PVA纤维长度对超高韧性水泥基复合材料力学性能的影响

余保英，周建伟，孔亚宁，杨 文，程宝军

(中建西部建设建材科学研究院，成都 610094)

0 引 言

超高韧性水泥基复合材料(Ultra-High Toughness Cementitious Composites，简称UHTCC)，最早由密歇根大学的Li基于微观力学和断裂力学基本原理研制开发[1-2]。UHTCC具有显著的应变硬化特征，在拉伸载荷下可以产生多条细密裂缝，极限拉应变可以稳定达到3.0%以上[3-4]。随着建筑工程应用的发展，研究人员对UHTCC的直接拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、抗渗性能等方面展开了大量的研究工作[5-8]。Li等[9]采用进口纤维制备了极限拉应变稳定达到3.6%～4.5%，极限抗拉强度4.5～6.0 MPa，对应裂缝宽度在100 μm以内的UHTCC。徐世烺等[10]通过水泥基复合材料的动态压缩力学性能数值模拟发现随着应变率的增加，UHTCC材料的动态压缩应力-应变曲线呈现由应变硬化主导向损伤软化主导的转变趋势。李庆华等[11]研究发现UHTCC的层裂过程相比混凝土具有更多的韧性特征，在同等应变率下，UHTCC与静态抗拉强度相近的混凝土相比，层裂强度高出10 MPa左右，且UHTCC的层裂强度具有明显的应变率敏感性。司豆豆等[12]通过纤维增强复合材料筋与超高韧性水泥基复合材料黏结性能试验研究发现，UHTCC具备的较高强度和韧性对纤维增强复合材料筋与其黏结强度发挥着积极的作用效果。

目前的研究现状表明使用聚乙烯醇(PVA)纤维研制UHTCC的技术相对成熟，材料具备应变硬化效应和较高的极限拉应变[7,13-15]。李悦等[16]报道了PVA纤维掺量对水泥基材料力学性能的影响，建议纤维的最佳体积掺量为2.0%，且掺入日本PVA的UHTCC的拉伸应变硬化现象最为显著，高于国产PVA纤维。阚黎黎等[17]发现低成本国产纤维在基体中具有良好的分散性，尽管其纤维桥接余能、最大桥接应力及应变硬化性能指数(PSH指数)低于进口纤维，但均能满足能量与强度准则。钟俊飞等[18]发现体积掺量为0.5%～2.5%的PVA纤维使UHTCC的电通量降低了15.6%～42.2%，并且随着纤维掺量的提高，抗氯离子渗透性呈增强趋势。王仕富等[19]发现复掺PVA及玄武岩纤维对水泥基复合材料的力学性能增强效果更全面，且更具稳定性。综上所述，PVA纤维制备UHTCC的研究多集中在纤维的种类、纤维的改性以及纤维复掺作用等方面，PVA纤维长度对UHTCC各项性能的影响报道较少。基于此，本文采用低成本的国产纤维制备超高韧性水泥基复合材料，主要研究了纤维长度对其在浆体中的分散性能、拌合浆体的流动性能、UHTCC抗折和抗压强度的影响，并通过电子扫描显微镜对不同长度纤维在基体里的分散及存在状态进行了分析。

1 实 验

1.1 原材料及配合比

水泥采用P·O 42.5R水泥，密度为3.1 g/cm3；粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰，比表面积为3 850 cm2/g，密度为2.8 g/cm3；微珠采用粉煤灰微珠，表观密度为0.8～l.0 g/cm3，四川某厂生产；硅灰采购自山东某厂，SiO2含量>94%(质量分数)，比表面积为10 900 cm2/g；精细骨料采用38 μm(400目)石英粉；PVA纤维为四川某厂生产，主要性能如表1所示，外观形貌如图1所示；外加剂为中建新材料公司生产的ZJ13型减水剂；PVA纤维的掺量为配合料体积的2.0%，掺加纤维UHTCC的水胶比、砂胶比、粉煤灰用量与基准配合比相同，基准配合比如表2所示。

