摘 要

ECC是一种新型纤维增强混凝土材料，具有典型的应变硬化和多缝开裂特性，实际应用也证明ECC具有较好的抗冻性，但目前其冻融性能研究较少。针对这一现状，试验利用新型高强高模的纤维（PVA纤维和POM纤维）制备具有较好力学性能的ECC材料，并重点研究国产纤维制备的ECC材料的抗冻融效果和分析其相应的机理，以开拓此类材料在我国北方寒冷地区的应用。

试验通过的力学性能验证试验，阐述了增强纤维品种、掺量对ECC材料工作性、折压强度的影响，以及不同强度等级下ECC的弯曲性能。快速冻融循环试验选择纤维体积掺量2%、水胶比0.35的配合比制备的3种ECC试件，将它们与非纤维增强水泥基复合材料试件进行比较，研究冻融循环次数对其外观形貌、质量损失率、相对动态弹性模量、抗压强度损失率和弯曲性能影响。微观结构分析试验，通过扫描电子显微镜(SEM)图像、硬化混凝土气孔结构分析仪研究拌合物的孔隙特征，分析了纤维在水泥基体中的分散性和水化产物与纤维的粘附情况。

试验结果表明：进行150次冻融循环作用后，PVA-ECC与素混凝土相比拥有更好的耐久性，弯曲性能保持良好。亲水性的PVA纤维对于提升抗冻性是相当有效的，但是掺入疏水性POM纤维的试件抗冻效果不佳，在150次冻融循环后纤维与基体粘结弱导致内部微缺陷扩展，从而会加速混凝土冻融损伤。

关键词： ECC PVA纤维 POM纤维 抗冻性

Improvement and Mechanism of New Type High Strength Cracking Fiber on Frost Resistance of Concrete

ABSTRACT

ECC is a new type of concrete materials with reinforced fiber. It shows typical strain hardening and multi-slit cracking characteristics. However, the practical applications prove that ECC has a great property of resistance to freezing and there are few researches on it yet. Based on the current situation, new fibers with high strength and high modulus (PVA fiber and POM fiber) are used to make ECC materials, which have excellent mechanical properties. The anti-freeze-thaw effect of the prepared indigenous ECC materials is priorly studied and the corresponding mechanism is analyzed, which aims to blaze new areas of such materials in the cold regions of northern China.

By mechanical property test, the effects of fiber varieties on the workability, the flexural strength of ECC materials and the bending properties of ECC under different strength grades were discussed. Three kinds of EEC specimens with fiber volume fraction of 2% and water-cement ratio of 0.35 are selected in Freezing-Thawing Cycles. Compared with non-fiber reinforced cement-based composite materials, the effects of the times of freezing-thawing cycles on the appearance morphology, ratio of weight loss, relatively dynamic elastic modulus, compressive strength loss rate and bending performance are studied. The pore characteristics of the composites by scanning electron microscopy (SEM) and hardened concrete stomatic structure were discussed in the micro-structural experiment, in the help of which, the dispersity and the adhesion between cement and fibers were analyzed.

The results demonstrate that the PVA-ECC has better durability and bending performance than that of plain concretes after 150 freeze-thaw cycles. As a result, the hydrophilic PVA fiber is good for improving resistance to freezing. However, the incorporation of hydrophobic POM fibers in the test pieces show poor anti-freeze effects, The weak bonding between fiber and matrix lead to internal micro-defects expanding after 150 freeze-thaw cycles, which will accelerate the freezing-thawing damage of concretes.

