鄭玉國，崔元東，王偉男，張 勇，劉思民

（湖南科技大學 土木工程學院，湘潭 411201）

PVA－ECC的最優(yōu)配比及力學性能試驗研究

鄭玉國，崔元東，王偉男，張 勇，劉思民

（湖南科技大學 土木工程學院，湘潭 411201）

考慮影響纖維增強水泥基復合材料（ECC）力學性能的關鍵因素，從抗壓強度入手，基于水膠比、粉煤灰摻量、減水劑摻量等的變化，制作各批次的ECC立方體試件并進行抗壓強度試驗，探索ECC的力學性能隨材料配比而變化的規(guī)律.研究結果表明，在其它因素都相同的條件下，PVA－ECC的立方體抗壓強度隨水膠比的增大而減小、隨粉煤灰摻量的增加而減小、隨減水劑摻量的增加先增大后減小.在普遍意義上，當水膠比為0.25、粉煤灰摻量為45%、減水劑摻量為0.5%時，PVA－ECC達到最優(yōu)配比，此時立方體抗壓強度達到最大.

纖維增強水泥基復合材料；最優(yōu)配比；力學性能試驗；抗壓強度

ECC（engineered cementitious composite）這種纖維增強水泥基復合材料，是由美國密歇根大學的Victor C.Li教授等［1］在20世紀90年代根據(jù)微觀力學和斷裂力學基本原理提出的一種新型材料.研究發(fā)現(xiàn)［2］，相對于傳統(tǒng)混凝土材料，ECC的優(yōu)勢非常明顯，具有很強的變形能力和裂縫寬度控制效果，抗剪、抗彎承載力高，抗爆、抗沖擊性能好，抗疲勞能力強等.ECC的這些優(yōu)良性能使其壽命相對于傳統(tǒng)混凝土材料可以延長兩倍以上，從而可以減少結構在整個壽命周期內(nèi)的維護維修次數(shù)，在整個生命周期內(nèi)的總耗能比普通鋼筋混凝土結構有較大的降低，因此從長遠看ECC具有更高的直接和間接經(jīng)濟價值，相對于普通混凝土來說具有更好的環(huán)保性和可持續(xù)性［3］.

由于ECC所具有的優(yōu)良性能，國內(nèi)外對其開展了理論分析、微宏觀設計和實際應用等方面的研究［4－6］.然而由于并沒有成熟的規(guī)范和標準對其配比、成型方法等進行明確的規(guī)定［7－8］，從而導致很多情況下制備出來的ECC性能并不理想，材料配比與力學性能之間還缺乏明確的規(guī)律，這在很大程度上限制了ECC的廣泛應用.因此，在當前已有的ECC材料配制和力學性能研究的基礎上，首先從立方體抗壓強度入手，考慮影響ECC力學性能的主要因素，基于水膠比（W／B）、粉煤灰摻量（FA）、減水劑摻量（WR）等的變化，制作各批次的ECC立方體試件，并對各批次的ECC試件進行抗壓強度試驗.在大量試驗的基礎上，探索ECC的力學性能隨材料配比而變化的規(guī)律并提出ECC的最優(yōu)配比，為ECC的實踐應用提出建議.

1 原材料及配比

應用于ECC的纖維材料主要有三種：聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），其中PVA 應用最為廣泛.考慮到國內(nèi)的PVA纖維沒有經(jīng)過特殊的油劑處理，分散性不足，大多達不到制備ECC的要求.因此采用日本Kuraray Co.生產(chǎn)的RECS15×12型PVA粗短纖維，如圖1所示，纖維的各項性能參數(shù)如表1所示.

圖1 RECS15×12型PVA纖維

表1 PVA纖維的性能參數(shù)

另外，水泥采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥，石英砂采用經(jīng)過0.63mm篩孔的細沙，粉煤灰采用鞏義市金豐凈水材料有限公司生產(chǎn)的一級粉煤灰，減水劑采用北京德昌偉業(yè)生產(chǎn)的聚羧酸系高效減水劑.

根據(jù)當前的研究，PVA纖維的體積含量一般為2%，根據(jù)控制ECC性能的關鍵因素，基于水膠比（W／B）、粉煤灰摻量（FA）、減水劑摻量（WR）的變化，確定三種水膠比為0.25、0.35和0.45，粉煤灰取代水泥的比例為45%、55%和65%，減水劑占膠體的比例為0、0.5%和1.0%.從而確定的PVAECC的配比方案如表2所示，相應的材料用量如表3所示.

