聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料应用与展望

白建文 闫 敏

1 聚乙烯醇纤维简介

聚乙烯醇纤维(Polyvinyl Alcohol Fiber)简称PVA纤维,在我国与日本又称之为维纶纤维与维尼纶纤维,是以高聚合度的优质聚乙烯醇为原料,采用特定的先进技术加工而成的一种合成纤维。普通纺织用聚乙烯醇纤维的弹性模量较低、极限延伸率过高,不能作为水泥增强材料。20世纪80年代初,日本可乐丽(Kuraray)公司与尤尼切可(Unitika)公司开发了可用于增强水泥基体的高弹性模量聚乙烯醇纤维,80年代中期我国以自主知识产权研制成功改性聚乙烯醇纤维和高模量聚乙烯醇纤维,并相继投入生产[1]。

高强高弹模聚乙烯醇纤维(PVA纤维)的弹性模量仅次于钢纤维、玻璃纤维、碳纤维和超高分子聚乙烯纤维,其抗拉强度可与钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、超高分子聚乙烯纤维和对位芳香聚酰胺纤维媲美,PVA纤维的价格低、密度小、粘结力高、分散性好、易于搅拌;与其他合成纤维相比,PVA纤维亲水性好、弹性模量高,并且具有高比表面积,与水泥相容性好,增强效果明显。另外,其耐光性和耐碱性也好,具有优良的化学稳定性。

2 PVA-ECC的性能及特点

2.1 ECC的定义及特点

高延性纤维增强水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite,简称为ECC)是经系统设计,在拉伸和剪切荷载下呈现高延展性的一种纤维增强水泥基复合材料[2]。ECC通常是以水泥或者以水泥加填料,或在上面的基础上再掺加小粒径细骨料作为基体,用纤维做增强材料。采用纤维体积掺量仅为2%的ECC,其单轴拉伸荷载下最大应变大于3%[3],约为普通混凝土的100倍～300倍。使用掺量适中的短纤维能满足不同的施工要求,包括自密实ECC和喷射ECC。目前,通过挤压成型已经生产出了ECC结构构件。在增强结构安全性、耐久性及可持续性方面,ECC有相当大的优势。ECC的特点就是超高韧性,具有高耗能、抗震、抗冲击、抗变形、防腐蚀、防泄漏的作用。

2.2 PVA-ECC的特点

PVA-ECC(Polyvinyl Alcohol-Engineered Cementitious Composites)即高强度高弹性模量聚乙烯醇纤维水泥基复合材料。PVAECC通常是以水泥或者以水泥加填料,或在上面的基础上再掺加小粒径细骨料作为基体,用PVA纤维做增强材料。国内外的研究表明,PVA-ECC的重要特点是以低掺量的PVA纤维实现超高韧性,其拉应变值大于3%,且多缝开裂,裂缝宽度小于3 mm,具有较高的抗裂性能。此外,PVA-ECC还具有耐高温、耐磨、耐疲劳及对环境无污染等特点。

1997年Victor C.Li和Kanda等开始将PVA纤维用于ECC,制成了PVA-ECC。

3 ECC在实际工程中的应用

1)ECC较高的能量吸收能力使其可用于抗震结构关键部位,例如梁柱节点、刚节点、剪力墙,并可以用做抗震结构的阻尼器。当连梁有足够的延性时,它能通过塑性铰的变形吸收大量的地震能量。同时,通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力,对墙肢起到一定的约束作用,使联肢墙保持足够的刚度和强度。为了保证联肢墙的延性要求,对连梁的延性要求是非常高的。而ECC这种材料正好满足延性要求,如图1所示是位于日本东京市中心的高层住宅使用ECC做连梁的示意图。

2)ECC可以作为框架的填充板,能大幅度提高结构的延性。

3)ECC可以做混凝土表面的覆盖层,可以用于维修加固,即使在下部混凝土完全断开的情况下,仍能够承受一定的荷载和变形。在桥面板、路面尤其在高速公路、机场跑道的铺装和修复方面具有重要的作用。例如2005年7月,在美国密歇根州南部的公路桥上成功的应用了这种连接板。如图2所示,该桥建于1976年,为四跨、简支钢梁桥,钢筋混凝土面板厚229 mm。大量的11轮运石车通过这座桥,桥的活载很大。通过与传统维修材料混凝土的比较得出PVA-ECC作为修补料的优点。又如瑞士苏黎世机场跑道、停机坪在更换跑道上的4块板、停机坪上的1块板时,很好的利用ECC的特点,在 0:00～6:00没有航班的6 h即完成更换,完全没有影响机场的正常工作。如图3所示为2005年5月通车的地处日本北海道的三原大桥,该桥属于斜拉桥,有一块复合ECC板,拉伸延性和裂缝宽度控制都有严格的控制要求,这有助于自重减少40%和100年的设计预期使用寿命。

4)喷射ECC做维修材料,用于建筑物的修补和翻新工程;挤压式ECC用于预制板管等。如图4所示为Mitaka大坝,使用60年,混凝土表面严重破损(开裂、剥落、渗水),利用喷射ECC做修补材料,迎水面修补面积600 m2,喷射厚度20 mm。

5)ECC可以用于混凝土路面、地下管道、桥墩、放射性废物使用的容器等。

ECC可以现场浇筑,ECC通过合适的流变特性控制,可以制成自密实ECC(Kong,2003年),喷射 ECC(Kim,2003年)和挤压ECC(Starig and Li,1999年),能满足实际应用工程中的多种需要。

4 ECC的发展展望

我国是个多震国家,在抗震设计要求严格的地方,需要采用延性材料,遭遇地震时可以消耗更大的能量,成为一道防线,因此ECC在这方面有着独特的优势。

ECC在地面基础工程上的应用较广,比如在桥面板、桥连接板、路面尤其在高速公路、机场跑道的铺装和修复方面具有很重要的作用。截至2005年年底,据不完全统计,我国通车公路上现有的各种桥梁已达32万座,由于超期服役、超载加之各种自然灾害的袭击,普查出的危桥达10万余座。有些桥梁结构已处在不利状态,有的还岌岌可危,为确保安全,急需大修、加固或者重建,因此ECC的应用将是非常有发展前景的。

在建筑结构构件中,人们越来越重视提高结构的韧性和耐久性。试验已经证明ECC这种先进的建筑材料用于结构构件中可以产生很高的性能,对结构的强度、变形能力、耐久性、耐破坏、可修复性都有很大的作用。PVA-ECC的特点是断裂能大,用于梁—柱连接的塑性铰处能量吸收率大。在PVA-ECC获得高性能的同时,由于ECC有着相对比较低的纤维掺量,所以在实际工程应用中是切实可行的。

[1] 沈荣熹,王璋水,崔玉忠.纤维增强水泥与纤维增强混凝土[M].北京:化学工业出版,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.