譚明輪，孫仁娟，周志東，祝秀海，趙志欽

(1．青島交通工程監(jiān)理咨詢有限公司，山東青島 266071;2．山東大學 土建與水利學院，山東濟南 250061;3．山東東青公路有限公司，山東青州 262500)

工程水泥基復合材料(Engineered Cementitious Composite，ECC)是一種新型的纖維增強水泥基材料。1992 年，美國密歇根大學的 Victor．C．Li等［1］提出了亂向纖維增強水泥基復合材料的纖維橋聯(lián)法則，該法則為ECC的研究奠定了理論基礎。1997年Victor．C．Li等［2］開始將聚乙烯醇(PVA)纖維摻加到水泥砂漿中，制備成PVA纖維增強水泥基復合材料PVA-ECC。2001年，Zhang Jun等［3］對 PVA纖維表面進行涂油處理以降低纖維—基材界面的化學粘結力，用以增加混凝土極限拉應變和抗拉強度，其抗拉試驗中混凝土裂縫平均寬度在0.1 mm以下，裂縫平均間距在2.5 mm左右。2002年，Nelson等［4］采用斷裂韌度試驗證明了PVA纖維具有延緩混凝土微裂縫的擴展和增加混凝土斷裂韌度的效果。

20世紀90年代以來，我國的高等院校和科研院所對PVA-ECC展開了相關研究。2003年，王海波［5］研究指出纖維的摻入對漿體的工作性有一定影響，并可提高水泥漿體的抗拉強度和阻裂能力。2009年，張君等［6］的研究表明，摻加PVA纖維的ECC表現(xiàn)出應變硬化和多道開裂模式，極限拉應變能夠達到2.6%。2010年，徐世烺等［7］通過大量的試驗研究，將拉應變穩(wěn)定在3%以上，將具有顯著應變硬化特征的纖維水泥基復合材料定義為“超高韌性水泥基復合材料”，為工程應用奠定了基礎。

總之，PVA-ECC作為一種新材料，具有多縫穩(wěn)態(tài)開裂的特點，抗拉應變、強度和韌性增強，在安全性、耐久性、適用性等方面有著優(yōu)異的性能，可以很好地解決傳統(tǒng)水泥基材料由于易脆性、弱拉伸性而導致的種種缺陷。本文通過試驗研究分析PVA纖維體積摻量和長度對ECC流動度和抗折、抗壓性能的影響，為PVAECC的工程應用提供參考。

1 PVA-ECC材料與配合比設計

1)膠凝材料

試驗中采用基準水泥，為增加新拌PVA-ECC工作性，降低水化熱，減少干縮和增加后期強度，該試驗中采用Ⅱ級粉煤灰。水泥與粉煤灰質量比為56∶44［8］。

2)PVA纖維

選用的國產(chǎn)品牌PVA纖維性能如表1所示。

表1 PVA纖維的性能

通常，用水泥基復合材料中纖維的體積百分率來表示纖維含量，稱之為“纖維體積率”。目前的分類主要有低、中、高三類。其中，0.1% ～1.0%為低摻量，1.0% ～5.0%為中摻量，5.0% ～20.0%為高摻量。本研究取用的纖維體積率為0.5%～2.5%。

3)高效減水劑

高效減水劑的用量根據(jù)品種、摻量和施工條件而定，通常為膠凝材料總量的0.8% ～2.0%。本研究考慮到拌合物所要求的工作性、凝結性能和經(jīng)濟性，通過多次試驗確實其添加量為膠凝材料質量的1%［9］。

4)配合比設計

PVA-ECC水膠比為0.4，試驗用各種組成材料用量如表2所示。纖維體積率和長度為試驗變量，試驗中采用0.5%，1.0%，1.5%，2.0%和2.5%共5種不同纖維體積率，纖維長度分別為3，6，9和12 mm 4種。拌合用砂采用中粗河砂。

表2 PVA-ECC的設計配合比

2 試驗方法及過程

水泥砂漿的流動性通常采用跳桌試驗和漿體稠度試驗來判定，這兩種方法是包括我國在內的世界上的許多國家用以評價漿體流動性的標準試驗方法［10］。其中跳桌試驗對于低、中流動性砂漿的流動性能有很好的表征。本研究采用跳桌試驗測定PVAECC流動度，并結合砂漿坍落度來判斷其流動性及離析趨勢。

試驗中先將砂、粉煤灰和水泥干拌2 min，然后將PVA纖維均勻地撒入混合物攪拌5 min。最后將水和減水劑混合物加入并攪拌2 min后進行跳桌試驗(圖1)，測定PVA-ECC的流動度，同時，測試PVA-ECC的坍落度。之后，將水泥砂漿制成40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，標準養(yǎng)護28 d后對試件進行抗折和抗壓試驗。

圖1 跳桌試驗儀器

3 PVA-ECC流動性試驗結果與分析

3.1 PVA纖維對PVA-ECC流動度的影響

PVA纖維對PVA-ECC流動度的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著PVA纖維體積率的增大，PVAECC流動度逐漸減小，這是由于纖維的亂向分布形成空間網(wǎng)絡結構，將水泥砂漿團聚在網(wǎng)絡結構中，從而阻礙了水泥砂漿的自由流動，降低了PVA-ECC的流動度。隨著纖維摻量的增加，纖維在單位體積中形成的網(wǎng)絡結構空間變小，分布密度變大，需包裹纖維表面的水泥砂漿數(shù)量就要增多，纖維的阻力作用相應會增大。

