混凝土作为重要的土木工程材料，凭借取材简便、造价低、工艺简单、适应性强、抗压强度高等诸多优点，用量越来越大，应用范围也越来越广泛。然而，由于混凝土自身的抗拉强度低、自重大、脆性大等固有弱点，加之混凝土结构在建设和使用过程中易出现不同程度及形式的裂缝，且混凝土自身控制裂缝的能力较差等问题，制约着这种传统建筑材料的发展[1]。
为了满足现代工程对建筑质量更高的要求，克服混凝土材料脆性大、裂缝控制能力差等缺点，国内外学者开始借助微观力学、细观力学及断裂力学等理论研究具有典型应变硬化特性的新型水泥基复合材料[2-4]。美国密歇根大学Li教授[5]和麻省理工大学Leung教授于1992年在美国ASCE Journal of Engineering Mechanics发表的论文建立了超高韧性纤维增强水泥基复合材料(engineered cementitious composites，ECC)的微观力学基础及设计准则[5-6]，其后世界各国研究学者对ECC材料及其应用展开了深入的研究。有别于传统纤维增强混凝土初始开裂后的拉伸强度和应变有限的提高[7-8]，导致其在承受弯曲和拉伸荷载下出现应变软化现象，ECC是一类在纤维掺量适中(通常体积分数小于等于2.0%[9-11])的情况下实现多条微细裂缝平稳展开、呈现超高韧性的新型纤维增强水泥基复合材料，从受力开裂到极限破坏过程中可产生多条间距仅为1 mm~2 mm且宽度保持在60 µm以下的紧密细小微裂缝[12]，表现出显著的应变硬化及裂缝宽度可控性，其极限拉应变可达3%~7%[13]，而普通混凝土在开裂时所具有的极限拉应变仅为0.01%~0.02%[14-16]，ECC是其200倍~500倍[17]。同时，ECC材料使用常规的搅拌和施工工艺，在应用技术上不存在较高的要求，十分易于工程应用。
正是由于纤维桥联作用下的裂缝稳定扩展并由此获得的多缝开裂特征，才使得ECC拥有了良好的应变硬化行为及超高的韧性[5]。鉴于纤维对于ECC材料的重要性，因此，性能优良的纤维成为影响其效果的关键。ECC最初使用的是聚乙烯(PE)纤维[18]，但其昂贵的价格使得ECC材料难以得到推广，而在美国聚乙烯醇(PVA)纤维价格约为PE的1/8，随后使用PVA替代PE纤维[19-22]，从而大大降低了ECC材料的成本。
近些年，随着我国建筑业的蓬勃发展，许多学者一直致力于将ECC引入我国[23-25]。日本Kuraray公司生产的PVA纤维凭借其优良的性能，成为制备ECC材料的首选，但其高昂的价格(约225元/kg)限制了其在国内大规模的推广应用，而低成本的国产PVA的价格通常仅为进口纤维的1/4左右。因此，研究国产PVA纤维制备出性能优良的ECC是实现其低成本化的重要途径。通常低成本的国产纤维由于较低的拉伸强度和弹性模量，降低了界面连接处的纤维桥接余能，可能会导致所制备的材料不满足能量准则，从而无法实现稳态的多缝开裂应变硬化行为。基于此，本文选取了两种国产低成本的PVA纤维来制备ECC，并与日本进口纤维进行对比，就其单轴拉伸及抗压等宏观性能进行研究，结合三点抗弯和单裂缝拉伸等细观试验来探讨基体、纤维及二者的界面性能，并通过纤维分散性试验及SEM就不同纤维在基体里的分散及受力过程中的情况进行了分析。
1 试验
1.1 原材料
南京小野田公司生产的P•II型52.5普通硅酸盐水泥、南京某电厂提供的I级粉煤灰、普通河砂、PVA纤维(国产：A、B；日本：C)、W.R.Grace公司生产的ADVA® 152高效减水剂和瑞士阿克苏诺贝尔公司生产的Bermocoll M30甲基纤维素醚增稠剂(HPMC)用于ECC材料的制备。水泥和粉煤灰的化学组成见表1。纤维的主要性能及形貌分别见表2及图1。为了减弱由于PVA纤维的亲水特性导致的与基体界面的粘结力，三种纤维均对其表面进行了油剂处理。砂及粉煤灰的粒度分析见图2。由表2可知，3种纤维相比，进口纤维C的直径、弹性模量及强度均高于国产纤维。
1.2 ECC试件的制备
试验中，将水泥、粉煤灰、砂按表3配比称量好后，倒入容量为5 L的水泥胶砂搅拌机(JJ-5型)中慢速干搅2 min~4 min，使原材料充分混合均匀。将水和减水剂加入搅拌锅中，快速搅拌3 min~5 min，直到观察浆体呈面团状时，再缓慢均匀地加入PVA纤维，快速搅拌5 min~8 min，直至纤维分散均匀(搅拌时间的终止以浆体中纤维不成团、结块为依据)。将拌和物装入模具中，振捣密实后置于实验室空气中养护24 h后，脱模，置于温度为(20±1)°C、湿度大于等于95%的标准养护箱中养护至设定龄期。
