PVA纖維對水泥基復(fù)合材料抗凍與抗侵蝕性能影響的研究進(jìn)展

孫偉　鄔凡

【摘要】聚乙烯醇（PVA）纖維作為一種新型合成纖維，在工程領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。綜述了PVA纖維的基本性能及近年來國內(nèi)外關(guān)于PVA纖維對水泥基復(fù)合材料抗凍與抗侵蝕性能影響的研究進(jìn)展，分析并總結(jié)凍融、氯鹽侵蝕以及硫酸鹽侵蝕情況下，PVA纖維對水泥基復(fù)合材料性能的改善。在改善抗凍性能方面，研究主要集中在PVA纖維摻量及國內(nèi)外PVA纖維對抗凍性能的影響；在抗侵蝕性能提高方面，研究主要集中在PVA纖摻量對水泥基復(fù)合材料抗侵蝕性能的影響。在此基礎(chǔ)上，提出進(jìn)一步研究的方向。

【關(guān)鍵詞】聚乙烯醇纖維；水泥基復(fù)合材料；抗凍性；抗侵蝕；纖維摻量

【中圖分類號】TU528.581

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【Abstract】Polyvinyl alcohol （PVA） fiber as a new type of synthetic fiber has been widely used in the field of engineering. In this paper， the basic properties of PVA fiber and its influence on the frost resistance and corrosion resistance of PVA fiber in cementitious composites are reviewed. The properties of PVA fiber in cementitious composites are also analyzed and summarized under the condition of freeze-thaw， chloride and sulfate attack. In the aspect of the frost resistance improvement， the research mainly concentrates on the influence of the PVA fiber content and the PVA fiber at home and abroad on the frost resistance. In terms of the anti erosion performance improvement， the research mainly concentrates on the influence of PVA fiber content on cementitious composites. On this basis， it puts forward the direction of further research.

【Key words】Polyvinyl alcohol fiber；Cementitious composites；Frost resistance；Corrosion resistance；Fiber content

1. 引言

（1）凍融、侵蝕等環(huán)境因素是導(dǎo)致混凝土及其他水泥基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)耐久性下降的重要因素。Mehta[1]指出：“當(dāng)今世界混凝土破壞原因，按重要性遞減順序排列是：鋼筋銹蝕、凍害、腐蝕作用”。因此，改善混凝土及其他水泥基復(fù)合材料的抗凍性與抗侵蝕性對其耐久性的提高意義重大。在高層建筑、橋梁、隧道、地鐵、港口碼頭、鐵路等工程建設(shè)領(lǐng)域，對高強(qiáng)高性能混凝土的需求日益增加，但我國南方地區(qū)的混凝土均處在一定的受侵蝕環(huán)境下，北方地區(qū)的混凝土均處在一定的受凍環(huán)境下，導(dǎo)致一些混凝土結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重耐久性不足的問題，制約了其發(fā)展。因此，為了進(jìn)一步提高混凝土的耐久性，對提高其抗凍性與抗侵蝕性提出了更高的要求。

（2）自從水泥基復(fù)合材料（ECC）出現(xiàn)以后，其高抗拉強(qiáng)度、高韌性、高耐久性等優(yōu)點(diǎn)，受到了國內(nèi)外廣大學(xué)者的重視，尤其在耐久性方面已經(jīng)取得了一系列研究成果[2～7]。高抗拉強(qiáng)度和高彈性模量的PVA纖維是實(shí)現(xiàn)ECC優(yōu)良性能的關(guān)鍵材料，對提高ECC的抗凍性能與抗侵蝕性能有重要的作用。

（3）但是，在摻加高強(qiáng)高模的PVA纖維來提高水泥基復(fù)合材料的抗凍性與抗侵蝕性的試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用方面，目前還缺少系統(tǒng)的研究。本文綜述了近年來PVA纖維對水泥基復(fù)合材料抗凍與抗侵蝕性能影響的研究進(jìn)展，并對進(jìn)一步研究作了展望。

2. PVA纖維的基本性能

與常見的合成纖維相比，PVA纖維具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：（1）高彈性模量與高抗拉強(qiáng)度；（2）親水性好；（3）與水泥基復(fù)合材料具有較好的界面結(jié)合狀態(tài)；（4）直徑適中。此外，由于其環(huán)保、無毒、分散性好、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，成為制備ECC的首選而得到廣泛應(yīng)用。PVA纖維在水泥基復(fù)合材料中分散均勻、亂向分布，在水泥基復(fù)合材料中起到增強(qiáng)整體性、提高抗裂性的作用，從而提高水泥基復(fù)合材料的抗凍及抗侵蝕性能。

