引 言
混凝土是世界上用量最多和應用最廣的一種工程材料，其具有原料易得、價格便宜、容易成型、容易制造成不同形狀，且具有優異的力學性能及耐久性等優點。但該材料也具有脆性大、抗拉強度低、在載荷及環境作用下易產生開裂裂縫，這將導致外界化學介質向內部擴散的速度加快，使建筑結構的使用壽命大幅度降低 。因此，抑制裂紋產生及擴展、改變水泥混凝土材料的脆性破壞模式對延長建筑物的使用壽命具有重大意義。20 世紀90 年代美國密歇根大學 IJi_V．c 教授團隊率先研制成功了聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料(Polyvinyl AlcoholFiberReinforced Cementitious Com posites，PVA—FRCC )，它是一種具有高韌性、裂縫窄且裂縫具有自愈合能力的新型水泥基復合材料 J，該材料能夠解決上述問題。PVA．FRCC 使}昆凝土結構的抗震性能得到改善，在抗震及抗沖擊結構、耐損傷工程結構、裂縫控制等方面具有著廣闊的發展前景。因此，研究在動態載荷作用下 PVA —FRCC 的響應，具有極其重要的軍事國防意義以及社會經濟價值。此外，研究該材料的動態力學性能也具有十分重要的學術價值和實際應用意義。經過近 20 年的發展，國VI~'b研究人員在其理論設計、力學、耐久性能及工程應用方面均取得了令人矚目的研究成果。論文主要綜述了 PVA．FRCC的國內外研究現狀、動力學特性、自愈合情況，探討了該材料的微觀設計理論及其應用，并對 PVA ．FRCC 研究進行了展望。
2 PVA —FRCC 國內外研 究現狀
2．1 國內研究現狀
國內對 ECC 的研究起步較晚，21 世紀初，才開始關注這種新型水泥基復合材料。經過近十幾年的發展，現已取得許多可喜的研究成果，在 ECC 的力學性能研究方面，主要集中在抗彎特性、抗拉特性、抗壓特性 、斷裂特征以及強度 、韌性特性等。
(1)拉伸性能 ·
徐世娘等 研究表明，在拉伸和彎曲載荷作用下，ECC 具有多縫開裂及假應變硬化的特征，同時也具有高韌性、高延性及高能量吸收能力。極限拉伸應變大于3％，最大裂縫寬度約50 m ，平均裂縫間距約 1 mm 。
且對小切口不敏感，不易破碎。鄧宗才等 研究發現，ECC 的極限抗拉應變和斷裂能分別是聚丙烯纖維混凝土的2O ～50 倍及 2 —4 倍。高淑玲等 研究 PVA—FRCC 的拉伸行為，并利用雙線模型 ]、三線模型 分析了拉伸應力應變曲線。龐超明等_9研究了粉煤灰摻量、膠砂比及養護條件等對 PVA．FRCC 拉伸應變能力的影響。結果表明，隨粉煤灰摻量增加，PVA—FRCC 拉伸強度變化不大，但拉伸應變增加，且拉伸應變隨砂用量的增加而降低，隨養護溫度的升高而增加。
(2)彎曲性能
王德松等¨。。研究發現，少量 PVA 對 PVA—FRCC 的彎曲模量影響不大，但使 PVA ．FRCC 的抗彎強度、增強效果和柔韌性得到改善。詹炳根等 研究表明，隨著 PVA 纖維摻量和纖維長徑比的增加 PVA—FRCC 的抗彎強度增大，界面改性劑(凹土)能夠顯著提高材料的抗彎韌性。張帥等 糾研究了增稠劑對 PVA．FRCC彎曲性能的影響。結果表明，羥乙基纖維素和羥丙基甲基纖維素能夠降低試件的彎拉強度及抗彎極限荷載。饒芳芬¨ 研究了粉煤灰的類型對 PVA．FRCC 彎曲性能的影響。研究發現，質量較差的粉煤灰不利于 PVA-FRCC 的彎曲性能，原因是其易使 PVA 纖維結團。
(3)斷裂特征
高淑玲等 研究了 PVA—FRCC 的斷裂能，借助拉伸應力．裂縫寬度曲線，經計算得到了 PVA—FRCC 的斷裂能，約為普通混凝土的50 倍。
(4)抗壓強度
