1. 引言
当代建筑工程中，混凝土作为主要原材料是不可或缺的，它具有成本低、抗压强度高的优点，但也有脆性大、抗拉强度低、易腐蚀等缺点。在极端环境中，混凝土结构容易受到硫酸盐侵蚀、干湿循环和冻融循环等腐蚀破坏。因此为了提高混凝土的综合性能表现，世界各国对混凝土复合材料开展了大量的研究。混凝土复合材料(简称ECC)是指将纤维掺入到混凝土中，与混凝土原材料相结合构成一种全新的稳定基体。经研究发现，ECC材料具有高抗裂性、高韧性以及高抗拉强度等优点。
合成纤维中，聚乙烯醇纤维(简称PVA纤维)的性能尤为突出，它有着良好耐蚀性和稳定性，同时还具有一定的引气效果 [1]。PVA纤维掺入混凝土后，不但可以约束混凝土结构的早期开裂，而且还能提高其韧性 [2] 因此，在混凝土结构中掺入适量的聚乙烯醇纤维可以改善混凝土结构的力学性能和耐久性能，聚乙烯醇纤维混凝土也将在未来工程基础设施建设发展应用中占据重要地位 [3]。本文对聚乙烯醇纤维混凝土发展历程及基本性能进行了多方面的概述，为今后聚乙烯醇纤维混凝土在建筑工程中的应用提供了一定的理论依据。
2. 纤维混凝土的发展历程
随着社会时代的发展和科学技术的进步，合成纤维在国家及民生的发展中扮演越来越重要的角色。世界各国对于聚乙烯醇纤维混凝土的研究也愈发增多。
美国密歇根大学土木工程材料研究实验室(简称ACE-MRL)于1992年对ECC材料进行了四点弯曲试验(图1)发现 [4]，当纤维掺量大致在2%~3%的范围内时，能够有效控制混凝土的塑性开裂以及疲劳开裂等。
2005年，Naaman和Reinhard分别对SIFCON(钢纤维混凝土)、SIMCON(钢纤维网混凝土)以及ECC进行了拉伸试验 [5]，研究结果发现，纤维掺量为12%时，SIFCON和SIMCON的韧性远远不如ECC。
ACE-MRL在此基础上对ECC材料进行了更深入的研究 [6]，将体积掺量为2%的PVA纤维掺入混凝土中，发现可以明显提高混凝土的延性，其应变能力达到了6%~8%，很好地满足了建筑工程中的结构抗震要求。
到了20世纪80年代，PVA纤维逐步退出传统纺织行业，进而向工业建筑领域进发。日本可乐丽公司率先开展了PVA纤维在建筑工程中的应用研究 [7]，研究结果发现，PVA纤维有着良好的分散能力，在基体中能够与水泥完美结合，显著增强混凝土的性能。
Figure 1. Schematic diagram of four-point bending test
图1. 四点弯曲试验示意图
日本在2006年 [8] 将PVA纤维应用于高层建筑连梁中(图2)，美国在2002年采用PVA纤维对路基路面以及桥梁工程进行修复(图3)，结果表明，PVA纤维能够明显提升混凝土材料的性能。
Figure 2. Tokyo PVA fiber concrete high-rise building
图2. 东京PVA纤维混凝土高层建筑
Figure 3. PVA fiber concrete roadbed
图3. PVA纤维混凝土路基
通过上述研究结果显示，PVA纤维掺入混凝土中能够明显提高混凝土的综合性能。这是由于PVA纤维自身有着良好的稳定性，在混凝土内部碱性环境中，与水泥基材料不发生化学反应，同时PVA纤维在混凝土内部形成了三维乱向分布，其桥接作用减少了裂缝的扩展，与水泥基材构成了一种全新的稳固基体，因此提高了混凝土的整体性能。