表1 水泥和粉煤灰的化学组成 /(%)
Table 1 Chemical composition of cement and fly ash
材料 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO SO3K2O水泥 64.9 19.9 4.42 3.00 0.66 2.670.79粉煤灰 1.83 50.7 32.1 2.96 0.25 0.740.73
表2 PVA纤维的物理力学特性
Table 2 Physical and mechanical characteristics of PVA fibers
纤维种类长度/mm直径/µm抗拉强度/MPa弹性模量/GPa伸长率/(%)密度/(g/cm3)A 12 33 1120 35.6 7.0 1.3 B 12 33 1237 31.3 7.3 1.3 C 12 39 1600 42.8 6.0 1.3
图1 三种纤维的形貌
Fig.1 Images of three different PVA fibers
图2 砂及粉煤灰的粒度分布
Fig.2 Particle size distribution of sand and fly ash
表3 ECC的设计配合比(以质量百分比计)
Table 3 Mix design proportion of ECC (by mass percent)
注：水胶比，水的质量与水泥和粉煤灰质量之和的比值。
水泥 粉煤灰水 砂 PVA 减水剂增稠剂水胶比18.36%42.85%18.36%18.36% 1.3% 0.5% 0.1%0.3
1.3 单轴拉伸及抗压试验
单轴拉伸试验是评价ECC力学性能的最直观、最有效的试验方法。狗骨型试件(图3)养护至3 d、7 d及28 d龄期后，通过电子拉力试验机(济南川佰仪器设备有限公司，LDS-5型)表征试件的拉伸性能(装置见图4)。采用位移控制，加载速度为0.3 mm/min，通过在试件两侧装置两套线性变形位移传感器(linear variable displacement transducers，LVDT)记录监测区长度的变化，最终长度变化值取两套测试结果的平均值，测量标距为80 mm。
为测试不同纤维ECC的单轴抗压强度，本试验将不同纤维的ECC试件制成50 mm×50 mm×50 mm的立方体进行抗压强度测试。龄期设定为3 d、7 d和28 d，每个龄期对应制作3个试件，试验时荷载加载速度为1.5 mm/min。
图3 狗骨型试件示意图 /mm
Fig.3 Sketch of dog-bone specimen
图4 单轴拉伸试验装置
Fig.4 Setup of uniaxial direct tensile test
1.4 三点抗弯及单裂缝拉伸试验
为了研究基体对拉伸延性的影响，使用表3配合比制作尺寸为354 mm×75 mm×40 mm的无纤维带切口的三点抗弯试件。试件尺寸及试验装置见图5及图6，采用位移控制加载，速率为0.5 mm/min，跨径为300 mm。
图5 三点抗弯试件尺寸图
Fig.5 Dimension diagram of three-point bending specimen
图6 三点抗弯试验装置图
Fig.6 Setup of three-point bending test
单裂缝拉伸试验前，在试件的四个面上切割宽度小于等于0.6 mm的切口，以便于形成单裂缝，切口尺寸及试验装置如图7及图8所示。
图7 单裂缝抗拉试件尺寸图 /mm
Fig.7 Dimensional drawing of single crack tensile specimen
图8 单裂缝拉伸试验装置
Fig.8 Single crack tensile test device
1.5 纤维分散性试验
在单轴拉伸试验结束之后，选用破坏后的试件进行纤维分散性试验，在距离试件断裂的大裂缝2.5 mm处，利用切割机沿试件横截面截取厚度为5 mm的切片，对切片截面先后用P800和P1200的砂纸进行打磨，将打磨好的切片截面分别划分为4个大小一致的区域(图9)，利用显微镜对每个区域进行观察并拍照记录。由于显微镜拍摄的电子照片上可以观察到纤维截面，通过人工计数，即可得到切片截面上每个区域范围内的纤维数量。
图9 切片展示
Fig.9 Photo of section
2 试验结果及分析
2.1 拉伸及抗压性能
