PVA纖維增強水泥基復合材料的耐久性能

王曉偉 ，劉品旭 ，田穩(wěn)苓 ，慕儒 ，李帆 ，陳培

（1.河北工業(yè)大學土木工程學院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401）

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性仍然是目前工程領(lǐng)域急需解決的問題之一。混凝土結(jié)構(gòu)中，材料或結(jié)構(gòu)的耐久性受裂縫及其寬度的影響較大，寬大的裂縫能加速水、氯鹽等外界物質(zhì)進入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，引起嚴重的耐久性問題。提高材料和結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵是改善材料的脆性，提高其韌性，而材料復合化正是實現(xiàn)這一目標的主要途徑。1910年，美國的Porter發(fā)表了一篇關(guān)于短鋼纖維增強混凝土的論文。自此之后，國內(nèi)外關(guān)于纖維混凝土的研究有較大的發(fā)展，其中以鋼纖維和聚丙烯纖維混凝土發(fā)展較為突出。但在實際應用過程中，鋼纖維混凝土不但攪拌困難，分散性差，而且會增加混凝土的自重[1]；聚丙烯纖維與基體的黏結(jié)性較差、易燃、抗拉強度低等問題都限制了其發(fā)展。1992年，美國密歇根大學先進土木工程材料研究工作實驗室研究了ECC（Engineered Cementitious Composite），是一種經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計，在拉伸和剪切荷載下呈現(xiàn)高延性的纖維增強水泥基復合材料[2]。ECC復合材料在PVA纖維體積率約2%的摻量下，最大拉應變可達到3%甚至更高，為普通混凝土的150～300倍，普通纖維混凝土的30～300倍。ECC在拉伸狀態(tài)下多條細密裂縫的開裂模式，不管極限拉應變?nèi)绾?，平均裂縫寬度始終保持在60μm左右[3]，因此ECC自我控制裂縫寬度的能力就成了改善混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一個重要防御，將其用于混凝土結(jié)構(gòu)保護層，荷載作用下的裂縫可以得到有效的控制和分散，減少有害介質(zhì)的侵入，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。因此對ECC材料的耐久性能的研究迫在眉睫。

1 PVA-ECC的抗凍性能

在寒冷地區(qū)，混凝土要經(jīng)受更多次的凍融循環(huán)作用。因此研究適用于凍融循環(huán)過強的復合材料，且通過優(yōu)化設(shè)計提高材料的致密程度和抗裂性能，呈現(xiàn)良好的抗凍融性，以提高結(jié)構(gòu)的耐久性。Victor.C.Li等人試驗研究表明，PVA增強水泥基復合材料試件經(jīng)過300次凍融循環(huán)后沒有出現(xiàn)任何表面劣化的現(xiàn)象，試件的極限拉伸應變也僅僅從3%下降到2.8%，抗壓強度與標準養(yǎng)護的試件相比下降了22%[4]。

1.1 纖維對PVA-ECC抗凍性的影響

凍融環(huán)境下會產(chǎn)生較大的膨脹壓力，在凍融循環(huán)累積作用下，水泥基材料會產(chǎn)生開裂或原有微細裂紋會繼續(xù)擴展。吳中偉認為，水泥基材料的復合化是提高性能的主要途徑之一，而核心是纖維增強[5]。Sahmaran等人對ECC抗凍性進行了試驗研究，主要針對質(zhì)量損失、超聲波、極限應變和彎曲強度在經(jīng)歷了凍融循環(huán)前后的變化[6]，與不加纖維的ECC混凝土進行了對比，結(jié)果表明：不加纖維的ECC混凝土在經(jīng)過凍融循環(huán)后已嚴重劣化，而摻加纖維的ECC混凝土卻表現(xiàn)出良好的抗凍性能，極限拉伸強度和韌性降低幅度很小，且動彈模量并沒降低，另外極限應變量大約為3%，遠高于不加纖維的ECC混凝土的應變量。因此向水泥基材料中摻入一定量的PVA纖維，由于PVA纖維較細，在水泥基材料中能夠很好的均勻分布，單位面積內(nèi)纖維較多，對水泥基體有很好的約束作用，能夠很好地抵抗凍融循環(huán)作用下產(chǎn)生的膨脹壓力，從而提高材料的抗凍能力[7]。

