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可彎曲混凝土高強高模聚乙烯醇纖維
一、總概
工程水泥基復合材料（ECC），也稱為應變硬化水泥基復合材料（SHCC）或更常見的叫法是可彎曲混凝土，是一種易于成型的砂漿基復合材料，由特殊選擇的聚乙烯醇纖維加固。與普通混凝土不同，ECC的拉伸應變能力在3–7%之間，而普通硅酸鹽水泥（OPC）漿體、砂漿或混凝土的拉伸應變能力為0.01%。因此，ECC更像是一種韌性金屬材料，而不是脆性玻璃材料（OPC混凝土也是如此），因此有著廣泛的應用。
ECC具有各種獨特的性能，包括優于其他纖維增強復合材料的拉伸性能、與傳統水泥相當的施工容易性、僅使用小體積纖維（約占體積比2%）、緊密裂縫寬度和缺乏各向異性弱平面。這些性能主要是由于纖維和膠結基質之間的相互作用，可以通過微觀力學設計定制。本質上，纖維會產生許多特定寬度的微裂縫，而不是一些非常大的裂縫（如傳統混凝土）這使得ECC變形而不會發生災難性潰壞。
這種微裂紋行為導致了優異的耐腐蝕性（裂紋非常小且數量眾多，因此侵蝕性介質很難穿透和侵蝕鋼筋）以及自愈合性。在有水的情況下（例如在暴雨期間），開裂而暴露未反應的水泥遇水形成大量產物（水化硅酸鈣、方解石等），這些產物會膨脹并填充裂縫。這些產品看起來像是填補裂縫的白色“疤痕”材料。這種自愈合行為不僅可以密封裂縫，防止流體輸送，還可以恢復機械性能。這種自愈合現象已在各種傳統水泥和混凝土中觀察到；然而，超過一定的裂縫寬度，自愈效果會降低。ECC中嚴格控制的裂縫寬度確保所有裂縫在暴露于自然環境中時可以徹底愈合。
二、ECC有許多不同的種類，包括：
輕質（即低密度）ECC，通過添加空隙、玻璃氣泡、聚合物球體和/或輕質骨料開發的。與其他輕質混凝土相比，輕質ECC具有優越的延性。應用包括漂浮房屋、駁船和獨木舟。
自密實ECC，是指能夠在自身重量下流動的混凝土。例如，自密實材料將能夠填充包含精密預定位鋼筋的模具，而無需振動或搖動，以確保均勻分布。通過使用化學外加劑降低粘度，并通過配合比控制顆粒相互作用，開發了自密實ECC。
噴射ECC，通過使用各種超塑化劑和減粘外加劑，可以從軟管上氣動噴射。與其他可噴涂纖維增強復合材料相比，可噴涂ECC除了具有獨特的機械性能外，還增強了可泵性。可噴灑ECC已用于翻新/維修工作和隧道/下水道襯砌。
可擠壓ECC。與任何其他擠壓纖維增強復合管相比，擠壓ECC管具有更高的承載能力和變形能力。
三、應用
ECC已在日本、韓國、瑞士、澳大利亞和美國的許多大規模應用中得到使用。這些應用包括：
2003年，廣島附近的米塔卡大壩使用ECC進行了修復。當時有60年歷史的大壩表面嚴重受損，顯示出裂縫、剝落和一些漏水的跡象。通過在600 m2的表面上噴涂20 mm厚的ECC層。
同樣在2003年，日本岐阜的一座擋土墻也用ECC進行了修復。普通硅酸鹽水泥無法使用，因為原始結構中的裂縫嚴重，可能會導致反射裂縫。ECC旨在將這種危險降至最低；一年后，僅觀察到寬度可接受的微裂紋。
東京95米（312英尺）的Glorio Ropongi高層公寓樓共有54根ECC連梁（每層兩根），旨在減輕地震破壞。[12] 與普通硅酸鹽水泥相比，ECC的特性（高損傷容限、高能量吸收和剪切變形能力）使其在抗震應用中具有優越的性能。類似的結構包括41層的Nabeaure橫濱大廈（每層四根連梁）
日本北海道1公里（0.62英里）長的三原橋于2005年通車。鋼筋路基包含近800 m3 ECC材料。ECC的拉伸延展性和緊密的裂縫控制性能導致施工期間使用的材料減少了40%。
同樣，密歇根州94號州際公路上225毫米厚的ECC橋面于2005年完工。使用30 m3的材料，用標準攪拌車運至現場。由于ECC獨特的機械性能，該橋面使用的材料也比普通硅酸鹽水泥制成的橋面少。密歇根大學和密歇根交通部都在監測橋梁，試圖驗證ECC理論上優越的耐久性；經過四年的監測，性能仍然沒有下降。
