粉煤灰PVA-ECC的配制及其疊合梁研發與應用

夏月亮 張大棟 徐耀祖 胡青云

（中國建筑第八工程局有限公司 北京 100000）

1 ECC研究的背景、應用及意義

工程水泥基復合材料（Engineered Cementitious Composite，簡稱ECC）是一種具有超強韌性的亂向分布短纖維水泥基復合材料，與普通纖維增強水泥基復合材料不同，纖維通過橋聯作用約束混凝土中裂縫的發展，提高材料抵制裂縫的能力，從而提高混凝土的承載能力和變形能力，PVA纖維是一種高強高彈模的合成纖維，具有良好的親水性、纖維表面能夠吸附少量自由水，與水泥基體的黏結性能較好。由于PVA纖維本身具備較高的強度和彈性模量，它不但能夠有效抑制混凝土早期塑性裂縫，而且可以提高混凝土的韌性，ECC極高的延性是在纖維摻量極低的情況下（一般纖維體積摻量為2.0%以下），通過多裂縫的平穩展開而實現的，其應變能力是普通混凝土的幾百倍。

1.1 國內ECC研究

（1）隨著粉煤灰摻量的增大，基體的初始開裂荷載隨著降低，28d時摻80%粉煤灰ECC初始開裂荷載比摻60%的初始開裂荷載降低了約70N。

（2）摻粉煤灰的跨中撓度變化范圍在15～28mm，隨著粉煤灰摻量的增大，ECC的跨中撓度呈現增大的趨勢。

（3）隨著粉煤灰摻量的增大抗壓、抗折強度不斷的降低。

（4）隨著粉煤灰摻量的增大，ECC的裂縫寬度在不斷的減小。摻60%粉煤灰的ECC裂縫平均寬度為25μm，摻80%粉煤灰的ECC平均裂縫寬度為40mm。

1.2 國內外ECC研究的對比

對比國內外相關研究發現，國內配制出的工程水泥基復合材料與美國、日本等為代表的發達國家配制的工程水泥基復合材料材料自身存在明顯差異。

1.3 ECC在工程中的應用

ECC具有韌性強以及多裂縫開展的特性，經過幾十年的發展，ECC已經從實驗室走向了實際工程中，尤其在美國和日本等國家應用已經非常廣泛。

1.3.1 在建筑結構抗震中的應用

ECC具有高效的能量吸收性能，將其應用于建筑物的梁、柱與墻可使結構提高抗震性能，日本橫濱的建筑在高150m的鋼筋混凝土筒中筒結構，該工程采用了預制連梁。

1.3.2 在橋梁中的應用

2005年ACE-MBL研究小組對密歇根的一座公路橋面進行了修復，采用ECC連接板替代原有的伸縮裝置。承擔溫度、和荷載等因素引起的變形，提高了耐久性。

2 ECC的配制技術路線以及試驗方案

2.1 纖維處理

給纖維涂油是為了降低纖維與基體的黏結強度，ShunxinWang和Revlond研究發現，而當涂1.2%的油時效果最好。不同油纖維在試件開裂后發生了抽絲拔斷的現像涂油之后。

2.2 外加劑的選用及目的

（1）減水劑可以增加基體的工作性能和塑性粘度。

（2）消泡劑改善基體孔結構、獨立封閉孔，同時減少空隙率。

（3）增稠劑促進纖維在基體中均勻分布，防止纖維結團。

3 粉煤灰摻量對ECC基本力學性能的研究

3.1 粉煤灰摻量對PVA-ECC抗彎性能的影響

以下研究了纖維摻量為1%，齡期為7d時的彎矩與撓度的關系。

齡期為7d時；在纖維體積摻量為1%，粉煤灰摻量為55%時，試件的開裂彎矩為0.007kN·m，當粉煤灰摻量為69%時，薄板的開裂彎矩達到0.01kN·m，粉煤灰摻量為80%時，薄板的開裂彎矩可以達到0.015kN·m。粉煤灰摻量為69%的彎矩比55%提高了42.8%，80%時比55%提高了1.14倍。由此可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，PVA-ECC的開裂彎矩在逐漸的增大。表現出了很好的抗彎性能，但是粉煤灰摻量增大會降低基體的強度，另外，粉煤灰摻量增大，使其內部結構更加均勻，從而改善了纖維與基體界面的過渡區，減少了內部缺陷，使得纖維在基體內雜亂分布承擔的應力增加。

3.2 粉煤灰摻量對PVA-ECC薄板初始開裂荷載和峰值荷載的影響

3.2.1 粉煤灰摻量對試件初始開裂荷載的影響

加大粉煤灰在基體中的用量，會使得試件的初始開裂荷載降低。這是因為隨著粉煤灰摻量的增大會使得基體的強度降低，承載力降低，導致初始開裂荷載降低。但是在試驗過程中發現，雖然粉煤摻量越大，初始開裂荷載越小，但是試件破壞呈現多裂縫開展狀態，而且裂縫的數量也在增多，裂縫的間距在變小，說明隨著粉煤灰摻量的增大，基體內部結構更加均勻。

3.2.2 粉煤灰摻量對試件峰值荷載的影響

粉煤灰摻量越大，對試件的破壞時的峰值荷載影響越大，這也許是因為粉煤灰摻量越大，試件的強度就會降低，承載力就會降低。在荷載降低時就可以達到破壞的狀態。

3.3 粉煤灰摻量對PVA-ECC薄板抗折強度的影響

不同摻量的粉煤灰替代水泥后，試件的抗折強度變化。當PVA纖維固定在2%時，向基體中摻入69%的粉煤灰時，抗折強度出現明顯的下降，80%時進一步下降。由此可見，隨著粉煤

4 展望

PVA-ECC復合材料廣泛的應用于跨海大橋、港口、大壩、飛機場跑道和工程結構的防裂、抗震以及耐久性研究，可以使其大型的基礎設施鋼筋混凝土結構的使用壽命得到顯著的提高，對于國民經濟可以產生較大的價值，對于環境保護減少二氧化碳的排放有著重要的意義，在不就的將來隨著PVA-ECC在工程中的應用，產生的直接經濟效益將不可估量。