不同纤维试件在不同龄期时的单轴拉伸应力应变曲线及性能分别见图10及表4。曲线中第一个下降段对应的峰值应力为初裂强度，三种纤维配制的ECC为完全相同的基体，但其初裂强度却有一定的差异。究其原因，一方面可能是因为纤维直径不同，相同体积掺量情况下纤维的表面积存在差异，以及纤维表面油剂处理方式的不同，导致纤维附近基体的孔隙率不同，所以实验得到的初裂强度不同；另一方面，纤维的弹性模量、强度、伸长率不同，也会对初裂强度产生一定的影响。试验发现，三种纤维-ECC的初裂强度变化存在一定的规律，初裂强度均随着龄期的增长而增长，且纤维C增长的最快，纤维A的最慢。同时，可以看出，绝大部分试件在单轴拉伸过程中均表现出了良好的应变硬化及多缝开裂特性，三种纤维制作试件的最大拉伸强度随着龄期的增加而增长。3 d和7 d龄期时，国产纤维A、B的最大拉伸强度与进口纤维C相差不大。28 d龄期时，纤维C试件的最大拉伸强度比纤维A、B分别提高了23%、28%。3 d与28 d龄期时，纤维B试件的最终应变均已接近纤维C试件，分别比纤维A试件高了30%、23%。7 d龄期时，纤维B试件的最终应变最高，达到5.35%，比纤维A、C分别高了60%、21%。两种国产纤维相比较看来，纤维B所表现出的单轴拉伸性能相对更好，但相对较差纤维A试件的3 d、7 d及28 d高达2.52%、3.34%及3.08%的极限拉伸应变仍体现出了ECC的超高韧性，完全满足对材料性能的使用要求。
图10 不同龄期不同纤维试件的单轴拉伸应力-应变曲线
Fig.10 Uniaxial tensile stress-strain curves of different fiber specimens at different ages
表4 不同龄期试件抗压及抗拉性能
Table 4 Compressive strength and tensile properties at different ages
注：括号中数据为方差；0.00表示值非常小。
养护龄期 试块 抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa 拉伸应变能力/(%) 初裂强度/MPa 拉伸弹性模量/GPa 3d 7d 28d纤维A 14.66 (0.28) 2.46 (0.07) 2.52 (0.33) 2.17 (0.04) 17.05 (0.42)纤维B 14.35 (0.08) 2.34 (0.02) 3.28 (0.31) 2.01 (0.03) 25.83 (0.27)纤维C 12.46 (0.16) 2.33 (0.03) 3.49 (0.28) 1.86 (0.00) 18.02 (0.48)纤维A 24.20 (0.48) 2.66 (0.09) 3.34 (0.40) 2.29 (0.07) 13.86 (0.76)纤维B 25.07 (0.46) 2.53 (0.02) 5.35 (0.60) 2.20 (0.02) 24.09 (0.24)纤维C 22.29 (0.38) 2.44 (0.00) 4.41 (0.14) 2.30 (0.03) 15.98 (0.53)纤维A 49.85 (0.73) 3.84 (0.01) 3.08 (0.10) 2.58 (0.10) 16.88 (0.25)纤维B 48.27 (0.83) 3.70 (0.05) 3.80 (1.12) 3.18 (0.01) 22.49 (0.29)纤维C 48.30 (0.32) 4.74 (0.05) 3.93 (0.01) 3.77 (0.01) 19.72 (0.23)
不同纤维试件在不同龄期下的抗压强度结果见表4和图11。可以看出，随着龄期的增长，试件的抗压强度逐渐增加。3 d、7 d及28 d龄期试件的抗压强度分别处于12.46 MPa~14.66 MPa、22.29 MPa~25.07 MPa、48.27 MPa~49.85 MPa范围。对于相同龄期不同品种纤维制作的试件，抗压强度并未像拉伸性能一样有明显的不同，各试件的抗压强度处于同一水平，表明不同纤维均发挥了其桥联作用，使试件在破坏过程中仍保持为一个整体，对抗压强度的影响并不是很大。
图11 不同PVA纤维试件在不同龄期的抗压强度
Fig.11 Compressive strength of specimens with different PVA fibers at different ages
2.2 高延性机理分析
