聚乙烯醇纖維水泥砂漿加固技術(shù)的研究

王　勃, 魯文清， 周柏成， 宋雨非

(1. 吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院， 吉林長(zhǎng)春 130118；2. 吉林省結(jié)構(gòu)與抗震科技創(chuàng)新中心， 吉林長(zhǎng)春 130118)

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聚乙烯醇纖維水泥砂漿加固技術(shù)的研究

王勃1,2, 魯文清1， 周柏成1， 宋雨非1

(1. 吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院， 吉林長(zhǎng)春 130118；2. 吉林省結(jié)構(gòu)與抗震科技創(chuàng)新中心， 吉林長(zhǎng)春 130118)

聚乙烯醇纖維水泥砂漿(PVA-ECC)材料在國(guó)內(nèi)外尚未廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，但其在加固工程中的應(yīng)用是土木工程研究的一大熱點(diǎn)。近年來(lái)的研究表明，PVA-ECC材料在加固混凝土結(jié)構(gòu)中的效果顯著。文章在前人的基礎(chǔ)上介紹了國(guó)內(nèi)外對(duì)PVA-ECC加固混凝土構(gòu)件的研究現(xiàn)狀，并分析了PVA-ECC加固法的抗彎、抗剪及耐久性能,最后對(duì)PVA-ECC加固混凝土結(jié)構(gòu)的前景做進(jìn)一步展望。

PVA-ECC；結(jié)構(gòu)；加固；抗彎；抗剪；耐久性

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的建筑業(yè)和城市建設(shè)得到迅速的發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用到各種建筑物中。然而在建筑工程施工中，有時(shí)會(huì)因?yàn)橐恍┳匀换蛉藶榈囊蛩貙?dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到使用要求，如果返工將會(huì)浪費(fèi)大量的人力物力，造成巨大損失。從使用條件和成本等各種因素來(lái)考慮，現(xiàn)有的加固方式已經(jīng)滿(mǎn)足不了當(dāng)前所有的建筑結(jié)構(gòu)形式，新型的加固材料和加固形式亟需探索和研究。

1　聚乙烯醇纖維水泥砂漿(PVA-ECC)的性能

PVA-ECC(PVA Engineered Cementitious Composite)是一種具有優(yōu)良抗裂性能和應(yīng)變硬化特性的高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。PVA-ECC與鋼絲網(wǎng)進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)加固，提高結(jié)構(gòu)承載力的主要是鋼絲網(wǎng)，起錨固和保護(hù)作用的主要是聚乙烯醇纖維水泥砂漿。

王海波[1]經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)論，聚乙烯醇纖維的摻入使水泥基復(fù)合材料的阻裂性能得到改善，在高溫、嚴(yán)寒等極端環(huán)境下，依舊能發(fā)揮出很好的抗裂性能，而且在一定的纖維摻量下，砂漿的抗拉強(qiáng)度能顯著提高，砂漿的阻裂性能從而得到提升，并且這種砂漿在抗沖擊性能方面也有顯著提高。

在已有的加固界面粘貼技術(shù)中，國(guó)內(nèi)外大都采用環(huán)氧樹(shù)脂為主劑,而PVA-ECC作為膠凝材料，與基材間有更好的相容性、協(xié)調(diào)性、相互滲透性，并且抗老化、耐火、耐久性更好；加固層厚一般為25 mm左右，結(jié)構(gòu)的重量與截面尺寸幾乎沒(méi)有變化；也不需要復(fù)雜的施工技術(shù)和工藝，與普通鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿加固方式基本相同，施工質(zhì)量易保障，成本比較低。聚乙烯醇纖維水泥砂漿不僅是膠凝材料，還是保護(hù)層材料，無(wú)需另作保護(hù)層。這種加固方法在提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)也增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗凍、抗裂以及耐火性能。

2　聚乙烯醇纖維水泥砂漿加固混凝土結(jié)構(gòu)

2.1PVA-ECC加固法的發(fā)展現(xiàn)狀

大量研究表明，PVA-ECC具有非常高的韌性、彈性、抗裂性以及抗?jié)B性，它與鋼絲網(wǎng)組成的加固結(jié)構(gòu)壁薄、輕質(zhì)、高強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于路橋、涵洞、大型建筑等各種工程以及板條、梁柱、圓筒等各種結(jié)構(gòu)加固。

PVA-ECC加固法的經(jīng)驗(yàn)借鑒于鋼絲網(wǎng)水泥加固，在20世紀(jì)80年代，鋼絲網(wǎng)水泥加固就進(jìn)入了工程領(lǐng)域。隨后PVA-ECC加固法漸漸被工程上重視。PVA-ECC加固法采用的鋼筋為普通Ⅲ級(jí)鋼，纖維水泥砂漿是普通水泥砂漿摻入聚乙烯醇纖維，這種加固法平均每1 m2的成本約是碳纖維的1/10。同時(shí)還能保護(hù)原構(gòu)件，在修補(bǔ)破損時(shí)起到作用。在施工上，PVA-ECC加固法因?yàn)楣に嚭?jiǎn)單、對(duì)施工條件要求比較低，相比其他加固法有比較大的優(yōu)勢(shì)。由于原結(jié)構(gòu)與鋼絲網(wǎng)是通過(guò)纖維砂漿粘結(jié)，出現(xiàn)粘結(jié)滑移的可能性也大大減小。

