聚乙烯醇纤维水泥砂浆加固技术的研究

王　勃, 鲁文清， 周柏成， 宋雨非

(1. 吉林建筑大学土木工程学院， 吉林长春 130118；2. 吉林省结构与抗震科技创新中心， 吉林长春 130118)



聚乙烯醇纤维水泥砂浆加固技术的研究

王勃1,2, 鲁文清1， 周柏成1， 宋雨非1

(1. 吉林建筑大学土木工程学院， 吉林长春 130118；2. 吉林省结构与抗震科技创新中心， 吉林长春 130118)

聚乙烯醇纤维水泥砂浆(PVA-ECC)材料在国内外尚未广泛应用于土木工程领域，但其在加固工程中的应用是土木工程研究的一大热点。近年来的研究表明，PVA-ECC材料在加固混凝土结构中的效果显著。文章在前人的基础上介绍了国内外对PVA-ECC加固混凝土构件的研究现状，并分析了PVA-ECC加固法的抗弯、抗剪及耐久性能,最后对PVA-ECC加固混凝土结构的前景做进一步展望。

PVA-ECC；结构；加固；抗弯；抗剪；耐久性

21世纪以来，我国的建筑业和城市建设得到迅速的发展，混凝土结构越来越广泛地被应用到各种建筑物中。然而在建筑工程施工中，有时会因为一些自然或人为的因素导致混凝土结构强度没有达到使用要求，如果返工将会浪费大量的人力物力，造成巨大损失。从使用条件和成本等各种因素来考虑，现有的加固方式已经满足不了当前所有的建筑结构形式，新型的加固材料和加固形式亟需探索和研究。

1　聚乙烯醇纤维水泥砂浆(PVA-ECC)的性能

PVA-ECC(PVA Engineered Cementitious Composite)是一种具有优良抗裂性能和应变硬化特性的高韧性纤维增强水泥基复合材料。PVA-ECC与钢丝网进行混凝土结构加固，提高结构承载力的主要是钢丝网，起锚固和保护作用的主要是聚乙烯醇纤维水泥砂浆。

王海波[1]经过试验得出结论，聚乙烯醇纤维的掺入使水泥基复合材料的阻裂性能得到改善，在高温、严寒等极端环境下，依旧能发挥出很好的抗裂性能，而且在一定的纤维掺量下，砂浆的抗拉强度能显著提高，砂浆的阻裂性能从而得到提升，并且这种砂浆在抗冲击性能方面也有显著提高。

在已有的加固界面粘贴技术中，国内外大都采用环氧树脂为主剂,而PVA-ECC作为胶凝材料，与基材间有更好的相容性、协调性、相互渗透性，并且抗老化、耐火、耐久性更好；加固层厚一般为25 mm左右，结构的重量与截面尺寸几乎没有变化；也不需要复杂的施工技术和工艺，与普通钢丝网复合砂浆加固方式基本相同，施工质量易保障，成本比较低。聚乙烯醇纤维水泥砂浆不仅是胶凝材料，还是保护层材料，无需另作保护层。这种加固方法在提高结构强度的同时也增强了结构的抗冻、抗裂以及耐火性能。

2　聚乙烯醇纤维水泥砂浆加固混凝土结构

2.1PVA-ECC加固法的发展现状

大量研究表明，PVA-ECC具有非常高的韧性、弹性、抗裂性以及抗渗性，它与钢丝网组成的加固结构壁薄、轻质、高强，可广泛应用于路桥、涵洞、大型建筑等各种工程以及板条、梁柱、圆筒等各种结构加固。

