何 蕓，何 真，孫海燕，3

(1.江西宜春市水利局，江西宜春336000;2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430072;3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電與建筑學(xué)院，云南昆明650201)

混凝土材料是當(dāng)今世界上用途最廣、用量最大的建筑材料，其具有來(lái)源廣泛、工藝簡(jiǎn)便、防火、適應(yīng)性強(qiáng)和應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它還具有抗拉強(qiáng)度低、韌性差、可靠性低和開裂后裂縫寬度難以控制等缺點(diǎn)［1］，由此導(dǎo)致許多混凝土結(jié)構(gòu)，在使用過(guò)程中甚至是建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)了許多不同程度、不同形式的裂縫，有的甚至延伸到鋼筋部位，使建筑物(構(gòu)筑物)的整體性受到破壞，嚴(yán)重威脅著結(jié)構(gòu)安全。因此，有效控制混凝土結(jié)構(gòu)的開裂已成為目前工程界十分關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

現(xiàn)代混凝土常用纖維來(lái)實(shí)現(xiàn)混凝土的增強(qiáng)、增韌、阻裂。近年來(lái)涌現(xiàn)出很多新型纖維，如鋼纖維、玻璃纖維、聚乙烯醇(PVA)纖維等。然而，采用鋼纖維及玻璃纖維來(lái)增韌，通常在較高的纖維體積率下才能發(fā)揮較大作用(如SIFCON中鋼纖維體積率用量高達(dá)4% ～20%［2］)。PVA纖維分散性好、密度小、與水泥黏結(jié)性好、親水、無(wú)毒、耐酸堿、耐日光老化等特性，尤其是高強(qiáng)高彈聚乙烯醇(PVA)纖維具有較高的彈性模量和比表面積，正是鑒于PVA纖維的這些優(yōu)點(diǎn)，其近年來(lái)得到了廣泛深入的研究［3－6］。大量研究資料顯示，實(shí)現(xiàn)PVA纖維增強(qiáng)增韌的一個(gè)關(guān)鍵因素是改善纖維與基體復(fù)合材料的界面黏結(jié)，Li［7］曾在纖維表面涂履一層油劑來(lái)改善界面，詹炳根等［8］研究認(rèn)為凹土可以作為PVA纖維的一種界面改性劑，也有學(xué)者［9－10］提出用增稠劑HPMC來(lái)提高纖維與基體間的粘結(jié)強(qiáng)度，并指出該摻加方式，可使試件或結(jié)構(gòu)開裂后纖維在拔出過(guò)程中消耗更多的能量，對(duì)有抗震要求的結(jié)構(gòu)非常有意義。

目前關(guān)于粉煤灰對(duì)PVA纖維與基體間粘結(jié)界面，以及對(duì)直接拉伸和韌性的影響研究還較少，本文主要針對(duì)水泥基材料本身具有抗拉強(qiáng)度低、韌性差、可靠性低以及開裂后裂縫寬度難以控制等特點(diǎn)，采用PVA纖維、粉煤灰兩種材料復(fù)摻，在確定合適攪拌工藝使得纖維的整體分散性良好的基礎(chǔ)上，試圖制備出一類具有超高抗拉韌性和優(yōu)異裂縫無(wú)害化分散能力的纖維增韌水泥基材料。

1 原料及配合比

1.1 原材料

水泥:華新水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5水泥，密度為3.1 g/cm3，其化學(xué)組成和物理性能分別見表1和表2。

表1 水泥的化學(xué)組成

表2 水泥的物理性能

粉煤灰:湖北青山電廠生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰，其物理性能見表3。

表3 粉煤灰的物理性能 單位:%

砂子:采用細(xì)度模數(shù)為2.5的河砂。

化學(xué)外加劑:采用貴州特普公司生產(chǎn)的聚羧酸系高效減水劑(PCA)，減水率為25%，固含量為40%。

聚乙烯醇(PVA)纖維:由日本尤尼吉可貿(mào)易有限公司提供，其性能指標(biāo)見表4。

表4 PVA纖維的性能指標(biāo)