3. PVA纤维对混凝土力学性能影响研究现状
3.1. PVA纤维对混凝土抗压强度的影响
混凝土抗压强度性能是混凝土在建筑构物中应用的基础，它直接反映出混凝土结构是否符合建筑施工的安全应用。PVA纤维被誉为“21世纪引起产业化革命”的新型绿色建筑材料，它有着无毒无害、安全可靠等优点。PVA-ECC材料是一种新型建筑材料，具有十分高效的性能，随着世界各国的大力推广，PVA纤维混凝土的抗压强度性能研究也变得十分广泛。
戴丽 [9] 通过开展0%、1%、2%、3%四种不同体积掺量的聚乙烯醇纤维混凝土在7 d、28 d龄期下的抗压强度试验，研究结果表明，当PVA纤维掺量为2%时，混凝土抗压强度相较于其它掺量的纤维混凝土试件得到了较大的提升，同时弹性模量也显著增加。随着纤维掺量的增多，混凝土抗压强度反而下降。梁腾飞 [10] 通过开展不同体积掺量(0%, 0.05%, 0.1%, 0.15%, 2%)的PVA纤维混凝土的抗压强度对比试验发现，其中纤维掺量为0.1%时，混凝土结构抗压强度达到最大值，当纤维掺量超过0.2%时，试件的抗压强度较掺量为0%的试件下降，研究结果表明适量的纤维掺量可以提升混凝土的抗压强度，过量的纤维反而对其产生不利的影响。陈伟 [11] 分别将8 mm、12 mm、18 mm三种长度的纤维以0.6 kg/m3、1.2 kg/m3、1.8 kg/m3的体积掺量掺入混凝土中，开展抗压强度试验，结果表明，掺量为1.8 kg/m3 (12 mm)的PVA纤维混凝土抗压强度提升幅度最大，相较于基准混凝土提高了11.9%。Fischer [12] 分别对PE纤维混凝土、PVA纤维混凝土进行了立方体抗压强度的试验研究，结果发现，PVA纤维混凝土在达到峰值破坏后，其压应力明显出现缓慢下降的趋势，而PE纤维混凝土破坏后的压应力则出现快速降低的情况，从而可以看出，PVA纤维能够显著增强混凝土的韧性。
综上所述，可以得出以下结论：1) 适量的PVA纤维的掺入混凝土中可以提高混凝土的抗压强度，但纤维掺量超过一定的数量时，反而对混凝土的抗压强度产生不利的影响；2) 纤维的长度是改善混凝土抗压强度的重要因素之一，合适的纤维长度可以明显提升混凝土的抗压强度，这是因为合适的纤维长度可以提高水泥基材料之间的黏结度；3) PVA纤维掺入混凝土中可以提高混凝土的应力应变以及弹性模量；4) PVA纤维相较于其它纤维，对混凝土的韧性改善更为明显。
3.2. PVA纤维对混凝土抗折强度和劈裂抗拉强度的影响
混凝土抗折强度性能和劈裂抗拉强度性能在建筑结构、路基路面以及桥梁工程中尤为重要，保证了工程的整体稳定性。同时，抗开裂性能是抗折强度和劈裂抗拉强度的评价指标之一。因此，混凝土的这两项力学性能也是重点研究对象。
黄加圣 [13] 通过对纤维体积掺量为0%、0.05、0.1%、0.15%、0.2%的聚乙烯醇纤维混凝土进行抗折强度和劈裂抗拉强度对比试验发现，当水胶比固定时，掺量为0.1%的PVA纤维混凝土的抗折强度以及劈裂抗拉强度提升最明显，同时混凝土的脆性以及韧性都得到了一定程度地改善。闻洋 [14] 通过开展不同纤维长度(6 mm, 8 mm, 12 mm)、不同体积掺量(0 kg/m3, 0.6 kg/m3, 0.8 kg/m3, 1.2 kg/m3, 1.4 kg/m3)的抗开裂性能试验研究发现，当掺量1.4 kg/m3长度为8 mm为PVA纤维混凝土的抗开裂性能较基准混凝土提升最大。