John等人[2]對(duì)含有普通纖維和微纖維的混雜纖維增強(qiáng)混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)，研究纖維混凝土的工作性能。為了讓摻入混凝土中纖維和混凝土共同工作，將纖維和混凝土按一定比例混合，使其具有良好的和易性。研究該新型材料的力學(xué)性能、抗?jié)B性能以及抗開(kāi)裂性能的試驗(yàn)表明，這種混雜纖維增強(qiáng)的混凝土與普通纖維增強(qiáng)的混凝土相比，具有更高的抗開(kāi)裂能力和強(qiáng)度。

我國(guó)的一些專(zhuān)家在聚乙烯醇纖維結(jié)構(gòu)的研究上也有所建樹(shù)，肖長(zhǎng)發(fā)[3]認(rèn)為高強(qiáng)度聚乙烯醇具有較好的親水性、黏結(jié)性以及抗沖擊性。用高強(qiáng)度聚乙烯醇纖維增強(qiáng)后的混凝土的抗沖擊、抗疲勞及防龜裂性能均有所改善。聚乙烯纖維結(jié)構(gòu)還具有良好的抗腐蝕性能，適用于大型水利工程。

2.2PVA-ECC加固機(jī)理及破壞特征

PVA-ECC加固法主要是在加固構(gòu)件上綁扎鋼絲網(wǎng)，外噴或壓抹聚乙烯醇水泥砂漿，使其與原結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)整體，提高加固構(gòu)件的承載力。通過(guò)鋼絲網(wǎng)增加構(gòu)件的配筋量從而提高構(gòu)件的抗彎、抗剪等性能。根據(jù)所加固構(gòu)件的要求不同，加固方法分為單側(cè)加厚(單包法)、雙側(cè)加厚(雙包法)、三面(U包法)和四面外包(全包法)等。

PVA-ECC加固法的基本原理類(lèi)似于混凝土結(jié)構(gòu)，加固構(gòu)件中鋼絲網(wǎng)的作用等同于鋼筋，纖維水泥砂漿起保護(hù)層和粘結(jié)劑的作用。加固構(gòu)件在受力時(shí)產(chǎn)生的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力通過(guò)粘結(jié)劑傳遞給粘貼的鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)和原構(gòu)件共同承擔(dān)荷載，達(dá)到增加構(gòu)件承載力的目的。對(duì)于單包法，鋼絲網(wǎng)僅僅承擔(dān)拉應(yīng)力，相當(dāng)于受拉鋼筋，對(duì)于全包法，受壓區(qū)鋼絲網(wǎng)承擔(dān)壓應(yīng)力，受拉區(qū)鋼絲網(wǎng)承擔(dān)拉應(yīng)力。

PVA-ECC加固后的混凝土屬于二次受力的受力狀態(tài)，其破壞形式也比較復(fù)雜，其破壞形式有：(1)受壓區(qū)混凝土被壓碎；(2)鋼絲網(wǎng)被拉直，裂縫變大；(3)粘貼的鋼絲網(wǎng)與原構(gòu)件剝離，發(fā)生剝離破壞。其最終的破壞形式還取決于PVA-ECC加固層厚度、原構(gòu)件配筋特征、受力形式等。

2.3PVA-ECC加固結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究

2.3.1PVA-ECC抗彎加固

應(yīng)用聚乙烯醇纖維水泥砂漿進(jìn)行抗彎加固和補(bǔ)強(qiáng)主要利用了這種材料抗拉承載力高的特性 。將PVA-ECC加固層噴射在混凝土構(gòu)件的受拉面 ,使之與混凝土構(gòu)件共同承受荷載 ,以提高構(gòu)件受彎承載力,可以根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)所需加固材料的厚度，讓其達(dá)到不同的加固強(qiáng)度。

卜良桃[4]等人對(duì)6根PVA-ECC加固的鋼筋混凝土足尺梁進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)其中3根進(jìn)行了正截面抗彎試驗(yàn)，另外3根進(jìn)行了正截面抗彎二次試驗(yàn)。通過(guò)與1根未加固但配置相同的足尺梁對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，加固梁的屈服荷載和極限荷載均有大幅度的提高：屈服荷載平均提高60 %，極限荷載平均提高70 %。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象、撓度、鋼筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變等幾個(gè)方面分析得到結(jié)論：用聚乙烯醇纖維水泥加固后的混凝土梁延性有了明顯提高，二次受力加固梁的屈服荷載相對(duì)一次受力加固梁來(lái)說(shuō)提升的幅度較小，極限荷載提高幅度基本相同，相同試驗(yàn)下梁的屈服荷載及極限荷載與鋼筋網(wǎng)間距成反比。

