PVA纤维对混凝土抗裂与增韧效应影响的研究进展

郭丽萍，陈 波，杨亚男

(1．东南大学材料科学与工程学院，江苏南京 211189;2．江苏省土木工程材料重点实验室，江苏南京 211189;3．南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029)

聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)纤维作为一种高抗拉强度和高弹性模量的新型合成纤维，在提高混凝土的抗裂性能与弯曲韧性方面有着广阔的应用前景。

在大型水利水电工程、桥梁、铁路、港口码头、高层建筑、地铁及隧道工程建设中，越来越多的用到高强高性能混凝土。使用高强高性能混凝土可以优化结构设计，提高空间利用率，加快施工速度，但高性能混凝土的收缩和脆性却制约着其应用和发展。混凝土强度越高，混凝土的拉压比越低，混凝土越脆，越易开裂，因此，对提升混凝土的抗裂性与弯曲韧性提出了更高的要求。PVA纤维是实现工程水泥基材料(ECC)超高延性的关键材料［1-3］，但是，在掺加高强度高弹性模量的PVA纤维来提高混凝土的抗裂性能与弯曲韧性的试验研究与工程应用方面，目前还缺少系统的研究。本文综述了近年来PVA纤维对混凝土抗裂与增韧效应影响方面的研究进展，并对进一步研究的方向作了展望。

1 PVA纤维的性能及特点

用于混凝土抗裂，常用的是当量直径5～20 μm、拉伸强度约为1100MPa、弹性模量小于35GPa的中等强度和模量的超细短切PVA纤维，也可以使用高强度高弹性模量的短切PVA纤维。高强度高弹性模量的PVA纤维具有与钢筋一样高的抗拉强度，其弹性模量大于或等于35 GPa，跟混凝土的弹性模量比较接近，可显著提升混凝土韧性或延性。PVA纤维在混凝土中分散均匀、乱向分布、相互搭接成立体的网状结构，在混凝土中起到提高抗裂性、增强韧性的作用，从而提高混凝土的整体质量及耐久性。PVA纤维掺入混凝土后与混凝土中的任何材料都不发生化学反应，其物理、化学性能稳定，PVA纤维在混凝土中所发挥的抗裂增韧等作用是纯物理性的，是一种能提高混凝土抗裂性与韧性的新型材料。

PVA纤维在混凝土中的均匀分散程度，是发挥其在混凝土中抗裂及增韧效应的重要前提。对于高掺量PVA纤维混凝土而言，PVA纤维均匀分散特性对于混凝土抗裂增韧效应的影响更加显著。张丽辉等［3-4］在相关研究中采用高强度高弹性模量短切PVA纤维，当纤维体积掺量提高到2%时，仍能保证纤维的均匀分散，且对混凝土抗裂性与韧性有显著提升效果。但是对于高掺量的中等强度和弹性模量超细短切PVA纤维混凝土，在实际使用时，容易出现纤维在混凝土中结团或分散不均匀的情况，需要通过优化新拌混凝土塑性黏度和改善PVA纤维表面亲水性等措施来提高超细PVA纤维在混凝土中的均匀性分散特性，从而保证其对混凝土抗裂性能作用的发挥。

2 PVA纤维在国内抗裂混凝土中的试验研究与工程应用

目前在我国大型水利水电及水运工程中已经开展了采用PVA纤维来提高混凝土抗裂性的试验研究并在工程中得到应用。

计涛等［5］结合某水电工程抗冲磨混凝土的抗裂要求，研究了PVA纤维增强抗冲磨混凝土的变形性能、抗裂性能，试验结果表明:当PVA纤维掺量为0.9 kg/m3时，混凝土的28d、90d和180d极限拉伸值分别增大了10%、11%和4%。PVA纤维对混凝土塑性阶段的抗裂性能提高明显，对混凝土早期干缩有一定的抑制效果，但是掺PVA纤维混凝土后期的干缩值略有增加。

李光伟等［6］结合锦屏一级和溪洛渡水电站拱坝C18040混凝土开展了PVA纤维混凝土体积稳定性试验，结果表明:在高拱坝混凝土中掺入0.9 kg/m3的PVA纤维，可以有效降低拱坝混凝土的弹性模量，提高拱坝混凝土的极限拉伸值，减少拱坝混凝土的收缩变形，提高拱坝混凝土的抗裂性能。