林晖 [15] 通过对PVA纤维混凝土的力学性能试验研究发现，掺量为0.9%的PVA纤维混凝土裂缝数量相较于素混凝土明显减少。但是，随着纤维掺量的增多，混凝土的凝缩性能显著下降。杨忠 [16] [17] [18] [19] [20] 将体积掺量为2%的聚乙烯醇纤维混凝土与普通混凝土进行抗折强度和劈裂抗拉强度试验研究发现，PVA纤维混凝土相较于普通混凝土有着良好的韧性和断裂能，同时延长了其破坏时间。Maalej等通过对PVA纤维混凝土和钢纤维混凝土的抗折强度试验中发现 [21]，PVA纤维混凝土极限抗弯强度远远大于钢纤维混凝土，在试件开裂后，PVA纤维混凝土在1613 s后才出现裂缝扩展趋势，而钢纤维混凝土则在137 s后便出现裂缝扩展趋势。大连理工大学徐世烺团队对PVA纤维混凝土进行了拉伸试验 [22]，研究发现，当纤维体积掺量为2.0%时，混凝土结构的极限拉伸应变表现最好，稳定在3.6%~4.5%。
综上所述，可以得到以下结论，1) 适量的PVA纤维掺入混凝土中可以有效提高混凝土的抗折强度和劈裂抗拉强度，过量反而会使其强度下降；2) 合适的PVA纤维掺量和合适的纤维长度可以提高混凝土的抗开裂性能，当结构受到外界荷载冲击时，PVA纤维紧密拉结了水泥基材料，使基体整体变得更加稳固；3) PVA纤维提高了混凝土结构的抗拉强度，抑制了裂缝的发展，增强了混凝土的抗开裂性能，延长了破坏时间；4) PVA纤维提高了混凝土的拉伸应变能力，同时合适的纤维长度也能够大幅改善混凝土的抗裂性能。
4. PVA纤维对混凝土耐久性能影响研究现状
4.1. PVA纤维对混凝土抗盐蚀性能影响
我国西北地区气候干燥、昼夜温差大、盐渍土分布广泛，该地区混凝土建构筑物常年遭受盐蚀–干湿循环作用的影响 [23]，从而导致混凝土结构出现硫酸盐腐蚀破坏。这一系列破坏导致建构筑物后期修复需要花费大量的人力物力，同时对社会经济的发展也起到了一定的阻碍。因此，国内外学者对PVA纤维混凝土耐久性能进行了大量的研究。
黄加圣 [24] 通过开展五种不同水胶比的聚乙烯醇纤维混凝土与普通混凝土的抗硫酸盐侵蚀试验，结果表明，在干湿循环作用下，聚乙烯醇纤维对混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能有着显著的提高。王洪宇 [25] 通过开展在复合盐长期浸泡环境下的不同纤维掺量(0%, 0.1%, 0.2%, 0.3%)的聚乙烯醇纤维混凝土抗盐蚀性能试验，研究发现，随着复合盐浓度的升高，纤维掺量越多，混凝土的抗盐蚀性越强。可以看出，聚乙烯醇纤维对混凝土的抗盐蚀性能提升较明显。Lepech和Li对PVA纤维水泥基材料和钢丝网增强砂浆进行了渗水试验研究 [26]，发现PVA-ECC材料在应变为1.5%时的抗渗透性能表现与未产生裂缝的砂浆类似，可以看出，PVA纤维可以明显提高水泥基材的抗渗透性。Maalej等开展了利用PVA纤维代替钢筋作为混凝土的加强相进行氯离子扩散试验 [27]，在干湿循环达到83 d时，PVA纤维混凝土氯离子含量仅为钢混结构氯离子含量的25%。
