水膠比對PVA纖維增強水泥基復合材料性能的影響

王黎陽，鄭銀林，馬鋒玲，劉艷霞，王利娜

(1.廣東粵電南水發電有限責任公司，廣東 韶關 512700；2.中國水利水電科學研究院材料研究所，北京 100038；3.水發集團有限公司，山東 濟南 250000)

1 概述

PVA-ECC是在19世紀90年代，由密歇根大學Li V.C.[1]教授提出的具有高延性的纖維增強水泥基復合材料，它主要以水泥、砂作為基體，采用聚乙烯醇纖維(PVA)進行增強，極限拉應變值通常可達3%以上，呈現出大量極細小裂縫的多縫開裂，這使得PVA-ECC在抗裂結構、修復結構等領域具有廣闊的發展前景。國內外許多學者從纖維增強、增韌性能上出發，對該材料的力學性能和耐久性等進行了大量研究。Vasillag Xoxa[2]純剪試驗表明，ECC板漸次開裂，裂縫不會貫通，試件至破壞也不會出現剝落。Zhang等[3]研究發現PVA-ECC組合梁在峰值荷載下的跨中變形和承載力都顯著高于素混凝土梁。徐世烺團隊[4]相關研究表明，其極限拉應變大于3%，并出現多點開裂的細密裂縫，平均縫寬33～90um之間。王曉剛[5]等對ECC力學性能、變形性能和耐久性等方面進行試驗研究，證明ECC在提高結構的耐久性和變形性方面有很大的作用。張憲南[6]針對超高性能混凝土干縮大的特點，研究了纖維、減縮劑等材料對混凝土干縮性的影響，結果顯示，在抑制混凝土干縮變形方面，減縮劑的效果要好于纖維材料。阿不都賽依迪·賽麥提[7]對鋼纖維混凝土修補材料進行研究表明，鋼纖維混凝土長期處于潮濕環境中，暴露在外的金屬纖維會加速磨損。薛會青[8]等對國產和日本產PVA纖維進行了試驗對比研究。日本產PVA纖維都進行了表面抹油處理，有利于纖維的充分分散，國產PVA纖維雖然也具有高強高彈的特性，但由于未采用抹油處理，尚不能取得良好的應變硬化效果[9]。應用方面，日本三原大橋，橋面板采用4cm厚的ECC代替瀝青，提高了橋的耐久性[10]。日本三鷹大壩采用噴射ECC材料進行維修，可有效地防止水分的滲透[9]。

本文在前期PVA-ECC材料及配合比研究的基礎上，通過試驗研究水膠比對PVA-ECC極限拉伸、力學強度等性能的影響，尋求最佳配合比設計參數，開發出穩定的具有超高韌性和應變硬化的PVA-ECC材料，為PVA-ECC材料的實際應用打下一定的基礎。

2 試驗材料及方法

試驗采用42.5級普硅水泥；Ⅰ級粉煤灰，細度2.09%，需水量比94.0%，燒失量1.49%；細骨料為石英砂，粒徑40～70目和80～120目；采用日本產聚乙烯醇纖維，長度12mm、密度1.3g/cm3、伸長率5.5%、彈性模量34.3GPa；外加劑為高性能減水劑和增稠劑。

PVA-ECC試件均采用砂漿攪拌機拌和成型，先將除纖維以外的其他干料倒入攪拌機加水攪拌均勻，再向旋轉的攪拌桶中緩慢加入PVA纖維，攪拌6min，直至漿體均勻，纖維無結團，抗壓、抗折試件采用水泥膠砂振動臺振動成型，單軸直接拉伸試驗采用標準混凝土振動臺振動30s成型，脫模后置于混凝土標準養護室水中養護至28d測試齡期。抗壓強度和抗折強度試件尺寸為40mm×40mm×160mm。單軸直接拉伸試驗試件形狀及尺寸如圖1所示，夾頭裝置如圖2所示。拉伸試驗能夠直接測得軸拉強度以及應力-應變關系曲線，體現了PVA-ECC的應變-硬化特性。

圖1 單軸直接拉伸試驗試件尺寸

圖2 單軸直接拉伸試驗夾頭裝置

3 試驗結果及分析

試驗固定灰砂比為2.7，PVA纖維體積摻量為2.0%，分別在不同的粉煤灰摻量及石英砂粒徑下，進行0.30、0.35、0.40、0.45水膠比的水泥基復合材料性能試驗，每個配合比試件成型6條，試驗結果處理時，每組試件均選取中間斷裂的3條試件的試驗數據平均值進行相對比較，研究水膠比對PVA-ECC極限拉應變、拉伸應力、抗壓強度、抗折強度的影響。PVA-ECC試驗配合比及性能測試結果見表1。55%粉煤灰摻量時水膠比對極限拉應變的影響如圖3所示，55%粉煤灰摻量時不同水膠比的應力-應變曲線如圖4—5所示。

