王曉偉 ，劉品旭 ，田穩(wěn)苓 ，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

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性仍然是目前工程領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題之一?；炷两Y(jié)構(gòu)中，材料或結(jié)構(gòu)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(zhì)進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，引起嚴(yán)重的耐久性問(wèn)題。提高材料和結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵是改善材料的脆性，提高其韌性，而材料復(fù)合化正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要途徑。1910年，美國(guó)的Porter發(fā)表了一篇關(guān)于短鋼纖維增強(qiáng)混凝土的論文。自此之后，國(guó)內(nèi)外關(guān)于纖維混凝土的研究有較大的發(fā)展，其中以鋼纖維和聚丙烯纖維混凝土發(fā)展較為突出。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，鋼纖維混凝土不但攪拌困難，分散性差，而且會(huì)增加混凝土的自重[1]；聚丙烯纖維與基體的黏結(jié)性較差、易燃、抗拉強(qiáng)度低等問(wèn)題都限制了其發(fā)展。1992年，美國(guó)密歇根大學(xué)先進(jìn)土木工程材料研究工作實(shí)驗(yàn)室研究了ECC（Engineered Cementitious Composite），是一種經(jīng)過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在拉伸和剪切荷載下呈現(xiàn)高延性的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[2]。ECC復(fù)合材料在PVA纖維體積率約2%的摻量下，最大拉應(yīng)變可達(dá)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(tài)下多條細(xì)密裂縫的開(kāi)裂模式，不管極限拉應(yīng)變?nèi)绾危骄芽p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(jié)構(gòu)耐久性的一個(gè)重要防御，將其用于混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)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(zhì)的侵入，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。因此對(duì)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(qū)，混凝土要經(jīng)受更多次的凍融循環(huán)作用。因此研究適用于凍融循環(huán)過(guò)強(qiáng)的復(fù)合材料，且通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高材料的致密程度和抗裂性能，呈現(xiàn)良好的抗凍融性，以提高結(jié)構(gòu)的耐久性。Victor.C.Li等人試驗(yàn)研究表明，PVA增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料試件經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)后沒(méi)有出現(xiàn)任何表面劣化的現(xiàn)象，試件的極限拉伸應(yīng)變也僅僅從3%下降到2.8%，抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試件相比下降了22%[4]。

1.1 纖維對(duì)PVA-ECC抗凍性的影響

凍融環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生較大的膨脹壓力，在凍融循環(huán)累積作用下，水泥基材料會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂或原有微細(xì)裂紋會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展。吳中偉認(rèn)為，水泥基材料的復(fù)合化是提高性能的主要途徑之一，而核心是纖維增強(qiáng)[5]。Sahmaran等人對(duì)ECC抗凍性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要針對(duì)質(zhì)量損失、超聲波、極限應(yīng)變和彎曲強(qiáng)度在經(jīng)歷了凍融循環(huán)前后的變化[6]，與不加纖維的ECC混凝土進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：不加纖維的ECC混凝土在經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后已嚴(yán)重劣化，而摻加纖維的ECC混凝土卻表現(xiàn)出良好的抗凍性能，極限拉伸強(qiáng)度和韌性降低幅度很小，且動(dòng)彈模量并沒(méi)降低，另外極限應(yīng)變量大約為3%，遠(yuǎn)高于不加纖維的ECC混凝土的應(yīng)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(xì)，在水泥基材料中能夠很好的均勻分布，單位面積內(nèi)纖維較多，對(duì)水泥基體有很好的約束作用，能夠很好地抵抗凍融循環(huán)作用下產(chǎn)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(guò)對(duì)PVA纖維混凝土材料鹽凍試驗(yàn)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(fù)合材料隨PVA纖維摻量的增加而提高；PVA纖維在水泥基復(fù)合材料中分散性較好，纖維和水泥基體界面結(jié)合狀況要比鋼纖維和聚丙烯纖維好，因?yàn)槔w維的阻裂作用，混凝土的初始裂縫數(shù)量大大減少，而且還抑制了裂縫的寬度和長(zhǎng)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(jìn)行了ECC的抗凍融循環(huán)試驗(yàn)，并與同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土、引氣混凝土和鋼纖維混凝土進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明：在經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)后，ECC混凝土質(zhì)量損失超過(guò)1%，動(dòng)彈性模量損失不到5%。

1.2 粉煤灰對(duì)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(guò)渡層的孔隙率；另一方面，由于細(xì)微顆粒及其水化產(chǎn)物填充水泥石孔，改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，而且，粉煤灰的一部分空心玻璃球體引入混凝土中，會(huì)切斷毛細(xì)孔滲水的通道從而提高混凝土抗凍性[10]。另外，研究表明對(duì)于摻粉煤灰的ECC混凝土，只要加入適量的引氣劑，還可以進(jìn)一步提高其抗凍性能[11]。

