PVA纖維對超高韌性纖維水泥基改性復合材料力學性能試驗

曹巍巍，劉源東，雷 濤，徐肖龍，段鵬鵬

(1.英達熱再生有限公司，江蘇 南京 210038； 2.東南大學 交通學院，江蘇 南京 211189； 3.金華市正方工程檢測有限公司，浙江 金華 321025)

超高韌性纖維增強水泥基復合材料是以水泥為基礎，在其加入填料或者細骨料，然后使用纖維作為增強材料的一種高性能的新型水泥基復合材料。加入的纖維量需要適宜，一般體積分數(shù)小于2%[5]。這種新型水泥基復合材料不同于傳統(tǒng)的混凝土，具有超高的韌性，當出現(xiàn)裂縫之后，材料并不會突然破壞，而是產(chǎn)生很多條緊密細小微裂縫，該裂縫寬度可控，并不會像普通混凝土的裂縫寬度不可控[6]；這主要在于該材料中加入纖維，纖維具有橋梁作用，當出現(xiàn)裂縫之后，能夠穩(wěn)定擴展[7]。超高韌性纖維增強水泥基復合材料中最先使用的是聚乙烯纖維，但由于這種材料的價格昂貴，隨后出現(xiàn)了聚乙烯醇(PVA)纖維，這種纖維相對較為便宜，能夠降低水泥基復合材料的成本，并且在水泥基復合材料中發(fā)揮不錯的應用效果，于是PVA纖維逐漸取代聚乙烯纖維。近年來，我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，對建筑質(zhì)量的要求不斷提高，很多學者開始研究超高韌性纖維增強水泥基復合材料，尤其是材料中加入的PVA纖維，因為PVA纖維的加入量和類型不同，都會影響到水泥基復合材料的性能。通過分析PVA水溶液，將其加入到水泥中，結(jié)果表明少量的PVA水溶液能夠提高材料的強度和力學性能[8]。通過分析把不同期齡下不同纖維摻量對材料性能的影響，結(jié)果表明加入纖維的材料具有更強的韌性，而且當纖維摻量不斷提高時，材料的韌性隨之提高，材料的抗拉強度先增加，然后無明顯變化規(guī)律[9]。還有研究者對超高韌性纖維水泥基復合材料的配比進行研究，或者對材料的攪拌方法進行分析[10-11]。對于高韌性纖維水泥基復合材料，其中PVA纖維對材料的力學性能影響顯著。鑒于此，本文通過分析PVA纖維對高韌性纖維水泥基復合材料力學性能的影響，主要從2個方面進行分析，首先是PVA纖維的類型，其次為PVA纖維摻量，因為這2個方面對材料的力學性能影響較為明顯。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

(1)實驗過程中需要的主要材料有PVA纖維、水、水泥、粉煤灰、沙石、減水劑等。由于PVA纖維的親水性較強，對制作超高韌性纖維水泥基復合材料的質(zhì)量會造成影響，本實驗對PVA纖維進行了油劑處理。不同的PVA纖維存在伸長率、直徑、力學性能等差別，而且PVA纖維摻量不同都會影響到超高韌性纖維水泥基復合材料的力學性能，分析了3種不同物理力學特性的PVA纖維對復合材料的影響；表1為3種不同PVA纖維的物理力學特性。

表1 3種不同PVA纖維的物理力學特性Tab.1 Physical and mechanical properties of three different PVA fibers

(2)實驗儀器：主要有混凝土攪拌機、養(yǎng)護箱、電子萬能試驗機等。

1.2 實驗方法

1.2.1超高韌性纖維水泥基復合材料的制備

為了分析PVA纖維對復合材料力學性能的影響，實驗中需要制作不同的試樣，具體如表2所示。試樣中主要區(qū)別在于PVA纖維摻入量不同和加入的纖維類型不同，其他加入的材料質(zhì)量都一樣。稱取適量的原材料，之后將減水劑放到水中進行溶解；然后將水泥、沙石和粉煤灰放入攪拌機中進行中速攪拌。待材料攪拌均勻之后放入減水劑，使用快速攪拌對所有材料進行攪拌，直至原材料表現(xiàn)出團狀，再加入PVA纖維進行快速攪拌。當纖維分散的比較均勻后停止攪拌，然后放入模具，壓實后放入養(yǎng)護箱中養(yǎng)護即可；養(yǎng)護時間為28 d。

表2 試樣的種類Tab.2 Types of samples

1.2.2拉伸性能實驗測試

分析復合材料的力學性能采用單軸拉伸實驗。將試樣制作成15 mm×60 mm×240 mm形狀，從養(yǎng)護箱中取出試樣，之后將其進行晾干處理，晾干施加設置為5 h；然后使用電子萬能試驗機進行測試，儀器的荷載加速度設置為0.3 mm/min。為了增加測試結(jié)果的準確度，每一種配合比的復合材料進行3次拉伸實驗，然后取平均值作為最終結(jié)果。

1.2.3抗壓強度實驗

將試樣制作成長、寬、高均為100 mm的立方體進行抗壓強度測試，將儀器的荷載加速度設置為1.5 mm/min。對同一個配合比的試樣制作3個試樣，目的在于進行3次抗壓強度測試，取平均值作為最終結(jié)果。