改性PVA纤维在溪洛渡水电站大坝强约束区、长间歇等施工部位得到了成功应用，累计浇筑改性PVA纤维混凝土超过50万m3;现场检测试验结果表明，掺改性 PVA 纤维混凝土 7 d、28 d、90 d、180 d极限拉伸值分别提高 17.5%、11.9%、7.1%和4.8%，且尚未发现裂缝［7-8］。

金沙江向家坝水电站为防止长间歇面发生裂缝的风险，除采用常规的温控措施外，在收仓前浇筑了掺0.9 kg/m3改性PVA纤维的常态混凝土(厚度为0.5 m)和碾压混凝土(厚度0.6 m)，以提高混凝土的抗拉强度和极限拉伸值［9］。试验结果显示，改性PVA纤维混凝土较不掺纤维的混凝土抗拉强度和极限拉伸值均有所提高，干缩率降低，且不影响混凝土自生体积变形;也有部分试验结果显示，掺PVA纤维混凝土的自生体积变形有减小的趋势。从施工现场数据来看，掺改性PVA纤维混凝土较不掺纤维混凝土长间歇面的裂缝明显减少，甚至基本没有裂缝;掺改性PVA纤维混凝土能够改善碾压混凝土层面的结合质量，在早期及中后期有利于大坝混凝土的抗裂。

在水运工程也有应用的案例，如在京杭运河扩容工程皂河三线船闸工程中，为了提高混凝土的抗裂性能，浇筑了PVA纤维体积掺量为1%(在混凝土配合比中，PVA纤维的用量为12 kg/m3)的C25混凝土试验段［10］。

表1为在不同工程中混凝土的强度等级、PVA纤维掺量及纤维的性能参数。从表1可以看出，为了尽可能地提高混凝土的抗裂性能，PVA的最优掺量的确定，仍需要进一步研究。在目前的水利水电工程中，采用PVA纤维提高混凝土的抗裂性时，不管是常态混凝土、泵送混凝土，还是碾压混凝土，都采用的是0.9kg/m3的掺量，这是参照聚丙烯纤维的常用掺量而定的。聚丙烯纤维的密度是0.9g/cm3，按照0.1%体积掺量折算，得出在混凝土中的质量掺量为0.9 kg/m3;而PVA纤维的密度为1.3 g/cm3，采用与聚丙烯纤维同样的质量掺量，其合理性值得商榷。Noushini等［11］在混凝土中掺入体积掺量分别为0.125%、0.25%、0.375%和0.5%的表面未经处理的PVA纤维，进行混凝土的干燥收缩试验，结果表明，不论是0～7 d还是28～112 d，掺入PVA纤维的混凝土干缩比基准混凝土平均高5% ～10%，这表明在0.125% ～0.5%掺量区间，掺量对干缩的影响不明显;而在皂河三线船闸混凝土试验段中，同样是为了达到提高混凝土抗裂性的目的，采用了1%的体积掺量。

表1 PVA纤维在混凝土抗裂中的应用实例

在以往的关于PVA纤维在抗裂混凝土的相关工程应用研究中，更多的是从塑性收缩、干缩、自生体积变形、极限拉伸值、弹性模量等宏观性能上研究PVA纤维对混凝土抗裂性能的改善效果，表1所列出的纤维长度、当量直径、弹性模量等基本性能参数对混凝土抗裂性能的影响却研究较少，而PVA纤维本身的性能对混凝土抗裂性能影响的微观机理和基础理论也没有得到足够的关注。

3 PVA纤维在增韧混凝土中的试验研究

近年来，国内外逐渐开展了采用PVA纤维提高混凝土材料韧性的研究。

邓宗才等［12］对水胶比0.38、抗弯强度为5.82～7.02 MPa的PVA纤维混凝土的弯曲韧性进行了研究，按照 ASTM C1018—1997《Standard test method for flexural toughness and first-crack strength of fiberreinforced concrete (using beam with third-point loading)》测定了不同PVA纤维掺量混凝土梁的荷载-挠度全曲线。PVA纤维体积掺量为0.06%、0.076%、0.10%时，韧性指数I5分别是不掺PVA纤维基准混凝土的3.89、3.82和4.24倍，I10分别是基准混凝土的5.33、6.08和7.29倍，I30分别是基准混凝土的8.91、8.98和9.83倍，掺入PVA纤维以后，混凝土在断裂过程中吸收能量的能力显著增强。掺加PVA纤维以后，混凝土抗弯强度较基准混凝土分别提高10%、24%、33%。

