水胶比对PVA纤维增强水泥基复合材料性能的影响

王黎阳，郑银林，马锋玲，刘艳霞，王利娜

(1.广东粤电南水发电有限责任公司，广东 韶关 512700；2.中国水利水电科学研究院材料研究所，北京 100038；3.水发集团有限公司，山东 济南 250000)

1 概述

PVA-ECC是在19世纪90年代，由密歇根大学Li V.C.[1]教授提出的具有高延性的纤维增强水泥基复合材料，它主要以水泥、砂作为基体，采用聚乙烯醇纤维(PVA)进行增强，极限拉应变值通常可达3%以上，呈现出大量极细小裂缝的多缝开裂，这使得PVA-ECC在抗裂结构、修复结构等领域具有广阔的发展前景。国内外许多学者从纤维增强、增韧性能上出发，对该材料的力学性能和耐久性等进行了大量研究。Vasillag Xoxa[2]纯剪试验表明，ECC板渐次开裂，裂缝不会贯通，试件至破坏也不会出现剥落。Zhang等[3]研究发现PVA-ECC组合梁在峰值荷载下的跨中变形和承载力都显著高于素混凝土梁。徐世烺团队[4]相关研究表明，其极限拉应变大于3%，并出现多点开裂的细密裂缝，平均缝宽33～90um之间。王晓刚[5]等对ECC力学性能、变形性能和耐久性等方面进行试验研究，证明ECC在提高结构的耐久性和变形性方面有很大的作用。张宪南[6]针对超高性能混凝土干缩大的特点，研究了纤维、减缩剂等材料对混凝土干缩性的影响，结果显示，在抑制混凝土干缩变形方面，减缩剂的效果要好于纤维材料。阿不都赛依迪·赛麦提[7]对钢纤维混凝土修补材料进行研究表明，钢纤维混凝土长期处于潮湿环境中，暴露在外的金属纤维会加速磨损。薛会青[8]等对国产和日本产PVA纤维进行了试验对比研究。日本产PVA纤维都进行了表面抹油处理，有利于纤维的充分分散，国产PVA纤维虽然也具有高强高弹的特性，但由于未采用抹油处理，尚不能取得良好的应变硬化效果[9]。应用方面，日本三原大桥，桥面板采用4cm厚的ECC代替沥青，提高了桥的耐久性[10]。日本三鹰大坝采用喷射ECC材料进行维修，可有效地防止水分的渗透[9]。

本文在前期PVA-ECC材料及配合比研究的基础上，通过试验研究水胶比对PVA-ECC极限拉伸、力学强度等性能的影响，寻求最佳配合比设计参数，开发出稳定的具有超高韧性和应变硬化的PVA-ECC材料，为PVA-ECC材料的实际应用打下一定的基础。

2 试验材料及方法

试验采用42.5级普硅水泥；Ⅰ级粉煤灰，细度2.09%，需水量比94.0%，烧失量1.49%；细骨料为石英砂，粒径40～70目和80～120目；采用日本产聚乙烯醇纤维，长度12mm、密度1.3g/cm3、伸长率5.5%、弹性模量34.3GPa；外加剂为高性能减水剂和增稠剂。

PVA-ECC试件均采用砂浆搅拌机拌和成型，先将除纤维以外的其他干料倒入搅拌机加水搅拌均匀，再向旋转的搅拌桶中缓慢加入PVA纤维，搅拌6min，直至浆体均匀，纤维无结团，抗压、抗折试件采用水泥胶砂振动台振动成型，单轴直接拉伸试验采用标准混凝土振动台振动30s成型，脱模后置于混凝土标准养护室水中养护至28d测试龄期。抗压强度和抗折强度试件尺寸为40mm×40mm×160mm。单轴直接拉伸试验试件形状及尺寸如图1所示，夹头装置如图2所示。拉伸试验能够直接测得轴拉强度以及应力-应变关系曲线，体现了PVA-ECC的应变-硬化特性。

图1 单轴直接拉伸试验试件尺寸

图2 单轴直接拉伸试验夹头装置

3 试验结果及分析

试验固定灰砂比为2.7，PVA纤维体积掺量为2.0%，分别在不同的粉煤灰掺量及石英砂粒径下，进行0.30、0.35、0.40、0.45水胶比的水泥基复合材料性能试验，每个配合比试件成型6条，试验结果处理时，每组试件均选取中间断裂的3条试件的试验数据平均值进行相对比较，研究水胶比对PVA-ECC极限拉应变、拉伸应力、抗压强度、抗折强度的影响。PVA-ECC试验配合比及性能测试结果见表1。55%粉煤灰掺量时水胶比对极限拉应变的影响如图3所示，55%粉煤灰掺量时不同水胶比的应力-应变曲线如图4—5所示。