2006年11月，在US-23上的埃爾斯沃斯路橋上進行了第一次自加固和高早期強度ECC修補。高早期強度ECC可在四小時內達到23.59±1.40 MPa的抗壓強度，在28天內達到55.59±2.17 MPa，允許快速修復和重新開放會話。與典型的混凝土修補材料相比，高早期強度ECC修補材料在現場條件下具有優越的長期耐久性。
四、對比
|
性能 |
FRC |
HPFRCC |
ECC |
|
設計方法 |
N/A |
高纖維體積比Vf |
盡可能低纖維體積比Vf |
|
纖維 |
任何種類，體積占比小于2%，鋼纖維直徑≤500μm |
大部分用鋼纖維，體積占比＞5%，直徑≤150μm |
聚乙烯醇纖維，體積占比≤2%，直徑≤50μm |
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骨料 |
粗骨料 |
細骨料 |
細砂 |
|
界面 |
不可控 |
不可控 |
控制化學鍵和摩擦力，實現橋接特性 |
|
機械性能 |
應變軟化 |
應變硬化 |
應變硬化 |
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拉伸硬化 |
0.1% |
<1.5% |
3%-8% |
|
裂縫寬度 |
無限制 |
通常幾百微米，不超過1.5%應變 |
應變硬化期間通常小于100微米 |
本文重點介紹PVA在ECC中的應用
PVA增強ECC是一種工程水泥基復合材料，其中添加的聚乙烯醇纖維具有高強度，高彈性模量，無毒等特點。PVA增強ECC在開裂時呈現多微縫開裂的特性，并具有很大的延展性和良好的抵抗溫濕交替作用的能力，這些特性使其在工程維修中有著很大的優越性。PVA增強ECC可以用于混凝土板面層的維修、橋梁的連接板，框架結構的節點以及抗震剪力墻和機場跑道、停機坪的加固、維修與更換等。
PVA纖維諸多應用場景
1、 在水利工程建設中，代替鋼筋作為拉筋帶
2、 在水泥板、水泥瓦片（波紋瓦及平板瓦）、屋頂瓷磚及水泥管道中增韌抗裂
3、 在高速公路、機場跑道、隧道橋梁等工程中與水泥砂漿復合，可有效減少微裂紋，防止微裂紋擴展
4、 在子午輪胎或其他橡膠中，替代強力人造絲
5、 在各類工程塑料中作為增強材料，如安全和防爆頭盔等
PVA纖維的特點
1、具有很好的機械性能，其強度高、模量高、伸度低。
2、耐酸堿性、抗化學藥品性強。
3、耐光性：在長時間的日照下，纖維強度損失率低。
4、耐腐蝕性：纖維埋入地下長時間不發霉、不腐爛、不蟲蛀。
5、纖維具有良好的分散性：纖維不粘連、水中分散性好。
6、纖維與水泥、塑料等的親和性好，粘合強度高。
7、對人體和環境無毒無害。
技術參數：
|
項目/單位 Item, units |
性能指標 Value |
項目/單位 Item, units |
性能指標 Value |
|
纖維類型Type |
單絲monofilament |
斷裂強度(Tensile strength)，MPa， |
≥1400MPa |
|
直徑(Diameter)，μm |
20/40 |
彈性模量(Elastic modulus)，GPa |
≥32GPa |
|
長度(Length)，mm |
4\6\8\12 |
斷裂伸長率(Elongation at break)，% |
≤7.5 |
|
90℃，1h熱水減量 |
≤1% |
耐堿性(Resistance to alkali) |
高 |
|
分散性（6個等級） |
1-2 |
安 全 性Safety |
無毒材料Non-toxic |
使用方法及注意事項：
1.摻量：常用摻量0.9～1.5kg/m3。
2.長度：水泥混凝土中宜選用長度為6～12mm，砂漿宜選用長度為4～6mm。
3.攪拌：粉料與水等攪拌均勻出漿后，加入纖維，再強力攪拌2～4min，以纖維均勻分散為準。
4.養護：加入纖維后水泥、混凝土、砂漿的施工及養護工藝與未加纖維的體系完全相同。
包裝與貯存：
標準小包裝有1.0kg/袋，包裝材料為塑料薄膜袋或水溶性紙袋，大包裝為塑料編織袋或紙箱，包裝可根據客戶要求定制。
密封儲藏在干燥、陰涼的地方，保質期2年。