圖2 PVA-ECC流動度與PVA纖維體積率的關系

不同長度PVA纖維對PVA-ECC的流動度均起到降低作用，但PVA纖維長度對PVA-ECC流動度的影響規(guī)律并不明顯。

3.2 PVA纖維對PVA-ECC坍落度的影響

圖3為PVA-ECC坍落度隨PVA纖維體積率的變化曲線。隨著PVA纖維體積率的逐漸增加，PVA-ECC坍落度明顯下降。這主要是由于PVA纖維的摻入在水泥砂漿中增加了巨大的表面積。PVA的直徑為12 μm，與水泥顆粒直徑的數(shù)量級相同，需要更多的水泥砂漿包裹在纖維表面，導致PVA-ECC坍落度降低。

圖3 PVA-ECC坍落度與PVA纖維體積率的關系

由圖3可知，各種長度的PVA纖維其摻量的增加均會降低PVA-ECC的坍落度。在各種體積率下，摻加3 mm PVA纖維的PVA-ECC坍落度大于摻加其他尺寸纖維的PVA-ECC的坍落度。而且摻加其他尺寸PVA纖維對PVA-ECC坍落度的影響規(guī)律不明顯。

同等密度的纖維，其長度越長，單根纖維的質量越大。因此，在體積率相等的情況下，纖維的根數(shù)少，就會減少纖維之間的相互纏繞，有利于流動性的提高;然而纖維直徑不變長度越大，其在攪拌中越易成團，因此，從纖維分散的角度來講，纖維越短越容易分散，纖維越長分散的難度越大，可能需要更大的攪拌功率。特別是當纖維體積率超過2%時，PVA-ECC中便會伴隨一定的結團現(xiàn)象，即使增加攪拌時間，也不會使結團現(xiàn)象消失。

4 PVA-ECC抗折、抗壓性能試驗結果與分析

4.1 PVA纖維對PVA-ECC抗折強度的影響

PVA纖維體積率對PVA-ECC抗折強度的影響如圖4所示。由圖4可知，PVA纖維的摻加可明顯提高PVA-ECC抗折強度。在選用的體積率范圍內，PVAECC抗折強度隨纖維體積率的增加而增加，說明PVA纖維可很好地促使ECC應變硬化和阻裂。以摻9 mm PVA纖維的 PVA-ECC抗折強度為例，當體積率由0.5%提高到2.5%，抗折強度由5.75 MPa增加到9.35 MPa，增加了62.6%。

圖4 PVA-ECC抗折強度與PVA纖維體積率的關系

一般來說，纖維越長，PVA-ECC抗折強度越大，以摻2%PVA纖維的PVA-ECC抗折強度為例，摻12 mm PVA纖維的 PVA-ECC抗折強度為8.35 MPa，比摻3 mm PVA的PVA-ECC的抗折強度5.74 MPa高出45.5%。

4.2 PVA纖維對PVA-ECC抗壓強度的影響

由于PVA-ECC在材料組成上沒有使用粗集料，纖維摻量不是很高，所以提高韌性的同時，必須要考慮強度要求。不同長度PVA纖維體積率與PVA-ECC抗壓強度關系如圖5所示。

由圖5可知，各種長度PVA纖維的摻加，均會稍微降低PVA-ECC的抗壓強度，且纖維摻加的體積率越大，抗壓強度降低得越大，這是因為纖維的增加降低了PVA-ECC的密實程度，從而減小了抵抗壓力的能力。同時，PVA-ECC的抗壓強度與纖維長度并無相關性。

圖5 PVA-ECC抗壓強度與PVA纖維體積率的關系

5 結論

1)隨著PVA纖維體積率的增大，PVA-ECC流動度和坍落度均會明顯減小;各種長度 PVA纖維對PVA-ECC的流動度和坍落度都有一定的影響，但影響規(guī)律不明顯。

2)PVA纖維的摻加對PVA-ECC抗折強度有明顯的增強作用。PVA纖維摻量越大，增強效果越明顯;PVA纖維越長，PVA-ECC的抗折強度一般也越大，說明PVA纖維可很好地促使ECC應變硬化和阻裂。

3)因PVA纖維摻量的增加降低了PVA-ECC的密實程度，所以隨PVA纖維體積率的增大，PVA-ECC的抗壓強度有降低的趨勢，但是降低程度較小。

［1］LI V C，LUANG C K．Steady state and multiple cracking of short random fibercomposites［J］．JournalofEngineering Mechanics，1992，118(11):2246-2264．

［2］LI V C，STANG H．Interface property characterization and strengthening mechanisms in fiber reinforced cement based composites［J］．Advanced Cement Based Materials，1997，6(1):1-20．

［3］ZHANG Jun，STANG H，LI V C．Crack bridging model for fiber reinforced concrete under fatigue tension［J］．International Journal of Fatigue，2001，23(8):655-670．

［4］NELSON P K，LI V C，KAMADA T．Fracture toughness of microfiber reinforced cement composites［J］．Journal of Mechanics in Civil Engineering，2002，14(5):384-391．

［5］王海波．聚乙烯醇纖維(維綸)增強漿體性能的研究［D］．北京:北京工業(yè)大學，2003．

［6］張君，居賢春，郭自力．PVA纖維直徑對水泥基復合材料抗拉性能的影響［J］．建筑材料學報，2009，12(6):706-710．

［7］徐世烺，李慶華．超高韌性水泥基復合材料在高性能建筑結構中的基本應用［M］．北京:科學出版社，2010．

［8］中華人民共和國建設部．GBJ 146—90 粉煤灰混凝土應用技術規(guī)程［S］．北京:中國計劃出版社，1990．

［9］中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會．JC 477—2005噴射混凝土用速凝劑［S］．北京:中國建材工業(yè)出版社，2005．

［10］中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會．GB/T 2419—2005 水泥膠砂流動度測定方法［S］．北京:中國標準出版社，2005．