1.2 配合比

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了四組配合比，具體如表5所示。

表5 PVA纖維增韌水泥基材料配合比

1.3 攪拌工藝

攪拌工藝對(duì)改善拌合物均勻性及控制其質(zhì)量具有至關(guān)重要的作用，尤其對(duì)于摻有纖維的水泥基材料，防止纖維在其中分布不均勻，避免纖維起球，充分地發(fā)揮纖維與基體的粘結(jié)性，合理控制投料順序和攪拌時(shí)間就顯得尤其重要。目前，常用的纖維拌和工藝為干拌法和濕拌法［11］，本文依據(jù)水泥裹砂法和二次投料工藝原理［12］，采用如下拌和工藝，使得PVA纖維分散相對(duì)均勻，其具體的攪拌工藝流程為:(1)將纖維與砂攪拌約2 min;(2)加入約1/3的水低速攪拌約4 min;(3)加入膠凝材料、減水劑和剩余的水高速攪拌約3 min。與普通混凝土相比，PVA纖維混凝土的攪拌時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)，一般為普通混凝土的1.5倍～3倍。

2 結(jié)果與討論

2.1 直接拉伸力－應(yīng)變曲線

PVA纖維增韌水泥基材料的抗拉強(qiáng)度較基準(zhǔn)配合比有明顯的增大，韌性得到增強(qiáng)，且當(dāng)試樣出現(xiàn)初始裂縫后，裂縫的擴(kuò)展很快就會(huì)因?yàn)槔w維的橋聯(lián)作用而穩(wěn)定下來(lái)，試件處于漫長(zhǎng)的穩(wěn)態(tài)開裂過(guò)程，即應(yīng)力－應(yīng)變曲線的硬化段及多裂縫開裂的階段，這明顯有別于基準(zhǔn)配合比材料的破壞形式。由于PVA纖維的彈性模量略低于水泥基體的彈性模量，因此在PVA纖維增韌水泥基復(fù)合材料出現(xiàn)裂縫前，載荷主要由水泥基體承擔(dān)，而PVA纖維幾乎不承擔(dān)荷載，即增韌纖維對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能幾乎沒有貢獻(xiàn)，即圖1中第一個(gè)階段(A～B)，該區(qū)段的變形服從虎克定律，屬?gòu)椥宰冃?。該區(qū)段的終點(diǎn)為基材出現(xiàn)第一條裂縫，即復(fù)合材料的應(yīng)力達(dá)到開裂強(qiáng)度B點(diǎn)。當(dāng)?shù)谝粭l微細(xì)裂縫形成以后，纖維和基體之間有足夠的粘結(jié)力，纖維開始發(fā)揮作用，產(chǎn)生橋聯(lián)應(yīng)力，這種橋聯(lián)作用可以阻止裂縫的擴(kuò)展和合并，裂縫寬度隨荷載的增加增大至60 μm左右后不再擴(kuò)展(見圖2)，微細(xì)裂縫隨荷載的增加而增密，纖維對(duì)微裂縫的橋聯(lián)引起應(yīng)變硬化，即第二階段(B～C)也就是多縫開裂階段，原因是水泥基材將應(yīng)力傳遞給纖維，再由纖維將此應(yīng)力返遞給未開裂的水泥基材，因纖維與水泥基材相互間往復(fù)傳遞應(yīng)力而在水泥基材中形成大量間距大致相等的細(xì)裂縫。所以，該區(qū)段被稱為多縫開裂區(qū)。當(dāng)水泥基材的裂縫間距已縮小到不能再使纖維與水泥基材相互傳遞應(yīng)力時(shí)即達(dá)到彎拉強(qiáng)度C點(diǎn)。在這期間纖維與基體之間不斷產(chǎn)生微量滑移，這種滑移正是耗散大量能量的根源，而不像普通的水泥基復(fù)合材料完全靠基體與纖維的界面粘結(jié)來(lái)提高材料的延性，普通的水泥基復(fù)合材料纖維不是拔出而是斷裂的過(guò)程(纖維具體破壞形式見圖3)。因此，應(yīng)變－硬化特性是PVA纖維增韌水泥基復(fù)合材料獨(dú)特韌性的來(lái)源，摻有PVA纖維試樣可以得到整個(gè)加載過(guò)程全部的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。

