PVA纤维对超高韧性纤维水泥基改性复合材料力学性能试验

曹巍巍，刘源东，雷 涛，徐肖龙，段鹏鹏

(1.英达热再生有限公司，江苏 南京 210038； 2.东南大学 交通学院，江苏 南京 211189； 3.金华市正方工程检测有限公司，浙江 金华 321025)

超高韧性纤维增强水泥基复合材料是以水泥为基础，在其加入填料或者细骨料，然后使用纤维作为增强材料的一种高性能的新型水泥基复合材料。加入的纤维量需要适宜，一般体积分数小于2%[5]。这种新型水泥基复合材料不同于传统的混凝土，具有超高的韧性，当出现裂缝之后，材料并不会突然破坏，而是产生很多条紧密细小微裂缝，该裂缝宽度可控，并不会像普通混凝土的裂缝宽度不可控[6]；这主要在于该材料中加入纤维，纤维具有桥梁作用，当出现裂缝之后，能够稳定扩展[7]。超高韧性纤维增强水泥基复合材料中最先使用的是聚乙烯纤维，但由于这种材料的价格昂贵，随后出现了聚乙烯醇(PVA)纤维，这种纤维相对较为便宜，能够降低水泥基复合材料的成本，并且在水泥基复合材料中发挥不错的应用效果，于是PVA纤维逐渐取代聚乙烯纤维。近年来，我国建筑行业的快速发展，对建筑质量的要求不断提高，很多学者开始研究超高韧性纤维增强水泥基复合材料，尤其是材料中加入的PVA纤维，因为PVA纤维的加入量和类型不同，都会影响到水泥基复合材料的性能。通过分析PVA水溶液，将其加入到水泥中，结果表明少量的PVA水溶液能够提高材料的强度和力学性能[8]。通过分析把不同期龄下不同纤维掺量对材料性能的影响，结果表明加入纤维的材料具有更强的韧性，而且当纤维掺量不断提高时，材料的韧性随之提高，材料的抗拉强度先增加，然后无明显变化规律[9]。还有研究者对超高韧性纤维水泥基复合材料的配比进行研究，或者对材料的搅拌方法进行分析[10-11]。对于高韧性纤维水泥基复合材料，其中PVA纤维对材料的力学性能影响显著。鉴于此，本文通过分析PVA纤维对高韧性纤维水泥基复合材料力学性能的影响，主要从2个方面进行分析，首先是PVA纤维的类型，其次为PVA纤维掺量，因为这2个方面对材料的力学性能影响较为明显。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

(1)实验过程中需要的主要材料有PVA纤维、水、水泥、粉煤灰、沙石、减水剂等。由于PVA纤维的亲水性较强，对制作超高韧性纤维水泥基复合材料的质量会造成影响，本实验对PVA纤维进行了油剂处理。不同的PVA纤维存在伸长率、直径、力学性能等差别，而且PVA纤维掺量不同都会影响到超高韧性纤维水泥基复合材料的力学性能，分析了3种不同物理力学特性的PVA纤维对复合材料的影响；表1为3种不同PVA纤维的物理力学特性。

表1 3种不同PVA纤维的物理力学特性Tab.1 Physical and mechanical properties of three different PVA fibers

(2)实验仪器：主要有混凝土搅拌机、养护箱、电子万能试验机等。

1.2 实验方法

1.2.1超高韧性纤维水泥基复合材料的制备

为了分析PVA纤维对复合材料力学性能的影响，实验中需要制作不同的试样，具体如表2所示。试样中主要区别在于PVA纤维掺入量不同和加入的纤维类型不同，其他加入的材料质量都一样。称取适量的原材料，之后将减水剂放到水中进行溶解；然后将水泥、沙石和粉煤灰放入搅拌机中进行中速搅拌。待材料搅拌均匀之后放入减水剂，使用快速搅拌对所有材料进行搅拌，直至原材料表现出团状，再加入PVA纤维进行快速搅拌。当纤维分散的比较均匀后停止搅拌，然后放入模具，压实后放入养护箱中养护即可；养护时间为28 d。

表2 试样的种类Tab.2 Types of samples

1.2.2拉伸性能实验测试

分析复合材料的力学性能采用单轴拉伸实验。将试样制作成15 mm×60 mm×240 mm形状，从养护箱中取出试样，之后将其进行晾干处理，晾干施加设置为5 h；然后使用电子万能试验机进行测试，仪器的荷载加速度设置为0.3 mm/min。为了增加测试结果的准确度，每一种配合比的复合材料进行3次拉伸实验，然后取平均值作为最终结果。

1.2.3抗压强度实验

将试样制作成长、宽、高均为100 mm的立方体进行抗压强度测试，将仪器的荷载加速度设置为1.5 mm/min。对同一个配合比的试样制作3个试样，目的在于进行3次抗压强度测试，取平均值作为最终结果。