劉曙光等人通過對PVA纖維混凝土材料鹽凍試驗研究表明：摻入適量的PVA纖維，可有效提高基體的抗剝落能力，改善凍融性能，水泥基復合材料隨PVA纖維摻量的增加而提高；PVA纖維在水泥基復合材料中分散性較好，纖維和水泥基體界面結(jié)合狀況要比鋼纖維和聚丙烯纖維好，因為纖維的阻裂作用，混凝土的初始裂縫數(shù)量大大減少，而且還抑制了裂縫的寬度和長度，最終降低了通縫的形成，提高了ECC混凝土的抗凍性[8]。

徐世烺、蔡新華[9]進行了ECC的抗凍融循環(huán)試驗，并與同強度等級的普通混凝土、引氣混凝土和鋼纖維混凝土進行對比。試驗結(jié)果表明：在經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，ECC混凝土質(zhì)量損失超過1%，動彈性模量損失不到5%。

1.2 粉煤灰對PVA-ECC抗凍性能的影響

粉煤灰的摻入，一方面，降低了混凝土與集料界面過渡層的孔隙率；另一方面，由于細微顆粒及其水化產(chǎn)物填充水泥石孔，改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，而且，粉煤灰的一部分空心玻璃球體引入混凝土中，會切斷毛細孔滲水的通道從而提高混凝土抗凍性[10]。另外，研究表明對于摻粉煤灰的ECC混凝土，只要加入適量的引氣劑，還可以進一步提高其抗凍性能[11]。

周偉通過對大量摻粉煤灰的ECC的抗凍性能研究表明[12]：經(jīng)150次凍融循環(huán)后，ECC的抗剝落能力較普通混凝土強，ECC梁經(jīng)過凍融循環(huán)后，在試件表面只有部分出現(xiàn)纖維起毛，幾乎不出現(xiàn)表面剝落現(xiàn)象，ECC薄板經(jīng)過凍融循環(huán)后仍能保持較好的外觀完整性。初裂荷載和極限荷載均降低，彎曲撓度增大，尤其是在鹽溶液中進行凍融的試件；ECC在水中的抗凍性優(yōu)于在鹽溶液中的抗凍性；且水中凍融150次時韌性達到最大，鹽溶液中凍融50次時韌性達到最大。

1.3 硅粉對PVA-ECC抗凍性能的影響

纖維水泥基復合材料中添加硅粉，能夠明顯改善其抗凍性，主要是因為硅粉的細度大，具有較高的無定形性以及SiO2的含量高，在纖維增強水泥中會產(chǎn)生填充效應、火山灰效應，使水泥基的結(jié)構(gòu)更為致密，孔隙尺寸得以降低，同時又阻斷了許多連通孔，減少了毛細孔水的數(shù)量，進而提高了水泥基體的抗凍性能[13]。

王秀紅等人的研究表明：纖維水泥基復合材料中摻入硅粉，明顯提高了水泥基復合材料的抗凍融性，而且抗凍融能力隨著硅粉摻量的增加不斷增強[14]。

1.4 凍融介質(zhì)對ECC混凝土抗凍性影響

凍融循環(huán)試驗的凍融介質(zhì)通常采用NaCl溶液，據(jù)有關(guān)文獻[15]介紹：溶液質(zhì)量分數(shù)影響混凝土材料鹽剝落性能，過高或過低的溶液質(zhì)量分數(shù)都會減少混凝土的剝落，經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn)臨界質(zhì)量分數(shù)為3.0%～4.0%。

2 PVA-ECC的抗?jié)B性能

混凝土的滲透性是指流體介質(zhì)通過混凝土內(nèi)部的難易?；炷潦且环N多孔的材料，水是最容易通過孔隙進入混凝土的介質(zhì)，但又同時攜帶了有害離子，引起了混凝土的破壞。所以水在混凝土中的滲透速度決定了混凝土的劣化速度，研究水在混凝土中的滲透性具有普遍意義[16]。