在ECC的微观力学与断裂力学设计理论中，为实现多缝开裂应变硬化行为，必须满足应力-应变曲线(图12)下的能量及强度准则[26]。能量准则(式(1))决定着裂缝的扩展模式，而强度准则(式(2))控制着裂缝的开裂过程。
能量准则公式：
图12 应变硬化复合材料的典型拉伸应力-位移曲线[27]
Fig.12 Typical σ-δ curve for strain-hardening composite
式中：σoc/MPa为纤维最大桥接应力；δoc/mm为纤维最大桥接应力对应的位移。
强度准则公式：
式中，σcr/MPa为材料的初裂强度。
此外，Kanda等[27]和Li等[28]于1999年提出以应变硬化性能指数
作为评定材料多缝开裂饱和程度的指标(拉力作用下，已不能产生新的微裂缝的状态称为多缝开裂饱和状态)。PSH值越大，材料越容易实现稳定的多缝开裂和应变硬化。研究表明：只有当材料的PSH指标超过3时，才能实现饱和多缝开裂。
为了探究不同PVA纤维-ECC材料微观尺度与宏观拉伸多缝开裂行为之间的联系，本文基于以上微观设计理论，通过基体(无纤维)带缺口的三点弯曲和单裂缝拉伸试验来分别获得基体断裂能Jtip、纤维桥接余能
及纤维的最大桥接应力σoc。根据带缺口的三点弯曲试验得出的峰值荷载，通过式(3)~式(5)可计算出基体断裂韧度Km及断裂能Jtip，试验结果见表5。
表5 ECC基体的断裂韧度
Table 5 Fracture toughness of ECC Matrix
样本 质量/kg 峰值荷载/kN基体断裂韧度Km/(MPa·m1/2)断裂能Jtip/(J/m2)1 1.83 0.53 0.653 21.65 2 1.86 0.45 0.570 16.50 3 1.85 0.43 0.548 15.25平均值 1.85 0.47 (0.00) 0.590 (0.00) 17.80 (7.67)
式中：Km/(MPa·m1/2)为断裂韧度；FQ/kN为三点弯曲试验获得的峰值荷载；m/kg为试件的质量；g为重力加速度，即9.8 m/s2；S/m为三点弯曲试件的跨度；a0/m为切割槽的深度；t/m为三点弯曲梁的宽度；h/m为三点弯曲梁的厚度；f(α)为三点弯曲梁的形状参数；Em/GPa为单轴拉伸试验得到的弹性模量。
依据不同纤维单裂缝拉伸试验结果(图13)，可计算得出纤维的最大桥接应力σoc、裂缝开口位移δB及纤维桥接余能，结合基体的断裂能，即可计算得到PSH系数
结果见表6。
图13 不同PVA-ECC单裂缝拉伸应力-位移曲线
Fig.13 σ-δ curve of single-crack tension test with different PVA-ECCs
由表6可以看出，3种不同纤维制成的PVA-ECC的纤维最大桥接应力σoc分别为2.95 MPa、3.28 MPa和4.71 MPa，与单轴拉伸试验得到的初裂强度σcr(表4)相比，均满足强度准则(式(2))。不同纤维的桥接余能
也均大于基体的断裂能Jtip(表5)，满足能量准则(式(1))。
表6 单裂缝拉伸试验结果
Table 6 Results of single-crack tensile tests
注：括号中数据为方差；0.00表示值非常小。
纤维样本 峰值应力种类 σoc/MPa开口位移δB/mm纤维桥接余能J′bb /(J·m2) PSH J′1 3.29 0.15 447 25.11纤维A 2 2.32 0.23 525 29.49 3 3.24 0.28 444 24.72平均值2.95(0.20)0.22(0.00)472(1406.00)26.44(4.68)1 3.29 0.18 665 37.36纤维B 2 3.24 0.25 754 42.36 3 3.32 0.18 589 33.09平均值3.28(0.00)0.20(0.00)669(4546.89)37.60(14.35)1 3.78 0.24 803 45.11纤维C 2 5.50 0.18 943 52.98 3 4.85 0.26 842 47.30平均值4.71(0.50)0.23(0.00)863(3480.22)48.46(11.00)
由表6可以看出，纤维A、B试件的纤维桥接余能分别比进口纤维C的低了45%、22%。纤维最大桥接应力σoc分别低了37%、30%。由表2可看出，纤维C的抗拉强度分别高于纤维A、纤维B强度的43%、29%，弹性模量分别高出20%、37%，导致低成本国产纤维的桥接余能及最大桥接应力显著高于国产纤维。在相同基体条件下，进口纤维C的PSH指数分别比国产纤维A、国产纤维B高了83%及29%。PSH指数越高表明越容易满足应变硬化行为，且会导致更高的拉伸延性。这一结果表明进口PVA纤维更容易实现稳定的多缝开裂和应变硬化，虽然国产纤维的PSH值低于进口纤维，但仍满足大于3的拉伸应变硬化条件，可实现材料的稳态饱和多缝开裂行为。这与宏观单轴拉伸试验结果相一致。