杜修力等¨ 研究表明PVA 纖維對高強混凝土的抗壓強度影響不大，并且能夠降低混凝土的軸心抗壓強度。徐世煨等[1叫建立了立方體與棱柱體抗壓強度之間的關系、不同尺寸立方體與抗壓強度關系以及抗壓強度與彈性模量之間的關系，該成果為實際工程應用提供了實踐經驗和理論基礎。田艷華等 1 研究結果表明，減水劑和引氣劑摻量對抗壓強度的影響不大。王海波等¨副研究表明，國內PVA 纖維使 PVA —FRCC 的抗壓強度降低。姜國慶等n 研究結果表明，受壓破壞后 PVA．FRCC 試件仍然保持整體狀態 ，應力-應變曲線表明，隨著 PVA 纖維摻量增加，曲線下降段變得越來越平緩。
(5)耐久性能
耐久性的研究主要包括抗碳化、抗氯離子滲透、抗鋼筋銹蝕、抗凍融以及收縮抗裂等。
①抗凍融性能
徐世煨等 研究表明，經過300 次凍融循環之后，ECC 質量損失小于 1％，動彈性模量損失小于5％，對薄板試件，其抗彎強度下降幅度較小，但是其應變硬化能力很強。
②抗碳化性能
徐世煨等 研究表明，在無縫狀態時，ECC 與普通混凝土的抗碳化能力相當，但如果在相同載荷條件下，對預裂縫處理以后，在裂縫處 ，ECC 的碳化深度僅為參比混凝土的30％ ～40％。
③抗鋼筋銹蝕性能
蔡新華等 研究發現，ECC 能夠推遲因銹蝕引起的鋼筋與基體之間平均粘結強度的急劇下降，可以有效控制保護層銹蝕開裂 。
2．2 國外研究現狀
PVA 纖維具有親水性特性，抗拉強度低于 PE 纖維，在 1600 M Pa 以上，能夠滿足 ECC 的設計理論要求。價格是高模量 PE 纖維的八分之一，低于同體積量鋼纖維的價格。PVA 纖維與水泥基體具有良好的化學粘結作用。¨．V．C 教授團隊基于性能驅動設計方法(Performance Driven Design Approach，PDDA )[233成功制備了 PVA—FRCC。在最近十幾年里 ，研究人員主要致力于 PVA —FRCC 的性能研究 。
(1)拉伸性能
PVA．FRCC 單軸拉伸測試表明其具有明顯的假應變硬化特征。當纖維體積摻量為 2％時，極限拉伸應變大于3％，極限抗拉強度大于4．0 M Pa，且出現多縫穩態擴展現象，裂紋間距在 1．8 ～2．5 mm 之間，最大裂紋寬度不到 100 m [2 。水泥基體于 PvA 纖維之間產生了相當強的化學鍵合，在拉伸載荷作用下傾向于斷裂，改善了材料的韌性。¨等 為了改善界面，用油劑涂覆纖維表面以降低纖維與基體之問的作用。結果表 明，當含油量為 1．2％時 ，使 PVA—FRCC 拉伸應變大于 4％ ，且多縫開裂處于飽合狀態。
(2)粘結性能
Lin 等 通過單根纖維拔出試驗，測 出了界面參數，研究表明 PVA．FRCC 具有良好拉伸應變能力。Redon 等 ’也通過單根纖維拔出試驗測定了PVA 。FRCC 基體中界面參數，同時考察了油劑對界面特性的影響，在PVA 纖維拔出過程中，發現存在明顯的滑移．硬化效應。Li等 將PVA 纖維表面涂覆油劑，研究了油劑量對界面特性及性能的影響，經處理后的 PVA 纖維使拉伸應變大于4％。
(3)與粉煤灰復合改性
Yang 等 將大體積粉煤灰取代水泥，考察了粉煤灰取代水泥對 PVA—FRCC 性能的影響，結果表明降低了抗壓強度，但改善了骨料與水化物之間的界面粘結性能，同時降低了基體的斷裂韌性，實現了 PVA —FRCC 的高韌性 、多縫開裂及應變硬化。W ang 等 研究結果表明，摻有粉煤灰的 PVA．FRCC 養護90 d 時，拉伸應變仍為 2％ ～3％。但抗壓強度明顯降低。當FA／C 為2．8 時，養護 28 d 時，抗壓強度只有35 M Pa。
(4)與礦渣粉復合改性
除了用粉煤灰取代水泥之外，有的研究人員采用礦渣粉來制備 PVA —FRCC。韓國 Kim 等 。。研究結果表明，摻有礦渣的 PVA．FRCC 即具有較高的基體強度同時又具有較好的拉伸應變 。