表1 PVA纤维的性能指标Table 1 Properties of PVA fiber

表2 基准配合比Table 2 Basic mix proportion

图1 PVA 纤维外观形貌Fig.1 Appearance of PVA fiber

1.2 试样的制备与检测

试样制备：将水泥、粉煤灰、微珠、石英砂依次加入搅拌机中，搅拌120 s至混合均匀，然后加水、减水剂搅拌90 s，最后分批加入PVA纤维，高速搅拌240 s至拌合均匀，成型试件，24 h后脱模养护至3 d、7 d、28 d，养护温度为(20±2 )℃，相对湿度为95%。

性能检测：流动度参照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行测定；抗压、抗折强度参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检测方法(ISO方法)》进行检测，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm；微观性能采用德国蔡司SUPRA 55场发射扫描电子显微镜进行检测。

2 结果与讨论

2.1 纤维长度对分散性能的影响

将长度为6 mm、8 mm、12 mm的PVA纤维按照试验的配合比设计在水-外加剂溶液以及水泥浆体中进行分散掺量的极限试验，试验过程如图2所示。表明纤维在溶液或者水泥浆体中的掺量存在峰值，超过这个峰值之后纤维出现结团现象，分散状态变得极差，为材料体系带来严重缺陷，影响了超高韧性水泥复合材料的浆体状态以及各项性能。

将分散到溶液或者浆体中的纤维洗出，烘干称重，测得结果如图3所示。纤维在溶液中的分散量远小于水泥浆体中的分散量，一方面可能是因为纤维分散介质不同所引起的结果差异，溶液对纤维的分散能力较低，而水泥浆体对纤维的分散能力较强；另一方面PVA纤维的亲水性使得纤维在水溶液中更容易团聚。纤维在溶液以及浆体中的分散量变化趋势相似，表明虽然纤维的分散介质存在差异，但是纤维长度对纤维分散量的影响具有一致性，纤维长度增加，纤维在介质中的分散量减小。8 mm纤维同6 mm纤维在溶液以及水泥浆体中的分散量相比，分别降低了27.0%、5.4%；而纤维长度由8mm增加至12 mm后，在两种介质中的分散量分别降低了40.7%、28.6%。表明纤维长度在增至12 mm后，其分散掺量会迅速降低，这可能是由于纤维越长越容易在介质桥接粘连，掺量增加至其阈值后纤维越易结团[20-21]

图2 试验过程示意图Fig.2 Schematic diagram of the test process

图3 纤维在不同体系中的分散结果Fig.3 Fiber dispersion results in different systems

2.2 纤维长度对材料性能的影响

2.2.1 流动度

图4 拌合浆体的流动度Fig.4 Fluidity of mixed slurry

测试6 mm、8 mm、12 mm纤维所制备超高韧性水泥基复合材料浆体的流动度，测试结果如图4所示。同基准组试样相比，掺加纤维后拌合浆体的流动度降低，表明纤维之间的桥接作用会引起拌合浆体流动度的下降。同掺加6 mm纤维的UHTCC6拌合浆体流动度相比，掺加8 mm纤维的UHTCC8拌合浆体流动度降低了10.4%，掺加12 mm的UHTCC12流动度降低了25.1%；同UHTCC8拌合浆体的流动度相比，UHTCC12拌合浆体的流动度降低了16.4%。表明随着纤维长度的增加，拌合浆体的流动度不断降低，其中长度为12 mm的纤维使得拌合浆体的流动度迅速降低，对拌合浆体流动度的抑制效果最大，一方面是因为PVA纤维具有亲水性，表面吸附了大量的自由水分子[22]；另一方面纤维的长度与其桥接作用存在正相关性，桥接作用的增强降低了水泥浆体的流动性[20]，这与纤维长度对分散性能的分析结果相一致。

