PVA纖維對混凝土抗裂與增韌效應(yīng)影響的研究進展

郭麗萍，陳 波，楊亞男

(1．東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 211189;2．江蘇省土木工程材料重點實驗室，江蘇南京 211189;3．南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京 210029)

聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)纖維作為一種高抗拉強度和高彈性模量的新型合成纖維，在提高混凝土的抗裂性能與彎曲韌性方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

在大型水利水電工程、橋梁、鐵路、港口碼頭、高層建筑、地鐵及隧道工程建設(shè)中，越來越多的用到高強高性能混凝土。使用高強高性能混凝土可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高空間利用率，加快施工速度，但高性能混凝土的收縮和脆性卻制約著其應(yīng)用和發(fā)展。混凝土強度越高，混凝土的拉壓比越低，混凝土越脆，越易開裂，因此，對提升混凝土的抗裂性與彎曲韌性提出了更高的要求。PVA纖維是實現(xiàn)工程水泥基材料(ECC)超高延性的關(guān)鍵材料［1-3］，但是，在摻加高強度高彈性模量的PVA纖維來提高混凝土的抗裂性能與彎曲韌性的試驗研究與工程應(yīng)用方面，目前還缺少系統(tǒng)的研究。本文綜述了近年來PVA纖維對混凝土抗裂與增韌效應(yīng)影響方面的研究進展，并對進一步研究的方向作了展望。

1 PVA纖維的性能及特點

用于混凝土抗裂，常用的是當(dāng)量直徑5～20 μm、拉伸強度約為1100MPa、彈性模量小于35GPa的中等強度和模量的超細短切PVA纖維，也可以使用高強度高彈性模量的短切PVA纖維。高強度高彈性模量的PVA纖維具有與鋼筋一樣高的抗拉強度，其彈性模量大于或等于35 GPa，跟混凝土的彈性模量比較接近，可顯著提升混凝土韌性或延性。PVA纖維在混凝土中分散均勻、亂向分布、相互搭接成立體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在混凝土中起到提高抗裂性、增強韌性的作用，從而提高混凝土的整體質(zhì)量及耐久性。PVA纖維摻入混凝土后與混凝土中的任何材料都不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，PVA纖維在混凝土中所發(fā)揮的抗裂增韌等作用是純物理性的，是一種能提高混凝土抗裂性與韌性的新型材料。

PVA纖維在混凝土中的均勻分散程度，是發(fā)揮其在混凝土中抗裂及增韌效應(yīng)的重要前提。對于高摻量PVA纖維混凝土而言，PVA纖維均勻分散特性對于混凝土抗裂增韌效應(yīng)的影響更加顯著。張麗輝等［3-4］在相關(guān)研究中采用高強度高彈性模量短切PVA纖維，當(dāng)纖維體積摻量提高到2%時，仍能保證纖維的均勻分散，且對混凝土抗裂性與韌性有顯著提升效果。但是對于高摻量的中等強度和彈性模量超細短切PVA纖維混凝土，在實際使用時，容易出現(xiàn)纖維在混凝土中結(jié)團或分散不均勻的情況，需要通過優(yōu)化新拌混凝土塑性黏度和改善PVA纖維表面親水性等措施來提高超細PVA纖維在混凝土中的均勻性分散特性，從而保證其對混凝土抗裂性能作用的發(fā)揮。

2 PVA纖維在國內(nèi)抗裂混凝土中的試驗研究與工程應(yīng)用

目前在我國大型水利水電及水運工程中已經(jīng)開展了采用PVA纖維來提高混凝土抗裂性的試驗研究并在工程中得到應(yīng)用。

計濤等［5］結(jié)合某水電工程抗沖磨混凝土的抗裂要求，研究了PVA纖維增強抗沖磨混凝土的變形性能、抗裂性能，試驗結(jié)果表明:當(dāng)PVA纖維摻量為0.9 kg/m3時，混凝土的28d、90d和180d極限拉伸值分別增大了10%、11%和4%。PVA纖維對混凝土塑性階段的抗裂性能提高明顯，對混凝土早期干縮有一定的抑制效果，但是摻PVA纖維混凝土后期的干縮值略有增加。

李光偉等［6］結(jié)合錦屏一級和溪洛渡水電站拱壩C18040混凝土開展了PVA纖維混凝土體積穩(wěn)定性試驗，結(jié)果表明:在高拱壩混凝土中摻入0.9 kg/m3的PVA纖維，可以有效降低拱壩混凝土的彈性模量，提高拱壩混凝土的極限拉伸值，減少拱壩混凝土的收縮變形，提高拱壩混凝土的抗裂性能。