Key words: ECC; PVA fiber; POM fiber; Frost resistance

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景与研究意义 1

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 拉伸性能 3

1.2.2 弯曲性能 3

1.2.3 ECC冻融性能 4

1.3 研究内容和技术路线 4

1.3.1 研究内容 4

1.3.2 技术路线 5

第二章 原材料及试验方案设计 6

2.1 原材料 6

2.1.1 水泥 6

2.1.2 粉煤灰 6

2.1.3 矿粉 7

2.1.4 硅灰 7

2.1.5 石英砂 7

2.1.6 减水剂 7

2.1.7 水 7

2.1.8 高强抗裂纤维 7

2.2 试验方法 8

2.2.1 配合比设计 8

2.2.2 ECC试件制备 9

2.3 试验方案 10

2.3.1 ECC工作性试验 10

2.3.2 ECC力学试验 11

2.3.3 ECC抗冻试验 11

2.4 ECC的微观结构测试及其表征 12

2.4.1 扫描电镜 12

2.4.2 气泡结构参数 12

2.5 试验设备 14

第三章 ECC的工作性与力学性能 15

3.1 新拌ECC的工作性 15

3.1.1 流动度测定过程及现象 15

3.1.2 流动度结果与分析 15

3.2 ECC的折压强度 17

3.3 ECC的弯曲性能 19

3.3.1 不同强度等级ECC的弯曲性能 19

3.3.2 不同纤维品种及掺量ECC的弯曲性能 20

第四章 ECC的冻融性能 23

4.1 外观形貌 23

4.2 质量损失率 24

4.3 相对动弹性模量 25

4.4 抗压强度变化规律 27

4.5 弯曲性能变化规律 28

4.6 气泡参数变化规律 30

4.7 纤维对混凝土冻融性能提升的机理初步探求 33

第五章 结论与展望 42

5.1 结论 42

5.2 展望 42

参考文献 44

致 谢 47

第一章 绪论

1.1 课题背景与研究意义

在现代土木工程建筑中，混凝土具有原料资源丰富、材料适用性强、加工方便和成本低等优点，但也存在自重大、抗裂能力低和脆性大等缺点，这些大大地限制了它的发展^[1]。另外，混凝土是一种非均匀的多孔多相的复杂体系，由于内部的这些孔隙存在，在混凝土遭受恶劣的自然环境时极易导致界面过渡区破坏，导致混凝土结构的耐久性下降，影响它的使用寿命。混凝土除了需要承受外力载荷外，还要遭受自然条件不断地侵蚀，如表层磨损、冻融循环破坏和扩散破坏等，这会导致混凝土的耐久性下降^[2]。在很长一段时间内，中国建筑业对混凝土的耐久性不够重视，认为提高混凝土的强度是最重要，这就带来很多问题，如：目前大量建筑物存在耐久性差，建筑物抵抗恶劣环境能力低。当混凝土建筑物的耐久性达不到相关的安全要求，就需要考虑是修补还是推倒重建，推倒重建会造成新一轮资源损耗，这是相当不经济的。

工程水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites,ECC）又被称为高延性纤维增强水泥基复合材料，它是由美国的Li教授于1992年提出，是近20年发展起来的一种新型纤维增强水泥基复合材料^[3]。ECC仅用2%的纤维体积掺量，就能获得超过3%的极限拉伸应变，在轴向拉伸拉和弯曲试验中具有典型的应变硬化和多缝开裂特性^[4]。在国外，ECC材料已被成功应用于桥梁、大坝、路面等各类建设工程，它可作为修补材料、保护层，可作为抗震结构构件，亦可以作为桥面连接板和桥面铺装材料。这些工程应用证明，ECC材料具有较好的力学性能和耐久性，虽然它的造价比普通混凝土要高很多，但与重建相比它的成本是下降的，能延长混凝土的使用寿命。如图1-1是ECC修补的桥面，ECC补丁与原桥面的界面粘结性能较好，跟普通混凝土补丁相比相对还比较美观。目前，国产ECC材料的发展受限于制备成本，尤其是纤维成本（大约占原材料的80%），进口纤维性能虽好但价格贵。现在，工程技术人员通过提升国产纤维性能和优化国产ECC组分，国产ECC材料的性价比会有很大的提升空间，并具有很强的市场竞争力，在我国的建筑行业它的未来前景值得期待。

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