2.2.2 力学性能

对不同配方的UHTCC试样进行力学性能测试，结果如图5所示。同基准组试样相比(见图5(a))，掺加纤维后试样的早期(3 d、7 d)抗压强度得到了提升，纤维越长，对试样早期抗压强度的改善作用越明显，尤其是7 d龄期时，UHTCC12组同基准组相比抗压强度增大了26.4%，同UHTCC8试样相比抗压强度增长了16.1%。但是随着龄期的延伸，试样后期(28 d)的抗压强度较基准组试样低，表明纤维的掺加可以改善基准组试样的早期抗压强度，但是随着龄期的发展，反而对基准组试样后期的抗压强度起到了削弱作用。这是由于纤维在早期与水泥浆体形成了较为优良的界面，界面结合力较强，且纤维相互之间的桥接作用使得试样可以吸收更多的载荷，增强了试样抵抗破坏的能力[19,23]，同时PVA纤维的亲水性使得基体的水胶比降低，但混合体系的水胶比差异较小，因此掺加纤维试样的早期抗压强度得到改善；随着龄期增长，基体的抗压强度持续增长，但是纤维的亲水性使得纤维周围基体的水胶比较大，形成了薄弱点，所以试样的后期抗压强度不增反降[16]。掺加纤维后的试样抗压强度在3 d、7 d、28 d表现出同样的变化趋势，随着纤维长度的增加,试样的抗压强度增大，表明在同等的纤维掺量下，纤维长度的提升可以使试样获得较高的抗压强度，纤维虽然在后期更易拔断，但是试样抵抗载荷破坏的能量吸收机制依旧有效。

图5 试样的力学性能Fig.5 Mechanical properties of samples

从试样的抗折强度测试结果可以看出(见图5(b))，纤维的掺加显著改善了基准组试样的抗折强度。试样的早期(3 d)，纤维对基准试样的增强效果可以达到133.8%，在后期(28 d)，这种增强效果可以达到59.8%，虽然纤维的掺加对试样抗折强度的改善随着龄期有所减弱，但是依旧可以大幅度提升基准组的抗折强度。在基准组中掺加纤维后，三组试样的抗折强度呈现出相似的变化趋势。试样的抗折强度在7 d龄期达到了较高的强度值，随着龄期发展至28 d，试样抗折强度的增加幅度较小，甚至出现了抗折强度的倒缩现象(UHTCC12)，这可能是由于纤维亲水性使得基体产生了薄弱点，另一方面体系中存在化学环境对纤维的侵蚀作用，使得试样抗折强度较低。对比四组试样后期抗折强度的增长率发现，基准组试样的后期增长率最大，达到了36.6%，而掺加纤维试样的最大增长率仅有6.6%。这表明纤维与水泥浆体的优良界面以及桥接结构在试样养护的早期形成，后续龄期的发展对这种结构的增强作用有限，更多是水泥浆体强度的发展。

图6 试样的折压比Fig.6 Ratio of flexural strength to compressive strength of samples

图6为试样同龄期试样的抗折强度与抗压强度比值(折压比，F/C)。试样的这一比值反映了其韧性以及延性，因此通过试样的折压比可以一定程度上表征试样的韧性以及延性。可以看出四组试样折压比随着龄期的增长不断下降，表明随着龄期的增长，试样的韧性与延性降低，脆性升高，这是水泥基材料不可避免的局限性[24-25]。同基准组试样相比，掺加纤维后试样的折压比大幅度提升，3 d的折压比最大提升了101.7%，7 d的折压比提升了约87.1%，28 d折压比提升了约72.5%，表明掺加纤维可以显著改善试样的韧性与延性，这正是UHTCC的优势所在。UHTCC12试样的3 d折压比最高，同时其3 d至7 d折压比的降低幅度最大，UHTCC6、UHTCC8次之，表明12 mm的长纤维对水泥硬化浆体的韧性、延性改善效果最为明显。龄期至7 d、28 d时，三组掺加纤维试样的折压比相当，表明不同长度的纤维在试样的中后期对其韧性与延性的改善作用效果相差较小，在韧性与延性相当的前提下，可以根据对较早龄期试样的要求选择纤维的使用长度。综上，纤维的使用可以大幅度改善试样的韧性与延性，而纤维的长度仅对试样较早龄期韧性与延性的改善表现出差异化，对试样中后期(7 d、28 d)的作用效果相当。