改性PVA纖維在溪洛渡水電站大壩強約束區(qū)、長間歇等施工部位得到了成功應(yīng)用，累計澆筑改性PVA纖維混凝土超過50萬m3;現(xiàn)場檢測試驗結(jié)果表明，摻改性 PVA 纖維混凝土 7 d、28 d、90 d、180 d極限拉伸值分別提高 17.5%、11.9%、7.1%和4.8%，且尚未發(fā)現(xiàn)裂縫［7-8］。

金沙江向家壩水電站為防止長間歇面發(fā)生裂縫的風(fēng)險，除采用常規(guī)的溫控措施外，在收倉前澆筑了摻0.9 kg/m3改性PVA纖維的常態(tài)混凝土(厚度為0.5 m)和碾壓混凝土(厚度0.6 m)，以提高混凝土的抗拉強度和極限拉伸值［9］。試驗結(jié)果顯示，改性PVA纖維混凝土較不摻纖維的混凝土抗拉強度和極限拉伸值均有所提高，干縮率降低，且不影響混凝土自生體積變形;也有部分試驗結(jié)果顯示，摻PVA纖維混凝土的自生體積變形有減小的趨勢。從施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)來看，摻改性PVA纖維混凝土較不摻纖維混凝土長間歇面的裂縫明顯減少，甚至基本沒有裂縫;摻改性PVA纖維混凝土能夠改善碾壓混凝土層面的結(jié)合質(zhì)量，在早期及中后期有利于大壩混凝土的抗裂。

在水運工程也有應(yīng)用的案例，如在京杭運河擴容工程皂河三線船閘工程中，為了提高混凝土的抗裂性能，澆筑了PVA纖維體積摻量為1%(在混凝土配合比中，PVA纖維的用量為12 kg/m3)的C25混凝土試驗段［10］。

表1為在不同工程中混凝土的強度等級、PVA纖維摻量及纖維的性能參數(shù)。從表1可以看出，為了盡可能地提高混凝土的抗裂性能，PVA的最優(yōu)摻量的確定，仍需要進一步研究。在目前的水利水電工程中，采用PVA纖維提高混凝土的抗裂性時，不管是常態(tài)混凝土、泵送混凝土，還是碾壓混凝土，都采用的是0.9kg/m3的摻量，這是參照聚丙烯纖維的常用摻量而定的。聚丙烯纖維的密度是0.9g/cm3，按照0.1%體積摻量折算，得出在混凝土中的質(zhì)量摻量為0.9 kg/m3;而PVA纖維的密度為1.3 g/cm3，采用與聚丙烯纖維同樣的質(zhì)量摻量，其合理性值得商榷。Noushini等［11］在混凝土中摻入體積摻量分別為0.125%、0.25%、0.375%和0.5%的表面未經(jīng)處理的PVA纖維，進行混凝土的干燥收縮試驗，結(jié)果表明，不論是0～7 d還是28～112 d，摻入PVA纖維的混凝土干縮比基準(zhǔn)混凝土平均高5% ～10%，這表明在0.125% ～0.5%摻量區(qū)間，摻量對干縮的影響不明顯;而在皂河三線船閘混凝土試驗段中，同樣是為了達到提高混凝土抗裂性的目的，采用了1%的體積摻量。

表1 PVA纖維在混凝土抗裂中的應(yīng)用實例

在以往的關(guān)于PVA纖維在抗裂混凝土的相關(guān)工程應(yīng)用研究中，更多的是從塑性收縮、干縮、自生體積變形、極限拉伸值、彈性模量等宏觀性能上研究PVA纖維對混凝土抗裂性能的改善效果，表1所列出的纖維長度、當(dāng)量直徑、彈性模量等基本性能參數(shù)對混凝土抗裂性能的影響卻研究較少，而PVA纖維本身的性能對混凝土抗裂性能影響的微觀機理和基礎(chǔ)理論也沒有得到足夠的關(guān)注。

3 PVA纖維在增韌混凝土中的試驗研究

近年來，國內(nèi)外逐漸開展了采用PVA纖維提高混凝土材料韌性的研究。

鄧宗才等［12］對水膠比0.38、抗彎強度為5.82～7.02 MPa的PVA纖維混凝土的彎曲韌性進行了研究，按照 ASTM C1018—1997《Standard test method for flexural toughness and first-crack strength of fiberreinforced concrete (using beam with third-point loading)》測定了不同PVA纖維摻量混凝土梁的荷載-撓度全曲線。PVA纖維體積摻量為0.06%、0.076%、0.10%時，韌性指數(shù)I5分別是不摻PVA纖維基準(zhǔn)混凝土的3.89、3.82和4.24倍，I10分別是基準(zhǔn)混凝土的5.33、6.08和7.29倍，I30分別是基準(zhǔn)混凝土的8.91、8.98和9.83倍，摻入PVA纖維以后，混凝土在斷裂過程中吸收能量的能力顯著增強。摻加PVA纖維以后，混凝土抗彎強度較基準(zhǔn)混凝土分別提高10%、24%、33%。

