PVA 纖維混凝土的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

崔小燕

（蘇州市中信節(jié)能與環(huán)境檢測研究發(fā)展中心有限公司，江蘇 蘇州 215131）

0 引言

混凝土屬于脆性材料，其韌性較差。 而纖維抗拉強(qiáng)度較高，兩者復(fù)合使用可以克服混凝土抗拉強(qiáng)度較低和脆性的缺點(diǎn)。 目前，應(yīng)用到水泥混凝土內(nèi)的纖維種類比較多，常用的包括碳纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯纖維、鋼纖維、聚丙烯晴纖維、聚乙烯醇纖維（PVA）等。 其中PVA 纖維增強(qiáng)水泥基材料是目前熱門課題之一。

近年來，超高韌性水泥基復(fù)合材料是比較熱門的一種新型建筑材料，其實(shí)質(zhì)上是通過在混凝土中加入2%的聚乙烯醇短纖維制備出一種高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。 這種纖維增強(qiáng)混凝土在受到軸向拉伸和彎曲荷載作用下會呈現(xiàn)出顯著的應(yīng)變硬化特征，并且當(dāng)受力開裂后，其承載力會經(jīng)歷一個(gè)類似于鋼筋的假應(yīng)變硬化階段，而不會像鋼纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土那樣當(dāng)遭受達(dá)到極限承載力的荷載作用時(shí)會突然降低。

1 PVA 的性能特點(diǎn)

與其他種類的纖維相比，PVA 纖維具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：①高抗拉強(qiáng)度和高彈性模量；②與礦物摻合料的相容性較好；③高親水性，能夠較好地均勻分布在水泥漿體中；④與水泥基材料的界面結(jié)合較好；⑤高耐酸堿性；⑥直徑適中，可達(dá)到39 μm；⑦環(huán)保，無毒無害。 幾種常用纖維的性能參數(shù)見表1。 由表1 可以看出，鋼纖維彈性模量較高，制作工藝較復(fù)雜，生產(chǎn)的鋼纖維直徑較大，不利于普遍應(yīng)用。聚丙烯纖維的彈性模量太低， 碳纖維的彈性模量較高，其極限延伸率較小，且不能彎曲。 整體上看，聚乙烯纖維性能上與PVA 接近， 但是聚乙烯纖維價(jià)格較高，不適合大量應(yīng)用。

表1 常用纖維參數(shù)比較

2 PVA 纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能

錢桂楓等人研究發(fā)現(xiàn)，PVA 纖維的最佳摻量是0.08%～0.1%，體積摻量在此范圍內(nèi)可以有效改善混凝土抗折強(qiáng)度，且PVA 纖維的長徑比越小，強(qiáng)度提高效果越顯著[1]。Fukuyama 等人[2]對PVA 纖維增強(qiáng)混凝土構(gòu)件進(jìn)行了拉—壓循環(huán)荷載試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)PVA 纖維摻量為1.5%時(shí)，構(gòu)件的應(yīng)變可以達(dá)1.5%，試件韌性較好，且裂縫寬度小于0.2 mm。與普通混凝土材料相比， 韌性得到提高，PVC 增強(qiáng)混凝土材料可以用于承受剪切和粘結(jié)劈裂作用的構(gòu)件。 也有學(xué)者[3-4]通過靜載和疲勞試驗(yàn)對比研究了PVA 纖維增強(qiáng)材料和聚乙烯纖維增強(qiáng)材料的彎曲疲勞特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)聚乙烯纖維增強(qiáng)材料表現(xiàn)出高的強(qiáng)度和大的變形， 且其微裂縫數(shù)量也比PVA 纖維增強(qiáng)材料多，并且提出PVC 管混凝土可以顯著提高混凝土的強(qiáng)度和延性。Takashima 等人[5]研究了擠壓成型PVA 混凝土基體的剛度對材料斷裂特性的作用， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)基體本身的剛度取決于水灰比以及灰漿與水泥的比值。 水灰比不變，低灰漿與水泥的比值有利于預(yù)防纖維斷裂以及提高強(qiáng)度和極限應(yīng)變。 當(dāng)水灰比增大時(shí)，極限應(yīng)變也隨之提高，但是極限拉伸強(qiáng)度會降低。 可以推出結(jié)論，通過優(yōu)化水灰比以及灰漿與水泥的比值，可以達(dá)到增強(qiáng)、增韌的效果。