杜志芹、孫偉等學者的研究表明摻加了PVA纖維的混凝土抗?jié)B性有所提高，是因為其自身強度和彈性模量較高，有較高的阻裂效果，有效的抑制了裂紋的引發(fā)與擴展[17]。

2.1 纖維摻量對PVA-ECC抗?jié)B性能的影響

PVA纖維的抗?jié)B性是通過抗裂實現(xiàn)的，抗裂的機理是建立在PVA纖維對混凝土的固結(jié)、收縮的基礎(chǔ)上。在混凝土內(nèi)部PVA纖維能夠形成一種均勻的亂向支撐體系，有效阻止微裂縫發(fā)展成細裂縫，因此PVA纖維可以明顯提高水泥基復合材料的抗?jié)B性能[18]。

劉曙光等研究了PVA纖維體積率對水泥基復合材料抵抗壓力水的抗?jié)B性能的影響，表明：在纖維體積率為0.5%和1%時，體現(xiàn)出了優(yōu)良的抗?jié)B性能[18]。這是因為纖維抑制了材料早期收縮裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，有效地降低了材料的孔隙率；另外，纖維減小水泥基體的失水面積，增大了水分遷移的難度，減小了毛細管因失水收縮所形成的張力，從而提高了水泥基復合材料的抗?jié)B性[19]。

但鄭志均等人通過試驗研究發(fā)現(xiàn)體積摻量為0.5%的PVA纖維混凝土，由于混凝土流動度減小，混凝土中的薄弱界面和孔隙等缺陷增加，其抗壓強度和抗氯離子滲透性能有所下降[20]。

2.2 引氣劑對PVA-ECC抗?jié)B性能的影響

引氣劑是一種降低固-液-氣相界面張力的活性劑，摻入混凝土后，微小氣泡在混凝土的攪拌過程中會被引入，且其具有分布均勻、封閉、互不連通等特點。

杜志芹等學者研究表明：摻加適量引氣劑后，由于引入的微小氣泡分布均勻且獨立封閉，所以引入氣泡量在一定范圍內(nèi)可以有效地抑制水的滲透。當引氣劑的摻加量為0.05%時，最大幅度地提高了混凝土的抗?jié)B性，當引氣劑的摻量超過了0.06%時，混凝土的抗?jié)B性開始下降[17]。

2.3 粉煤灰、硅粉礦物摻合料對PVA-ECC抗?jié)B性能的影響

礦物摻合料能夠明顯的改善混凝土的抗氯離子滲透性，主要原因有以下兩個方面：

1）礦物摻合料能夠改善混凝土的水化和微觀結(jié)構(gòu)，降低了混凝土孔隙率，使孔徑細化，提高了混凝土對氯離子滲透的擴散阻力；

2）礦物摻合料提高了混凝土對氯離子的固化能力。

周偉、楊英姿等人對大量摻粉煤灰的ECC通過氯離子快速擴散試驗發(fā)現(xiàn)，ECC混凝土抗?jié)B性與普通混凝土相比明顯較差。這是由于纖維的加入，為氯離子的進入提供了通道，而且大摻量粉煤灰的使用也降低了結(jié)構(gòu)的密實性[12]。

劉曙光等通過粉煤灰、硅粉對PVA纖維水泥基復合材料抗?jié)B性的研究表明：粉煤灰雖然能夠減緩水化反應，但是未完全水化的水會使PVA纖維水泥基復合材料內(nèi)形成毛細孔，并且毛細孔很容易與其他孔隙相連形成連通孔，從而減小了PVA纖維水泥基復合材料的抗?jié)B能力[21]。硅粉減緩水化反應，而且比粉煤灰流動性更高，提高了PVA纖維水泥基復合材料的密實度，降低了PVA水泥基復合材料孔隙率。因此相對于粉煤灰，硅粉對PVA纖維水泥基復合材料的抗?jié)B性能有利[18]。

2.4 水膠比對ECC抗?jié)B性能的影響

混凝土的孔結(jié)構(gòu)特征由水膠比決定，隨著水膠比的增大，混凝土的孔隙率增大，增加了連通孔的數(shù)量，使混凝土的抗?jié)B性降低。此外混凝土中水泥漿體與骨料的過渡區(qū)處的裂縫和連通孔隙進一步降低了混凝土的滲透性。水膠比對PVAECC抗?jié)B性能的影響還需進一步研究。

