PVA纤维增强水泥基复合材料的耐久性能

王晓伟 ，刘品旭 ，田稳苓 ，慕儒 ，李帆 ，陈培

（1.河北工业大学土木工程学院，天津 300401；2.河北省土木工程技术研究中心，天津 300401）

0 引言

混凝土结构的耐久性仍然是目前工程领域急需解决的问题之一。混凝土结构中，材料或结构的耐久性受裂缝及其宽度的影响较大，宽大的裂缝能加速水、氯盐等外界物质进入混凝土结构内部，引起严重的耐久性问题。提高材料和结构耐久性的关键是改善材料的脆性，提高其韧性，而材料复合化正是实现这一目标的主要途径。1910年，美国的Porter发表了一篇关于短钢纤维增强混凝土的论文。自此之后，国内外关于纤维混凝土的研究有较大的发展，其中以钢纤维和聚丙烯纤维混凝土发展较为突出。但在实际应用过程中，钢纤维混凝土不但搅拌困难，分散性差，而且会增加混凝土的自重[1]；聚丙烯纤维与基体的黏结性较差、易燃、抗拉强度低等问题都限制了其发展。1992年，美国密歇根大学先进土木工程材料研究工作实验室研究了ECC（Engineered Cementitious Composite），是一种经过系统设计，在拉伸和剪切荷载下呈现高延性的纤维增强水泥基复合材料[2]。ECC复合材料在PVA纤维体积率约2%的掺量下，最大拉应变可达到3%甚至更高，为普通混凝土的150～300倍，普通纤维混凝土的30～300倍。ECC在拉伸状态下多条细密裂缝的开裂模式，不管极限拉应变如何，平均裂缝宽度始终保持在60μm左右[3]，因此ECC自我控制裂缝宽度的能力就成了改善混凝土结构耐久性的一个重要防御，将其用于混凝土结构保护层，荷载作用下的裂缝可以得到有效的控制和分散，减少有害介质的侵入，从而提高混凝土结构耐久性。因此对ECC材料的耐久性能的研究迫在眉睫。

1 PVA-ECC的抗冻性能

在寒冷地区，混凝土要经受更多次的冻融循环作用。因此研究适用于冻融循环过强的复合材料，且通过优化设计提高材料的致密程度和抗裂性能，呈现良好的抗冻融性，以提高结构的耐久性。Victor.C.Li等人试验研究表明，PVA增强水泥基复合材料试件经过300次冻融循环后没有出现任何表面劣化的现象，试件的极限拉伸应变也仅仅从3%下降到2.8%，抗压强度与标准养护的试件相比下降了22%[4]。

1.1 纤维对PVA-ECC抗冻性的影响

冻融环境下会产生较大的膨胀压力，在冻融循环累积作用下，水泥基材料会产生开裂或原有微细裂纹会继续扩展。吴中伟认为，水泥基材料的复合化是提高性能的主要途径之一，而核心是纤维增强[5]。Sahmaran等人对ECC抗冻性进行了试验研究，主要针对质量损失、超声波、极限应变和弯曲强度在经历了冻融循环前后的变化[6]，与不加纤维的ECC混凝土进行了对比，结果表明：不加纤维的ECC混凝土在经过冻融循环后已严重劣化，而掺加纤维的ECC混凝土却表现出良好的抗冻性能，极限拉伸强度和韧性降低幅度很小，且动弹模量并没降低，另外极限应变量大约为3%，远高于不加纤维的ECC混凝土的应变量。因此向水泥基材料中掺入一定量的PVA纤维，由于PVA纤维较细，在水泥基材料中能够很好的均匀分布，单位面积内纤维较多，对水泥基体有很好的约束作用，能够很好地抵抗冻融循环作用下产生的膨胀压力，从而提高材料的抗冻能力[7]。

刘曙光等人通过对PVA纤维混凝土材料盐冻试验研究表明：掺入适量的PVA纤维，可有效提高基体的抗剥落能力，改善冻融性能，水泥基复合材料随PVA纤维掺量的增加而提高；PVA纤维在水泥基复合材料中分散性较好，纤维和水泥基体界面结合状况要比钢纤维和聚丙烯纤维好，因为纤维的阻裂作用，混凝土的初始裂缝数量大大减少，而且还抑制了裂缝的宽度和长度，最终降低了通缝的形成，提高了ECC混凝土的抗冻性[8]。

徐世烺、蔡新华[9]进行了ECC的抗冻融循环试验，并与同强度等级的普通混凝土、引气混凝土和钢纤维混凝土进行对比。试验结果表明：在经过300次冻融循环后，ECC混凝土质量损失超过1%，动弹性模量损失不到5%。