對(duì)比L－2和S－2兩組配比的受拉力學(xué)性能，從表6可以看出，膠砂比越大，基體的韌度越低，彈性模量越高，試件在受力破壞時(shí)基體較纖維就越易先破壞，這將有利于纖維將應(yīng)力傳遞給未開裂的水泥基材實(shí)現(xiàn)多縫開裂。

圖1 直接拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線

表6 直接拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2 裂縫寬度的比較

PVA纖維增韌水泥基復(fù)合材料試件在直接拉伸試驗(yàn)時(shí)，每出現(xiàn)一條新的裂縫，在直接拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線上便對(duì)應(yīng)的出現(xiàn)瞬間的抖動(dòng)，整個(gè)過(guò)程表現(xiàn)為多裂縫開裂(見圖2)，直至裂縫間基體內(nèi)嵌固的纖維所提供的橋聯(lián)應(yīng)力不足以使基體內(nèi)產(chǎn)生新的裂縫，裂縫處于飽和狀態(tài)，此后隨著荷載的增加，不再有新裂縫的產(chǎn)生，取而代之的是原有裂縫的不斷變寬，直至某一條裂縫(一般為出現(xiàn)的第一條裂縫)發(fā)生局部化擴(kuò)展，試件最終斷裂破壞。在受力過(guò)程中觀測(cè)裂縫，發(fā)現(xiàn)新發(fā)展的裂縫分布在最先破壞裂縫的附近，且這些裂縫大致呈平行分布，且裂縫寬度一般不超過(guò)60 μm便停止開裂不再發(fā)展，在卸荷的瞬間除破壞裂縫外其他裂縫有閉合的趨勢(shì)，這些裂縫均為無(wú)害化的裂縫。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)研究

圖3所示的是PVA纖維增韌水泥基材料中纖維破壞模式，從圖3(a)可以看出纖維的分散性良好，沒有出現(xiàn)結(jié)團(tuán)和纖維分散不良的現(xiàn)象，說(shuō)明本文采用的配合比及攪拌工藝對(duì)纖維的分散性是合理的，PVA纖維增韌水泥基材料在遭受直接拉伸破壞后，在SEM電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，纖維的破壞模式有以下四種:①纖維從基體中拔出，表面有輕度磨損，但端部完好，見圖3(b);②纖維為拔出破壞，表面磨損嚴(yán)重，端部稍有損耗但基本完好，見圖3(c);③纖維也是被拔出的，但端部被削剝的痕跡非常明顯，端部面積損失近半，見圖3(d);④纖維被拉斷，見圖3(e)。

圖2 直接拉伸裂縫模式

圖3 直接拉伸破壞后的纖維

由SEM觀察到的試件破壞斷面處，纖維具有較長(zhǎng)的伸出長(zhǎng)度，另外纖維的破壞存在被拔出和被拉斷兩種合理并存的模式。顯然，這是PVA纖維增韌水泥基材料同時(shí)獲得高拉伸韌性和適宜抗拉強(qiáng)度的基本保證，這是因?yàn)樵诶w維還沒有拔出或拉斷的情況下，在水泥基材料斷面的其他地方又會(huì)產(chǎn)生新的裂紋，因此，應(yīng)力和能量分散在不同的斷面上，增強(qiáng)了材料的延展性，這就是材料在破壞過(guò)程中的多裂縫開裂階段。由于纖維的存在且具有良好的延性，極限變形值很大，水泥基一經(jīng)開裂，橫跨裂縫的纖維便起到阻止裂縫進(jìn)一步張開、擴(kuò)展的作用。纖維與基體之間存在較大的粘結(jié)力，因此，裂縫要繼續(xù)擴(kuò)張，就需要克服該粘結(jié)力或發(fā)生纖維的斷裂或拔出，才能消耗這些斷裂能。從圖3(a)可以粗略的看出拔出破壞的形式居多，這對(duì)提高PVA纖維增韌水泥基材料的韌性是有益的。