PVA-ECC加固法的经验借鉴于钢丝网水泥加固，在20世纪80年代，钢丝网水泥加固就进入了工程领域。随后PVA-ECC加固法渐渐被工程上重视。PVA-ECC加固法采用的钢筋为普通Ⅲ级钢，纤维水泥砂浆是普通水泥砂浆掺入聚乙烯醇纤维，这种加固法平均每1 m2的成本约是碳纤维的1/10。同时还能保护原构件，在修补破损时起到作用。在施工上，PVA-ECC加固法因为工艺简单、对施工条件要求比较低，相比其他加固法有比较大的优势。由于原结构与钢丝网是通过纤维砂浆粘结，出现粘结滑移的可能性也大大减小。

John等人[2]对含有普通纤维和微纤维的混杂纤维增强混凝土进行了试验，研究纤维混凝土的工作性能。为了让掺入混凝土中纤维和混凝土共同工作，将纤维和混凝土按一定比例混合，使其具有良好的和易性。研究该新型材料的力学性能、抗渗性能以及抗开裂性能的试验表明，这种混杂纤维增强的混凝土与普通纤维增强的混凝土相比，具有更高的抗开裂能力和强度。

我国的一些专家在聚乙烯醇纤维结构的研究上也有所建树，肖长发[3]认为高强度聚乙烯醇具有较好的亲水性、黏结性以及抗冲击性。用高强度聚乙烯醇纤维增强后的混凝土的抗冲击、抗疲劳及防龟裂性能均有所改善。聚乙烯纤维结构还具有良好的抗腐蚀性能，适用于大型水利工程。

2.2PVA-ECC加固机理及破坏特征

PVA-ECC加固法主要是在加固构件上绑扎钢丝网，外喷或压抹聚乙烯醇水泥砂浆，使其与原结构构成一个整体，提高加固构件的承载力。通过钢丝网增加构件的配筋量从而提高构件的抗弯、抗剪等性能。根据所加固构件的要求不同，加固方法分为单侧加厚(单包法)、双侧加厚(双包法)、三面(U包法)和四面外包(全包法)等。

PVA-ECC加固法的基本原理类似于混凝土结构，加固构件中钢丝网的作用等同于钢筋，纤维水泥砂浆起保护层和粘结剂的作用。加固构件在受力时产生的压应力和拉应力通过粘结剂传递给粘贴的钢丝网，钢丝网和原构件共同承担荷载，达到增加构件承载力的目的。对于单包法，钢丝网仅仅承担拉应力，相当于受拉钢筋，对于全包法，受压区钢丝网承担压应力，受拉区钢丝网承担拉应力。

PVA-ECC加固后的混凝土属于二次受力的受力状态，其破坏形式也比较复杂，其破坏形式有：(1)受压区混凝土被压碎；(2)钢丝网被拉直，裂缝变大；(3)粘贴的钢丝网与原构件剥离，发生剥离破坏。其最终的破坏形式还取决于PVA-ECC加固层厚度、原构件配筋特征、受力形式等。

2.3PVA-ECC加固结构的力学性能研究

2.3.1PVA-ECC抗弯加固

应用聚乙烯醇纤维水泥砂浆进行抗弯加固和补强主要利用了这种材料抗拉承载力高的特性 。将PVA-ECC加固层喷射在混凝土构件的受拉面 ,使之与混凝土构件共同承受荷载 ,以提高构件受弯承载力,可以根据具体情况设计所需加固材料的厚度，让其达到不同的加固强度。

卜良桃[4]等人对6根PVA-ECC加固的钢筋混凝土足尺梁进行了试验，对其中3根进行了正截面抗弯试验，另外3根进行了正截面抗弯二次试验。通过与1根未加固但配置相同的足尺梁对比研究发现，加固梁的屈服荷载和极限荷载均有大幅度的提高：屈服荷载平均提高60 %，极限荷载平均提高70 %。通过对试验现象、挠度、钢筋应变、混凝土应变等几个方面分析得到结论：用聚乙烯醇纤维水泥加固后的混凝土梁延性有了明显提高，二次受力加固梁的屈服荷载相对一次受力加固梁来说提升的幅度较小，极限荷载提高幅度基本相同，相同试验下梁的屈服荷载及极限荷载与钢筋网间距成反比。

