PVA纖維長度與摻量對(duì)工程水泥基復(fù)合材料性能影響試驗(yàn)研究

譚明輪，孫仁娟，周志東，祝秀海，趙志欽

(1．青島交通工程監(jiān)理咨詢有限公司，山東青島 266071;2．山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南 250061;3．山東東青公路有限公司，山東青州 262500)

工程水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementitious Composite，ECC)是一種新型的纖維增強(qiáng)水泥基材料。1992 年，美國密歇根大學(xué)的 Victor．C．Li等［1］提出了亂向纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的纖維橋聯(lián)法則，該法則為ECC的研究奠定了理論基礎(chǔ)。1997年Victor．C．Li等［2］開始將聚乙烯醇(PVA)纖維摻加到水泥砂漿中，制備成PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料PVA-ECC。2001年，Zhang Jun等［3］對(duì) PVA纖維表面進(jìn)行涂油處理以降低纖維—基材界面的化學(xué)粘結(jié)力，用以增加混凝土極限拉應(yīng)變和抗拉強(qiáng)度，其抗拉試驗(yàn)中混凝土裂縫平均寬度在0.1 mm以下，裂縫平均間距在2.5 mm左右。2002年，Nelson等［4］采用斷裂韌度試驗(yàn)證明了PVA纖維具有延緩混凝土微裂縫的擴(kuò)展和增加混凝土斷裂韌度的效果。

20世紀(jì)90年代以來，我國的高等院校和科研院所對(duì)PVA-ECC展開了相關(guān)研究。2003年，王海波［5］研究指出纖維的摻入對(duì)漿體的工作性有一定影響，并可提高水泥漿體的抗拉強(qiáng)度和阻裂能力。2009年，張君等［6］的研究表明，摻加PVA纖維的ECC表現(xiàn)出應(yīng)變硬化和多道開裂模式，極限拉應(yīng)變能夠達(dá)到2.6%。2010年，徐世烺等［7］通過大量的試驗(yàn)研究，將拉應(yīng)變穩(wěn)定在3%以上，將具有顯著應(yīng)變硬化特征的纖維水泥基復(fù)合材料定義為“超高韌性水泥基復(fù)合材料”，為工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

總之，PVA-ECC作為一種新材料，具有多縫穩(wěn)態(tài)開裂的特點(diǎn)，抗拉應(yīng)變、強(qiáng)度和韌性增強(qiáng)，在安全性、耐久性、適用性等方面有著優(yōu)異的性能，可以很好地解決傳統(tǒng)水泥基材料由于易脆性、弱拉伸性而導(dǎo)致的種種缺陷。本文通過試驗(yàn)研究分析PVA纖維體積摻量和長度對(duì)ECC流動(dòng)度和抗折、抗壓性能的影響，為PVAECC的工程應(yīng)用提供參考。

1 PVA-ECC材料與配合比設(shè)計(jì)

1)膠凝材料

試驗(yàn)中采用基準(zhǔn)水泥，為增加新拌PVA-ECC工作性，降低水化熱，減少干縮和增加后期強(qiáng)度，該試驗(yàn)中采用Ⅱ級(jí)粉煤灰。水泥與粉煤灰質(zhì)量比為56∶44［8］。

2)PVA纖維

選用的國產(chǎn)品牌PVA纖維性能如表1所示。

表1 PVA纖維的性能

通常，用水泥基復(fù)合材料中纖維的體積百分率來表示纖維含量，稱之為“纖維體積率”。目前的分類主要有低、中、高三類。其中，0.1% ～1.0%為低摻量，1.0% ～5.0%為中摻量，5.0% ～20.0%為高摻量。本研究取用的纖維體積率為0.5%～2.5%。

3)高效減水劑

高效減水劑的用量根據(jù)品種、摻量和施工條件而定，通常為膠凝材料總量的0.8% ～2.0%。本研究考慮到拌合物所要求的工作性、凝結(jié)性能和經(jīng)濟(jì)性，通過多次試驗(yàn)確實(shí)其添加量為膠凝材料質(zhì)量的1%［9］。