(5)耐久性能
① 自愈合能力
PVA-FRCC 具有良好的裂縫 自愈合能力、裂縫寬度控制能力及耐久性能。Yang 和~ahmaran 等 研究結果表明，在干-濕循環條件下，PVA —FRECC 更容易 自愈合，預加應變小于 1．5％時，自愈合程度可實現100％，當預加應增加到 3％時，自愈合程度也高達76％。在鹽溶液或堿溶液浸潤的環境及荷載雙重作用下，PVA—FRECC 也具有極強的自愈合能力，只是韌性略有下降，但仍大于 2％，裂紋寬度有些增加，但仍能滿足混凝土結構耐久性對裂縫寬度的閾值要求 。
②抗凍性能
在經歷 300 次凍融循環后，PVA—FRCC 無明顯損傷，彎曲韌性及強度與凍融前幾乎不變 。在拉伸載荷作用下，PVA ．FRCC 與鋼筋具有良好的變形協調性，亦使得鋼筋 PVA．FRCC 在耐蝕性方面也具有很大優勢。綜上所述，在加載環境下 PVA—FRCC 材料具有優越的裂紋寬度自控能力，在抗凍融循環、冷熱溫度老化 、抗鋼筋銹蝕等條件下 ，PVA—FRCC 材料具有 良好的耐久性能 ，解決了普通混凝土長期耐久性 差的問題。
與 PVA —FRCC 的耐久性相比，鋼筋混凝土的耐久性略差一些。茅華等 研究了鋼筋混凝土鹽鹵侵蝕下的耐久性試驗，通過研究發現：經長期鹽鹵侵蝕試驗后，鋼筋混凝土性能未出現明顯劣化；抗腐蝕性能優越，只是鋼筋均存在一定程度的腐蝕。
3 PVA —FRCC 動力學特性研究現狀
隨著軍事、造船、航空航天、核能和石油工業的發展，在高能量荷載作用下，研究結構和材料的動力學具有十分重要的意義。重要建筑物如軍事掩體、長跨橋、防洪大壩、水電站等，經常承受變化速率劇烈的沖擊、沖刷、爆炸等荷載，因此，在高速動載條件下，研究水泥基材料的力學性能具有一定的實際意義。水泥基材料具有分布不均勻且組成復雜的特點，要建立泥基材料動態力學性能的本構關系十分困難。主要有理論研究和試驗研究兩方面。
(1)理論研究
理論研究方面主要有本構方程理論、抗沖擊和抗爆理論及沖擊波理論。
(2)試驗研究
在動態荷載作用下水泥基材料的力學行為與靜態相比差別很大，主要采用應變率來表示材料動態力學特性的變化規律。早期研究所有的試驗裝置主要有落錘或擺錘裝置 、液壓試驗機及分離式 H opkinson 壓桿裝置(SplitHopkinson Pressure Bar，SHPB 裝置)。
①落錘或擺錘裝置。
Nia_3 對圓柱體水泥基材料利用落錘裝置進行沖擊試驗，研究發現摻入纖維后試件的破壞沖擊次數明顯比普通混凝土高許多。M illard 等 利用落錘對梁結構進行沖擊試驗研究，結果表明，隨著應變率提高彎拉強度明顯增加，摻人纖維可以明顯提高梁構件的抗沖擊性能。李慶華等 引對超高韌性纖維增強水泥基復合材料采用落錘試驗方法進行了抗沖擊力學性能研究，結果發現試件破壞沖擊次數是鋼纖維混凝土的9 倍，已達 1萬次以上，抗沖擊吸收能量是普通混凝土的48 倍，具有優異的吸收能量能力。
②液壓試驗機
Yan利用 MTS 試驗機考察混凝土動態拉伸性能，結果發現，當應變率在 10 ～0．3 時，抗拉強度提高70％。采用相同的方法，實現應變率 10 —20 s一，認為纖維種類對強度及拉伸韌性具有相當大的影響。
1949 年，Kolsky_4¨對 H opkinson．Davies 壓 桿進行 改裝，發 明 了分 離式 Hopkinson 壓 桿裝 置 (Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)，在經歷幾十年的發展后，形成了比較完備的 Hopkinson 壓桿測試技術，以至于極大的提高了材料動態力學性能測試的精確度和應變率范圍。Rong[4 等也利用該裝置考察了纖維增強混凝土的動態拉伸性能，認為纖維能夠顯著提高材料的動態拉伸強度。