周偉通過(guò)對(duì)大量摻粉煤灰的ECC的抗凍性能研究表明[12]：經(jīng)150次凍融循環(huán)后，ECC的抗剝落能力較普通混凝土強(qiáng)，ECC梁經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后，在試件表面只有部分出現(xiàn)纖維起毛，幾乎不出現(xiàn)表面剝落現(xiàn)象，ECC薄板經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)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(jìn)行凍融的試件；ECC在水中的抗凍性?xún)?yōu)于在鹽溶液中的抗凍性；且水中凍融150次時(shí)韌性達(dá)到最大，鹽溶液中凍融50次時(shí)韌性達(dá)到最大。

1.3 硅粉對(duì)PVA-ECC抗凍性能的影響

纖維水泥基復(fù)合材料中添加硅粉，能夠明顯改善其抗凍性，主要是因?yàn)楣璺鄣募?xì)度大，具有較高的無(wú)定形性以及SiO2的含量高，在纖維增強(qiáng)水泥中會(huì)產(chǎn)生填充效應(yīng)、火山灰效應(yīng)，使水泥基的結(jié)構(gòu)更為致密，孔隙尺寸得以降低，同時(shí)又阻斷了許多連通孔，減少了毛細(xì)孔水的數(shù)量，進(jìn)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(fù)合材料中摻入硅粉，明顯提高了水泥基復(fù)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(qiáng)[14]。

1.4 凍融介質(zhì)對(duì)ECC混凝土抗凍性影響

凍融循環(huán)試驗(yàn)的凍融介質(zhì)通常采用NaCl溶液，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[15]介紹：溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響混凝土材料鹽剝落性能，過(guò)高或過(guò)低的溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)都會(huì)減少混凝土的剝落，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%～4.0%。

2 PVA-ECC的抗?jié)B性能

混凝土的滲透性是指流體介質(zhì)通過(guò)混凝土內(nèi)部的難易?；炷潦且环N多孔的材料，水是最容易通過(guò)孔隙進(jìn)入混凝土的介質(zhì)，但又同時(shí)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(xué)者的研究表明摻加了PVA纖維的混凝土抗?jié)B性有所提高，是因?yàn)槠渥陨韽?qiáng)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(fā)與擴(kuò)展[17]。

2.1 纖維摻量對(duì)PVA-ECC抗?jié)B性能的影響

PVA纖維的抗?jié)B性是通過(guò)抗裂實(shí)現(xiàn)的，抗裂的機(jī)理是建立在PVA纖維對(duì)混凝土的固結(jié)、收縮的基礎(chǔ)上。在混凝土內(nèi)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(fā)展成細(xì)裂縫，因此PVA纖維可以明顯提高水泥基復(fù)合材料的抗?jié)B性能[18]。

劉曙光等研究了PVA纖維體積率對(duì)水泥基復(fù)合材料抵抗壓力水的抗?jié)B性能的影響，表明：在纖維體積率為0.5%和1%時(shí)，體現(xiàn)出了優(yōu)良的抗?jié)B性能[18]。這是因?yàn)槔w維抑制了材料早期收縮裂縫的產(chǎn)生和發(fā)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(xì)管因失水收縮所形成的張力，從而提高了水泥基復(fù)合材料的抗?jié)B性[19]。

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

2.2 引氣劑對(duì)PVA-ECC抗?jié)B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(guò)程中會(huì)被引入，且其具有分布均勻、封閉、互不連通等特點(diǎn)。

杜志芹等學(xué)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(dú)立封閉，所以引入氣泡量在一定范圍內(nèi)可以有效地抑制水的滲透。當(dāng)引氣劑的摻加量為0.05%時(shí)，最大幅度地提高了混凝土的抗?jié)B性，當(dāng)引氣劑的摻量超過(guò)了0.06%時(shí)，混凝土的抗?jié)B性開(kāi)始下降[17]。

2.3 粉煤灰、硅粉礦物摻合料對(duì)PVA-ECC抗?jié)B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(gè)方面：

1）礦物摻合料能夠改善混凝土的水化和微觀結(jié)構(gòu)，降低了混凝土孔隙率，使孔徑細(xì)化，提高了混凝土對(duì)氯離子滲透的擴(kuò)散阻力；

2）礦物摻合料提高了混凝土對(duì)氯離子的固化能力。

周偉、楊英姿等人對(duì)大量摻粉煤灰的ECC通過(guò)氯離子快速擴(kuò)散試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ECC混凝土抗?jié)B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(jìn)入提供了通道，而且大摻量粉煤灰的使用也降低了結(jié)構(gòu)的密實(shí)性[12]。

