混雜PVA—ECC配合比優化設計及力學性能試驗研究

摘要：為了降低工程用水泥基復合材料（ECC， Engineered Cementitious Composites）制造成本，使ECC能夠在實際工程中大規模應用，將中國產PVA纖維和日本產PVA纖維以一定的比例混合，配制混雜PVA-ECC。基于ECC的材料設計理論，兼顧抗壓強度和受拉能力，對摻有硅粉的混雜PVA-ECC中的纖維體積含量進行了優化設計。通過四點彎曲試驗和軸心抗壓試驗，研究了混雜PVA-ECC在不同齡期下的彎曲性能和抗壓性能。試驗結果表明，混雜PVA-ECC試件均表現出明顯的應變硬化和多縫開裂的特征，此外，其抗壓強度后期增長明顯。基于UM法，提出一種改進的反分析方法，可利用四點彎曲試驗結果推導ECC的極限拉伸應變，并與試驗結果進行了比較，結果表明，通過建議的反分析方法得到的預測值與試驗值吻合較好。

關鍵詞：水泥基復合材料；聚乙烯醇纖維；混雜；配合比；抗壓強度；受拉極限應變；反分析方法

中圖分類號：TU528.58 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2015）05-0072-10

Abstract：In order to reduce the production cost of Engineered Cementitious Composites （ECC）， it is very necessary to substitute part of the expensive Japanese PVA fibers with the homemade PVA fibers for the ease of extensive application of the practical structures.Based on the ECC design theory， an optimal design for the fiber volume content of hybrid PVA-ECC is analyzed， taking both compressive strength and tensile strain capacity into account. The mechanical behavior of hybrid PVA-ECC is obtained through the four-point bending test and uniaxial compressive test. Experimental results indicate that the strain hardening and multiple cracking behavior of hybrid PVA-ECC are observed in the test， and the long-term compressive strength is distinctly increased. Furthermore， a modified inverse method based on the UM method is proposed， to use the measured data of four-point bending test to calculate the tensile strain capacity of ECC， and the proposed method is verified with the experimental results of hybrid PVA- ECC specimens.

Key words：cementitious composites； polyvinyl alcohol fiber； hybrid； mix proportion； compressive strength； tensile strain capacity； inverse method

混凝土材料存在抗拉強度低、韌性差、開裂后裂縫寬度難以控制等缺點，使處于惡劣環境或高烈度區的混凝土結構面臨嚴峻的耐久性和安全性問題。工程用水泥基復合材料（Engineered Cementitious Composites，ECC）是一種具有高延性、高韌性和多縫開裂特征的纖維增強水泥基復合材料，是由密歇根大學的Li等[1-2]在20世紀90年代，根據細觀力學和斷裂力學基本原理設計的一種短纖維增強水泥基復合材料。ECC以水泥、礦物摻合料以及粒徑不大于0.15 mm的石英砂作為基體，用纖維作增強材料，在纖維體積摻量不大于2%的情況下，直接拉伸試驗得到的極限拉應變通常可達2%以上，且拉伸過程中形成許多寬度小于100 μm的細裂縫，這種多縫開裂導致了拉伸應變硬化行為。

聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）纖維親水、無毒、環保，目前，對ECC的研究主要集中在PVA-ECC。PVA纖維主要產自日本可樂麗公司，成本較高。中國PVA纖維的質量和生產規模均已達到國際先進水平，難以配制ECC的主要原因是PVA纖維直徑偏小，表面沒有進行涂油處理，纖維分散性較差，纖維與水泥基體的粘結作用較強，在拔出過程中容易拉斷，因而，不易滿足準應變硬化條件。本課題組汪衛等[3]根據ECC的材料設計理論，對采用中國產PVA纖維配置ECC的可行性進行了探討，通過11組不同配合比的ECC力學性能試驗，優化配合比后的中國產PVA-ECC的極限拉應變僅達0.5%。為進一步改善復合材料的拉伸延性，兼顧應用成本，將中國產PVA纖維和日本產PVA纖維以一定的比例混合，配制混雜PVA-ECC。

