聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料應(yīng)用與展望

白建文 閆 敏

1 聚乙烯醇纖維簡介

聚乙烯醇纖維(Polyvinyl Alcohol Fiber)簡稱PVA纖維,在我國與日本又稱之為維綸纖維與維尼綸纖維,是以高聚合度的優(yōu)質(zhì)聚乙烯醇為原料,采用特定的先進(jìn)技術(shù)加工而成的一種合成纖維。普通紡織用聚乙烯醇纖維的彈性模量較低、極限延伸率過高,不能作為水泥增強(qiáng)材料。20世紀(jì)80年代初,日本可樂麗(Kuraray)公司與尤尼切可(Unitika)公司開發(fā)了可用于增強(qiáng)水泥基體的高彈性模量聚乙烯醇纖維,80年代中期我國以自主知識產(chǎn)權(quán)研制成功改性聚乙烯醇纖維和高模量聚乙烯醇纖維,并相繼投入生產(chǎn)[1]。

高強(qiáng)高彈模聚乙烯醇纖維(PVA纖維)的彈性模量僅次于鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維和超高分子聚乙烯纖維,其抗拉強(qiáng)度可與鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維、超高分子聚乙烯纖維和對位芳香聚酰胺纖維媲美,PVA纖維的價格低、密度小、粘結(jié)力高、分散性好、易于攪拌;與其他合成纖維相比,PVA纖維親水性好、彈性模量高,并且具有高比表面積,與水泥相容性好,增強(qiáng)效果明顯。另外,其耐光性和耐堿性也好,具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。

2 PVA-ECC的性能及特點(diǎn)

2.1 ECC的定義及特點(diǎn)

高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementitious Composite,簡稱為ECC)是經(jīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),在拉伸和剪切荷載下呈現(xiàn)高延展性的一種纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[2]。ECC通常是以水泥或者以水泥加填料,或在上面的基礎(chǔ)上再摻加小粒徑細(xì)骨料作為基體,用纖維做增強(qiáng)材料。采用纖維體積摻量僅為2%的ECC,其單軸拉伸荷載下最大應(yīng)變大于3%[3],約為普通混凝土的100倍～300倍。使用摻量適中的短纖維能滿足不同的施工要求,包括自密實(shí)ECC和噴射ECC。目前,通過擠壓成型已經(jīng)生產(chǎn)出了ECC結(jié)構(gòu)構(gòu)件。在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全性、耐久性及可持續(xù)性方面,ECC有相當(dāng)大的優(yōu)勢。ECC的特點(diǎn)就是超高韌性,具有高耗能、抗震、抗沖擊、抗變形、防腐蝕、防泄漏的作用。

2.2 PVA-ECC的特點(diǎn)

PVA-ECC(Polyvinyl Alcohol-Engineered Cementitious Composites)即高強(qiáng)度高彈性模量聚乙烯醇纖維水泥基復(fù)合材料。PVAECC通常是以水泥或者以水泥加填料,或在上面的基礎(chǔ)上再摻加小粒徑細(xì)骨料作為基體,用PVA纖維做增強(qiáng)材料。國內(nèi)外的研究表明,PVA-ECC的重要特點(diǎn)是以低摻量的PVA纖維實(shí)現(xiàn)超高韌性,其拉應(yīng)變值大于3%,且多縫開裂,裂縫寬度小于3 mm,具有較高的抗裂性能。此外,PVA-ECC還具有耐高溫、耐磨、耐疲勞及對環(huán)境無污染等特點(diǎn)。

1997年Victor C.Li和Kanda等開始將PVA纖維用于ECC,制成了PVA-ECC。

3 ECC在實(shí)際工程中的應(yīng)用

1)ECC較高的能量吸收能力使其可用于抗震結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位,例如梁柱節(jié)點(diǎn)、剛節(jié)點(diǎn)、剪力墻,并可以用做抗震結(jié)構(gòu)的阻尼器。當(dāng)連梁有足夠的延性時,它能通過塑性鉸的變形吸收大量的地震能量。同時,通過塑性鉸仍能繼續(xù)傳遞彎矩和剪力,對墻肢起到一定的約束作用,使聯(lián)肢墻保持足夠的剛度和強(qiáng)度。為了保證聯(lián)肢墻的延性要求,對連梁的延性要求是非常高的。而ECC這種材料正好滿足延性要求,如圖1所示是位于日本東京市中心的高層住宅使用ECC做連梁的示意圖。