PVA纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能依賴于PVA纖維與基體間的界面結(jié)構(gòu)和粘附性，而界面結(jié)構(gòu)和粘附性又依賴于纖維表面的化學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)。對(duì)于纖維與基體的界面狀況來(lái)說(shuō)，如果纖維與基體之間沒有粘結(jié)，基體中的應(yīng)力不能傳遞給纖維，纖維不起作用，而在高化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度的情況下也不利于準(zhǔn)應(yīng)變硬化性能的實(shí)現(xiàn)，即粘結(jié)的增強(qiáng)超過(guò)一定的范圍時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致纖維脆性，使復(fù)合材料的韌性下降，從而使纖維的增韌作用無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此對(duì)纖維水泥基復(fù)合材料必須從細(xì)觀層次上進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使纖維與基體的粘結(jié)達(dá)到最理想的狀態(tài)，即纖維與基體的復(fù)合性能最優(yōu)化，產(chǎn)生既增強(qiáng)又增韌的雙重效果。纖維與漿體粘結(jié)界面情況見圖4。

圖4 纖維的表面粘附著水化產(chǎn)物

從圖4中可以看出，PVA纖維與水化后的水泥基體間有良好的界面鍵合力，分析認(rèn)為，是由于該纖維的非環(huán)形和不規(guī)則截面有助于擴(kuò)大PVA纖維與水泥基體的成鍵，另外，由于PVA纖維的分子結(jié)構(gòu)式為(—CH2—CHOH—)n，含有極性基團(tuán)，其中—C—OH基團(tuán)可與水泥水化物中的—OH基團(tuán)形成牢固的氫橋［13］，從而增進(jìn)了界面的致密性和加強(qiáng)了界面的粘結(jié)，擴(kuò)大了PVA纖維阻裂增強(qiáng)的界面效應(yīng)范圍，具有較好的阻裂效果。PVA纖維與基體分離時(shí)，纖維表面粘附著較多的水化產(chǎn)物，存在纖維與水泥基間的化學(xué)結(jié)合層。因此，PVA纖維與水泥混凝土的結(jié)合具有更好的整體性，這也是摻有纖維試樣可以得到整個(gè)加載過(guò)程全部的應(yīng)力－應(yīng)變曲線的主要原因。

纖維基體界面的特征參數(shù)主要有化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度和摩擦粘結(jié)強(qiáng)度。當(dāng)纖維與基體之間僅有摩擦粘結(jié)時(shí)，纖維屬拔出型破壞，纖維被拔出時(shí)滑移－硬化效應(yīng)明顯，該效應(yīng)使纖維受到剪切應(yīng)力從而發(fā)生剝蝕(見圖3(d))，摩擦粘結(jié)強(qiáng)度的提高有利于發(fā)揮纖維的高強(qiáng)、高彈模的作用。另外，水泥基基體與纖維間不僅存在摩擦粘結(jié)，也存在著很強(qiáng)的化學(xué)黏結(jié)，因?yàn)镻VA纖維具有親水性，這使得PVA纖維與水泥基體的界面粘結(jié)除借助于范德華力外，還有氫鍵作用，這可以從水泥基體中拔出的纖維掃描電鏡照片中看到，主要體現(xiàn)在纖維表面粘附著眾多的水泥水化產(chǎn)物(見圖4(a))。如果纖維與基體之間沒有粘結(jié)，基體中的應(yīng)力將不能傳遞給纖維，纖維也就起不到橋聯(lián)作用，因此，只有保證纖維與基體之間粘結(jié)良好，才能發(fā)揮纖維的增強(qiáng)效果。但化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度使纖維彎曲時(shí)容易發(fā)生纖維/基體界面的斷裂，從而限制了硬化纖維增韌水泥基材料的拉應(yīng)變能力，這就是粘結(jié)的增強(qiáng)超過(guò)一定的范圍時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致纖維脆性，使復(fù)合材料的韌性下降，從而使增韌作用無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

所以，控制好纖維與基體界面之間的特征參數(shù)即化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度和摩擦粘結(jié)強(qiáng)度是非常有必要的，這就需要我們?cè)诓牧显O(shè)計(jì)上既要保證良好的化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度又不能使其過(guò)高。本文在設(shè)計(jì)上主要是采用摻加粉煤灰這一輔助膠凝材料的方式。這是因?yàn)榉勖夯抑薪Y(jié)合態(tài)鈣含量少，粉煤灰水化作用較弱，生成物少，取代水泥后，基體與纖維之間的化學(xué)粘結(jié)必將有所削弱。為了更好的驗(yàn)證這一理論，本文在微觀尺度上對(duì)界面進(jìn)行了觀察，主要考察基體與纖維之間是否有未水化和水化未完全的粉煤灰顆粒。

