曹巍巍，劉源東，雷 濤，徐肖龍，段鵬鵬

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

超高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料是以水泥為基礎(chǔ)，在其加入填料或者細(xì)骨料，然后使用纖維作為增強(qiáng)材料的一種高性能的新型水泥基復(fù)合材料。加入的纖維量需要適宜，一般體積分?jǐn)?shù)小于2%[5]。這種新型水泥基復(fù)合材料不同于傳統(tǒng)的混凝土，具有超高的韌性，當(dāng)出現(xiàn)裂縫之后，材料并不會(huì)突然破壞，而是產(chǎn)生很多條緊密細(xì)小微裂縫，該裂縫寬度可控，并不會(huì)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(dāng)出現(xiàn)裂縫之后，能夠穩(wěn)定擴(kuò)展[7]。超高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料中最先使用的是聚乙烯纖維，但由于這種材料的價(jià)格昂貴，隨后出現(xiàn)了聚乙烯醇(PVA)纖維，這種纖維相對(duì)較為便宜，能夠降低水泥基復(fù)合材料的成本，并且在水泥基復(fù)合材料中發(fā)揮不錯(cuò)的應(yīng)用效果，于是PVA纖維逐漸取代聚乙烯纖維。近年來(lái)，我國(guó)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)建筑質(zhì)量的要求不斷提高，很多學(xué)者開(kāi)始研究超高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，尤其是材料中加入的PVA纖維，因?yàn)镻VA纖維的加入量和類型不同，都會(huì)影響到水泥基復(fù)合材料的性能。通過(guò)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(qiáng)度和力學(xué)性能[8]。通過(guò)分析把不同期齡下不同纖維摻量對(duì)材料性能的影響，結(jié)果表明加入纖維的材料具有更強(qiáng)的韌性，而且當(dāng)纖維摻量不斷提高時(shí)，材料的韌性隨之提高，材料的抗拉強(qiáng)度先增加，然后無(wú)明顯變化規(guī)律[9]。還有研究者對(duì)超高韌性纖維水泥基復(fù)合材料的配比進(jìn)行研究，或者對(duì)材料的攪拌方法進(jìn)行分析[10-11]。對(duì)于高韌性纖維水泥基復(fù)合材料，其中PVA纖維對(duì)材料的力學(xué)性能影響顯著。鑒于此，本文通過(guò)分析PVA纖維對(duì)高韌性纖維水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，主要從2個(gè)方面進(jìn)行分析，首先是PVA纖維的類型，其次為PVA纖維摻量，因?yàn)檫@2個(gè)方面對(duì)材料的力學(xué)性能影響較為明顯。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1)實(shí)驗(yàn)過(guò)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(qiáng)，對(duì)制作超高韌性纖維水泥基復(fù)合材料的質(zhì)量會(huì)造成影響，本實(shí)驗(yàn)對(duì)PVA纖維進(jìn)行了油劑處理。不同的PVA纖維存在伸長(zhǎng)率、直徑、力學(xué)性能等差別，而且PVA纖維摻量不同都會(huì)影響到超高韌性纖維水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能，分析了3種不同物理力學(xué)特性的PVA纖維對(duì)復(fù)合材料的影響；表1為3種不同PVA纖維的物理力學(xué)特性。

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

(2)實(shí)驗(yàn)儀器：主要有混凝土攪拌機(jī)、養(yǎng)護(hù)箱、電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1超高韌性纖維水泥基復(fù)合材料的制備

為了分析PVA纖維對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，實(shí)驗(yàn)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(jìn)行溶解；然后將水泥、沙石和粉煤灰放入攪拌機(jī)中進(jìn)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(duì)所有材料進(jìn)行攪拌，直至原材料表現(xiàn)出團(tuán)狀，再加入PVA纖維進(jìn)行快速攪拌。當(dāng)纖維分散的比較均勻后停止攪拌，然后放入模具，壓實(shí)后放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)即可；養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d。

表2 試樣的種類Tab.2 Types of samples

1.2.2拉伸性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試

分析復(fù)合材料的力學(xué)性能采用單軸拉伸實(shí)驗(yàn)。將試樣制作成15 mm×60 mm×240 mm形狀，從養(yǎng)護(hù)箱中取出試樣，之后將其進(jìn)行晾干處理，晾干施加設(shè)置為5 h；然后使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，儀器的荷載加速度設(shè)置為0.3 mm/min。為了增加測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度，每一種配合比的復(fù)合材料進(jìn)行3次拉伸實(shí)驗(yàn)，然后取平均值作為最終結(jié)果。

1.2.3抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

將試樣制作成長(zhǎng)、寬、高均為100 mm的立方體進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，將儀器的荷載加速度設(shè)置為1.5 mm/min。對(duì)同一個(gè)配合比的試樣制作3個(gè)試樣，目的在于進(jìn)行3次抗壓強(qiáng)度測(cè)試，取平均值作為最終結(jié)果。