图4 不同水胶比应力-应变曲线(石英砂：80～120目)

表1 PVA-ECC配合比及性能试验结果

图3 不同砂粒径下水胶比对极限拉应变的影响

结果表明，粉煤灰掺量0.55%时，3组配合比中，0.30水胶比时试件的极限拉应变为1.89%～2.83%，平均值为2.21%，极限拉应变均低于3.0%；0.35水胶比时极限拉应变为2.17%～3.48%，平均值为2.89%；0.40水胶比时，应力-应变曲线相对更加平缓，极限拉应变均大于3.0%，为3.41%～5.72%，平均值高达4.62%；0.45水胶比时极限拉应变为2.31%～5.21%，平均值为3.81%。与0.30水胶比相比，0.35、0.40、0.45水胶比极限拉应变平均值分别提高了30.8%，109.0%和72.4%。粉煤灰掺量45%时，极限拉应变随水胶比变化规律相同，但与55%粉煤灰掺量时相比极限拉应变明显降低。另外，混合石英砂的极限拉应变高于单一级配的石英砂。总之，随着水胶比由0.30增大到0.40，极限拉应变逐渐增大，水胶比0.40时，极限拉应变最大，水胶比0.45时，由于拉伸应力过低，极限拉应变又有所降低。可见，水胶比对极限拉应变有着明显影响，适宜水胶比时，PVA-ECC能够完全实现多点开裂(如图6所示)，极限拉应变可稳定达到3.0%以上，最高可达5.7%。

55%粉煤灰掺量时，不同石英砂粒径下水胶比对PVA-ECC试件拉伸应力、抗压强度、抗折强度影响试验结果分别如图7—9所示。数据显示PVA-ECC的水胶比与拉伸应力、抗压强度、抗折强度呈负相关关系。3组试验中，0.30、0.35、0.40、0.45水胶比拉伸应力平均值分别为3.35、2.94、2.66、2.06MPa，抗压强度平均值分别为39.4、27.9、19.4、15.5MPa，抗折强度平均值分别为17.4、14.7、13.2、11.7MPa。与0.30水胶比相比，0.35、0.40、0.45水胶比拉伸应力分别降低了12.3%、20.7%、38.6%，抗压强度分别降低了29.1%、50.8%、60.7%，抗折强度分别降低了15.3%、24.0%、32.7%。抗折强度降低幅度明显低于抗压强度，由于纤维及增稠剂的掺入均会增加基体的含气量，致使基体抗压强度显著降低，而对抗折强度的影响甚微。此外，PVA纤维可显著提高材料的抗折强度，与普通水泥砂浆相比，PVA-ECC的抗折强度较高，抗压强度相对偏低。粉煤灰掺量为45%时，拉伸应力、抗压强度、抗折强度随水胶比的变化规律相同，但与55%粉煤灰掺量相比其力学性能均提高约10%～20%。

随机抽取普通外科2016年1—10月进行Ⅰ类清洁手术切口预防性使用抗菌药物的综合管控干预的Ⅰ类手术患者139例为干预组。其中，甲状腺手术44例，乳腺手术48例，疝修补术47例。男57例，女82例，年龄27～65岁，平均年龄（46.25±19.43）。

图5 不同水胶比应力-应变曲线(石英砂：40～70∶50%，80～120∶50%)

图6 PVA-ECC试件多点开裂现象

图7 水胶比对拉伸应力的影响

图8 水胶比对抗压强度的影响

图9 水胶比对抗折强度的影响

4 结论

本文成功配制出具有超高韧性的PVA纤维增强水泥基复合材料，能够完全实现材料的多点开裂，极限拉应变可稳定达到3.0%以上，最高可达5.7%。因此，它在提高结构的延性、耐磨性、耐久性等方面均有显著效果，在土木工程应用中有着潜在的发展空间，特别是作为修补材料可对混凝土表面的剥蚀脱落进行修复和翻新。ECC的发展对节约能源、减少污染、保护环境和实现水泥混凝土工业可持续发展有着重大的意义。但目前由于日本产PVA纤维价格昂贵，且PVA-ECC干缩较大，实际工程应用中受到一定限制，能否提高国产PVA纤维性能、并得到体积稳定的具有超高韧性和应变硬化的PVA-ECC还有待于继续研究。