4)配合比設(shè)計(jì)

PVA-ECC水膠比為0.4，試驗(yàn)用各種組成材料用量如表2所示。纖維體積率和長度為試驗(yàn)變量，試驗(yàn)中采用0.5%，1.0%，1.5%，2.0%和2.5%共5種不同纖維體積率，纖維長度分別為3，6，9和12 mm 4種。拌合用砂采用中粗河砂。

表2 PVA-ECC的設(shè)計(jì)配合比

2 試驗(yàn)方法及過程

水泥砂漿的流動(dòng)性通常采用跳桌試驗(yàn)和漿體稠度試驗(yàn)來判定，這兩種方法是包括我國在內(nèi)的世界上的許多國家用以評(píng)價(jià)漿體流動(dòng)性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法［10］。其中跳桌試驗(yàn)對(duì)于低、中流動(dòng)性砂漿的流動(dòng)性能有很好的表征。本研究采用跳桌試驗(yàn)測定PVAECC流動(dòng)度，并結(jié)合砂漿坍落度來判斷其流動(dòng)性及離析趨勢。

試驗(yàn)中先將砂、粉煤灰和水泥干拌2 min，然后將PVA纖維均勻地撒入混合物攪拌5 min。最后將水和減水劑混合物加入并攪拌2 min后進(jìn)行跳桌試驗(yàn)(圖1)，測定PVA-ECC的流動(dòng)度，同時(shí)，測試PVA-ECC的坍落度。之后，將水泥砂漿制成40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后對(duì)試件進(jìn)行抗折和抗壓試驗(yàn)。

圖1 跳桌試驗(yàn)儀器

3 PVA-ECC流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 PVA纖維對(duì)PVA-ECC流動(dòng)度的影響

PVA纖維對(duì)PVA-ECC流動(dòng)度的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著PVA纖維體積率的增大，PVAECC流動(dòng)度逐漸減小，這是由于纖維的亂向分布形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將水泥砂漿團(tuán)聚在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，從而阻礙了水泥砂漿的自由流動(dòng)，降低了PVA-ECC的流動(dòng)度。隨著纖維摻量的增加，纖維在單位體積中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)空間變小，分布密度變大，需包裹纖維表面的水泥砂漿數(shù)量就要增多，纖維的阻力作用相應(yīng)會(huì)增大。

圖2 PVA-ECC流動(dòng)度與PVA纖維體積率的關(guān)系

不同長度PVA纖維對(duì)PVA-ECC的流動(dòng)度均起到降低作用，但PVA纖維長度對(duì)PVA-ECC流動(dòng)度的影響規(guī)律并不明顯。

3.2 PVA纖維對(duì)PVA-ECC坍落度的影響

圖3為PVA-ECC坍落度隨PVA纖維體積率的變化曲線。隨著PVA纖維體積率的逐漸增加，PVA-ECC坍落度明顯下降。這主要是由于PVA纖維的摻入在水泥砂漿中增加了巨大的表面積。PVA的直徑為12 μm，與水泥顆粒直徑的數(shù)量級(jí)相同，需要更多的水泥砂漿包裹在纖維表面，導(dǎo)致PVA-ECC坍落度降低。

圖3 PVA-ECC坍落度與PVA纖維體積率的關(guān)系

由圖3可知，各種長度的PVA纖維其摻量的增加均會(huì)降低PVA-ECC的坍落度。在各種體積率下，摻加3 mm PVA纖維的PVA-ECC坍落度大于摻加其他尺寸纖維的PVA-ECC的坍落度。而且摻加其他尺寸PVA纖維對(duì)PVA-ECC坍落度的影響規(guī)律不明顯。

同等密度的纖維，其長度越長，單根纖維的質(zhì)量越大。因此，在體積率相等的情況下，纖維的根數(shù)少，就會(huì)減少纖維之間的相互纏繞，有利于流動(dòng)性的提高;然而纖維直徑不變長度越大，其在攪拌中越易成團(tuán)，因此，從纖維分散的角度來講，纖維越短越容易分散，纖維越長分散的難度越大，可能需要更大的攪拌功率。特別是當(dāng)纖維體積率超過2%時(shí)，PVA-ECC中便會(huì)伴隨一定的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，即使增加攪拌時(shí)間，也不會(huì)使結(jié)團(tuán)現(xiàn)象消失。