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1.2.4弯曲实验

将试件制作成40 mm×75 mm×300 mm的薄板，使用三点弯曲实验，其加载示意图如图1所示；使用位移控制加载，将机器加载速度设置为0.4 mm/min，具体实验装置如图2所示。

图1 三点弯曲加载示意图Fig.1 Schematic diagram of four-point bending loading

图2 抗弯实验装置图Fig.2 Diagram of the bending test device

2 实验结果与分析

2.1 拉伸强度

2.1.1不同添加量的PVA纤维的抗拉应力-应变曲线

实验的抗拉应力-应变曲线如图3所示。

图3 不同添加量的PVA纤维应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves different amounts of PVA fibers

从图3可以看出，针对不加入PVA纤维的试样，其达到抗拉强度之后，曲线的变化趋势为急剧下降，试件的承载力已经快速消失，出现单裂纹破坏；然而加入不同量的PVA纤维之后，试样的最大拉应变均大幅度增加，且应变增加，应力随之增加。因为加入PVA纤维之后，其中有很多羟基，裂纹旁边由于这些羟基能够增加材料之间的化学胶结作用，从而产生桥联应力，所以能够有效防止材料出现裂缝。从图2中还可以看出，当PVA纤维量较多时，出现裂缝之后，试样E的下降趋势更为缓慢。这说明，超高韧性纤维水泥基复合材料中添加相对较多的PVA纤维能够增强材料的阻裂增韧效果。

2.1.2不同类型的PVA纤维的抗拉应力-应变曲线

3种不同PVA纤维的拉伸实验结果如图4所示。

图4 不同类型的PVA纤维应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves (different types of PVA fibers)

从图4可以看出，加入不同量的PVA纤维，其初裂强度不一样，出现这种现象的原因可能有2点：(1)PVA纤维的直径存在差别，虽然加入的PVA纤维质量一定，但表面积存在差异，而且不同PVA纤维油剂处理方法存在差别，就会造成孔隙率不一样。所以，使用不同的PVA纤维，试样的初裂强度不一样。另外，不同PVA纤维除了直径不一样，其他的物理参数也存在差别，比如伸长率、弹性模量等，这些同样会影响到材料的初裂强度。从图4还可以看出，试样C的最大拉伸强度比另外2种纤维的高；试样B和试样A进行比较，试样B的单轴拉伸性能相对较好。这说明，PVA纤维C具有更好的使用性能，PVA纤维B也完全满足材料性能的使用要求。

2.2 抗压强度

试样测得的抗压强度如表3所示。

表3 试样的抗压强度Tab.3 Compressive strength of specimens

由表3可知，超高韧性纤维水泥基复合材料中添加不同类型的PVA纤维对材料的抗压强度影响并不明显，而且添加不同量的PVA纤维，对试样的抗压强度影响也不明显。这表明不同类型的PVA纤维和添加不同量的纤维均能够具有桥联作用，当试样发生破坏时，能够使之保持为一个整体。相比于抗拉强度，PVA纤维的类型和添加量对超高韧性纤维水泥基复合材料的抗压强度影响比较小。

2.3 弯曲强度实验结果

经过实验分析得到不同弯曲强度实验结果如表4所示。

表4 试样的抗弯强度Tab.4 Bending test results of materials

由表4可知，相比于没有加入PVA纤维的试样，加入PVA纤维的超高韧性纤维水泥基复合材料具有更高的抗弯强度。另外，当PVA纤维加入量为6 kg/m3时，其抗弯强度并没有PVA纤维加入量为5 kg/m3的高，这说明在材料中加入PVA纤维需要适宜，并不是越多越好。加入PVA纤维能够提高材料的抗弯强度，这是因为在混凝土中加入PVA纤维之后，能够与其表面产生更大的粘接强度，而且PVA纤维的弹性模量和强度比较大，加入之后能够改善混凝土的硬化变形缺陷。从表3还可以看出，3种不同的PVA纤维加入到混凝土中的抗弯强度也不一样，其中PVA纤维C的抗弯强度最大，其次为PVA纤维A、B。从而可以说明当PVA纤维的弹性模量越大时，加入PVA纤维之后的复合材料具有更强的抗弯能力。

3 结语

超高韧性纤维水泥基复合材料中加入不同量的PVA纤维和不同类型的PVA纤维，其力学性能都会有所差异。通过实验分析得出，PVA纤维的添加量和类型对抗压强度影响不大，对抗拉强度和弯曲强度影响比较大；当PVA纤维的添加量不断增加时，材料的增韧阻裂效果更好，而材料的抗弯强度并不会随之增强。为了使超高韧性纤维水泥基复合材料的性能更佳，需要添加适宜量的PVA纤维，当PVA纤维的弹性模量越大时，材料的抗弯强度更好，实验中试样C的PVA纤维相对于试样A、B的PVA纤维具有更好的拉伸强度。