Powers[22]對水膠比影響混凝土滲透性的研究表明：水膠比大于0.55時，滲透系數(shù)會急劇增大。水膠比低于0.6時，毛細孔的孔徑變小，易被水泥水化物堵塞，增大了流動阻力，滲透系數(shù)降低。

2.5 養(yǎng)護齡期對ECC混凝土抗?jié)B性的影響

隨著齡期增長，水泥水化的程度加大，不僅使混凝土孔隙率、孔徑減小，還使毛細孔的貫通程度也減小，最終導致滲透性降低。

趙鐵軍[23]等人以養(yǎng)護了30 d的混凝土滲透性為基準，測試了70 d和130 d的滲透性系數(shù)。純水泥混凝土測試結(jié)果表明：當養(yǎng)護到70 d時滲透系數(shù)降至56%～76%，養(yǎng)護到130 d時滲透系數(shù)降至50%～60%；礦渣混凝土測試結(jié)果表明：養(yǎng)護到70 d時滲透系數(shù)降至52%～72%，養(yǎng)護到130 d時滲透系數(shù)降至33%～43%；粉煤灰混凝土測試結(jié)果表明：養(yǎng)護到70 d時滲透系數(shù)降至25%～33%，養(yǎng)護到130 d時滲透系數(shù)降至13%～16%。

3 目前研究的不足

目前對于PVA-ECC混凝土抗凍性和抗?jié)B性的研究雖然取得了一定的成果，但是在如下幾個方面需要繼續(xù)深入研究：

1）纖維的分布是影響纖維混凝土性能的重要因素，目前關(guān)于纖維的分布對混凝土的抗凍性和抗?jié)B性能的影響還未見系統(tǒng)的研究。

2）目前，對于單摻礦物摻合料的抗凍性能研究較多，對多種礦物摻合料的PVA-ECC混凝土的抗凍性能需要進一步研究。

3） 普通混凝土凍融循環(huán)后的氯離子浸泡試驗，結(jié)果表明凍融對氯離子在普通混凝土中的傳輸有明顯影響。隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，氯離子在普通混凝土中的滲透擴散速度也加快，氯離子擴散系數(shù)增大。但是對于PVA-ECC混凝土還沒有系統(tǒng)研究。

4）目前對于抗?jié)B性能的研究僅停留在單一因素的定性研究，定量的研究有待進一步開展，特別是多因素同時作用下耐久性能的研究還鮮有報道，需要進一步研究。

5）水膠比對混凝土抗?jié)B性影響的研究已進行了很多，但仍處于采取定性的趨勢反應傳輸性能的強弱，至今仍不能得出一個用水膠比定量的范圍表達氯離子傳輸性能的結(jié)論。

6）對于混凝土抗凍性能的評價標準，目前主要是采用含氣量、氣泡間距系數(shù)作為該環(huán)境下混凝土的耐久性評價指標，但是評價指標并沒有考慮到鹽凍情況下鹽濃度差產(chǎn)生的滲透壓的影響，因此，建議增加抗氯離子滲透性的評價指標；目前普遍應用的電通量法的測試結(jié)果只是一個定性的概念，不能和結(jié)構(gòu)的耐久年限直接聯(lián)系起來。

4 結(jié)語

在全球范圍內(nèi)，混凝土基礎(chǔ)設(shè)施的耐久性問題急待解決，而解決脆性材料的低耐久性問題是關(guān)鍵。ECC材料在荷載作用下，具有良好的延性，具有自我控制裂縫寬度的能力，這種材料將能有效地解決混凝土面臨的耐久性問題。目前的研究更多的是關(guān)于ECC的力學性能，關(guān)于耐久性能尚需進一步研究，使得ECC材料在具有優(yōu)越的力學性能的同時具有優(yōu)良的耐久性能，以推動ECC材料在實際工程中的應用，解決混凝土基礎(chǔ)設(shè)施的耐久性問題。

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