综上所述，可以得到以下结论：1) PVA纤维掺入混凝土中可以明显提高混凝土抗盐蚀性能，混凝土由于徐变作用容易导致结构出现自发性孔隙，PVA纤维的掺入可以抑制其裂缝及孔隙的生成。当混凝土结构遭受硫酸盐侵蚀的时候，PVA纤维具有一定的引气效果，引入的微小气泡填充在混凝土内部微缝隙处，从而封锁了硫酸根离子的侵蚀通道；2) 在极端环境下，随着地表水盐分含量的增多，PVA纤维掺量越多，对混凝土结构的抗硫酸盐侵蚀性能越好，这是由于PVA纤维的掺入占据了一定的空间，盐蚀产物有足够的容纳空间，提高了混凝土的密实度，提高了混凝土的抗盐蚀性能；3) 相较于其它增强材料，PVA纤维具有高抗拉性能，提高了混凝土的抗开裂性能，增强了混凝土抗渗水性能；4) 在混凝土结构特殊要求部位，PVA纤维高弹高模性可以用来代替钢筋用来增强混凝土的抗离子渗透性能，改善了钢筋易受腐蚀的问题。
4.2. PVA纤维对混凝土抗盐冻性能影响
混凝土的抗冻性能也是混凝土结构耐久性能指标之一。我国东部沿海地区地处海洋环境，该地区混凝土建筑物、路基路面、桥梁等结构长时间遭受海水的侵蚀以及低温影响，容易造成结构出现严重的冻融破坏。因此，学者们在混凝土结构抗冻性能方面也进行了大量的研究。
张生 [28] 通过对聚乙烯醇纤维混凝土与普通混凝土的抗冻性试验对比研究发现，聚乙烯醇纤维可以通过改变混凝土内部孔隙结构，减少孔洞数量，从而来提升混凝土的抗冻性能。马佳晨 [29] 开展了混凝土在强碱性环境下的耐久性试验研究发现，在强碱性环境浸泡下，与普通混凝土相比，PVA纤维掺入混凝土中不与水泥基材发生化学反应，抑制了混凝土裂缝的增长，能够明显提升混凝土原材料的化学稳定性能，混凝土结构在严酷环境下的耐碱性能。安嘉伟 [30] 通过开展PVA纤维混凝土的抗冻试验，在冻融循环次数达到150次时，聚乙烯醇纤维混凝土的相对动弹性模量仅仅下降了20%以内；而素混凝土在冻融循环次数75次时，其相对动弹性模量便下降至55.2%，从而表明。聚乙烯醇纤维可以改善混凝土的抗冻性能。
Lepech和Li对PVA纤维混凝土和普通混凝土进行了冻融循环对比试验 [31]，研究表明，普通混凝土在100次循环时便已经发生严重破坏，而PVA纤维混凝土则在300次循环后出现轻微破坏现象。
由上述研究结果可以发现，1) PVA纤维对混凝土抗盐冻性能的提升十分明显。根据静水压和渗透压理论可知，混凝土结构反复遭受冻胀–融化过程，使得混凝土基体逐渐分散，最终发生崩裂破坏。PVA纤维的掺入引入了一定数量的气泡，减少了水分子结冰数量，降低了冻结作用所引发的混凝土破坏概率；2) 在冻融循环作用后期，水泥基体已承受不住冻胀应力和渗透压力的双重作用，导致结构破坏。此时，PVA纤维在混凝土内部形成了桥接作用，加强了水泥基各相的连接，抑制了裂缝的扩展，阻止了离子的侵蚀，从而提高了混凝土的抗盐冻性能。
5. 结论
通过对PVA纤维混凝土的发展历程、力学性能以及耐久性能的研究分析，可得以下主要结论。
1) 随着社会科技的不断发展，PVA纤维从传统服装制造领域转向于工业建筑领域，并取得了显著的成果。
2) 适量的PVA纤维可以明显提高混凝土的抗压强度、抗折强度以及劈裂抗拉强度，但过多的纤维掺量反而会导致混凝土力学性能下降。PVA纤维在混凝土内部的桥接作用提高了混凝土的抗拉性能，增强了混凝土的韧性。
PVA纤维对极端环境下的混凝土耐久性能有着良好的改善。PVA纤维自身带有一定的引气效果，阻止了外部环境离子的侵入，延缓了混凝土结构的腐蚀破坏时间。同时PVA纤维的高弹高模性能增强了混凝土的抗开裂性能，确保了水泥基体的完整性，从而增强了混凝土的耐久性能。
基金项目
新疆生产建设兵团重点领域科技攻关计划项目(2019AB016)。
参考文献