1.2 粉煤灰对PVA-ECC抗冻性能的影响

粉煤灰的掺入，一方面，降低了混凝土与集料界面过渡层的孔隙率；另一方面，由于细微颗粒及其水化产物填充水泥石孔，改善了混凝土的孔结构，而且，粉煤灰的一部分空心玻璃球体引入混凝土中，会切断毛细孔渗水的通道从而提高混凝土抗冻性[10]。另外，研究表明对于掺粉煤灰的ECC混凝土，只要加入适量的引气剂，还可以进一步提高其抗冻性能[11]。

周伟通过对大量掺粉煤灰的ECC的抗冻性能研究表明[12]：经150次冻融循环后，ECC的抗剥落能力较普通混凝土强，ECC梁经过冻融循环后，在试件表面只有部分出现纤维起毛，几乎不出现表面剥落现象，ECC薄板经过冻融循环后仍能保持较好的外观完整性。初裂荷载和极限荷载均降低，弯曲挠度增大，尤其是在盐溶液中进行冻融的试件；ECC在水中的抗冻性优于在盐溶液中的抗冻性；且水中冻融150次时韧性达到最大，盐溶液中冻融50次时韧性达到最大。

1.3 硅粉对PVA-ECC抗冻性能的影响

纤维水泥基复合材料中添加硅粉，能够明显改善其抗冻性，主要是因为硅粉的细度大，具有较高的无定形性以及SiO2的含量高，在纤维增强水泥中会产生填充效应、火山灰效应，使水泥基的结构更为致密，孔隙尺寸得以降低，同时又阻断了许多连通孔，减少了毛细孔水的数量，进而提高了水泥基体的抗冻性能[13]。

王秀红等人的研究表明：纤维水泥基复合材料中掺入硅粉，明显提高了水泥基复合材料的抗冻融性，而且抗冻融能力随着硅粉掺量的增加不断增强[14]。

1.4 冻融介质对ECC混凝土抗冻性影响

冻融循环试验的冻融介质通常采用NaCl溶液，据有关文献[15]介绍：溶液质量分数影响混凝土材料盐剥落性能，过高或过低的溶液质量分数都会减少混凝土的剥落，经过试验研究发现临界质量分数为3.0%～4.0%。

2 PVA-ECC的抗渗性能

混凝土的渗透性是指流体介质通过混凝土内部的难易。混凝土是一种多孔的材料，水是最容易通过孔隙进入混凝土的介质，但又同时携带了有害离子，引起了混凝土的破坏。所以水在混凝土中的渗透速度决定了混凝土的劣化速度，研究水在混凝土中的渗透性具有普遍意义[16]。

杜志芹、孙伟等学者的研究表明掺加了PVA纤维的混凝土抗渗性有所提高，是因为其自身强度和弹性模量较高，有较高的阻裂效果，有效的抑制了裂纹的引发与扩展[17]。

2.1 纤维掺量对PVA-ECC抗渗性能的影响

PVA纤维的抗渗性是通过抗裂实现的，抗裂的机理是建立在PVA纤维对混凝土的固结、收缩的基础上。在混凝土内部PVA纤维能够形成一种均匀的乱向支撑体系，有效阻止微裂缝发展成细裂缝，因此PVA纤维可以明显提高水泥基复合材料的抗渗性能[18]。

刘曙光等研究了PVA纤维体积率对水泥基复合材料抵抗压力水的抗渗性能的影响，表明：在纤维体积率为0.5%和1%时，体现出了优良的抗渗性能[18]。这是因为纤维抑制了材料早期收缩裂缝的产生和发展，有效地降低了材料的孔隙率；另外，纤维减小水泥基体的失水面积，增大了水分迁移的难度，减小了毛细管因失水收缩所形成的张力，从而提高了水泥基复合材料的抗渗性[19]。

但郑志均等人通过试验研究发现体积掺量为0.5%的PVA纤维混凝土，由于混凝土流动度减小，混凝土中的薄弱界面和孔隙等缺陷增加，其抗压强度和抗氯离子渗透性能有所下降[20]。

2.2 引气剂对PVA-ECC抗渗性能的影响

引气剂是一种降低固-液-气相界面张力的活性剂，掺入混凝土后，微小气泡在混凝土的搅拌过程中会被引入，且其具有分布均匀、封闭、互不连通等特点。

杜志芹等学者研究表明：掺加适量引气剂后，由于引入的微小气泡分布均匀且独立封闭，所以引入气泡量在一定范围内可以有效地抑制水的渗透。当引气剂的掺加量为0.05%时，最大幅度地提高了混凝土的抗渗性，当引气剂的掺量超过了0.06%时，混凝土的抗渗性开始下降[17]。

