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常用的水泥基材料具有性脆、抗拉强度低、韧性差、易开裂等缺点,在实际工程中,往往导致混凝土结构破坏甚至不能使用。控制水泥基材料裂缝的发生和发展、提高材料的耐久性一直是水泥混凝土界普遍关注的问题。
工程用水泥基复合材料(ECC)是纤维增强水泥基材料的一种,它最早由美国密歇根大学的Victor.C.Li教授在二十世纪90年代初提出来的。这是一种从实际性能要求出发,由理论创造设计,在实验室中实现具体配制的新材料。它是以水泥浆或砂浆为基体,以纤维为增强材料的复合材料。ECC的最大特点是在受到荷载或变形作用时具有多裂缝开展和应变-硬化特性。
本文选用非常具有工程应用前景的聚乙烯醇(PVA)纤维作为增强材料,纤维体积掺量从0.75%至2.25%变化,对不同配比的ECC,分别进行了断裂能、抗折强度、弯曲韧性、干燥收缩和抗裂性等试验,分析研究了PVA纤维对水泥基材料性能的改善作用和纤维掺量变化对ECC各项性能的影响,并寻找实现材料良好耐久性的合理纤维掺量。
试验结果表明,PVA纤维能够显著提高水泥基材料的断裂能、抗折强度、弯曲韧性,各项性能基本随纤维掺量的增加成线性增长,纤维对材料的自由干燥收缩变形影响不大,但可以有效地控制干缩裂缝的发生和发展。与ECC基体比较,ECC的裂缝控制率均达到90%以上;试验中ECC的最大干燥收缩裂缝宽度能够控制在100μm左右,甚至只有40μm(掺量为1.5%时),这有利于提高材料的耐久性。
无论是力学性能试验还是限制性收缩试验,ECC都表现出了典型的多点开裂和应变-硬化特性。多裂缝开展特性可以有效抑制裂缝的过度扩展,充分发挥纤维对水泥基材料的增韧和抗裂作用。应变-硬化特性则使材料在出现裂缝后承载力并不降低,在一定的变形范围内承载力还可以有一定程度的提高,充分发挥纤维对水泥基材料的增强作用。因此ECC具有较高的断裂能与抗折强度、良好的韧性和抗裂性。