有關(guān)纖維增強(qiáng)混凝土的理論模型， 目前也是研究的熱點(diǎn)之一。 Zhang 等人[6]通過確定相關(guān)參數(shù)（纖維彈性模量、基體彈性模量、纖維-基體界面粘結(jié)強(qiáng)度、纖維在基體中的取向、纖維密度等參數(shù)），建立了纖維取向角為變量的纖維增強(qiáng)混凝土材料的斷裂分析模型。 Maalej 等[7]則推導(dǎo)了關(guān)于纖維的細(xì)觀力學(xué)模型。 基于概率統(tǒng)計(jì)方法，假設(shè)界面摩擦粘結(jié)應(yīng)力為常數(shù)， 考慮了纖維的拔出以及局部摩擦等影響， 計(jì)算推導(dǎo)出纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度以及斷裂能，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。 但是該模型并未考慮到纖維本身的彎曲斷裂以及斜向分布的纖維從基體中拔出導(dǎo)致的剝蝕作用。 雖然這些模型并不是針對PVC 纖維， 但是可以通過輸入纖維的相關(guān)參數(shù)，應(yīng)用于各類纖維。

3 PVA 纖維增強(qiáng)混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料的界面性能對材料整體的性能影響較大，特別是纖維增強(qiáng)混凝土復(fù)合材料，其性能的隨機(jī)性多數(shù)是由于界面相的差異。 纖維與水泥漿體基體的粘接情況直接決定復(fù)合材料的綜合性能。 并且，其界面相的厚度及力學(xué)性能對復(fù)合材料的性能也有影響。Kanda 等人研究發(fā)現(xiàn)PVA 纖維具有較強(qiáng)的粘結(jié)力， 當(dāng)纖維彎曲時(shí)纖維-基體界面位置會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，最終影響硬化纖維增強(qiáng)混凝土整體的拉應(yīng)變性能[8]。Redon[9]等人則認(rèn)為PVA 纖維在外力作用下被拔出時(shí)， 會出現(xiàn)顯著的滑移-硬化效應(yīng)，從而導(dǎo)致纖維在剪切應(yīng)力作用下發(fā)生剝蝕。 Li[10]等人針對PVA 的缺陷， 于2002 年提出在纖維表面涂刷一層油可以使混凝土拉伸應(yīng)變超過4%，克服了滑移-硬化效應(yīng)。 也有學(xué)者提出混凝土中添加粉煤灰會影響PVA-水泥漿體的界面特性。 現(xiàn)有成果均表明，PVA 纖維在材料基體中容易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，因此研究纖維復(fù)合材料的界面特性，有利于推導(dǎo)出界面參數(shù)， 從而找出預(yù)防纖維斷裂的措施，以使得PVA 纖維在建筑材料中可以更好地發(fā)揮其增強(qiáng)增韌的作用。 傳統(tǒng)的PVA 增強(qiáng)混凝土材料存在多點(diǎn)開裂及應(yīng)變硬化等現(xiàn)象，但是裂紋的寬度也偏大（一般60～80 μm）。 但是，有學(xué)者專家通過研究提出， 調(diào)節(jié)細(xì)骨料的粒徑尺寸以及基材的韌度，能達(dá)到發(fā)生多點(diǎn)開裂和應(yīng)變硬化現(xiàn)象，并且保證能將裂紋的寬度減小至10～30 μm。 事實(shí)上，不論是何種纖維，都是纖維、基材及其二者之間的界面性能等參數(shù)最終決定材料整體的應(yīng)變硬化特性。

4 結(jié)語

目前，PVC 材料主要應(yīng)用在提高結(jié)構(gòu)整體性、混凝土材料的修補(bǔ)、補(bǔ)償混凝土道面收縮變形、橋梁蓋板的連接段制作、 現(xiàn)場澆筑及預(yù)制構(gòu)件等方面。 但是，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)PVA 混凝土材料也存在一些問題，如干燥、收縮偏大。 PVA 混凝土的裂紋寬度可以得到一定程度的控制，但在實(shí)際工程上，由于材料本身干縮過大， 與其它原材料的協(xié)同工作性就會變差。例如，PVA 材料28 d 干燥收縮大約1 200 微應(yīng)變，而普通的混凝土材料28 d 的干縮應(yīng)變?yōu)?00～800 微應(yīng)變， 相差較大。 這個(gè)問題也嚴(yán)重制約PVA材料在修補(bǔ)等工程中的廣泛應(yīng)用。除此之外，PVC 還有一個(gè)問題就是在達(dá)到極限應(yīng)變之前單個(gè)裂紋的寬度仍然可以達(dá)到80 μm。 對于水分滲透以及耐久性來說，該程度的裂縫寬度還是偏大。 雖然從結(jié)構(gòu)的承載能力來看，該寬度的裂縫可能屬于無害，但其對結(jié)構(gòu)的長期耐久性仍會造成一定影響。 所以，在PVC 得到廣泛應(yīng)用之前， 還需要深入研究如何在實(shí)現(xiàn)裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展和多點(diǎn)開裂的基礎(chǔ)上減小裂紋寬度。

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