目前，對混雜PVA-ECC力學性能的研究較少。Ahmed等[4]提出了混雜纖維ECC的材料設計理論模型，并通過單軸拉伸試驗驗證了該模型可較為準確地計算開裂強度和纖維橋接應力。羅百福[5]嘗試利用碳纖維與PVA纖維混雜改善ECC材料的韌性和延性，在纖維總體積含量2%不變的情況下，用25%的碳纖維代替PVA，混雜ECC的彎曲韌性和延性均有所下降，強度變化不明顯。王海超等[6]通過抗折試驗發現，用適當比例的國產PVA纖維代替進口PVA纖維可以達到相同的抗彎強度。本課題組潘鉆峰等[7]嘗試用中國產PVA纖維替代日本產PVA纖維，研究了多組混雜ECC的力學性能，通過比對各組混雜ECC的力學性能與成本，給出一組較為合理的配合比，其中，日本產纖維和中國產纖維體積含量分別為1%和0.6%，其極限拉伸應變達到2.4%，軸心抗壓強度為24.8 MPa。

直接拉伸試驗是評價ECC力學性能最直觀、最有效的試驗方法，但直接拉伸試驗對試驗設備要求較高，操作復雜，在試驗過程中易出現偏心受拉的情況，影響測試結果。相對而言，四點彎曲試驗操作簡單，同時，試件純彎段能夠反映ECC的多縫開裂和應變硬化行為，因此，可采用反分析方法[8-10]，通過四點彎曲試驗結果推導ECC的拉伸性能。

本文在已開展的混雜PVA-ECC配合比試驗基礎上，通過ECC材料設計理論，兼顧成本和拉伸性能，進一步優化混雜ECC的配合比，適當提高混雜PVA-ECC的抗壓強度，使得混雜PVA-ECC更加易于推廣應用。通過四點彎曲和單軸壓縮試驗，研究混雜PVA-ECC的基本力學性能，同時，基于Qian等[8]提出的反分析方法（UM法），利用實測ECC的抗壓性能，提出一種改進的反分析方法計算ECC的極限拉伸應變，并與試驗結果進行了比較。

1 混雜PVA-ECC配合比優化設計

1.1 ECC材料設計理論

1.2 混雜PVA-ECC纖維體積含量的優化設計

纖維橋接應力-裂縫開口寬度關系σ -δ是ECC材料設計理論中一個重要的纖維橋接性能本構關系。Lin等[14]給出了一個考慮纖維/基體界面特性以及纖維斷裂和纖維強度折減的微觀力學模型，并將σ -δ曲線表示為一組與微觀力學參數相關的表達式，模型中考慮的參數主要包括化學粘結Gd、摩擦粘結τ0、滑移硬化系數β、強度增強系數f和強度折減系數f′，此外，還包括基體彈性模量Em、基體開裂強度σc、纖維體積含量Vf、纖維直徑df、纖維長度Lf和纖維彈性模量Ef以及纖維實際強度σfu。在計算混雜PVA-ECC的σ -δ曲線時，Ahmed等[4]建議分別計算不同種類纖維的σ -δ曲線，應用疊加原理可得到混雜PVA-ECC的σ -δ曲線，如圖2所示。表1給出了計算所需要的微觀力學參數，其中，強度折減系數f′由Kanda等[15]通過纖維原位單絲拔出試驗實測所得；參考Wu[13]的試驗結果，日產PVA纖維與中國產纖維的強度增強系數f分別取0.3和0.5；PVA纖維的界面性能參數Gd、τ0和β的取值參考文獻[16-17]。

圖3和圖4分別表示ECC中純中國產和純日產纖維的體積含量由0.2%到2.0%變化時，復合材料余能和截面峰值橋接應力與纖維體積摻量的關系。圖3和圖4表明，PVA-ECC的Jb′和σ0均隨纖維含量的增加而增長，但日產PVA-ECC的Jb′的增長速度明顯快于中國產PVA-ECC，且相同纖維含量下，日本產PVA-ECC的Jb′也遠大于中國產PVA-ECC，中國產纖維Vf = 2%時的Jb′僅與日本產纖維Vf = 0.6%時相當。在相同纖維含量下，中國產PVA-ECC的σ0略大于日本產PVA-ECC。由此可見，日本產PVA纖維的作用主要體現在增加了復合材料的余能，而中國產PVA纖維的主要作用則是提高了截面峰值橋接應力。在纖維體積含量一定的情況下，將日本產纖維和中國產纖維混雜使用，由日本產纖維主要提供復合材料的余能，使得混雜ECC能夠滿足能量準則，而中國產纖維則可提高峰值橋接應力以滿足強度準則的要求。