圖4 不同水膠比應力-應變曲線(石英砂：80～120目)

表1 PVA-ECC配合比及性能試驗結果

圖3 不同砂粒徑下水膠比對極限拉應變的影響

結果表明，粉煤灰摻量0.55%時，3組配合比中，0.30水膠比時試件的極限拉應變為1.89%～2.83%，平均值為2.21%，極限拉應變均低于3.0%；0.35水膠比時極限拉應變為2.17%～3.48%，平均值為2.89%；0.40水膠比時，應力-應變曲線相對更加平緩，極限拉應變均大于3.0%，為3.41%～5.72%，平均值高達4.62%；0.45水膠比時極限拉應變為2.31%～5.21%，平均值為3.81%。與0.30水膠比相比，0.35、0.40、0.45水膠比極限拉應變平均值分別提高了30.8%，109.0%和72.4%。粉煤灰摻量45%時，極限拉應變隨水膠比變化規律相同，但與55%粉煤灰摻量時相比極限拉應變明顯降低。另外，混合石英砂的極限拉應變高于單一級配的石英砂。總之，隨著水膠比由0.30增大到0.40，極限拉應變逐漸增大，水膠比0.40時，極限拉應變最大，水膠比0.45時，由于拉伸應力過低，極限拉應變又有所降低。可見，水膠比對極限拉應變有著明顯影響，適宜水膠比時，PVA-ECC能夠完全實現多點開裂(如圖6所示)，極限拉應變可穩定達到3.0%以上，最高可達5.7%。

55%粉煤灰摻量時，不同石英砂粒徑下水膠比對PVA-ECC試件拉伸應力、抗壓強度、抗折強度影響試驗結果分別如圖7—9所示。數據顯示PVA-ECC的水膠比與拉伸應力、抗壓強度、抗折強度呈負相關關系。3組試驗中，0.30、0.35、0.40、0.45水膠比拉伸應力平均值分別為3.35、2.94、2.66、2.06MPa，抗壓強度平均值分別為39.4、27.9、19.4、15.5MPa，抗折強度平均值分別為17.4、14.7、13.2、11.7MPa。與0.30水膠比相比，0.35、0.40、0.45水膠比拉伸應力分別降低了12.3%、20.7%、38.6%，抗壓強度分別降低了29.1%、50.8%、60.7%，抗折強度分別降低了15.3%、24.0%、32.7%。抗折強度降低幅度明顯低于抗壓強度，由于纖維及增稠劑的摻入均會增加基體的含氣量，致使基體抗壓強度顯著降低，而對抗折強度的影響甚微。此外，PVA纖維可顯著提高材料的抗折強度，與普通水泥砂漿相比，PVA-ECC的抗折強度較高，抗壓強度相對偏低。粉煤灰摻量為45%時，拉伸應力、抗壓強度、抗折強度隨水膠比的變化規律相同，但與55%粉煤灰摻量相比其力學性能均提高約10%～20%。

隨機抽取普通外科2016年1—10月進行Ⅰ類清潔手術切口預防性使用抗菌藥物的綜合管控干預的Ⅰ類手術患者139例為干預組。其中，甲狀腺手術44例，乳腺手術48例，疝修補術47例。男57例，女82例，年齡27～65歲，平均年齡（46.25±19.43）。

圖5 不同水膠比應力-應變曲線(石英砂：40～70∶50%，80～120∶50%)

圖6 PVA-ECC試件多點開裂現象

圖7 水膠比對拉伸應力的影響

圖8 水膠比對抗壓強度的影響

圖9 水膠比對抗折強度的影響

4 結論

本文成功配制出具有超高韌性的PVA纖維增強水泥基復合材料，能夠完全實現材料的多點開裂，極限拉應變可穩定達到3.0%以上，最高可達5.7%。因此，它在提高結構的延性、耐磨性、耐久性等方面均有顯著效果，在土木工程應用中有著潛在的發展空間，特別是作為修補材料可對混凝土表面的剝蝕脫落進行修復和翻新。ECC的發展對節約能源、減少污染、保護環境和實現水泥混凝土工業可持續發展有著重大的意義。但目前由于日本產PVA纖維價格昂貴，且PVA-ECC干縮較大，實際工程應用中受到一定限制，能否提高國產PVA纖維性能、并得到體積穩定的具有超高韌性和應變硬化的PVA-ECC還有待于繼續研究。