Noushini等［13］研究了體積摻量為 0.125%、0.25%和0.5%，抗壓強度為60 MPa左右的混凝土彎曲韌性，0.5%摻量時混凝土韌性改善效果最好。同時，Noushini等［14］還研究了PVA纖維長度分別為6 mm和12 mm、體積摻量均為0.5%的混凝土的荷載-裂縫張開位移(CMOD)關(guān)系，結(jié)果表明，在CMOD為0.5 mm時，摻PVA纖維混凝土的殘余抗彎強度均為基準(zhǔn)混凝土的2倍以上。

在超高強PVA增韌混凝土方面，已針對C110和C100強度等級混凝土開展了相關(guān)研究。

閆長旺等［15］從拉壓比的角度研究了PVA纖維對混凝土韌性的改善效果。在C100混凝土中PVA纖維摻量為0%、0.17%、0.25%、0.34%、0.5%時，超高強混凝土拉壓比為0.0562～0.0661，拉壓比值與未摻PVA纖維的基準(zhǔn)混凝土相比，提高了15.3%～35.6%。

杜修力等［16］按照 ASTM C1018—97對體積摻量為0% ～1.5%、基體強度為110MPa以上的PVA纖維高強混凝土彎曲韌性進行了試驗研究。PVA纖維體積摻量為0.5%、1.0%和1.5%時，混凝土的抗彎強度比基準(zhǔn)混凝土分別增大了35%、28%和273%?；炷翉澢g性試驗表明，在0.5%摻量時，混凝土到達最大荷載時混凝土呈脆性破壞，無法測得荷載-撓度曲線的下降段;摻量提高至1.0%和1.5%時，可以測得完整的荷載-撓度曲線。隨著PVA纖維摻量的提高，混凝土的抗彎韌性得到提高，PVA纖維體積摻量增加到1.5%時，韌性指數(shù)I5、I10、I20分別是基體混凝土的4.49、8.42、14.85倍，較1.0%摻量時分別提高7.5%、10.3%和7.2%。

此外，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件層次開展PVA纖維增強鋼筋混凝土梁抗彎性能的試驗，進行PVA纖維的增韌效果評價的研究也逐漸增多［17-21］。

Hamoush等［17］研究了抗壓強度為33～53MPa、PVA纖維摻量為水泥質(zhì)量3%的鋼筋纖維混凝土在受壓與受拉狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及混凝土在四點彎曲試驗中的荷載-撓度關(guān)系，提出了PVA纖維鋼筋混凝土的荷載-撓度預(yù)測方程。

蘇駿等［18-19］進行了PVA纖維增強鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗，在C30混凝土梁中配置2根受拉縱向鋼筋，PVA纖維體積摻量為1.0%和2.0%。試驗結(jié)果表明，隨PVA纖維含量的增加，初裂荷載和極限承載力都有一定的提高，混凝土的延性得到改善，混凝土由脆性破壞變?yōu)檠有云茐?，混凝土梁呈多縫開裂。林暉［10］試驗結(jié)果也表明，當(dāng)PVA纖維體積摻量大于0.5%時，混凝土出現(xiàn)了雙縫和多縫開裂的特征。

何飛等［20］進行了PVA纖維增強鋼筋混凝土梁抗彎性能四點彎曲試驗，在C40混凝土梁中配置2根受拉鋼筋，PVA纖維體積摻量為 0.05%、0.15%、0.3%、0.5%和1.0%，試驗結(jié)果表明，摻加PVA纖維的混凝土低配筋梁表現(xiàn)出了適筋梁的受彎破壞形式;隨著PVA纖維摻量的提高，混凝土梁吸收能量的能力增強，混凝土裂縫寬度減小、裂縫數(shù)量增多，變形能力增強。

袁勇等［21］以 PVA纖維體積摻量為0.5%和1.0%的鋼筋混凝土梁(混凝土水膠比0.46)為研究對象，其彎曲試驗研究表明，纖維的加入使得鋼筋混凝土梁的受力變形特性有所改變，適用于普通混凝土梁的相關(guān)規(guī)范所給出的開裂荷載、極限荷載、裂縫寬度計算公式不再適用于摻PVA纖維混凝土梁。

表2為相關(guān)試驗的混凝土強度(強度等級)、試件尺寸、配筋及PVA纖維的基本物理力學(xué)性能參數(shù)等信息。從表2可以看出，這些PVA纖維的當(dāng)量直徑較小，抗拉強度和斷裂延伸率均差別很大。隨著生產(chǎn)工藝和技術(shù)的發(fā)展，已研發(fā)出當(dāng)量直徑約為40 μm的高強度高彈性模量PVA纖維，預(yù)計其增韌效果將會與15 μm當(dāng)量直徑的PVA纖維存在一定差異。PVA纖維的物理力學(xué)性能變化對混凝土韌性的影響，目前尚未有系統(tǒng)的研究。