影響PVA-ECC抗彎加固效果的因素主要有：加固層的厚度，復(fù)合砂漿及混凝土的強(qiáng)度，粘結(jié)面的處理情況以及配筋特征。

2.3.2PVA-ECC抗剪加固

利用聚乙烯醇纖維水泥砂漿對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行抗剪加固 ,其受力特征與箍筋類(lèi)似，利用PVA-ECC對(duì)混凝土的約束來(lái)阻止剪切裂縫的開(kāi)裂和發(fā)展。

陳文永[5]分別對(duì)普通鋼筋混凝土梁、碳纖維布加固混凝土梁、纖維網(wǎng)格及聚合砂漿加固鋼筋混凝土梁和纖維網(wǎng)格及ECC加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行受剪試驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果表明纖維網(wǎng)格及ECC組合加固梁擁有更好的抗剪加固性能，在增加延性、抵抗剝離、提高承載力及裂縫控制等方面相比其他體系更加出色。之后，卜良桃[6]對(duì)4根鋼筋混凝土懸臂梁進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，其中兩根作對(duì)比梁，另外兩根采用PVA-ECC鋼筋網(wǎng)加固。加固梁開(kāi)裂荷載得到大幅度提升；加固梁受剪承載力和箍筋屈服荷載也有明顯提高；加固梁開(kāi)裂、屈服和極限荷載提高的幅度與剪跨比成正比。

2.3.3PVA-ECC的耐久性

PVA-ECC加固結(jié)構(gòu)具有良好的耐火性能，這是因?yàn)镻VA纖維會(huì)在高溫下溶解，會(huì)為水蒸氣提供遷移通道，使ECC構(gòu)件中的水蒸氣快速的釋放，延緩了水泥基體的分解和破壞，所以ECC能承受更高的溫度。

美國(guó)的En-Hua Yang博士對(duì)ECC構(gòu)件進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PVA-ECC結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的自愈合能力，這種能力會(huì)提升加固構(gòu)件的耐久性。Patricia Kim Nelson 和Victor C.Li[7]在氣干狀態(tài)下分別對(duì)聚乙烯醇纖維、精制纖維素纖維和聚丙烯纖維增強(qiáng)的水泥復(fù)合材料板進(jìn)行了斷裂韌性測(cè)試，驗(yàn)證纖維水泥基材料的增強(qiáng)效果。研究表明：聚乙烯醇纖維和精制纖維素纖維阻礙了微裂縫的形成，延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)失效的時(shí)間，而聚丙烯纖維效果卻不明顯。

3　結(jié)論

PVA-ECC加固法現(xiàn)在處于研究階段，在工程應(yīng)用中還比較少見(jiàn)。PVA-ECC加固法在諸多方面優(yōu)于傳統(tǒng)加固，在提高承載力、抗裂、抗剝離方面擁有更大的優(yōu)勢(shì)。PVA-ECC不僅彌補(bǔ)了普通混凝土結(jié)構(gòu)破壞時(shí)延性差，抗裂性差的缺點(diǎn)，還彌補(bǔ)了常規(guī)FRP加固時(shí)耐火性差的缺陷。隨著科技的發(fā)展，PVA-ECC材料的價(jià)格也會(huì)更加低廉，這種加固法的價(jià)格優(yōu)勢(shì)相比傳統(tǒng)加固也更加顯著。PVA-ECC的種種優(yōu)勢(shì)表明，對(duì)種加固法的研究會(huì)成為今后工程加固領(lǐng)域的重點(diǎn)。

[1]王海波.聚乙烯醇纖維(維綸)增強(qiáng)砂漿性能的研究 [D].北京工業(yè)大學(xué)，2003.

[2]John S.Lawler,Davide Zampini,and Surendra P.Shah Microfiber and Macrofiber Hybrid Fiber-Reinforced Concrete. Journal of Material in Civil Engineering, 2005, 17(5):595-604.

[3]肖長(zhǎng)發(fā).高強(qiáng)度聚乙烯醇纖維結(jié)構(gòu)與性能研究[J].高科技纖維與應(yīng)用，2005,30(2)，11-17.

[4]卜良桃，萬(wàn)長(zhǎng)勝，尹鵬.PVA-ECC加固RC足尺梁受彎性能試驗(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版，2010,31(1):5-10.

[5]陳文永，陳小兵.纖維網(wǎng)格及ECC材料抗剪性加固性能研究[J].工業(yè)建筑，2009,39(12):118-122.

[6]卜良桃，段文鋒.PVA-ECC抗剪加固帶懸梁RC梁承載力計(jì)算研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015,12(5):1143-1149.

[7]Patricia Kim Nelson, Victor C. Li, and Toshiro Kamada Fracture Toughness of Microfiber Reinforced Cement Composites. Journal of Material in Civil Engineering, 2002, 14(5):384-391.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目[51178206];吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目[20080711];住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技項(xiàng)目[2009-H-11]; 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局重點(diǎn)項(xiàng)目

王勃(1972～)，男，博士研究生，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事復(fù)合材料在土木基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用研究。

TU746.3

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[定稿日期]2016-04-29