2.3 纤维分散性及SEM分析
选用变异系数对纤维的分散性进行定量表征，从每种纤维试件中选取3组进行试验，结果见表7。标准差也是具有表征数据离散性程度的统计量，由表7对比结果可看出，各纤维之间的分散性是有差距的，纤维B的标准差最小，纤维C其次，纤维A最大，由此可初步认为纤维B在基体中的分散性最好，纤维C其次，纤维A相对不好。无论是切片1、切片2或是切片3，纤维A的变异系数都要比另外两种纤维要大，纤维C的居中，纤维B的最小，可以初步说明纤维B在基体中的分散性最好，纤维C其次，纤维A相对较差。
表7 纤维分散性试验结果
Table 7 Test results of fiber dispersion
注：x代表穿过每个小区域的纤维数量。
纤维样本 区域种类 序号纤维数量x平均值标准差/S 变异系数/x CV 1 78 12 65 3 98 4 79 80 11.77 0.147 1 71纤维A 22 62 3 81 4 52 66.5 10.74 0.162 1 81 32 91 3 79 4 61 78 10.82 0.139纤维B纤维C 1 2 3 1 2 3 1 71 2 85 3 69 4 64 1 70 2 57 3 64 4 71 1 65 2 64 3 71 4 58 1 89 2 68 3 75 4 93 1 59 2 76 3 80 4 61 1 71 2 79 3 61 4 84 72.25 7.79 0.108 65.5 5.59 0.085 64.5 4.61 0.071 81.25 10.16 0.125 69 9.14 0.132 73.75 8.70 0.118
图14显示了利用SEM对不同纤维试件的内部结构观察结果。发现，每一种纤维与基体的粘结都显得十分紧密，没有出现特别明显的缺陷，说明低成本国产纤维与基体的粘结程度与进口纤维相当，正是由于这种特性，基体在受到外力荷载的时候，才能有效的将力传递给纤维。从图中还可看出，三种纤维在基体中均分散的较好，没有出现成团的现象，部分国产纤维(尤其是Fiber A)的截面比较平整，说明在整个受力过程中，纤维是被拔断的，而进口纤维的截面表面不平整，表明在试验过程中纤维是拔出的，故截面发生了变化。相对国产纤维，进口纤维的强度与模量较高，使得纤维在多缝开裂过程中不易于断裂而是被拔出，从而更容易实现稳定的多缝开裂和应变硬化行为。另一方面，虽然国产纤维也进行了涂油处理以便减弱和基体的粘结，但由于处理工艺及成分的不同也可能导致纤维与基体的粘结力较强，使其在受力过程中不易被拔出，从而减弱了ECC的拉伸延性[29]。总体来看，国产纤维与基体粘结及纤维分散性能较好，但在拉伸过程中易于被拔断而不是被拔出，相对于进口纤维拉伸延性较弱。
图14 不同PVA纤维试件的SEM图
Fig.14 SEM photos of specimens with different PVA fibers
3 结论
(1) 单轴拉伸过程中绝大部分试件均表现出了良好的应力硬化及多缝开裂特性，28 d龄期时，进口纤维C制备试件的最大拉伸强度比低成本国产纤维A、B分别提高了23%、28%。部分国产纤维试件的最终应变甚至可超过进口纤维试件，即便相对较差纤维A试件的3 d、7 d及28 d的极限拉伸应变可高达2.52%、3.34%及3.08%，仍可满足ECC的超高韧性要求。
(2) 不同纤维对抗压性能的影响较小，3 d、7 d及28 d龄期试件的抗压强度分别处于12.46 MPa~14.66 MPa、22.29 MPa~25.07 MPa及48.27 MPa~49.85 MPa范围。
(3) 三点抗弯及单裂缝拉伸试验结果表明，尽管低成本国产纤维A、B制备试件的纤维桥接余能
分别比进口纤维制备试件的低了45%、22%，纤维最大桥接应力σoc分别低了37%、30%，PSH指数分别低了45%、22%，但均能满足实现拉伸应变硬化行为及达到饱和多缝开裂的能量准则与强度准则。
(4) 纤维分散性及微观试验显示，低成本国产纤维在基体中的分散性较好，但由于纤维强度和模量较低，且表面处理的差异，导致其在拉伸过程中易被拉断。
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