4 PV A—FRCC 自愈合研究現狀
PVA．FRCC 具有極好的拉伸應變能力(是普通混凝土的300 ～500 倍)及多縫開裂的能力。裂縫有助于結構的耐久性，許多研究人員研究了PVA-FRCC 裂縫的自愈合能力。
在帶有除冰鹽的環境中，凍融 25 次和 50 次后，~ahm aran 等 研究了的預拉伸 PVA —FRCC 的自愈合情況。研究表明，當預拉伸應變為 2．O％時，PVA—FRCC 經 50 次凍融循環 自愈合后，當再次拉伸時其仍具有多縫開裂的能力，剛度幾乎完全恢復，拉伸應變能力基本不變，只是極限拉伸強度損失了6％，裂縫寬度增加到了 100 p,m 。
Sahm aran 等… 又研究了在堿性環境下放置62 d 后，預拉伸 PVA—FRCC(裂縫寬度約為50 Ixm )的自愈合情況。結果發現，拉伸應變能力下降20％，拉伸強度下降4％，裂縫寬度增加2 倍多。
Y g 等 考察了干濕循環和溫度對預拉伸 PVA ．FRCC 自愈合的影響，同時利用超聲波測試 、拉伸試驗和滲透性試驗來檢測 自愈合試件的性質。結果發現，自愈合試件的超聲頻率可以恢復至初始時的 76％ ～100％，主要取決于試件的開裂程度，也就是預拉伸應變水平。如果自愈合環境的溫度較高，則可以提高試件的極限應力，但使拉伸應變降低；溫度越高，自愈合程度越高。
Qian 研究表明，在水及空氣中自愈合 28 d 后試件撓度分別恢復 65％ ～105％和40％ ～60％，且水中自愈合試件的剛度明顯高于空氣；經 ESEM 和 XEDS 分析可知，裂縫自愈合產物主要是碳酸鈣，其存在于裂縫兩側；另外，納米粘土有助于試件的自愈合。Kan 等 鉀研究表明，PVA ．FRCC 試件的裂縫寬度小于50 m 時，自愈合程度較高；PVA —FRCC 試件的預拉伸應變大于2％時，超聲頻率可恢復 90％；如果裂縫寬度小于 15 p．m ，自愈合產物主要是 c—s—H 凝膠，裂縫寬度是30 txm ，自愈合產物主要是 c—s—H 凝膠和 CaCO ，如果寬度為50 m ，其 自愈合產物較少。
5 PVA ．FRCC 微觀設計理論
對 PVA—FRCC 國內外已進行了許多理論及試驗研究。經歷十幾年的發展，已經從最初的微觀力學和斷裂力學的理論設計，發展到各種類型PVA．FRCC 用于工程實際。關于纖維增強脆性基體復合材料具有準應變．硬化特征的研究中，IJi等 4 運用 M arshall研究連續纖維時的分析方法，以J積分的形式建立了短纖維增強脆性基體復合材料的關系式。目前，PVA ．FRCC 微觀設計理論準應變一硬化模型為基礎，在具體設計過程時，考慮了纖維可加工性和水泥基復合材料可攪拌性的限制，同時也考慮了如何控制材料的收縮 。在直接拉伸荷載作用下 ，PVA—FRCC 可以產生多條細密裂縫，這是準應變一硬化特性的典型特征。纖維增強脆性基體材料產生多條裂縫的基本條件是：必須同時滿足穩態開裂及開裂強度準則。否則，當材料受力開裂后，因裂縫局部擴展而瞬間進入軟化階段，則不能產生多條裂縫。比較 PVA—FRCC 和鋼筋混凝土的設計原理可知，前者是產生多條裂縫，而后者是控制裂縫的寬度。
(1)穩態開裂準則
根據 M arshall和 Cox 的研究成果 ，利用 J 積分能夠建立裂縫推動力表達式。在穩態開裂過程中裂縫推動力與裂縫尖端韌度相等。當纖維摻量較低時，裂縫尖端韌度與基體韌度相差不多。纖維橋接區的能量消耗一定要大于裂縫尖端斷裂韌度 。如果最大橋接應力大于穩態開裂應力 ，則滿足穩態開裂準則 。否則 ，Griffith 裂縫就是主導破壞模式。
(2)初始開裂應力準則
