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可弯曲混凝土高强高模聚乙烯醇纤维
一、总概
工程水泥基复合材料（ECC），也称为应变硬化水泥基复合材料（SHCC）或更常见的叫法是可弯曲混凝土，是一种易于成型的砂浆基复合材料，由特殊选择的聚乙烯醇纤维加固。与普通混凝土不同，ECC的拉伸应变能力在3–7%之间，而普通硅酸盐水泥（OPC）浆体、砂浆或混凝土的拉伸应变能力为0.01%。因此，ECC更像是一种韧性金属材料，而不是脆性玻璃材料（OPC混凝土也是如此），因此有着广泛的应用。
ECC具有各种独特的性能，包括优于其他纤维增强复合材料的拉伸性能、与传统水泥相当的施工容易性、仅使用小体积纤维（约占体积比2%）、紧密裂缝宽度和缺乏各向异性弱平面。这些性能主要是由于纤维和胶结基质之间的相互作用，可以通过微观力学设计定制。本质上，纤维会产生许多特定宽度的微裂缝，而不是一些非常大的裂缝（如传统混凝土）这使得ECC变形而不会发生灾难性溃坏。
这种微裂纹行为导致了优异的耐腐蚀性（裂纹非常小且数量众多，因此侵蚀性介质很难穿透和侵蚀钢筋）以及自愈合性。在有水的情况下（例如在暴雨期间），开裂而暴露未反应的水泥遇水形成大量产物（水化硅酸钙、方解石等），这些产物会膨胀并填充裂缝。这些产品看起来像是填补裂缝的白色“疤痕”材料。这种自愈合行为不仅可以密封裂缝，防止流体输送，还可以恢复机械性能。这种自愈合现象已在各种传统水泥和混凝土中观察到；然而，超过一定的裂缝宽度，自愈效果会降低。ECC中严格控制的裂缝宽度确保所有裂缝在暴露于自然环境中时可以彻底愈合。
二、ECC有许多不同的种类，包括：
轻质（即低密度）ECC，通过添加空隙、玻璃气泡、聚合物球体和/或轻质骨料开发的。与其他轻质混凝土相比，轻质ECC具有优越的延性。应用包括漂浮房屋、驳船和独木舟。
自密实ECC，是指能够在自身重量下流动的混凝土。例如，自密实材料将能够填充包含精密预定位钢筋的模具，而无需振动或摇动，以确保均匀分布。通过使用化学外加剂降低粘度，并通过配合比控制颗粒相互作用，开发了自密实ECC。
喷射ECC，通过使用各种超塑化剂和减粘外加剂，可以从软管上气动喷射。与其他可喷涂纤维增强复合材料相比，可喷涂ECC除了具有独特的机械性能外，还增强了可泵性。可喷洒ECC已用于翻新/维修工作和隧道/下水道衬砌。
可挤压ECC。与任何其他挤压纤维增强复合管相比，挤压ECC管具有更高的承载能力和变形能力。
三、应用
ECC已在日本、韩国、瑞士、澳大利亚和美国的许多大规模应用中得到使用。这些应用包括：
2003年，广岛附近的米塔卡大坝使用ECC进行了修复。当时有60年历史的大坝表面严重受损，显示出裂缝、剥落和一些漏水的迹象。通过在600 m2的表面上喷涂20 mm厚的ECC层。
同样在2003年，日本岐阜的一座挡土墙也用ECC进行了修复。普通硅酸盐水泥无法使用，因为原始结构中的裂缝严重，可能会导致反射裂缝。ECC旨在将这种危险降至最低；一年后，仅观察到宽度可接受的微裂纹。
东京95米（312英尺）的Glorio Ropongi高层公寓楼共有54根ECC连梁（每层两根），旨在减轻地震破坏。[12] 与普通硅酸盐水泥相比，ECC的特性（高损伤容限、高能量吸收和剪切变形能力）使其在抗震应用中具有优越的性能。类似的结构包括41层的Nabeaure横滨大厦（每层四根连梁）
日本北海道1公里（0.62英里）长的三原桥于2005年通车。钢筋路基包含近800 m3 ECC材料。ECC的拉伸延展性和紧密的裂缝控制性能导致施工期间使用的材料减少了40%。
同样，密歇根州94号州际公路上225毫米厚的ECC桥面于2005年完工。使用30 m3的材料，用标准搅拌车运至现场。由于ECC独特的机械性能，该桥面使用的材料也比普通硅酸盐水泥制成的桥面少。密歇根大学和密歇根交通部都在监测桥梁，试图验证ECC理论上优越的耐久性；经过四年的监测，性能仍然没有下降。
