1. 引言
高延性纤维增强水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite，简称ECC)最早是由美国密歇根大学的Victor C. Li教授提出，它是基于微观力学和断裂力学原理设计，具有多裂缝开裂、高延展性和高韧性的特性。鉴于ECC材料诸多优异性能，工程应用前景良好，近年来国内外学者对ECC进行多方位多角度的深入研究，主要在力学性能、耐久性、工程应用方面进行了大量试验研究，具体包括直接拉伸性能、抗压性能、弯曲性能、延性、抗侵蚀性、抗冲击性等。目前美国、日本已将其运用在水利工程、桥梁工程、道路路面工程、地下工程、抗震结构、修复结构等方面，并取得了很好的效果 [1] 。如日本采用ECC/钢复合建造的北海道斜拉索桥，广岛县采用ECC/钢复合板修复Mitaka大坝 [2] ，美国采用ECC连接板建造的Michigan大桥等 [3] 。
由于天然砂资源日益匮乏，部分学者利用资源丰富的沙漠砂代替天然砂制备绿色环保ECC材料，从力学性能、耐久性能等方面进行了大量研究。M. Iqbal Khan [4] 等提出用阿拉伯沙漠砂制备的ECC和用硅砂制备的ECC的拉伸延性性能相当。本课题组 [5] [6] 提出水胶比、粉煤灰替代量对材料的抗压强度有较大影响；而沙漠砂替代率对抗劈裂强度、抗压强度、抗折强度影响较小；并且提出钢纤维能够提高ECC试件的劈裂抗拉强度，PVA纤维可以增强试件的抗弯强度；使用沙漠砂制备ECC时，沙漠砂最高替代率高达90%。
课题组在前期研究基础上，进一步对PVA-DSECC的抗压强度和抗折强度关系进行研究分析，旨在确定PVA-DSECC抗压-抗折强度间的换算关系，这对工程建设具有很好的指导意义，如根据抗压强度与抗折强度换算公式，可方便快捷的对现场质量进行指导和控制 [7] 。
2. 试验
2.1. 试验原材料
水泥：P·O 42.5R级普通硅酸盐水泥；粉煤灰：I级粉煤灰，细度8.4%，含水率0.4%，水量比90%，烧失量3%；纤维：日本可乐丽公司生产的直径为31 μm，长度为12 mm聚乙烯醇维(PVA纤维)，其抗拉强度1400~1600 MPa，干断裂伸度(17 ± 3.0) %，伸长率为6%，杨氏模量 ≥ 380 GPa；细骨料：1) 粒径不大于1.18 mm的水洗河砂，；2) 宁夏盐池县毛乌素沙漠砂，表观密度2624 kg/m3，含泥量0.14%，细度模数0.14 [8] ；水为实验室自来水；外加剂：减水率为30%的聚羧酸高性能减水剂。
2.2. 试验配合比
课题组前期对PVA-DSECC材料力学性能进行了研究，得到PVA-DSECC抗压强度、抗劈裂和抗折强度的最优配合比，其中：水胶比(质量比) 0.29；砂胶比(质量比) 0.36；粉煤灰等质量替代水泥40%；沙漠砂等质量替代天然河沙量为40%；PVA纤维掺入量为试块体积的1.75%。配合比算量如表1所示。
2.3. 试件制备
为使PVA纤维在基体中分散的更均匀，更好的发挥PVA作用，PVA纤维采用后掺法。试件制备如图1所示，具体制备工艺如下：1) 将胶凝材料(水泥和粉煤灰)、沙漠砂、河砂干拌2 min；2) 将水和减水剂混合后倒入搅拌锅湿拌2 min；3) 将PVA纤维分散地加入搅拌机搅拌3 min；4) 搅拌结束后进行试件浇筑，并振捣夯实；5) 试块自然养护24 h后拆模，放入标准养护室内养护至龄期。
2.4. 试验方法
为确定PVA-DSECC抗压-抗折强度关系式，试验设计3个龄期(7 d, 28 d, 56 d)，每个龄期做5组，其中每组做3个尺寸为70.7 × 70.7 × 70.7 mm的立方体试块，3个尺寸为40 × 40 × 160 mm的抗折试块。试件试验测定过程如图2所示，具体参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行抗压强度和抗折强度测试，
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Figure 2. Test piece mechanical properties measuring instrument
图2. 试件力学性能测定仪器
3. 试验结果
通过观察试件破坏全过程，发现PVA-DSECC试块并非如普通混凝土般发生脆性破坏，而是在受力区多裂缝开展。PVA-DSECC具体破坏情况和裂缝形态如图3所示，荷载与裂缝宽度呈正相关，即随着荷载的提高，裂缝宽度也随之增大。当荷载达到峰值时，试块会随着主裂缝的扩大而被破坏。由于卸荷后主裂缝周围的微细裂缝处张力的减弱，裂缝会发生闭合，实际裂缝要略多于图3。PVA-DSECC的抗压强度及抗折强度试验结果如表2所示。
