粉煤灰PVA-ECC的配制及其叠合梁研发与应用

夏月亮 张大栋 徐耀祖 胡青云

（中国建筑第八工程局有限公司 北京 100000）

1 ECC研究的背景、应用及意义

工程水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composite，简称ECC）是一种具有超强韧性的乱向分布短纤维水泥基复合材料，与普通纤维增强水泥基复合材料不同，纤维通过桥联作用约束混凝土中裂缝的发展，提高材料抵制裂缝的能力，从而提高混凝土的承载能力和变形能力，PVA纤维是一种高强高弹模的合成纤维，具有良好的亲水性、纤维表面能够吸附少量自由水，与水泥基体的黏结性能较好。由于PVA纤维本身具备较高的强度和弹性模量，它不但能够有效抑制混凝土早期塑性裂缝，而且可以提高混凝土的韧性，ECC极高的延性是在纤维掺量极低的情况下（一般纤维体积掺量为2.0%以下），通过多裂缝的平稳展开而实现的，其应变能力是普通混凝土的几百倍。

1.1 国内ECC研究

（1）随着粉煤灰掺量的增大，基体的初始开裂荷载随着降低，28d时掺80%粉煤灰ECC初始开裂荷载比掺60%的初始开裂荷载降低了约70N。

（2）掺粉煤灰的跨中挠度变化范围在15～28mm，随着粉煤灰掺量的增大，ECC的跨中挠度呈现增大的趋势。

（3）随着粉煤灰掺量的增大抗压、抗折强度不断的降低。

（4）随着粉煤灰掺量的增大，ECC的裂缝宽度在不断的减小。掺60%粉煤灰的ECC裂缝平均宽度为25μm，掺80%粉煤灰的ECC平均裂缝宽度为40mm。

1.2 国内外ECC研究的对比

对比国内外相关研究发现，国内配制出的工程水泥基复合材料与美国、日本等为代表的发达国家配制的工程水泥基复合材料材料自身存在明显差异。

1.3 ECC在工程中的应用

ECC具有韧性强以及多裂缝开展的特性，经过几十年的发展，ECC已经从实验室走向了实际工程中，尤其在美国和日本等国家应用已经非常广泛。

1.3.1 在建筑结构抗震中的应用

ECC具有高效的能量吸收性能，将其应用于建筑物的梁、柱与墙可使结构提高抗震性能，日本横滨的建筑在高150m的钢筋混凝土筒中筒结构，该工程采用了预制连梁。

1.3.2 在桥梁中的应用

2005年ACE-MBL研究小组对密歇根的一座公路桥面进行了修复，采用ECC连接板替代原有的伸缩装置。承担温度、和荷载等因素引起的变形，提高了耐久性。

2 ECC的配制技术路线以及试验方案

2.1 纤维处理

给纤维涂油是为了降低纤维与基体的黏结强度，ShunxinWang和Revlond研究发现，而当涂1.2%的油时效果最好。不同油纤维在试件开裂后发生了抽丝拔断的现像涂油之后。

2.2 外加剂的选用及目的

（1）减水剂可以增加基体的工作性能和塑性粘度。

（2）消泡剂改善基体孔结构、独立封闭孔，同时减少空隙率。

（3）增稠剂促进纤维在基体中均匀分布，防止纤维结团。

3 粉煤灰掺量对ECC基本力学性能的研究

3.1 粉煤灰掺量对PVA-ECC抗弯性能的影响

以下研究了纤维掺量为1%，龄期为7d时的弯矩与挠度的关系。

龄期为7d时；在纤维体积掺量为1%，粉煤灰掺量为55%时，试件的开裂弯矩为0.007kN·m，当粉煤灰掺量为69%时，薄板的开裂弯矩达到0.01kN·m，粉煤灰掺量为80%时，薄板的开裂弯矩可以达到0.015kN·m。粉煤灰掺量为69%的弯矩比55%提高了42.8%，80%时比55%提高了1.14倍。由此可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，PVA-ECC的开裂弯矩在逐渐的增大。表现出了很好的抗弯性能，但是粉煤灰掺量增大会降低基体的强度，另外，粉煤灰掺量增大，使其内部结构更加均匀，从而改善了纤维与基体界面的过渡区，减少了内部缺陷，使得纤维在基体内杂乱分布承担的应力增加。

3.2 粉煤灰掺量对PVA-ECC薄板初始开裂荷载和峰值荷载的影响

3.2.1 粉煤灰掺量对试件初始开裂荷载的影响

加大粉煤灰在基体中的用量，会使得试件的初始开裂荷载降低。这是因为随着粉煤灰掺量的增大会使得基体的强度降低，承载力降低，导致初始开裂荷载降低。但是在试验过程中发现，虽然粉煤掺量越大，初始开裂荷载越小，但是试件破坏呈现多裂缝开展状态，而且裂缝的数量也在增多，裂缝的间距在变小，说明随着粉煤灰掺量的增大，基体内部结构更加均匀。

3.2.2 粉煤灰掺量对试件峰值荷载的影响

粉煤灰掺量越大，对试件的破坏时的峰值荷载影响越大，这也许是因为粉煤灰掺量越大，试件的强度就会降低，承载力就会降低。在荷载降低时就可以达到破坏的状态。

3.3 粉煤灰掺量对PVA-ECC薄板抗折强度的影响

不同掺量的粉煤灰替代水泥后，试件的抗折强度变化。当PVA纤维固定在2%时，向基体中掺入69%的粉煤灰时，抗折强度出现明显的下降，80%时进一步下降。由此可见，随着粉煤

4 展望

PVA-ECC复合材料广泛的应用于跨海大桥、港口、大坝、飞机场跑道和工程结构的防裂、抗震以及耐久性研究，可以使其大型的基础设施钢筋混凝土结构的使用寿命得到显著的提高，对于国民经济可以产生较大的价值，对于环境保护减少二氧化碳的排放有着重要的意义，在不就的将来随着PVA-ECC在工程中的应用，产生的直接经济效益将不可估量。