2.3 微观分析

2.3.1 试样的断面形貌分析

对试样28 d龄期的断面形貌进行表征，结果如图7所示。基准组试样的断面形貌存在较多的缺陷，结构较为疏松，这可能是在试样搅拌的过程中以及成型时引入了部分气体，使得试样内部存在部分通道以及缺陷。掺加纤维后试样硬化浆体的结构得到了优化，体系中的缺陷明显减少，表明纤维的掺加有利于体系水化产物结构的发展。观察掺加纤维的试样断面形貌，可以发现纤维在其中乱向排列。6 mm纤维与8 mm纤维的分散效果相当，纤维在断面中桥接、交错，存在纤维的拉出与拔断两种情况，拔断纤维端头磨损较轻；12 mm纤维在试样的断面中分布较为集中，同样存在纤维的拔出与拔断现象，但是同6 mm、8 mm纤维相比，其端头磨损严重。表明纤维的长度影响其在浆体中的分散以及抵抗破坏后的形态，纤维长度增加，纤维分散的不均匀性增加，其破坏时受到的损伤更为严重。

2.3.2 纤维的存在状态分析

对28 d龄期试样中纤维的存在状态进行表征，结果如图8所示。可以看到纤维与浆体的界面过渡区结合良好，浆体水化产物附着在纤维表面，对纤维形成了包覆，包覆层随着纤维的拉伸产生了部分微裂纹(见图8(a))，表明纤维与水泥浆体形成了优良的界面结构，可以有效吸收载荷，传递载荷，抵抗材料破坏失效。部分纤维在材料体系较为完整，未受到浆体环境的侵蚀，纤维在抵抗载荷破坏过程中被拔出，纤维表面发生轻微磨损，纤维与浆体脱开，界面过渡区受到破坏(见图8(b))，表明部分纤维在试样中完整性较高，可以形成有效纤维增强机制。但是，在浆体中同样存在部分纤维被水泥浆体中的化学环境侵蚀的现象，纤维的完整性受到破坏(见图8(c))，在试样破坏过程中不能有效地传递和抵抗载荷，使得纤维增强机制受损，试样在抵抗破坏过程中更多地表现为劣化纤维的拔断，同时纤维的性能劣化为试样带来了部分内部缺陷，两者的共同作用使得试样的后期强度不增反降，试样的力学性能改善效果减弱。在抵抗载荷破坏后，较长的纤维(12 mm)端部破坏较为严重(见图8(d))，表明纤维的抵抗能力较强，这与试样力学性能分析结果相一致。

图7 试样的断面形貌图Fig.7 Section morpholgy of samples

图8 试样中纤维的状态图Fig.8 State diagram of the fiber in samples

3 结 论

(1)纤维的长度影响纤维在分散介质中的分散量，纤维越长，其在分散介质中的分散量越小，且易粘连聚集，增加拌合浆体中纤维的长度会使浆体流动度降低。

(2)纤维的掺加可以改善水泥基体的早期力学性能，但是会给水泥基体28 d龄期的抗压强度带来削弱作用，对抗折强度的改善依旧显著。同等掺量下，增加纤维的长度可以获得较高的力学性能，但28 d龄期力学性能增强效果减弱，甚至会使得试样的抗折强度出现倒缩。纤维的掺加可以大幅度改善试样的韧性与延性，但纤维的长度仅对试样3 d龄期韧性与延性的改善表现出差异化。

(3)纤维的掺加使得水泥浆体的微观结构致密化，在抵抗载荷破坏过程中存在纤维的拔出与拔断两种形式，增加纤维长度使其在抵抗破坏过程中受到的磨损加重，且在浆体中存在部分劣化纤维。