鄭銀林，馬鋒玲，劉艷霞

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 研究背景

水泥基體材料屬脆性材料，抗拉強(qiáng)度很低，在結(jié)構(gòu)中的使用受到了限制，可以通過摻加纖維以增加水泥基材料的韌性，傳統(tǒng)的纖維混凝土FRC在一定程度上減輕了這種脆性，但還是出現(xiàn)張拉軟化特性。ECC（Engineered Cementitious Composites）砂漿是一種具有超高韌性的水泥基復(fù)合材料，通常是以水泥、礦物摻合料以及平均粒徑不大于0.15mm的石英砂作為基體，纖維做增強(qiáng)材料，在纖維體積摻量不大于2%的情況下，極限拉應(yīng)變通?？蛇_(dá)到3%以上。ECC砂漿在拉伸荷載作用下可產(chǎn)生多條細(xì)密裂縫，破壞時(shí)呈現(xiàn)多縫開裂現(xiàn)象并具有顯著的應(yīng)變硬化特征[1]。

聚乙烯醇（PVA）纖維具有分散性好、密度小、與水泥黏結(jié)性好、親水和無毒等特點(diǎn)，其抗拉強(qiáng)度和彈性模量都較高，是一種較好的增強(qiáng)、增韌材料。PVA-ECC的特點(diǎn)就是超高韌性，能提高水泥基材料的延性、抗沖擊性、抗震和抗變形等方面的性能[2]，這使得PVA-ECC在抗裂結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)修復(fù)等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

增稠劑作為一種以增稠和保水作用來防止水泥砂漿離析及泌水的外加劑，用在配制PVA-ECC中，能夠增加砂漿的黏聚性，減少砂漿組分的離析及泌水，改善纖維分散性能，提高材料勻質(zhì)性和硬化性能。增稠劑種類繁多，已有學(xué)者對增稠劑的種類和摻量進(jìn)行了研究[3]。本文在前期優(yōu)選試驗(yàn)基礎(chǔ)上選擇適用于干混水泥砂漿中的甲基羥丙基纖維素醚增稠劑，研究增稠劑摻量對PVA-ECC工作性的改善和力學(xué)變形性能的影響。

2 試驗(yàn)材料與配合比

2.1 材料水泥為北京太行前景水泥有限公司的42.5普通硅酸鹽水泥；河砂為粒徑為70-140目水洗河砂，表觀密度為2.62g/cm3；粉煤灰為宣威電廠Ⅰ級粉煤灰；纖維為日本尤尼吉可公司PVA纖維，密度1.3g/cm3，長度12mm，伸長率5.5%，抗拉強(qiáng)度1 510MPa，彈性模量34.3GPa；增稠劑為甲基羥丙基纖維素醚。

2.2 配合比試驗(yàn)水膠比為0.4，纖維體積摻量為1%，增稠劑摻量按所占膠凝材料質(zhì)量的百分比選取，共7組。試驗(yàn)配合比見表1。

表1 試驗(yàn)配合比

3 試件制作與試驗(yàn)方法

PVA-ECC采用行星式砂漿攪拌機(jī)拌和。試驗(yàn)時(shí)先將稱量好的砂子、水泥和粉煤灰人工攪拌1min，再使用攪拌機(jī)加水?dāng)嚢瑁?min后加入增稠劑再攪拌3min，然后用手慢慢向旋轉(zhuǎn)的攪拌桶中加入PVA纖維，攪拌6min，直到纖維均勻分散。試驗(yàn)證明，這種攪拌方式有利于纖維在砂漿中均勻分散。試件成型后2d脫模，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室水中養(yǎng)護(hù)至28d試驗(yàn)齡期。

軸向拉伸試驗(yàn)在CMT5504型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用0.15mm/min的等位移拉伸控制加載速度，荷載傳感器測量范圍為0～5kN，試件變形位移傳感器最大量程為9mm。拉伸強(qiáng)度試件采用啞鈴形，試件尺寸如圖1所示，直線段長100mm，寬度為25mm，厚度為25mm。每組試件共成型6條，由于偏心會(huì)造成試件在標(biāo)距以外斷裂，且試驗(yàn)離散性較大。因此，試驗(yàn)結(jié)果處理時(shí)每組試件均選取試驗(yàn)效果較好的3條試件，取其試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行相對比較。

抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》GB/T17671-1999 idt ISO 679：1989進(jìn)行，試件尺寸為40mm×40mm×160mm。

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 PVA-ECC的工作性表2為PVA-ECC的工作性試驗(yàn)結(jié)果。由表2可知，不摻加增稠劑的PVA-ECC拌和后黏聚性較差，有泌水現(xiàn)象，纖維較難分散，并有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，工作性較差。隨著增稠劑摻量的增加，PVA-ECC纖維分散均勻性有了很大改善，砂漿黏聚性變好，無泌水，纖維分散均勻不結(jié)團(tuán)，工作性好。當(dāng)增稠劑摻量超過0.20%時(shí)，漿體黏聚性過大，工作性變差。