表2 PVA－ECC配比方案

表3 PVA－ECC配比材料用量（kg／m3）

2 PVA－ECC的制備

ECC的成型與其力學性能密切相關，由于大含量纖維的存在，一般應采用強制式混凝土攪拌機攪拌才能取得較好的效果.通常，ECC的成型一般應遵循如下程序［7］［9］：

（1）將砂和水泥置于攪拌筒中，攪拌2min；

（2）放入l／2的水和粉煤灰，攪拌2min；

（3）放入剩余l(xiāng)／2的水，攪拌2min；

（4）加入減水劑，攪拌1min；

（5）加入PVA纖維，攪拌5～10min，此時攪拌的終止時間以纖維漿體不成團、結塊為判斷依據(jù)，保證纖維的充分分散，攪拌的時間要適中，時間太短了可能纖維不分散，時間太長纖維的分散性反而不好；

（6）隨后將拌合物裝入已涂好脫模劑的試模中，選用100×100×100mm的三聯(lián)立方體試模，裝料時應用抹刀沿試模壁插搗，并使拌和物略高出試?？?；

（7）將試模置于高頻混凝土振動臺上進行振動，拌合物在振動臺上的振動應使試模表面出漿為止，時間不夠可以延長，但不得過振；

（8）振動完成之后，從振動臺上取下試模，刮除試?？谏隙嘤嗟陌韬衔?，待臨近初凝時，用抹刀抹平；

（9）試件成型后，在室溫為20±5℃的環(huán)境中靜置24h，然后編號、拆模放入溫度為20±2℃及相對濕度為95%以上的標養(yǎng)室中養(yǎng)護，養(yǎng)護28d以后開始進行力學性能試驗.

按照上述程序，制備并養(yǎng)護完成的27批次的PVA－ECC試件如圖2所示.

圖2 制備完成的PVA－ECC試件

3 抗壓強度試驗及結果

在PVA－ECC試件養(yǎng)護達到28d之后，將其從養(yǎng)護室中取出進行立方體抗壓強度試驗，抗壓強度試驗在2000kN的萬能試驗機上進行，加載速率為0.5～0.8MPa／s.

3.1 水膠比影響分析

通過對各批次PVA－ECC試件抗壓強度的分析，在其它條件都相同的情況下，水膠比（W／B）對PVA－ECC抗壓強度的影響如圖3所示.

圖3 PVA－ECC抗壓強度與水膠比關系圖

可以看出，在粉煤灰摻量分別為55%和65%、減水劑摻量為0時，隨著水膠比的增大，PVAECC的抗壓強度先增大后減小，即在這兩種情況下當水膠比為0.35時，PVA－ECC的抗壓強度達到最大.除此之外在大多數(shù)情況下，當粉煤灰摻量、減水劑摻量一定時，隨著水膠比的增大PVA－ECC的抗壓強度逐漸減小，即在水膠比為0.25時PVA－ECC的抗壓強度均達到最大.

3.2 粉煤灰摻量影響分析

在其它條件都相同的情況下，粉煤灰摻量對PVA－ECC抗壓強度的影響如圖4所示.

圖4 PVA－ECC抗壓強度與粉煤灰摻量關系圖

由圖4可以看出，在水膠比為0.25、減水劑摻量為0.5%時，隨著粉煤灰摻量的增大，PVA－ECC的抗壓強度先增大后減小，即在粉煤灰摻量為55%時，PVA－ECC的抗壓強度達到最大.除了這一種配比之外在其它絕大多數(shù)情況下，當水膠比、減水劑摻量一定時，隨著粉煤灰摻量的增加，PVA－ECC的抗壓強度逐漸減小，即在粉煤灰摻量為45%時，PVA－ECC的抗壓強度達到最大.

3.3 減水劑摻量影響分析

在其它條件都相同的情況下，減水劑摻量對PVA－ECC抗壓強度的影響如圖5所示.