影响PVA-ECC抗弯加固效果的因素主要有：加固层的厚度，复合砂浆及混凝土的强度，粘结面的处理情况以及配筋特征。

2.3.2PVA-ECC抗剪加固

利用聚乙烯醇纤维水泥砂浆对混凝土构件进行抗剪加固 ,其受力特征与箍筋类似，利用PVA-ECC对混凝土的约束来阻止剪切裂缝的开裂和发展。

陈文永[5]分别对普通钢筋混凝土梁、碳纤维布加固混凝土梁、纤维网格及聚合砂浆加固钢筋混凝土梁和纤维网格及ECC加固钢筋混凝土梁进行受剪试验，对比结果表明纤维网格及ECC组合加固梁拥有更好的抗剪加固性能，在增加延性、抵抗剥离、提高承载力及裂缝控制等方面相比其他体系更加出色。之后，卜良桃[6]对4根钢筋混凝土悬臂梁进行抗剪试验，其中两根作对比梁，另外两根采用PVA-ECC钢筋网加固。加固梁开裂荷载得到大幅度提升；加固梁受剪承载力和箍筋屈服荷载也有明显提高；加固梁开裂、屈服和极限荷载提高的幅度与剪跨比成正比。

2.3.3PVA-ECC的耐久性

PVA-ECC加固结构具有良好的耐火性能，这是因为PVA纤维会在高温下溶解，会为水蒸气提供迁移通道，使ECC构件中的水蒸气快速的释放，延缓了水泥基体的分解和破坏，所以ECC能承受更高的温度。

美国的En-Hua Yang博士对ECC构件进行耐久性试验，发现PVA-ECC结构具有较强的自愈合能力，这种能力会提升加固构件的耐久性。Patricia Kim Nelson 和Victor C.Li[7]在气干状态下分别对聚乙烯醇纤维、精制纤维素纤维和聚丙烯纤维增强的水泥复合材料板进行了断裂韧性测试，验证纤维水泥基材料的增强效果。研究表明：聚乙烯醇纤维和精制纤维素纤维阻碍了微裂缝的形成，延长了结构失效的时间，而聚丙烯纤维效果却不明显。

3　结论

PVA-ECC加固法现在处于研究阶段，在工程应用中还比较少见。PVA-ECC加固法在诸多方面优于传统加固，在提高承载力、抗裂、抗剥离方面拥有更大的优势。PVA-ECC不仅弥补了普通混凝土结构破坏时延性差，抗裂性差的缺点，还弥补了常规FRP加固时耐火性差的缺陷。随着科技的发展，PVA-ECC材料的价格也会更加低廉，这种加固法的价格优势相比传统加固也更加显著。PVA-ECC的种种优势表明，对种加固法的研究会成为今后工程加固领域的重点。

[1]王海波.聚乙烯醇纤维(维纶)增强砂浆性能的研究 [D].北京工业大学，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]肖长发.高强度聚乙烯醇纤维结构与性能研究[J].高科技纤维与应用，2005,30(2)，11-17.

[4]卜良桃，万长胜，尹鹏.PVA-ECC加固RC足尺梁受弯性能试验研究[J].湖南大学学报: 自然科学版，2010,31(1):5-10.

[5]陈文永，陈小兵.纤维网格及ECC材料抗剪性加固性能研究[J].工业建筑，2009,39(12):118-122.

[6]卜良桃，段文锋.PVA-ECC抗剪加固带悬梁RC梁承载力计算研究[J].铁道科学与工程学报，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.

国家自然科学基金项目[51178206];吉林省科技发展计划项目[20080711];住房和城乡建设部科技项目[2009-H-11]; 国家安全生产监督管理总局重点项目

王勃(1972～)，男，博士研究生，教授，硕士生导师，主要从事复合材料在土木基础设施中的应用研究。

TU746.3

B

[定稿日期]2016-04-29