Noushini等［13］研究了体积掺量为 0.125%、0.25%和0.5%，抗压强度为60 MPa左右的混凝土弯曲韧性，0.5%掺量时混凝土韧性改善效果最好。同时，Noushini等［14］还研究了PVA纤维长度分别为6 mm和12 mm、体积掺量均为0.5%的混凝土的荷载-裂缝张开位移(CMOD)关系，结果表明，在CMOD为0.5 mm时，掺PVA纤维混凝土的残余抗弯强度均为基准混凝土的2倍以上。

在超高强PVA增韧混凝土方面，已针对C110和C100强度等级混凝土开展了相关研究。

闫长旺等［15］从拉压比的角度研究了PVA纤维对混凝土韧性的改善效果。在C100混凝土中PVA纤维掺量为0%、0.17%、0.25%、0.34%、0.5%时，超高强混凝土拉压比为0.0562～0.0661，拉压比值与未掺PVA纤维的基准混凝土相比，提高了15.3%～35.6%。

杜修力等［16］按照 ASTM C1018—97对体积掺量为0% ～1.5%、基体强度为110MPa以上的PVA纤维高强混凝土弯曲韧性进行了试验研究。PVA纤维体积掺量为0.5%、1.0%和1.5%时，混凝土的抗弯强度比基准混凝土分别增大了35%、28%和273%。混凝土弯曲韧性试验表明，在0.5%掺量时，混凝土到达最大荷载时混凝土呈脆性破坏，无法测得荷载-挠度曲线的下降段;掺量提高至1.0%和1.5%时，可以测得完整的荷载-挠度曲线。随着PVA纤维掺量的提高，混凝土的抗弯韧性得到提高，PVA纤维体积掺量增加到1.5%时，韧性指数I5、I10、I20分别是基体混凝土的4.49、8.42、14.85倍，较1.0%掺量时分别提高7.5%、10.3%和7.2%。

此外，在结构构件层次开展PVA纤维增强钢筋混凝土梁抗弯性能的试验，进行PVA纤维的增韧效果评价的研究也逐渐增多［17-21］。

Hamoush等［17］研究了抗压强度为33～53MPa、PVA纤维掺量为水泥质量3%的钢筋纤维混凝土在受压与受拉状态下的应力-应变曲线以及混凝土在四点弯曲试验中的荷载-挠度关系，提出了PVA纤维钢筋混凝土的荷载-挠度预测方程。

苏骏等［18-19］进行了PVA纤维增强钢筋混凝土梁抗弯性能试验，在C30混凝土梁中配置2根受拉纵向钢筋，PVA纤维体积掺量为1.0%和2.0%。试验结果表明，随PVA纤维含量的增加，初裂荷载和极限承载力都有一定的提高，混凝土的延性得到改善，混凝土由脆性破坏变为延性破坏，混凝土梁呈多缝开裂。林晖［10］试验结果也表明，当PVA纤维体积掺量大于0.5%时，混凝土出现了双缝和多缝开裂的特征。

何飞等［20］进行了PVA纤维增强钢筋混凝土梁抗弯性能四点弯曲试验，在C40混凝土梁中配置2根受拉钢筋，PVA纤维体积掺量为 0.05%、0.15%、0.3%、0.5%和1.0%，试验结果表明，掺加PVA纤维的混凝土低配筋梁表现出了适筋梁的受弯破坏形式;随着PVA纤维掺量的提高，混凝土梁吸收能量的能力增强，混凝土裂缝宽度减小、裂缝数量增多，变形能力增强。

袁勇等［21］以 PVA纤维体积掺量为0.5%和1.0%的钢筋混凝土梁(混凝土水胶比0.46)为研究对象，其弯曲试验研究表明，纤维的加入使得钢筋混凝土梁的受力变形特性有所改变，适用于普通混凝土梁的相关规范所给出的开裂荷载、极限荷载、裂缝宽度计算公式不再适用于掺PVA纤维混凝土梁。