該準則是指初始開裂應力一定小于最大橋接應力，也就是指材料所承受的荷載不能超過最大橋接應力，否則因纖維的斷裂或者拔出導致纖維承載力突然下降，荷載就不能通過纖維傳遞給基體，也就不能產生新的裂縫 。
初始缺陷尺寸過小或者基體斷裂韌度過高會使初始開裂強度過高而不能滿足該準則。為了使水泥基復合材料產生多縫開裂 ，穩態開裂準則要求裂縫尖端韌度一定小于補充能量，補充能量要于基體韌度相關，基體韌度又決定于基體本身的特性，象水灰比、骨料的粒徑及質量、細顆粒還有化學添加劑。如果降低水灰比、使粒徑大于 250 m 的粗砂用量增加都能增加基體的韌性 。過低的基體韌性會影響復合材料的性質，例如初始開裂強度過低、孔隙率增加都使基體的彈性模量降低 。
缺陷尺寸的大小和分布即能夠改變孔隙率，也能影響多裂縫的開裂模式。根據應力準則可知，初始開裂強度應小于最大橋接應力，否則，復合材料只能產生一條裂縫而失效。由多縫開裂所需條件可知，要限制缺陷尺寸的大小 。缺陷尺寸分布會影響到多縫開裂的過程，缺陷尺寸中等時有利于裂縫的形成。適當增加含氣量有利于尺寸大小合適的缺陷形成，降低初始開裂強度。增大最大橋接應力(最大拉伸強度)和初始裂縫的比值范圍，也有利于多縫開裂 。
6 PVA —FRCC 的應用
PVA—FRCC 不僅具有良好的多縫開裂能力及拉伸應變，而且施工及其便利，既能夠現場澆注、又可以工
廠預制、自密實、噴射及擠壓成型 。正是由于其具有上述的優異性能及便利的施工，使其具有十分廣闊的應用前景。PVA —FRCC 主要用于以下4 個方面：
(1)做為保護層：能夠提高鋼筋混凝土結構的耐久性，抑制侵蝕性物質侵人，推遲建筑物的使用壽命；
(2)做為無伸縮縫連結板 ：即能夠提高橋梁結構的耐久性，又能夠減少結構的自重；
(3)做為抗震結點：能夠提高結構抗震能力；
(4)做為鋼／混凝土結構結點以及錨桿等位置：能夠降低因局部應力集中而產生的結構破壞。
目前 ，在 日本北海道美原大橋的建設中使用了 PVA ．FRCC(但效果不是很好，兩年后就破損了)，另外 ，在大壩的修補及高架橋維修等方面PVA．FRCC 也獲得應用。
7 結 語
PVA—FRCC 具有變形能力強、自愈合及多縫開裂等優點，擁有巨大的應用空間及廣闊的發展前景。PVA—FRCC 研究時間還不夠長，因此，仍需投入大量的人力、物力、財力，來加快 PVA—FRCC 在實際工程中的應用。隨著社會的發展與進步，對材料性能的要求變得更高。材料即要有較高的強度，又要有較好的變形能力。為了進一步拓寬其應用領域 ，下面一些課題有待人們去深入研究：
(1)制備高強高韌 PVA ．FRCC。將微觀力學理論與材料設計、優化有機地結合在一起 ，采用必要的方法，使制備的 PVA．FRCC 滿足高強高韌的要求；
(2)制備低成本高韌性的 PVA—FRCC 。PVA 纖維的價格昂貴，使其在工程中的大規模應用受到限制。降低成本是 PVA —FRCC 應用亟待解決的問題；
(3)復雜環境下預拉伸 PVA．FRCC 自愈合問題。在各種受力狀態下，研究 PVA—FRCC 的自愈合情況；
(4)預拉 PVA—FRCC 耐久性問題。已開裂與未開裂 PVA—FRCC 之間的抗滲、抗凍及抗侵蝕能力的區別；
(5)PVA．FRCC 材料強韌化機理。從材料學、微觀力學等多角度，探討聚合物對 PVA—FRCC 材料長期力 學性能、耐久性能(耐老化、抗滲性、耐磨性等)的影響，探明機理；
(6)高應變率條件下 PVA —FRCC 材料的拉伸行為。要深入研究 PVA—FRCC 材料的動態拉伸性能以及高溫特性、抗爆抗侵蝕性能等方面。以拓寬 PVA—FRCC 材料在軍事防護領域的應用。
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