表2 PVA-ECC的工作性能試驗(yàn)結(jié)果

纖維素醚類增稠劑在水中溶解時(shí)，其長鏈上的羥基和醚鍵上的氧原子與水分子締合成氫鍵，使水失去流動(dòng)性，游離水不再“自由”，致使溶液變稠?？炕瘜W(xué)鍵的相互結(jié)合，使水失去流動(dòng)性，增加了保水性[4]。因此，摻加增稠劑可以增加PVA-ECC的保水作用以防止泌水的發(fā)生，并能增強(qiáng)漿體的黏聚性。這一理論在試驗(yàn)中得到充分驗(yàn)證。

4.2 PVA-ECC的拉伸性能PVA-ECC的拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。圖2為不同增稠劑摻量下PVA-ECC的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。表中軸拉強(qiáng)度是指在軸向拉伸作用下所能達(dá)到的最大應(yīng)力。由表3可知，未摻增稠劑編號為CF-0的PVA-ECC雖然軸拉強(qiáng)度最大，但由于漿體黏聚性較差，纖維分散不均勻，其極限拉伸最低；隨著增稠劑摻量的增加，漿體黏聚性及纖維分散性明顯改善，PVA-ECC的極限拉伸逐漸增大，增稠劑摻量為0.15%時(shí)，PVA-ECC的極限拉伸最高，為2.47；繼續(xù)增加增稠劑的摻量，PVA-ECC的極限拉伸有所降低?？梢?，在PVA摻量為1%的情況下，增稠劑摻量為0.10%～0.15%，PVA-ECC既具有較高的軸拉強(qiáng)度也具有較高的極限拉伸能力。

表3 PVA-ECC的拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

4.3 PVA-ECC抗壓強(qiáng)度圖3為增稠劑摻量對抗壓強(qiáng)度影響的關(guān)系曲線。圖3表明，編號CF-0的PVA-ECC抗壓強(qiáng)度最高，為29.0MPa，隨著增稠劑摻量的增大，抗壓強(qiáng)度呈逐漸下降趨勢，增稠劑摻量由0增加到0.10%時(shí)，強(qiáng)度下降較明顯；之后隨著摻量的繼續(xù)增加，強(qiáng)度下降緩慢，CF-3.0的抗壓強(qiáng)度最低，為19.3MPa。圖4為增稠劑摻量對容重影響的關(guān)系曲線。隨著增稠劑摻量的增加，PVA-ECC含氣量增加、容重減小，容重變化趨勢與抗壓強(qiáng)度一致。由此表明，增稠劑摻量的增加，使PVA-ECC含氣量不斷增大，進(jìn)而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的不斷下降。

4.4 PVA-ECC抗折強(qiáng)度圖5為增稠劑摻量對抗折強(qiáng)度影響的關(guān)系曲線。由圖4可見，PVA-ECC抗折強(qiáng)度均在10.4～12.2MPa之間，雖然增稠劑摻量不同抗折強(qiáng)度有一定波動(dòng)，但波動(dòng)范圍不大（小于10%）。可見，與抗壓強(qiáng)度不同，增稠劑對PVA-ECC的抗折強(qiáng)度影響不大。

5 結(jié)論

（1）當(dāng)不摻增稠劑或增稠劑摻量較小時(shí)，PVA-ECC黏聚性較差，不利于纖維均勻分散；當(dāng)增稠劑摻量超過0.20%時(shí)，PVA-ECC黏聚性過大，工作性降低。因此，適合的增稠劑摻量對ECC工作性非常重要；（2）PVA-ECC中摻入增稠劑，使PVA-ECC含氣量增大，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降。增稠劑對PVA-ECC的抗折強(qiáng)度影響不大；（3）PVA體積摻量1%情況下，增稠劑摻量為0.10%～0.15%時(shí)，PVA-ECC既具有較高的軸拉強(qiáng)度也具有較高的極限拉伸能力，能夠較明顯的改善PVA-ECC的工作性和力學(xué)變形性能。

圖2 不同配合比的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 增稠劑摻量與抗折強(qiáng)度關(guān)系

[1]丁一，陳小兵，李榮.ECC材料的研究進(jìn)展與應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)，2007，37（增刊）：378-382.

[2]徐至鈞.纖維混凝土技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[3]張帥.增稠劑在PVA超高韌性水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.

[4]張帥，張英華.增稠劑對超高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料性能的影響[J].混凝土與水泥制品，2008，1（2）：34-37.