劉曙光等通過(guò)粉煤灰、硅粉對(duì)PVA纖維水泥基復(fù)合材料抗?jié)B性的研究表明：粉煤灰雖然能夠減緩水化反應(yīng)，但是未完全水化的水會(huì)使PVA纖維水泥基復(fù)合材料內(nèi)形成毛細(xì)孔，并且毛細(xì)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(fù)合材料的抗?jié)B能力[21]。硅粉減緩水化反應(yīng)，而且比粉煤灰流動(dòng)性更高，提高了PVA纖維水泥基復(fù)合材料的密實(shí)度，降低了PVA水泥基復(fù)合材料孔隙率。因此相對(duì)于粉煤灰，硅粉對(duì)PVA纖維水泥基復(fù)合材料的抗?jié)B性能有利[18]。

2.4 水膠比對(duì)ECC抗?jié)B性能的影響

混凝土的孔結(jié)構(gòu)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(shù)量，使混凝土的抗?jié)B性降低。此外混凝土中水泥漿體與骨料的過(guò)渡區(qū)處的裂縫和連通孔隙進(jìn)一步降低了混凝土的滲透性。水膠比對(duì)PVAECC抗?jié)B性能的影響還需進(jìn)一步研究。

Powers[22]對(duì)水膠比影響混凝土滲透性的研究表明：水膠比大于0.55時(shí)，滲透系數(shù)會(huì)急劇增大。水膠比低于0.6時(shí)，毛細(xì)孔的孔徑變小，易被水泥水化物堵塞，增大了流動(dòng)阻力，滲透系數(shù)降低。

2.5 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)ECC混凝土抗?jié)B性的影響

隨著齡期增長(zhǎng)，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(xì)孔的貫通程度也減小，最終導(dǎo)致滲透性降低。

趙鐵軍[23]等人以養(yǎng)護(hù)了30 d的混凝土滲透性為基準(zhǔn)，測(cè)試了70 d和130 d的滲透性系數(shù)。純水泥混凝土測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)養(yǎng)護(hù)到70 d時(shí)滲透系數(shù)降至56%～76%，養(yǎng)護(hù)到130 d時(shí)滲透系數(shù)降至50%～60%；礦渣混凝土測(cè)試結(jié)果表明：養(yǎng)護(hù)到70 d時(shí)滲透系數(shù)降至52%～72%，養(yǎng)護(hù)到130 d時(shí)滲透系數(shù)降至33%～43%；粉煤灰混凝土測(cè)試結(jié)果表明：養(yǎng)護(hù)到70 d時(shí)滲透系數(shù)降至25%～33%，養(yǎng)護(hù)到130 d時(shí)滲透系數(shù)降至13%～16%。

3 目前研究的不足

目前對(duì)于PVA-ECC混凝土抗凍性和抗?jié)B性的研究雖然取得了一定的成果，但是在如下幾個(gè)方面需要繼續(xù)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(guān)于纖維的分布對(duì)混凝土的抗凍性和抗?jié)B性能的影響還未見(jiàn)系統(tǒng)的研究。

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

3） 普通混凝土凍融循環(huán)后的氯離子浸泡試驗(yàn)，結(jié)果表明凍融對(duì)氯離子在普通混凝土中的傳輸有明顯影響。隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，氯離子在普通混凝土中的滲透擴(kuò)散速度也加快，氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大。但是對(duì)于PVA-ECC混凝土還沒(méi)有系統(tǒng)研究。

4）目前對(duì)于抗?jié)B性能的研究?jī)H停留在單一因素的定性研究，定量的研究有待進(jìn)一步開(kāi)展，特別是多因素同時(shí)作用下耐久性能的研究還鮮有報(bào)道，需要進(jìn)一步研究。

5）水膠比對(duì)混凝土抗?jié)B性影響的研究已進(jìn)行了很多，但仍處于采取定性的趨勢(shì)反應(yīng)傳輸性能的強(qiáng)弱，至今仍不能得出一個(gè)用水膠比定量的范圍表達(dá)氯離子傳輸性能的結(jié)論。

6）對(duì)于混凝土抗凍性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，目前主要是采用含氣量、氣泡間距系數(shù)作為該環(huán)境下混凝土的耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)，但是評(píng)價(jià)指標(biāo)并沒(méi)有考慮到鹽凍情況下鹽濃度差產(chǎn)生的滲透壓的影響，因此，建議增加抗氯離子滲透性的評(píng)價(jià)指標(biāo)；目前普遍應(yīng)用的電通量法的測(cè)試結(jié)果只是一個(gè)定性的概念，不能和結(jié)構(gòu)的耐久年限直接聯(lián)系起來(lái)。

4 結(jié)語(yǔ)

在全球范圍內(nèi)，混凝土基礎(chǔ)設(shè)施的耐久性問(wèn)題急待解決，而解決脆性材料的低耐久性問(wèn)題是關(guān)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(wèn)題。目前的研究更多的是關(guān)于ECC的力學(xué)性能，關(guān)于耐久性能尚需進(jìn)一步研究，使得ECC材料在具有優(yōu)越的力學(xué)性能的同時(shí)具有優(yōu)良的耐久性能，以推動(dòng)ECC材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用，解決混凝土基礎(chǔ)設(shè)施的耐久性問(wèn)題。

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