通過(guò)SEM電鏡對(duì)破壞后試件內(nèi)纖維表面附著的水化產(chǎn)物進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)水化產(chǎn)物中夾雜著大量的沒來(lái)得及水化和水化不充分的粉煤灰顆粒(見圖4(b))。水化不充分的粉煤灰表面鈣硅比較低，這樣基體與纖維界面間的粘結(jié)強(qiáng)度就減弱了。未水化的粉煤灰在界面處就起到了玻璃滾珠的作用，同樣降低了基體與纖維間的化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度，滑移－硬化作用得到體現(xiàn)。圖4(b)中纖維的表面粘附的粉煤灰顆粒既避免了纖維和基體水化產(chǎn)物的直接接觸，又降低了基體對(duì)纖維的削刮作用。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)破壞斷面處纖維的SEM觀察，纖維受力時(shí)，存在拔出和拉斷兩種破壞形式，本文試驗(yàn)結(jié)果表明，拔出破壞形式居多，這是摻有PVA水泥基材料具有高韌性、應(yīng)變－硬化特性、多縫開裂特性的根本原因。

(2)僅摻有PVA纖維時(shí)，由于纖維與基體之間存在著過(guò)高的化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度，使得纖維彎曲時(shí)容易發(fā)生纖維/基體界面的斷裂，從而限制了硬化纖維增韌水泥基材料的拉應(yīng)變能力，這就是粘結(jié)的增強(qiáng)超過(guò)一定的范圍時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致纖維脆性，使復(fù)合材料的韌性下降，從而使增韌作用無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

(3)當(dāng)纖維與粉煤灰復(fù)摻時(shí)，由于粉煤灰的水化活性較低，在水化漿體中仍有未水化或水化不充分的粉煤灰顆粒，其本身的玻璃微珠特性，在漿體各界面處就起到了一定的潤(rùn)滑作用，從而削弱了水泥與纖維間的化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度，使得滑移－硬化效應(yīng)有利于更好的發(fā)揮。

［1］吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1999.

［2］Naamann A E，Homrich J R.Tensile stress-strain properties of SIFCON［J］.ACI Materials Journal，1989，86(3):244-251.

［3］田 礫，朱桂紅，郭平功，等.PVA纖維增強(qiáng)應(yīng)變硬化水泥基材料韌性性能研究［J］.建筑科學(xué)，2006，22(5):47-49.

［4］楊東寧，韓 冰.PVA纖維混凝土彎折性能試驗(yàn)研究淺析［J］.混凝土，2004，(4):59-62.

［5］薛會(huì)青，鄧宗才，李建輝.PVA纖維水泥基復(fù)合材料的抗拉性能及韌性研究［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2009，30(1):92-95.

［6］張 君，居賢春，郭自力.PVA纖維直徑對(duì)水泥基復(fù)合材料抗拉性能的影響［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2009，12(6):706-710.

［7］Li V C，Wu C，Wang Shunxin，et al.Interface tailoring for strain-hardening polyvinyl alcohol-engineered cementitious composite(PVA－ECC)［J］.ACI Materials Journal，2002，99(5):463-472.

［8］詹炳根，林興勝，陳 婷.PVA纖維增強(qiáng)高性能水泥基材料的韌性［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，30(9):1178-1182.

［9］王起才.增稠劑對(duì)鋼纖維混凝土性能的影響［J］.蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，16(3):12-16.

［10］高淑玲，徐世.PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料拉伸特性試驗(yàn)研究［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，47(2):233-239.

［11］李光偉，楊元慧.聚丙烯纖維混凝土性能的試驗(yàn)研究［J］.水利水電科技進(jìn)展，2001，21(5):14-16.

［12］龔愛民，孫海燕，彭玉林.聚丙烯纖維對(duì)新拌混凝土性能的影響［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2007，10(4):488-492.

［13］吳李國(guó).PVA纖維的應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.現(xiàn)代紡織技術(shù)，2001，9(4):52-54.