1.3 混雜PVA-ECC的配合比設計

課題組已對混雜PVA-ECC的配合比優化開展了試驗研究[7]，得到的典型配合比見表3中的M17，四點彎曲和直接拉伸試驗表明試件M17能夠呈現飽和多縫開裂現象，其極限拉伸應變達到2.4%，但其軸心抗壓強度較低，強度隨時間增長較為緩慢，14 d強度僅為28 d強度的50%左右。本文采用硅粉替代部分水泥，以提高混雜PVA-ECC的抗壓強度。設計了5組配合比（表3），研究水膠比、硅粉摻量、纖維體積摻量對混雜PVA-ECC力學性能的影響。水泥采用海螺牌42.5型普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為南京華潤熱電廠生產的Ι級灰；硅粉為天愷材料公司生產的900加密微硅粉，SiO2含量為85%～87%；石英砂平均粒徑110 μm，最大粒徑300 μm；減水劑為聚羧酸類高效減水劑；中國產纖維為江蘇博特新材料有限公司生產的PVA，日本產纖維則采用日本可樂麗生產的REC-15型PVA，兩種纖維的物理和力學性能見表1。

2 混雜PVA-ECC力學性能試驗

ECC試件均采用40 L的臥式攪拌機進行攪拌，首先，將水泥、硅粉、粉煤灰和石英砂干拌2 min，然后，加入全部的水和減水劑，攪拌約3 min，待漿體具有較高的流動性后，加入PVA纖維，繼續攪拌5 min左右，此時，纖維在基體中分散基本均勻，開始澆筑試件，24 h后拆模并放入標準養護室至試驗齡期。

采用四點彎曲試驗研究配合比H1、H2和H4在28 d齡期時的彎曲性能。另外，選取配合比H1研究了其彎曲性能隨齡期（7、14、28和90 d）的變化規律。試件尺寸為15 mm×50 mm×350 mm，每組配合比澆注4個試件，試件采用鋼模成型，標準養護至試驗齡期后，用打磨機對支座和加載點接觸的表面進行打磨，使其受力均勻。四點彎曲試驗在30 kN的深圳新三思液壓伺服微機控制材料試驗機上進行，試驗跨徑為300 mm，采用三分點加載，按位移控制加載，試驗全過程保持控制加載速度為0.5 mm/min，直至試件出現主裂縫后停止加載。

單軸壓縮試驗在300 t液壓伺服微機控制材料試驗機上進行，測試配合比H1～H5在28 d齡期時的受壓性能，選取配合比H1，研究其受壓性能隨齡期（7、14、28、90和300 d）的變化規律。試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，每組配合比澆筑6個試件，3個用來測量ECC的軸心抗壓強度，另外3個用于測量彈性模量。試件對中后先進行3次預壓，預壓應力為5 MPa，隨后進行正式加載，采用位移加載方式，加載速度為0.3 mm/min。

3 試驗結果分析

3.1 四點彎曲試驗結果

四點彎曲試驗得到的不同配合比試件在28 d齡期時的荷載-位移曲線如圖6所示。由圖6可以看出，混雜PVA-ECC試件開裂后，荷載隨著位移的增加而緩慢增大，3組試件均呈現明顯的應變硬化現象。荷載-位移曲線的平緩段隨著位移的增加，荷載不斷上下波動，每個波動代表一條新裂縫的產生，這同試驗觀測現象相吻合，每組試件都出現多縫開裂的現象。

試件H2的開裂荷載平均值最大，這是由于H2水膠比較小，基體強度較大，開裂荷載大小主要與基體強度有關。H1和H2摻入中國產纖維，纖維表面未經處理，與基體的粘結作用較強，導致纖維容易拉斷，過早進入軟化階段，使得H1和H2的極限荷載和極限撓度均小于H4。H2由于水膠比的減少，基體與纖維間界面的粘結作用進一步增強，其極限撓度相較H1有所下降。

試件H1在7、14、28和90 d齡期時的荷載-位移曲線見圖7。由圖7可知，隨著齡期的增加，基體強度和基體與纖維之間的粘結作用不斷增強，開裂強度與極限強度隨齡期呈增長的趨勢，在14 d內，增長幅度較大，14 d之后趨于穩定。基體與纖維之間的粘結作用不斷增強導致越來越多的纖維在受力過程中發生斷裂破壞而不是拔出破壞，材料的變形能力隨著齡期的增加而逐漸降低。28 d試件的極限撓度較7 d的降低了16.1%，而90 d試件的極限撓度只比28 d時降低了12.7%。

