华北水利水电大学乌拉尔学院2016级土木工程 河南 郑州 450000
摘要：纤维增强水泥基复合材料ECC可以提高水泥板的抗折、抗裂、抗拉等力学性能。本文从高韧性纤维增强水泥基复合材料的研究背景、国内外研究现状和具体的研究内容，以实验为基础，对实验结果分析得出了结论，同时对高韧性纤维水泥基板的创新应用提出了新的构想。
一、研究背景
现代土木工程中结构性能降低到最终退出工作与混凝土材料的裂缝和其脆性特征有着密切的关系。混凝土的极限拉应变为0.033%, 混凝土的裂缝的产生不仅降低混凝土结构的承载能力和结构的正常使用状态, 更为严重的是影响混凝土结构的耐久性，使得结构未能达到正常使用年限而发生破坏。例如混凝土梁的破坏均由裂缝的产生再到裂缝贯通截面发生破坏，我们认为传统混凝土材料为脆性材料，其抗压能力远大于抗拉能力即在裂缝界面处由于混凝土开裂，裂缝处抗拉能力失效主要依靠钢筋承受拉力。
为了改善混凝土材料的脆性和应变软化性能，研究者们从微关材料组成中作为研究的突破口，研究分析得出了当前基于细观力学设计的高韧性纤维增强水泥基复合材料 (Engineered Cementitious Composite, ECC) 是较为成功的具有应变硬化特性的水泥基材料之一。
二、国内外研究现状和发展动态
自从混凝土结构问世100多年以来，在建筑工业化及施工技术不断改进的道路中，对于建筑模板研发了许多新技术，开发了许多的新产品。如塑性模壳、压型钢板、定型小钢模板、钢筋桁架楼承板、空心楼盖芯模技术、预制混凝土叠合楼板技术等。压型钢板是利用钢结构为基础开发的免拆模板，钢筋桁架结构楼承板的技术是在以压型钢板为基础上，将结构用钢筋制作成钢筋桁架并在其底面焊上薄钢板，钢筋桁架不仅可以既承受施工荷载，同时也可作为结构配筋，极大地简化了施工工艺，实现了免拆模技艺，并节省模板支架，为工程节约了时间缩短了工期，降低了成本。
我国的纤维水泥的研究是在20世纪80年代中期开始发展起来的，纤维水泥板具有高强度、防水性、防潮性、抗冻性、防腐蚀性、稳定性、再加工方便性等优点为一体且纤维水泥板为一种高强轻质，低导热系数、优良的耐候性和清水质朴混凝土外观效果的A级不燃建筑材料，在建筑工程中逐渐得到运用和受到青睐。当前，纤维水泥板主要应用于建筑幕墙材料与一些钢结构建筑和教低的建筑中，随着建筑物高度的增加，风载对建筑材料影响极大，如果应用纤维水泥板为幕墙材料抵抗风荷载的对应厚度要求过高，龙骨排布以及固定方式等都会发生极大改变，使得建筑物自重增加。
工程中的水泥基复合材料（Engineered cemcentitious composite，ECC）作为一种性能极佳的纤维增强水泥基复合材料，近些年来受到了土木工程界人士的广泛关注并研究其性能特征，它是最早由Li等提出的基于细观力学设计的一种具有超强韧性乱向分布的纤维增强水泥基复合材料。
其中国外研究者首先对PVA-ECC研究采用四点弯曲试验方法，以304mm*76.2mm*12.2mm的PVA-ECC试件为实验的尺寸，其它的最大挠度为22mm，大约为混凝土最大挠度的40倍，变化过程有明显的应变-硬化特征。
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三、研究内容及方法
纤维增强水泥基复合材料ECC，通常研究者会以无毒性且高弹模、无害的聚乙烯醇( Polyvinyl Alcohol，简称 PVA) 纤维作为它的增强材料。采用PVA－ECC材料作为水泥板的材料，对不同纤维掺量下的纤维水泥板进行力学分析试验，测定不同掺量下纤维水泥板的抗折强度、抗压强度、弹性模量等力学性能特征，获取最佳纤维掺和下数值，确保以满足模板侧压力的需要的最佳值，同时研究结果也可为后续有限元计算提供参数支持。
实验内容
1.制作PVA-ECC水泥板，使用混个凝土搅拌机搅拌，按事先计算和称量好的减水剂放入水中溶解。将实验所用的砂子、粉煤灰、水泥倒入搅拌桶内干拌均匀后加入含有减水剂的水搅拌，依据着搅拌桶搅拌旋转的方向加入PVA纤维掺和料后慢慢搅拌使其与其他材料混合均匀。试样浇筑模板成型，在振动台震动，浇筑24小时后拆模，放入水箱中常温下养护28天，采用对比实验方法按上述方法制作不掺和PVA的水泥板。（参照《纤维水泥制品试验方法》GB/T 7019-1997规范进行养护）
2.按照《混凝土结构工程及施工质量验收规范》GB50204-2015进行构建侧压力实验，包括测定不同掺量下纤维水泥板的抗折强度、抗压强度、弹性模量、极限抗拉应变等力学指标。
3.实际测量数据与设计值和不参加PNA-ECC材料的水泥板进行比较，分析实验结果和误差对与实验的影响，做出荷载-变形曲线，得出实验结论，也就是最佳的PVA的掺和量。
四、实验结论
1.掺和PVA-ECC材料可以显著提升水泥板的抗折强度，但对于水泥板的抗压强度无显著变化，即不能提高抗压强度。
2.采用恰当的配合比，减少一定的粉煤灰用量和减水剂，适当增加水泥的含量能够提升水泥板的抗压强度。
3. PVA－ECC材料具有较高的延性和裂缝控制能力，掺入适当的PVA-ECC材料后水泥板的裂缝减少同时产生裂缝的荷载强度得到了提高，延性得到了一定的提升。
4. PVA-ECC为材料的高纤维韧性水泥板在适当配合比情况下，试样水泥板在拉伸荷载下的应变硬化和实现多点开裂, PVA-ECC材料极限抗拉应变与普通水泥基材料相比得到了较为大幅度的提升，即PVA-ECC材料可以提高极限抗拉性能。
五、创新应用
PVA-ECC做为建筑模板的应用在当今工程中较少，本项目针对目前装配式建筑的国家给大力推广，提出了采用PVA-ECC材料作为免拆模板，可进一步加快施工速度，降低施工成本提高抗折强度等诸多优点。且满足现场施工中，混凝土浇筑时对模板产生的侧压力，本项目通过试验和理论分析，研究不同掺和量下PVA-ECC材料水泥板的力学性能，对未来施工和后期有限元计算具有指导意义。
参考文献
[1]王海超,张玲玲,高淑玲,顾士文,陈庆.PVA纤维对超高韧性纤维增强水泥基复合材料力学性能的影响[J].混凝土,2013(04):4-7+14.
[2]公成旭,张君.高韧性纤维增强水泥基复合材料的抗拉性能[J].水利学报,2008(03):361-366.
作者简介
王耘梓 1998.05.16 男 山东省费县 本科 华北水利水电大学乌拉尔学院2016级土木工程。
论文作者:王耘梓
论文发表刊物:《防护工程》2019年第2期
论文发表时间:2019/5/13
标签：水泥板论文; 纤维论文; 材料论文; 水泥论文; 混凝土论文; 复合材料论文; 裂缝论文; 《防护工程》2019年第2期论文;