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1.2.4彎曲實驗

將試件制作成40 mm×75 mm×300 mm的薄板，使用三點彎曲實驗，其加載示意圖如圖1所示；使用位移控制加載，將機器加載速度設置為0.4 mm/min，具體實驗裝置如圖2所示。

圖1 三點彎曲加載示意圖Fig.1 Schematic diagram of four-point bending loading

圖2 抗彎實驗裝置圖Fig.2 Diagram of the bending test device

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 拉伸強度

2.1.1不同添加量的PVA纖維的抗拉應力-應變曲線

實驗的抗拉應力-應變曲線如圖3所示。

圖3 不同添加量的PVA纖維應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves different amounts of PVA fibers

從圖3可以看出，針對不加入PVA纖維的試樣，其達到抗拉強度之后，曲線的變化趨勢為急劇下降，試件的承載力已經(jīng)快速消失，出現(xiàn)單裂紋破壞；然而加入不同量的PVA纖維之后，試樣的最大拉應變均大幅度增加，且應變增加，應力隨之增加。因為加入PVA纖維之后，其中有很多羥基，裂紋旁邊由于這些羥基能夠增加材料之間的化學膠結(jié)作用，從而產(chǎn)生橋聯(lián)應力，所以能夠有效防止材料出現(xiàn)裂縫。從圖2中還可以看出，當PVA纖維量較多時，出現(xiàn)裂縫之后，試樣E的下降趨勢更為緩慢。這說明，超高韌性纖維水泥基復合材料中添加相對較多的PVA纖維能夠增強材料的阻裂增韌效果。

2.1.2不同類型的PVA纖維的抗拉應力-應變曲線

3種不同PVA纖維的拉伸實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同類型的PVA纖維應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves (different types of PVA fibers)

從圖4可以看出，加入不同量的PVA纖維，其初裂強度不一樣，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能有2點：(1)PVA纖維的直徑存在差別，雖然加入的PVA纖維質(zhì)量一定，但表面積存在差異，而且不同PVA纖維油劑處理方法存在差別，就會造成孔隙率不一樣。所以，使用不同的PVA纖維，試樣的初裂強度不一樣。另外，不同PVA纖維除了直徑不一樣，其他的物理參數(shù)也存在差別，比如伸長率、彈性模量等，這些同樣會影響到材料的初裂強度。從圖4還可以看出，試樣C的最大拉伸強度比另外2種纖維的高；試樣B和試樣A進行比較，試樣B的單軸拉伸性能相對較好。這說明，PVA纖維C具有更好的使用性能，PVA纖維B也完全滿足材料性能的使用要求。

2.2 抗壓強度

試樣測得的抗壓強度如表3所示。

表3 試樣的抗壓強度Tab.3 Compressive strength of specimens

由表3可知，超高韌性纖維水泥基復合材料中添加不同類型的PVA纖維對材料的抗壓強度影響并不明顯，而且添加不同量的PVA纖維，對試樣的抗壓強度影響也不明顯。這表明不同類型的PVA纖維和添加不同量的纖維均能夠具有橋聯(lián)作用，當試樣發(fā)生破壞時，能夠使之保持為一個整體。相比于抗拉強度，PVA纖維的類型和添加量對超高韌性纖維水泥基復合材料的抗壓強度影響比較小。

2.3 彎曲強度實驗結(jié)果

經(jīng)過實驗分析得到不同彎曲強度實驗結(jié)果如表4所示。

表4 試樣的抗彎強度Tab.4 Bending test results of materials

由表4可知，相比于沒有加入PVA纖維的試樣，加入PVA纖維的超高韌性纖維水泥基復合材料具有更高的抗彎強度。另外，當PVA纖維加入量為6 kg/m3時，其抗彎強度并沒有PVA纖維加入量為5 kg/m3的高，這說明在材料中加入PVA纖維需要適宜，并不是越多越好。加入PVA纖維能夠提高材料的抗彎強度，這是因為在混凝土中加入PVA纖維之后，能夠與其表面產(chǎn)生更大的粘接強度，而且PVA纖維的彈性模量和強度比較大，加入之后能夠改善混凝土的硬化變形缺陷。從表3還可以看出，3種不同的PVA纖維加入到混凝土中的抗彎強度也不一樣，其中PVA纖維C的抗彎強度最大，其次為PVA纖維A、B。從而可以說明當PVA纖維的彈性模量越大時，加入PVA纖維之后的復合材料具有更強的抗彎能力。

3 結(jié)語

超高韌性纖維水泥基復合材料中加入不同量的PVA纖維和不同類型的PVA纖維，其力學性能都會有所差異。通過實驗分析得出，PVA纖維的添加量和類型對抗壓強度影響不大，對抗拉強度和彎曲強度影響比較大；當PVA纖維的添加量不斷增加時，材料的增韌阻裂效果更好，而材料的抗彎強度并不會隨之增強。為了使超高韌性纖維水泥基復合材料的性能更佳，需要添加適宜量的PVA纖維，當PVA纖維的彈性模量越大時，材料的抗彎強度更好，實驗中試樣C的PVA纖維相對于試樣A、B的PVA纖維具有更好的拉伸強度。