3.2 單軸壓縮試驗結果

單軸壓縮試驗得到各配合比在28 d時的壓應力-應變曲線如圖8所示。由圖8可知，混雜PVA-ECC的壓應力-應變曲線形狀與砂漿基體類似，但混雜PVA-ECC具有更好的變形能力，其峰值壓應變可達0.006 5，遠大于砂漿基體的0.002 5。砂漿基體在試件達到峰值荷載后發生突然破壞，剝落現象明顯，表現出了明顯的脆性性質。而混雜PVA-ECC由于纖維的約束作用，試件的橫向變形能力顯著增大，加載后期，雖然裂縫發展較寬，但由于纖維的連接作用，試件中仍沒有出現基體的剝落。

H2由于水膠比較低，軸心抗壓強度較H1提高了15%。H4與H1的軸心抗壓強度基本相同，均達到了29 MPa，由此可見，在纖維具有良好分散性的前提下，纖維種類對抗壓強度的影響較小。H3由于未摻入硅粉，軸心抗壓強度均值為24.8 MPa，摻入8%硅粉的H1強度較H3提高約20%。由于混雜PVA-ECC的配合比中沒有粗骨料，其彈性模量約為17 GPa，較普通混凝土低。

H1在7、14、28、90和300 d齡期時的受壓性能試驗結果見表4。由表4可知，H1在7和14 d的抗壓強度分別達到28 d強度的55%和73%。混雜PVA-ECC后期強度增長比較明顯，90 d試件強度較28 d時增長了15%，300 d時抗壓強度達到42.8 MPa，隨著齡期的增長，水泥水化作用愈加充分，硅粉和粉煤灰的火山灰性能逐漸得到發揮。

4 基于四點彎曲試驗測定極限抗拉應

變的反分析方法

Maalej等[18]利用已知的拉、壓應力-應變關系曲線得到了材料的彎矩-曲率曲線，Qian等[8]基于這一思路，建立了一種反分析方法（UM法）。UM法可直接使用四點彎曲試驗測定的梁加載點撓度來推導ECC的極限拉伸應變，適用于極限拉伸應變大于1%的ECC。該方法簡單易于操作，但對應結果的誤差有時較大，可達到20%。本文基于UM法，考慮實測的ECC抗壓強度，提出一種改進的反分析方法，以期能夠更加合理預測材料的極限拉伸應變，此外，本方法也適用于極限拉伸應變小于1%的纖維增強水泥基復合材料。

改進的反分析方法將ECC的拉、壓應力-應變關系曲線簡化為雙線性模型[18]，如圖9所示。在彎曲試件截面應力分析時考慮材料受拉時的應變硬化性能，根據力及力矩的平衡方程可計算出任意時刻下的彎曲荷載。使用材料力學中關于計算梁變形的方法可得到四點彎曲試件跨中撓度的計算公式[18]

5 結 論

1） 根據ECC準應變硬化模型，結合中國產PVA纖維和日本產PVA纖維的物理力學性能，對混雜PVA-ECC的纖維體積含量進行了優化分析，建議的混雜纖維體積含量為1%日本產PVA纖維加0.6%中國產PVA纖維。

2） 混雜PVA-ECC試件在四點彎曲試驗中均呈現出明顯的應變硬化和多縫開裂的現象，中國產PVA纖維的摻入和水膠比的減小都會降低材料的延性，這主要是由于基體的粘結作用變強，導致纖維容易拉斷，過早進入了軟化階段。H1試件的彎曲強度在14 d之后趨于穩定，而變形能力則隨著齡期的增加呈減小的趨勢。

3） 纖維的摻入明顯改善了復合材料的壓縮韌性，混雜PVA-ECC試件在單軸壓縮試驗中，沒有出現明顯的剝落現象，完整性較好。纖維的種類對極限抗壓強度影響較小，而水膠比的減小能明顯增加混雜PVA-ECC的極限抗壓強度。硅粉的添加對復合材料的早期強度影響較小，強度后期增長較為明顯。

4） 基于UM法，考慮實測的ECC抗壓強度值，提出一種改進的反分析方法，并通過試驗結果與計算結果的對比驗證了該方法的有效性，并預測了本文混雜PVA-ECC試件的極限拉伸應變。

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（編輯 王秀玲）