圖5 PVA－ECC抗壓強度與減水劑摻量關系圖

可以看出，在水膠比為0.25和粉煤灰摻量為45%時，隨著減水劑摻量的增大，PVA－ECC的抗壓強度逐漸增大，即在減水劑摻量為1.0%時PVA－ECC的抗壓強度達到最大.在水膠比為0.45和粉煤灰摻量為55%時，隨著減水劑摻量的增大，PVA－ECC的抗壓強度逐漸減小，即在減水劑摻量為0時PVA－ECC的抗壓強度達到最大.在水膠比為0.45和粉煤灰摻量為65%時，隨著減水劑摻量的增大，PVA－ECC的抗壓強度先減小后增大，即在減水劑摻量為1.0%時PVA－ECC的抗壓強度達到最大.除這三種配比之外，在其它大多數(shù)情況下，當水膠比、粉煤灰摻量一定時，隨著減水劑摻量的增加PVA－ECC的抗壓強度先增大后減小，即在減水劑摻量為0.5%時，PVA－ECC的抗壓強度均達到最大.

4 結 論

通過制作不同配比的各批次PVA－ECC試件并進行立方體抗壓強度試驗，探索PVA－ECC的力學性能隨配比而變化的規(guī)律.

（1）當粉煤灰摻量、減水劑摻量一定時，隨著水膠比的增大PVA－ECC的抗壓強度逐漸減小；

（2）當水膠比、減水劑摻量一定時，隨著粉煤灰摻量的增加，PVA－ECC的抗壓強度逐漸減?。?/p>

（3）當水膠比、粉煤灰摻量一定時，隨著減水劑摻量的增大PVA－ECC的抗壓強度先增大后減?。?/p>

（4）在普遍意義上，從抗壓強度的角度來看，當水膠比為0.25、粉煤灰摻量為45%、減水劑摻量為0.5%時，PVA－ECC達到最優(yōu)配比.

［1］LI V C.ECC－tailored Composites Through Microme Chanical Modeling ［A］.Fiber Reinforced Concrete：Present and the Future Edited by Banthia et al，CSCE［C］，Montreal，1998，64－97.

［2］Li V C.On Engineered Cementitious Composites（ECC）－A Review of the Material and Its Applications［J］.Journal of Advanced Concrete Technology，2003，1（3）：215－230.

［3］Li V C.高延性纖維增強水泥基復合材料的研究進展及應用［J］.硅酸鹽學報，2007，35（4）：531－536.

［4］李啟宏，張 君，趙金平.纖維增強水泥薄板及其復合梁抗彎性能研究［J］.工程力學，2011，28（5）：135－142.

［5］李慶華，徐世烺.鋼筋增強超高韌性水泥基復合材料彎曲性能計算分析與試驗研究［J］.建筑結構學報，2010，31（3）：151－161.

［6］卜良桃，李易越，袁 超，陶劍劍.PVA－ECC加固RC方柱軸壓性能試驗研究［J］.建筑結構，2012，42（7）：97－102.

［7］楊英姿，姚 燕.高性能PVA纖維增強水泥基材料的制備與性能［J］.中國材料進展，2010，29（9）：19－24.

［8］李 艷，梁興文，劉澤軍.高性能生態(tài)型建筑材料PVA－ECC的試驗研究［J］.工業(yè)建筑，2011，41（4）：97－102.

［9］王金羽.PVA纖維與鋼纖維對高性能纖維增強水泥基復合材料斷裂性能的影響試驗研究［D］.北京：北京交通大學碩士論文，2011.

Study on Optimal Mix Proportion and Mechanical Property Experiment of PVA－ECC

ZHENG Yu－guo，CUI Yuan－dong， WANG Wei－nan，ZHANG Yong，LIU Si－min
（School of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China）

From the aspect of compressive strength and considering the essential influencing factors for the mechanical properties of the engineered cementitious composite（ECC），a batch of cube specimens of ECC are manufactured based on the variation of water binder ratio，amount of fly ash and amount of water reducer.And the compressive strength test is conducted for the ECC specimens.Then the variation law is studied about the mechanical properties of ECC along with the mix proportion.The results show that the cube compressive strength of PVA－ECC reduces along with the increase of the water binder ratio and the amount of the fly ash.And the cube compressive strength of PVA－ECC increases firstly and then decreases along with the increase of the amount of the water reducer.In a general sense，the PVA－ECC attains the optimal mix proportion and the cube compressive strength reaches the maximum when the water binder ratio is 0.25，the amount of fly ash is 45%and the amount of water reducer is 0.5%.

engineered cementitious composite；optimal mix proportion；mechanical property experiment；compression strength

TU528

A

1671－119X（2014）02－0069－04

2014－01－12

國家自然科學基金資助項目（51348010）；湖南科技大學2013年度SRIP重點項目（SZZ2013004）

鄭玉國（1978－），博士，講師，研究方向：橋梁抗震及橋梁性能評價.