上述研究結(jié)果表明，不論是普通強度的混凝土，還是高強、超高強混凝土，PVA纖維明顯改善了混凝土彎曲韌性，且韌性隨纖維摻量的增加而增大。在普通混凝土中，纖維體積摻量約0.1%時，已經(jīng)能明顯改善混凝土的彎曲韌性，而對高強、超高強混凝土，纖維體積摻量在0.5%時，混凝土仍呈脆性破壞。混凝土強度等級越高，需要更高的摻量來提高混凝土的韌性。在低強度等級混凝土中，PVA纖維表現(xiàn)出拔出破壞模式，在高強、超高強混凝土中，PVA纖維表現(xiàn)出拔斷破壞模式。PVA纖維的摻量、混凝土的強度以及纖維的破壞模式存在一定的相關(guān)關(guān)系。

4 研究展望

a．關(guān)于PVA纖維增韌材料的設(shè)計理論。根據(jù)復(fù)合材料理論，纖維混凝土的性能取決于纖維、基體和界面特性及三者相互之間的關(guān)系。在高延性水泥基復(fù)合材料的研究中，基于細觀力學(xué)的材料設(shè)計理論已基本完善，而在混凝土材料的層次，PVA纖維增強混凝土的材料設(shè)計仍然沿用普通混凝土配合比設(shè)計或鋼纖維混凝土配合比設(shè)計的思路，即采用大量的試配試驗，優(yōu)選出滿足特定性能要求的配合比和纖維摻量，而纖維本身的性能參數(shù)以及纖維與基體的相互作用，在材料設(shè)計中完全被忽略。高抗裂、高韌性的PVA纖維混凝土尚缺少完善的材料設(shè)計理論，需開展PVA纖維的表面特性、強度、彈性模量、當(dāng)量直徑、長徑比、斷裂伸長率等材料性能參數(shù)對混凝土性能的影響，摻PVA纖維混凝土的流變學(xué)特性、纖維與基體的界面特性、親水性PVA纖維對混凝土耐久性的影響等方面的研究，以完善PVA纖維設(shè)計理論。

b．關(guān)于裂縫形成與擴展的機制。PVA纖維混凝土的材料試驗和結(jié)構(gòu)試驗均表明，摻入一定量的PVA纖維以后，混凝土的裂縫寬度、數(shù)量等特征與未摻纖維的混凝土有明顯的差異。目前的研究關(guān)注對宏觀試驗現(xiàn)象的觀察和描述，而在裂縫起裂與擴展的機制、纖維與基體之間的滑移或拔出過程中的能量吸收及耗散、纖維三維分布對裂縫擴展的影響等方面，缺少從微觀到宏觀的多尺度結(jié)構(gòu)、多性能層次的損傷及斷裂機制的研究。

c．關(guān)于 PVA纖維混凝土本構(gòu)方程。盡管Hamoush等［17］提出了PVA纖維混凝土荷載-撓度預(yù)測模型，袁勇等［21］提出了針對特定PVA纖維混凝土的裂縫寬度計算擬合公式，但關(guān)于PVA纖維混凝土本構(gòu)方程的研究仍處于起步階段，對PVA纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程應(yīng)用缺少必要的理論支撐以及行業(yè)規(guī)程和國家標(biāo)準(zhǔn)。尤其需要關(guān)注PVA纖維混凝土在彎曲荷載作用下的荷載-撓度關(guān)系或荷載-CMOD關(guān)系，關(guān)注混凝土裂縫擴展與殘余承載力的關(guān)系，建立彎曲荷載作用下PVA纖維混凝土的本構(gòu)方程，為PVA纖維混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

d．進一步開展高抗裂、高韌性的PVA纖維混凝土基礎(chǔ)研究，這對于發(fā)展新型合成纖維混凝土基礎(chǔ)理論、推動相應(yīng)的工程應(yīng)用技術(shù)提升、維護對抗裂和韌性有較高要求的重大基礎(chǔ)工程混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和服役壽命，都具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

表2 PVA纖維增強鋼筋混凝土構(gòu)件的材料參數(shù)

5 結(jié)語

摻加PVA纖維可有效提高混凝土的抗裂性能，該技術(shù)已經(jīng)在水利水電工程中得到了大量的應(yīng)用。應(yīng)進一步開展不同PVA纖維摻量、不同PVA纖維材料物理力學(xué)性能對不同強度等級的混凝土抗裂與增韌效應(yīng)影響的研究，而PVA纖維混凝土的材料設(shè)計理論、多尺度的裂縫形成與擴展的機制、混凝土本構(gòu)方程等研究亟待開展。

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