護了30 d的混凝土滲透性為基準，測試了70 d和130 d的滲透性系數。純水泥混凝土測試結果表明：當養護到70 d時滲透系數降至56%～76%，養護到130 d時滲透系數降至50%～60%；礦渣混凝土測試結果表明：養護到70 d時滲透系數降至52%～72%，養護到130 d時滲透系數降至33%～43%；粉煤灰混凝土測試結果表明：養護到70 d時滲透系數降至25%～33%，養護到130 d時滲透系數降至13%～16%。

3 目前研究的不足

目前對于PVA-ECC混凝土抗凍性和抗滲性的研究雖然取得了一定的成果，但是在如下幾個方面需要繼續深入研究：

1）纖維的分布是影響纖維混凝土性能的重要因素，目前關于纖維的分布對混凝土的抗凍性和抗滲性能的影響還未見系統的研究。

2）目前，對于單摻礦物摻合料的抗凍性能研究較多，對多種礦物摻合料的PVA-ECC混凝土的抗凍性能需要進一步研究。

3） 普通混凝土凍融循環后的氯離子浸泡試驗，結果表明凍融對氯離子在普通混凝土中的傳輸有明顯影響。隨凍融循環次數的增加，氯離子在普通混凝土中的滲透擴散速度也加快，氯離子擴散系數增大。但是對于PVA-ECC混凝土還沒有系統研究。

4）目前對于抗滲性能的研究僅停留在單一因素的定性研究，定量的研究有待進一步開展，特別是多因素同時作用下耐久性能的研究還鮮有報道，需要進一步研究。

5）水膠比對混凝土抗滲性影響的研究已進行了很多，但仍處于采取定性的趨勢反應傳輸性能的強弱，至今仍不能得出一個用水膠比定量的范圍表達氯離子傳輸性能的結論。

6）對于混凝土抗凍性能的評價標準，目前主要是采用含氣量、氣泡間距系數作為該環境下混凝土的耐久性評價指標，但是評價指標并沒有考慮到鹽凍情況下鹽濃度差產生的滲透壓的影響，因此，建議增加抗氯離子滲透性的評價指標；目前普遍應用的電通量法的測試結果只是一個定性的概念，不能和結構的耐久年限直接聯系起來。

4 結語

在全球范圍內，混凝土基礎設施的耐久性問題急待解決，而解決脆性材料的低耐久性問題是關鍵。ECC材料在荷載作用下，具有良好的延性，具有自我控制裂縫寬度的能力，這種材料將能有效地解決混凝土面臨的耐久性問題。目前的研究更多的是關于ECC的力學性能，關于耐久性能尚需進一步研究，使得ECC材料在具有優越的力學性能的同時具有優良的耐久性能，以推動ECC材料在實際工程中的應用，解決混凝土基礎設施的耐久性問題。

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