2)ECC可以作為框架的填充板,能大幅度提高結(jié)構(gòu)的延性。

3)ECC可以做混凝土表面的覆蓋層,可以用于維修加固,即使在下部混凝土完全斷開的情況下,仍能夠承受一定的荷載和變形。在橋面板、路面尤其在高速公路、機(jī)場跑道的鋪裝和修復(fù)方面具有重要的作用。例如2005年7月,在美國密歇根州南部的公路橋上成功的應(yīng)用了這種連接板。如圖2所示,該橋建于1976年,為四跨、簡支鋼梁橋,鋼筋混凝土面板厚229 mm。大量的11輪運(yùn)石車通過這座橋,橋的活載很大。通過與傳統(tǒng)維修材料混凝土的比較得出PVA-ECC作為修補(bǔ)料的優(yōu)點(diǎn)。又如瑞士蘇黎世機(jī)場跑道、停機(jī)坪在更換跑道上的4塊板、停機(jī)坪上的1塊板時,很好的利用ECC的特點(diǎn),在 0:00～6:00沒有航班的6 h即完成更換,完全沒有影響機(jī)場的正常工作。如圖3所示為2005年5月通車的地處日本北海道的三原大橋,該橋?qū)儆谛崩瓨?有一塊復(fù)合ECC板,拉伸延性和裂縫寬度控制都有嚴(yán)格的控制要求,這有助于自重減少40%和100年的設(shè)計(jì)預(yù)期使用壽命。

4)噴射ECC做維修材料,用于建筑物的修補(bǔ)和翻新工程;擠壓式ECC用于預(yù)制板管等。如圖4所示為Mitaka大壩,使用60年,混凝土表面嚴(yán)重破損(開裂、剝落、滲水),利用噴射ECC做修補(bǔ)材料,迎水面修補(bǔ)面積600 m2,噴射厚度20 mm。

5)ECC可以用于混凝土路面、地下管道、橋墩、放射性廢物使用的容器等。

ECC可以現(xiàn)場澆筑,ECC通過合適的流變特性控制,可以制成自密實(shí)ECC(Kong,2003年),噴射 ECC(Kim,2003年)和擠壓ECC(Starig and Li,1999年),能滿足實(shí)際應(yīng)用工程中的多種需要。

4 ECC的發(fā)展展望

我國是個多震國家,在抗震設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格的地方,需要采用延性材料,遭遇地震時可以消耗更大的能量,成為一道防線,因此ECC在這方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢。

ECC在地面基礎(chǔ)工程上的應(yīng)用較廣,比如在橋面板、橋連接板、路面尤其在高速公路、機(jī)場跑道的鋪裝和修復(fù)方面具有很重要的作用。截至2005年年底,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國通車公路上現(xiàn)有的各種橋梁已達(dá)32萬座,由于超期服役、超載加之各種自然災(zāi)害的襲擊,普查出的危橋達(dá)10萬余座。有些橋梁結(jié)構(gòu)已處在不利狀態(tài),有的還岌岌可危,為確保安全,急需大修、加固或者重建,因此ECC的應(yīng)用將是非常有發(fā)展前景的。

在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件中,人們越來越重視提高結(jié)構(gòu)的韌性和耐久性。試驗(yàn)已經(jīng)證明ECC這種先進(jìn)的建筑材料用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件中可以產(chǎn)生很高的性能,對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、變形能力、耐久性、耐破壞、可修復(fù)性都有很大的作用。PVA-ECC的特點(diǎn)是斷裂能大,用于梁—柱連接的塑性鉸處能量吸收率大。在PVA-ECC獲得高性能的同時,由于ECC有著相對比較低的纖維摻量,所以在實(shí)際工程應(yīng)用中是切實(shí)可行的。

[1] 沈榮熹,王璋水,崔玉忠.纖維增強(qiáng)水泥與纖維增強(qiáng)混凝土[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版,2006.

[2] LI.V.C,Wang S,Wu C.Tensile strain-hardening behavior of PVA-ECC[J].ACI Mater J,2001,98(6):483-492.

[3] LIN Z,KANDA T,LI VC.On interface property characterization and performance of fiber reinforced cementitious composites[J].Concr Sci Eng,RILEM,1999(1):173-184.