2006年11月，在US-23上的埃尔斯沃斯路桥上进行了第一次自加固和高早期强度ECC修补。高早期强度ECC可在四小时内达到23.59±1.40 MPa的抗压强度，在28天内达到55.59±2.17 MPa，允许快速修复和重新开放会话。与典型的混凝土修补材料相比，高早期强度ECC修补材料在现场条件下具有优越的长期耐久性。
四、对比
|
性能 |
FRC |
HPFRCC |
ECC |
|
设计方法 |
N/A |
高纤维体积比Vf |
尽可能低纤维体积比Vf |
|
纤维 |
任何种类，体积占比小于2%，钢纤维直径≤500μm |
大部分用钢纤维，体积占比＞5%，直径≤150μm |
聚乙烯醇纤维，体积占比≤2%，直径≤50μm |
|
骨料 |
粗骨料 |
细骨料 |
细砂 |
|
界面 |
不可控 |
不可控 |
控制化学键和摩擦力，实现桥接特性 |
|
机械性能 |
应变软化 |
应变硬化 |
应变硬化 |
|
拉伸硬化 |
0.1% |
<1.5% |
3%-8% |
|
裂缝宽度 |
无限制 |
通常几百微米，不超过1.5%应变 |
应变硬化期间通常小于100微米 |
本文重点介绍PVA在ECC中的应用
PVA增强ECC是一种工程水泥基复合材料，其中添加的聚乙烯醇纤维具有高强度，高弹性模量，无毒等特点。PVA增强ECC在开裂时呈现多微缝开裂的特性，并具有很大的延展性和良好的抵抗温湿交替作用的能力，这些特性使其在工程维修中有着很大的优越性。PVA增强ECC可以用于混凝土板面层的维修、桥梁的连接板，框架结构的节点以及抗震剪力墙和机场跑道、停机坪的加固、维修与更换等。
PVA纤维诸多应用场景
1、 在水利工程建设中，代替钢筋作为拉筋带
2、 在水泥板、水泥瓦片（波纹瓦及平板瓦）、屋顶瓷砖及水泥管道中增韧抗裂
3、 在高速公路、机场跑道、隧道桥梁等工程中与水泥砂浆复合，可有效减少微裂纹，防止微裂纹扩展
4、 在子午轮胎或其他橡胶中，替代强力人造丝
5、 在各类工程塑料中作为增强材料，如安全和防爆头盔等
PVA纤维的特点
1、具有很好的机械性能，其强度高、模量高、伸度低。
2、耐酸碱性、抗化学药品性强。
3、耐光性：在长时间的日照下，纤维强度损失率低。
4、耐腐蚀性：纤维埋入地下长时间不发霉、不腐烂、不虫蛀。
5、纤维具有良好的分散性：纤维不粘连、水中分散性好。
6、纤维与水泥、塑料等的亲和性好，粘合强度高。
7、对人体和环境无毒无害。
技术参数：
|
项目/单位 Item, units |
性能指标 Value |
项目/单位 Item, units |
性能指标 Value |
|
纤维类型Type |
单丝monofilament |
断裂强度(Tensile strength)，MPa， |
≥1400MPa |
|
直径(Diameter)，μm |
20/40 |
弹性模量(Elastic modulus)，GPa |
≥32GPa |
|
长度(Length)，mm |
4\6\8\12 |
断裂伸长率(Elongation at break)，% |
≤7.5 |
|
90℃，1h热水减量 |
≤1% |
耐碱性(Resistance to alkali) |
高 |
|
分散性（6个等级） |
1-2 |
安 全 性Safety |
无毒材料Non-toxic |
使用方法及注意事项：
1.掺量：常用掺量0.9～1.5kg/m3。
2.长度：水泥混凝土中宜选用长度为6～12mm，砂浆宜选用长度为4～6mm。
3.搅拌：粉料与水等搅拌均匀出浆后，加入纤维，再强力搅拌2～4min，以纤维均匀分散为准。
4.养护：加入纤维后水泥、混凝土、砂浆的施工及养护工艺与未加纤维的体系完全相同。
包装与贮存：
标准小包装有1.0kg/袋，包装材料为塑料薄膜袋或水溶性纸袋，大包装为塑料编织袋或纸箱，包装可根据客户要求定制。
密封储藏在干燥、阴凉的地方，保质期2年。