2.3 粉煤灰、硅粉矿物掺合料对PVA-ECC抗渗性能的影响

矿物掺合料能够明显的改善混凝土的抗氯离子渗透性，主要原因有以下两个方面：

1）矿物掺合料能够改善混凝土的水化和微观结构，降低了混凝土孔隙率，使孔径细化，提高了混凝土对氯离子渗透的扩散阻力；

2）矿物掺合料提高了混凝土对氯离子的固化能力。

周伟、杨英姿等人对大量掺粉煤灰的ECC通过氯离子快速扩散试验发现，ECC混凝土抗渗性与普通混凝土相比明显较差。这是由于纤维的加入，为氯离子的进入提供了通道，而且大掺量粉煤灰的使用也降低了结构的密实性[12]。

刘曙光等通过粉煤灰、硅粉对PVA纤维水泥基复合材料抗渗性的研究表明：粉煤灰虽然能够减缓水化反应，但是未完全水化的水会使PVA纤维水泥基复合材料内形成毛细孔，并且毛细孔很容易与其他孔隙相连形成连通孔，从而减小了PVA纤维水泥基复合材料的抗渗能力[21]。硅粉减缓水化反应，而且比粉煤灰流动性更高，提高了PVA纤维水泥基复合材料的密实度，降低了PVA水泥基复合材料孔隙率。因此相对于粉煤灰，硅粉对PVA纤维水泥基复合材料的抗渗性能有利[18]。

2.4 水胶比对ECC抗渗性能的影响

混凝土的孔结构特征由水胶比决定，随着水胶比的增大，混凝土的孔隙率增大，增加了连通孔的数量，使混凝土的抗渗性降低。此外混凝土中水泥浆体与骨料的过渡区处的裂缝和连通孔隙进一步降低了混凝土的渗透性。水胶比对PVAECC抗渗性能的影响还需进一步研究。

Powers[22]对水胶比影响混凝土渗透性的研究表明：水胶比大于0.55时，渗透系数会急剧增大。水胶比低于0.6时，毛细孔的孔径变小，易被水泥水化物堵塞，增大了流动阻力，渗透系数降低。

2.5 养护龄期对ECC混凝土抗渗性的影响

随着龄期增长，水泥水化的程度加大，不仅使混凝土孔隙率、孔径减小，还使毛细孔的贯通程度也减小，最终导致渗透性降低。

赵铁军[23]等人以养护了30 d的混凝土渗透性为基准，测试了70 d和130 d的渗透性系数。纯水泥混凝土测试结果表明：当养护到70 d时渗透系数降至56%～76%，养护到130 d时渗透系数降至50%～60%；矿渣混凝土测试结果表明：养护到70 d时渗透系数降至52%～72%，养护到130 d时渗透系数降至33%～43%；粉煤灰混凝土测试结果表明：养护到70 d时渗透系数降至25%～33%，养护到130 d时渗透系数降至13%～16%。

3 目前研究的不足

目前对于PVA-ECC混凝土抗冻性和抗渗性的研究虽然取得了一定的成果，但是在如下几个方面需要继续深入研究：

1）纤维的分布是影响纤维混凝土性能的重要因素，目前关于纤维的分布对混凝土的抗冻性和抗渗性能的影响还未见系统的研究。

2）目前，对于单掺矿物掺合料的抗冻性能研究较多，对多种矿物掺合料的PVA-ECC混凝土的抗冻性能需要进一步研究。

3） 普通混凝土冻融循环后的氯离子浸泡试验，结果表明冻融对氯离子在普通混凝土中的传输有明显影响。随冻融循环次数的增加，氯离子在普通混凝土中的渗透扩散速度也加快，氯离子扩散系数增大。但是对于PVA-ECC混凝土还没有系统研究。

4）目前对于抗渗性能的研究仅停留在单一因素的定性研究，定量的研究有待进一步开展，特别是多因素同时作用下耐久性能的研究还鲜有报道，需要进一步研究。

5）水胶比对混凝土抗渗性影响的研究已进行了很多，但仍处于采取定性的趋势反应传输性能的强弱，至今仍不能得出一个用水胶比定量的范围表达氯离子传输性能的结论。

6）对于混凝土抗冻性能的评价标准，目前主要是采用含气量、气泡间距系数作为该环境下混凝土的耐久性评价指标，但是评价指标并没有考虑到盐冻情况下盐浓度差产生的渗透压的影响，因此，建议增加抗氯离子渗透性的评价指标；目前普遍应用的电通量法的测试结果只是一个定性的概念，不能和结构的耐久年限直接联系起来。

4 结语

在全球范围内，混凝土基础设施的耐久性问题急待解决，而解决脆性材料的低耐久性问题是关键。ECC材料在荷载作用下，具有良好的延性，具有自我控制裂缝宽度的能力，这种材料将能有效地解决混凝土面临的耐久性问题。目前的研究更多的是关于ECC的力学性能，关于耐久性能尚需进一步研究，使得ECC材料在具有优越的力学性能的同时具有优良的耐久性能，以推动ECC材料在实际工程中的应用，解决混凝土基础设施的耐久性问题。

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