4 PVA-ECC抗折、抗壓性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 PVA纖維對(duì)PVA-ECC抗折強(qiáng)度的影響

PVA纖維體積率對(duì)PVA-ECC抗折強(qiáng)度的影響如圖4所示。由圖4可知，PVA纖維的摻加可明顯提高PVA-ECC抗折強(qiáng)度。在選用的體積率范圍內(nèi)，PVAECC抗折強(qiáng)度隨纖維體積率的增加而增加，說明PVA纖維可很好地促使ECC應(yīng)變硬化和阻裂。以摻9 mm PVA纖維的 PVA-ECC抗折強(qiáng)度為例，當(dāng)體積率由0.5%提高到2.5%，抗折強(qiáng)度由5.75 MPa增加到9.35 MPa，增加了62.6%。

圖4 PVA-ECC抗折強(qiáng)度與PVA纖維體積率的關(guān)系

一般來說，纖維越長，PVA-ECC抗折強(qiáng)度越大，以摻2%PVA纖維的PVA-ECC抗折強(qiáng)度為例，摻12 mm PVA纖維的 PVA-ECC抗折強(qiáng)度為8.35 MPa，比摻3 mm PVA的PVA-ECC的抗折強(qiáng)度5.74 MPa高出45.5%。

4.2 PVA纖維對(duì)PVA-ECC抗壓強(qiáng)度的影響

由于PVA-ECC在材料組成上沒有使用粗集料，纖維摻量不是很高，所以提高韌性的同時(shí)，必須要考慮強(qiáng)度要求。不同長度PVA纖維體積率與PVA-ECC抗壓強(qiáng)度關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知，各種長度PVA纖維的摻加，均會(huì)稍微降低PVA-ECC的抗壓強(qiáng)度，且纖維摻加的體積率越大，抗壓強(qiáng)度降低得越大，這是因?yàn)槔w維的增加降低了PVA-ECC的密實(shí)程度，從而減小了抵抗壓力的能力。同時(shí)，PVA-ECC的抗壓強(qiáng)度與纖維長度并無相關(guān)性。

圖5 PVA-ECC抗壓強(qiáng)度與PVA纖維體積率的關(guān)系

5 結(jié)論

1)隨著PVA纖維體積率的增大，PVA-ECC流動(dòng)度和坍落度均會(huì)明顯減小;各種長度 PVA纖維對(duì)PVA-ECC的流動(dòng)度和坍落度都有一定的影響，但影響規(guī)律不明顯。

2)PVA纖維的摻加對(duì)PVA-ECC抗折強(qiáng)度有明顯的增強(qiáng)作用。PVA纖維摻量越大，增強(qiáng)效果越明顯;PVA纖維越長，PVA-ECC的抗折強(qiáng)度一般也越大，說明PVA纖維可很好地促使ECC應(yīng)變硬化和阻裂。

3)因PVA纖維摻量的增加降低了PVA-ECC的密實(shí)程度，所以隨PVA纖維體積率的增大，PVA-ECC的抗壓強(qiáng)度有降低的趨勢，但是降低程度較小。

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［6］張君，居賢春，郭自力．PVA纖維直徑對(duì)水泥基復(fù)合材料抗拉性能的影響［J］．建筑材料學(xué)報(bào)，2009，12(6):706-710．

［7］徐世烺，李慶華．超高韌性水泥基復(fù)合材料在高性能建筑結(jié)構(gòu)中的基本應(yīng)用［M］．北京:科學(xué)出版社，2010．

［8］中華人民共和國建設(shè)部．GBJ 146—90 粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國計(jì)劃出版社，1990．

［9］中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會(huì)．JC 477—2005噴射混凝土用速凝劑［S］．北京:中國建材工業(yè)出版社，2005．

［10］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB/T 2419—2005 水泥膠砂流動(dòng)度測定方法［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005．