粉煤灰PVA-ECC的配制及其疊合梁研發(fā)與應(yīng)用

夏月亮 張大棟 徐耀祖 胡青云

（中國(guó)建筑第八工程局有限公司 北京 100000）

1 ECC研究的背景、應(yīng)用及意義

工程水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composite，簡(jiǎn)稱ECC）是一種具有超強(qiáng)韌性的亂向分布短纖維水泥基復(fù)合材料，與普通纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料不同，纖維通過(guò)橋聯(lián)作用約束混凝土中裂縫的發(fā)展，提高材料抵制裂縫的能力，從而提高混凝土的承載能力和變形能力，PVA纖維是一種高強(qiáng)高彈模的合成纖維，具有良好的親水性、纖維表面能夠吸附少量自由水，與水泥基體的黏結(jié)性能較好。由于PVA纖維本身具備較高的強(qiáng)度和彈性模量，它不但能夠有效抑制混凝土早期塑性裂縫，而且可以提高混凝土的韌性，ECC極高的延性是在纖維摻量極低的情況下（一般纖維體積摻量為2.0%以下），通過(guò)多裂縫的平穩(wěn)展開(kāi)而實(shí)現(xiàn)的，其應(yīng)變能力是普通混凝土的幾百倍。

1.1 國(guó)內(nèi)ECC研究

（1）隨著粉煤灰摻量的增大，基體的初始開(kāi)裂荷載隨著降低，28d時(shí)摻80%粉煤灰ECC初始開(kāi)裂荷載比摻60%的初始開(kāi)裂荷載降低了約70N。

（2）摻粉煤灰的跨中撓度變化范圍在15～28mm，隨著粉煤灰摻量的增大，ECC的跨中撓度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

（3）隨著粉煤灰摻量的增大抗壓、抗折強(qiáng)度不斷的降低。

（4）隨著粉煤灰摻量的增大，ECC的裂縫寬度在不斷的減小。摻60%粉煤灰的ECC裂縫平均寬度為25μm，摻80%粉煤灰的ECC平均裂縫寬度為40mm。

1.2 國(guó)內(nèi)外ECC研究的對(duì)比

對(duì)比國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)配制出的工程水泥基復(fù)合材料與美國(guó)、日本等為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家配制的工程水泥基復(fù)合材料材料自身存在明顯差異。

1.3 ECC在工程中的應(yīng)用

ECC具有韌性強(qiáng)以及多裂縫開(kāi)展的特性，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，ECC已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向了實(shí)際工程中，尤其在美國(guó)和日本等國(guó)家應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。

1.3.1 在建筑結(jié)構(gòu)抗震中的應(yīng)用

ECC具有高效的能量吸收性能，將其應(yīng)用于建筑物的梁、柱與墻可使結(jié)構(gòu)提高抗震性能，日本橫濱的建筑在高150m的鋼筋混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)，該工程采用了預(yù)制連梁。

1.3.2 在橋梁中的應(yīng)用

2005年ACE-MBL研究小組對(duì)密歇根的一座公路橋面進(jìn)行了修復(fù)，采用ECC連接板替代原有的伸縮裝置。承擔(dān)溫度、和荷載等因素引起的變形，提高了耐久性。

2 ECC的配制技術(shù)路線以及試驗(yàn)方案

2.1 纖維處理

給纖維涂油是為了降低纖維與基體的黏結(jié)強(qiáng)度，ShunxinWang和Revlond研究發(fā)現(xiàn)，而當(dāng)涂1.2%的油時(shí)效果最好。不同油纖維在試件開(kāi)裂后發(fā)生了抽絲拔斷的現(xiàn)像涂油之后。

2.2 外加劑的選用及目的

（1）減水劑可以增加基體的工作性能和塑性粘度。

（2）消泡劑改善基體孔結(jié)構(gòu)、獨(dú)立封閉孔，同時(shí)減少空隙率。

（3）增稠劑促進(jìn)纖維在基體中均勻分布，防止纖維結(jié)團(tuán)。

3 粉煤灰摻量對(duì)ECC基本力學(xué)性能的研究

3.1 粉煤灰摻量對(duì)PVA-ECC抗彎性能的影響

以下研究了纖維摻量為1%，齡期為7d時(shí)的彎矩與撓度的關(guān)系。

齡期為7d時(shí)；在纖維體積摻量為1%，粉煤灰摻量為55%時(shí)，試件的開(kāi)裂彎矩為0.007kN·m，當(dāng)粉煤灰摻量為69%時(shí)，薄板的開(kāi)裂彎矩達(dá)到0.01kN·m，粉煤灰摻量為80%時(shí)，薄板的開(kāi)裂彎矩可以達(dá)到0.015kN·m。粉煤灰摻量為69%的彎矩比55%提高了42.8%，80%時(shí)比55%提高了1.14倍。由此可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，PVA-ECC的開(kāi)裂彎矩在逐漸的增大。表現(xiàn)出了很好的抗彎性能，但是粉煤灰摻量增大會(huì)降低基體的強(qiáng)度，另外，粉煤灰摻量增大，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加均勻，從而改善了纖維與基體界面的過(guò)渡區(qū)，減少了內(nèi)部缺陷，使得纖維在基體內(nèi)雜亂分布承擔(dān)的應(yīng)力增加。

3.2 粉煤灰摻量對(duì)PVA-ECC薄板初始開(kāi)裂荷載和峰值荷載的影響

3.2.1 粉煤灰摻量對(duì)試件初始開(kāi)裂荷載的影響

加大粉煤灰在基體中的用量，會(huì)使得試件的初始開(kāi)裂荷載降低。這是因?yàn)殡S著粉煤灰摻量的增大會(huì)使得基體的強(qiáng)度降低，承載力降低，導(dǎo)致初始開(kāi)裂荷載降低。但是在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，雖然粉煤摻量越大，初始開(kāi)裂荷載越小，但是試件破壞呈現(xiàn)多裂縫開(kāi)展?fàn)顟B(tài)，而且裂縫的數(shù)量也在增多，裂縫的間距在變小，說(shuō)明隨著粉煤灰摻量的增大，基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加均勻。

3.2.2 粉煤灰摻量對(duì)試件峰值荷載的影響

粉煤灰摻量越大，對(duì)試件的破壞時(shí)的峰值荷載影響越大，這也許是因?yàn)榉勖夯覔搅吭酱?，試件的?qiáng)度就會(huì)降低，承載力就會(huì)降低。在荷載降低時(shí)就可以達(dá)到破壞的狀態(tài)。

3.3 粉煤灰摻量對(duì)PVA-ECC薄板抗折強(qiáng)度的影響

不同摻量的粉煤灰替代水泥后，試件的抗折強(qiáng)度變化。當(dāng)PVA纖維固定在2%時(shí)，向基體中摻入69%的粉煤灰時(shí)，抗折強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的下降，80%時(shí)進(jìn)一步下降。由此可見(jiàn)，隨著粉煤

4 展望

PVA-ECC復(fù)合材料廣泛的應(yīng)用于跨海大橋、港口、大壩、飛機(jī)場(chǎng)跑道和工程結(jié)構(gòu)的防裂、抗震以及耐久性研究，可以使其大型的基礎(chǔ)設(shè)施鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命得到顯著的提高，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)可以產(chǎn)生較大的價(jià)值，對(duì)于環(huán)境保護(hù)減少二氧化碳的排放有著重要的意義，在不就的將來(lái)隨著PVA-ECC在工程中的應(yīng)用，產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益將不可估量。