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Figure 3. Test piece damage and crack shape
图3. 试件破坏情况及裂缝形态
Table 2. Compressive strength and flexural strength
表2. 抗压强度和抗折强度(7 d、28 d、56 d)
4. 抗压强度与抗折强度之间的换算关系
目前，国内外给出多种抗压强度与抗折强关系式，如ACI Committee、CEB-FIP、美国波特兰水泥协会、日本水泥协会、中国交通部等给出的抗压强度与抗折强度关系式，具体如表3所示。由表3可知，国内外提出的混凝土抗压-抗折强度关系式虽各不相同，但都表现出抗折-抗压强度具有很强的相关性。
由表2可知，PVA-DSECC的抗压强度与抗折强度呈正相关，即随着抗压强度的增加，相应的抗折强度也随之提高。如图4所示，根据抗折、抗压强度数据，作出抗压-抗折强度散点图，并参考国内外规范，采用线性函数ft = Afcu,m + B对其进行拟合，得出抗压-抗折强度之间的关系式，如式(1)所示。结果表明线性拟合良好，但由于试块数量不足，试验存在一定的误差，试验拟合得到PVA-DSECC抗压强度与抗折强度关系式的相关性R2 = 0.574并不是很高。
(1)
式中，ft表示抗折强度，fcu,m代表抗压强度。
式(1)与美国波特兰水泥协会提出的ft = 1.32 + 0.0943 fcu,m相比，fcu,m的系数较高，其主要原因是高强度高弹模PVA纤维的掺入，提高了PVA-DSECC的韧性和抗折性能。1) 从宏观角度分析，试块受外部荷载时，受力区呈多裂缝开裂，试块在破坏之前能够吸收大量的外部能量，并且微裂缝发展速度较为缓慢，此外，PVA纤维对主裂缝扩大有一定阻碍作用，从而延缓了裂缝的发展和试块的破坏。2) 从微观角度分析，PVA纤维与基体之间结合面具有很强的粘结性，试块在出现裂缝后，PVA纤维连接在裂缝两侧，在其被拔出的过程中能够抵消外部荷载，阻碍裂缝继续扩大，从而提高试块的韧性。因此，与普通混凝土相比，PVA-DSECC材料的抗折、变形性能更加优越，抗压-抗折强度关系式中fcu,m的系数也较高。
Table 3. Compressive-reflex strength relationship
表3. 抗压-抗折强度关系式
Figure 4. Relationship between compressive strength and flexural strength of PVA-DSECC
图4. PVA-DSECC抗压强度与抗折强度的关系
5. 龄期对抗压强度-抗折强度关系的影响
根据式(1)，令ft = afcu,m − 8.565(其中a为待定参数)，分别计算7 d、28 d、56 d的参数a值，结果如表4所示。由表4可知，PVA-DSECC抗折强度和抗压强度关系式中的参数a并非一个确定的值，而是一个关于龄期的函数，随着龄期的增长而不断提高。如图5所示，根据表4中的平均值，作龄期与参数a的关系图。参数a的拟合关系式如下所示，由于试验误差，拟合函数的相关性R2 = 0.81757并不很高。
(2)
参数a之所以随龄期t的增加显著增大，是由于粉煤灰的掺入。粉煤灰有助于试块后期强度的提高，试块的抗压强度在7天到28天大幅上升，28天后抗压强度虽有增加但增加趋势较为平稳，而抗折强度从龄期7 d到56 d均处于明显上升趋势。抗压强度和抗折强度在龄期内的增长规律，诠释了参数a随龄期t明显增大这一现象。
Table 4. The value of the parameter a to be determined
表4. 待定参数a的数值
Figure 5. Relationship between age and parameter a
图5. 龄期与参数a的关系图
6. 结论
通过对PVA-DSECC进行抗压强度和抗折强度试验，得出结论：
1) 提出抗压-抗折强度关系式；
2) 分析龄期对关系式中参数a的影响，结果表明，参数a随着龄期的增长而增大；
3) 提出参数a与龄期的函数关系式。
基金项目
宁夏自然科学基金资助项目(NZ15043)，2018年大学生创新创业训练计划项目(X2018107490847)。