重大水務(wù)工程建設(shè)扎實(shí)推進(jìn)。大伙房水庫(kù)輸水入連南段工程于2013年9月底正式向長(zhǎng)興島臨港工業(yè)區(qū)供水；北段工程2013年年底前基本完工，具備通水條件。長(zhǎng)?？h跨海引水工程基本完工，具備通水條件。

1.2.4彎曲實(shí)驗(yàn)

將試件制作成40 mm×75 mm×300 mm的薄板，使用三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，其加載示意圖如圖1所示；使用位移控制加載，將機(jī)器加載速度設(shè)置為0.4 mm/min，具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

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

圖2 抗彎實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Diagram of the bending test device

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 拉伸強(qiáng)度

2.1.1不同添加量的PVA纖維的抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線

實(shí)驗(yàn)的抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 不同添加量的PVA纖維應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves different amounts of PVA fibers

從圖3可以看出，針對(duì)不加入PVA纖維的試樣，其達(dá)到抗拉強(qiáng)度之后，曲線的變化趨勢(shì)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(yīng)變均大幅度增加，且應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力隨之增加。因?yàn)榧尤隤VA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(xué)膠結(jié)作用，從而產(chǎn)生橋聯(lián)應(yīng)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(dāng)PVA纖維量較多時(shí)，出現(xiàn)裂縫之后，試樣E的下降趨勢(shì)更為緩慢。這說(shuō)明，超高韌性纖維水泥基復(fù)合材料中添加相對(duì)較多的PVA纖維能夠增強(qiáng)材料的阻裂增韌效果。

2.1.2不同類型的PVA纖維的抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3種不同PVA纖維的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同類型的PVA纖維應(yīng)力-應(yīng)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(qiáng)度不一樣，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能有2點(diǎn)：(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(huì)造成孔隙率不一樣。所以，使用不同的PVA纖維，試樣的初裂強(qiáng)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(zhǎng)率、彈性模量等，這些同樣會(huì)影響到材料的初裂強(qiáng)度。從圖4還可以看出，試樣C的最大拉伸強(qiáng)度比另外2種纖維的高；試樣B和試樣A進(jìn)行比較，試樣B的單軸拉伸性能相對(duì)較好。這說(shuō)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(qiáng)度

試樣測(cè)得的抗壓強(qiáng)度如表3所示。

表3 試樣的抗壓強(qiáng)度Tab.3 Compressive strength of specimens

由表3可知，超高韌性纖維水泥基復(fù)合材料中添加不同類型的PVA纖維對(duì)材料的抗壓強(qiáng)度影響并不明顯，而且添加不同量的PVA纖維，對(duì)試樣的抗壓強(qiáng)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(dāng)試樣發(fā)生破壞時(shí)，能夠使之保持為一個(gè)整體。相比于抗拉強(qiáng)度，PVA纖維的類型和添加量對(duì)超高韌性纖維水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度影響比較小。

2.3 彎曲強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得到不同彎曲強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 試樣的抗彎強(qiáng)度Tab.4 Bending test results of materials

由表4可知，相比于沒(méi)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(fù)合材料具有更高的抗彎強(qiáng)度。另外，當(dāng)PVA纖維加入量為6 kg/m3時(shí)，其抗彎強(qiáng)度并沒(méi)有PVA纖維加入量為5 kg/m3的高，這說(shuō)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(qiáng)度，這是因?yàn)樵诨炷林屑尤隤VA纖維之后，能夠與其表面產(chǎn)生更大的粘接強(qiáng)度，而且PVA纖維的彈性模量和強(qiáng)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(qiáng)度也不一樣，其中PVA纖維C的抗彎強(qiáng)度最大，其次為PVA纖維A、B。從而可以說(shuō)明當(dāng)PVA纖維的彈性模量越大時(shí)，加入PVA纖維之后的復(fù)合材料具有更強(qiáng)的抗彎能力。

3 結(jié)語(yǔ)

超高韌性纖維水泥基復(fù)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(xué)性能都會(huì)有所差異。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得出，PVA纖維的添加量和類型對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不大，對(duì)抗拉強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度影響比較大；當(dāng)PVA纖維的添加量不斷增加時(shí)，材料的增韌阻裂效果更好，而材料的抗彎強(qiáng)度并不會(huì)隨之增強(qiáng)。為了使超高韌性纖維水泥基復(fù)合材料的性能更佳，需要添加適宜量的PVA纖維，當(dāng)PVA纖維的彈性模量越大時(shí)，材料的抗彎強(qiáng)度更好，實(shí)驗(yàn)中試樣C的PVA纖維相對(duì)于試樣A、B的PVA纖維具有更好的拉伸強(qiáng)度。