表2为相关试验的混凝土强度(强度等级)、试件尺寸、配筋及PVA纤维的基本物理力学性能参数等信息。从表2可以看出，这些PVA纤维的当量直径较小，抗拉强度和断裂延伸率均差别很大。随着生产工艺和技术的发展，已研发出当量直径约为40 μm的高强度高弹性模量PVA纤维，预计其增韧效果将会与15 μm当量直径的PVA纤维存在一定差异。PVA纤维的物理力学性能变化对混凝土韧性的影响，目前尚未有系统的研究。

上述研究结果表明，不论是普通强度的混凝土，还是高强、超高强混凝土，PVA纤维明显改善了混凝土弯曲韧性，且韧性随纤维掺量的增加而增大。在普通混凝土中，纤维体积掺量约0.1%时，已经能明显改善混凝土的弯曲韧性，而对高强、超高强混凝土，纤维体积掺量在0.5%时，混凝土仍呈脆性破坏。混凝土强度等级越高，需要更高的掺量来提高混凝土的韧性。在低强度等级混凝土中，PVA纤维表现出拔出破坏模式，在高强、超高强混凝土中，PVA纤维表现出拔断破坏模式。PVA纤维的掺量、混凝土的强度以及纤维的破坏模式存在一定的相关关系。

4 研究展望

a．关于PVA纤维增韧材料的设计理论。根据复合材料理论，纤维混凝土的性能取决于纤维、基体和界面特性及三者相互之间的关系。在高延性水泥基复合材料的研究中，基于细观力学的材料设计理论已基本完善，而在混凝土材料的层次，PVA纤维增强混凝土的材料设计仍然沿用普通混凝土配合比设计或钢纤维混凝土配合比设计的思路，即采用大量的试配试验，优选出满足特定性能要求的配合比和纤维掺量，而纤维本身的性能参数以及纤维与基体的相互作用，在材料设计中完全被忽略。高抗裂、高韧性的PVA纤维混凝土尚缺少完善的材料设计理论，需开展PVA纤维的表面特性、强度、弹性模量、当量直径、长径比、断裂伸长率等材料性能参数对混凝土性能的影响，掺PVA纤维混凝土的流变学特性、纤维与基体的界面特性、亲水性PVA纤维对混凝土耐久性的影响等方面的研究，以完善PVA纤维设计理论。

b．关于裂缝形成与扩展的机制。PVA纤维混凝土的材料试验和结构试验均表明，掺入一定量的PVA纤维以后，混凝土的裂缝宽度、数量等特征与未掺纤维的混凝土有明显的差异。目前的研究关注对宏观试验现象的观察和描述，而在裂缝起裂与扩展的机制、纤维与基体之间的滑移或拔出过程中的能量吸收及耗散、纤维三维分布对裂缝扩展的影响等方面，缺少从微观到宏观的多尺度结构、多性能层次的损伤及断裂机制的研究。

c．关于 PVA纤维混凝土本构方程。尽管Hamoush等［17］提出了PVA纤维混凝土荷载-挠度预测模型，袁勇等［21］提出了针对特定PVA纤维混凝土的裂缝宽度计算拟合公式，但关于PVA纤维混凝土本构方程的研究仍处于起步阶段，对PVA纤维混凝土结构设计和工程应用缺少必要的理论支撑以及行业规程和国家标准。尤其需要关注PVA纤维混凝土在弯曲荷载作用下的荷载-挠度关系或荷载-CMOD关系，关注混凝土裂缝扩展与残余承载力的关系，建立弯曲荷载作用下PVA纤维混凝土的本构方程，为PVA纤维混凝土的结构设计提供依据。

d．进一步开展高抗裂、高韧性的PVA纤维混凝土基础研究，这对于发展新型合成纤维混凝土基础理论、推动相应的工程应用技术提升、维护对抗裂和韧性有较高要求的重大基础工程混凝土结构的安全性和服役寿命，都具有重要的理论意义和工程应用价值。

表2 PVA纤维增强钢筋混凝土构件的材料参数

5 结语

掺加PVA纤维可有效提高混凝土的抗裂性能，该技术已经在水利水电工程中得到了大量的应用。应进一步开展不同PVA纤维掺量、不同PVA纤维材料物理力学性能对不同强度等级的混凝土抗裂与增韧效应影响的研究，而PVA纤维混凝土的材料设计理论、多尺度的裂缝形成与扩展的机制、混凝土本构方程等研究亟待开展。

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