3. PVA纖維對水泥基復(fù)合材料抗凍性影響的試驗(yàn)研究

（1）近年來，國內(nèi)外逐漸開展了采用PVA纖維提高水泥基復(fù)合材料抗凍性的研究。

在北方寒冷地區(qū)，凍融作用往往是導(dǎo)致建筑物劣化乃至破壞的最主要因素， 為了評價(jià)PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料抗凍融能力，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列抗凍性能試驗(yàn)。

（2）Nam[8]通過以PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料、聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料及普通混凝土三者為對比，對相對動彈性模量的變化和質(zhì)量損失進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：相對于原始試件，經(jīng)過300次凍融循環(huán)后PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料仍具有較好的耐久性。說明PVA纖維的摻入對PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗凍性提高具有相當(dāng)大的作用。

（3）ahmaran等[9]通過摻加PVA纖維與不摻加PVA纖維的兩組非引氣ECC試件的對比，得出結(jié)論：PVA纖維的摻入明顯改善了ECC的抗凍性能，且由PVA纖維摻入所帶來的更大體積的孔隙也可能對ECC抗凍性能的改善有一定作用。

（4）劉曙光等[10]通過快速凍融試驗(yàn)方法，研究了不同PVA纖維摻量（0%、1.0%、1.5%、2.0%）的PVA纖維水泥基復(fù)合材料試件在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的動彈性模量，進(jìn)而研究了材料的抗鹽凍性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：1.5%纖維體積摻量的PVA纖維水泥基復(fù)合材料的抗鹽凍性能較好。

（5）徐世烺[11]通過對摻加PVA纖維的超高韌性水泥基復(fù)合材料（UHTCC）在凍融循環(huán)條件下質(zhì)量損失、動彈性模量損失的試驗(yàn)研究及與普通混凝土、鋼纖維混凝土和引氣混凝土的對比可知，經(jīng)過300次凍融循環(huán)后UHTCC動彈性模量損失不超過5%、質(zhì)量損失不超過1%，抗凍性指數(shù)為92%，抗凍等級大于F300，而普通混凝土與鋼纖維混凝土的抗凍等級則分別為F100和F150。在不摻加引氣劑的條件下，UHTCC質(zhì)量損失和動彈性模量損失方面與引氣4.7%的引氣混凝土接近。由此可知，摻加PVA纖維的UHTCC材料的抗凍性明顯優(yōu)于普通混凝土和鋼纖維混凝土。

（6）Yun等[12]通過快速凍融試驗(yàn)，以總體積摻量為1.5%的PVA與PE混合纖維及水膠比為試驗(yàn)變量，研究了延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（DFRCCs）100mm×100mm×400mm棱柱體試件在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的相對動彈性模量及質(zhì)量損失，結(jié)果指出：經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，四種不同工況DFRCC試件的相對動彈性模量均下降約3%，質(zhì)量損失均小于2%，表明PVA與PE混合纖維的摻入提高了DFRCC的抗凍融破壞能力。

（7）纖維摻量過大會降低混凝土抗凍融能力，其主要原因是由于過多纖維的存在會阻塞毛細(xì)孔，致使混凝土吸水率降低，凍融循環(huán)過程中混凝土需要大量結(jié)晶水，而由于纖維摻量過多導(dǎo)致的吸水率降低，使得抗凍融性能有所下降[13]。

（8）通過國內(nèi)外學(xué)者的研究可知，PVA纖維的摻入能夠顯著改善水泥基復(fù)合材料的抗凍性能。現(xiàn)今國內(nèi)外主要研究PVA纖維摻量及不同種類PVA纖維對水泥基復(fù)合材料抗凍耐久性能的影響，而PVA纖維取向、分布、長徑比、錨固長度及不同種類PVA混合纖維對水泥基復(fù)合材料抗凍性能影響的研究略有不足，需要進(jìn)一步探討。

4. PVA纖維對水泥基復(fù)合材料抗侵蝕性影響的試驗(yàn)研究

（1）遭受環(huán)境因素的侵蝕是導(dǎo)致水泥基材料性能退化的直接原因之一，氯鹽與硫酸鹽侵蝕是水泥基復(fù)合材料受環(huán)境因素作用而發(fā)生侵蝕破壞的重要形式。具有優(yōu)良性能的PVA纖維的摻入在一定程度上改善了水泥基復(fù)合材料的抗裂性能，有效地降低了外界有害物質(zhì)的侵入，提高了水泥基復(fù)合材料的抗侵蝕性能。

（2）氯離子侵蝕是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性下降的一個(gè)重要因素，氯離子是各種侵蝕介質(zhì)中侵蝕性最強(qiáng)的離子之一。加入纖維后，大量纖維均勻分布于水泥基復(fù)合材料中，從而起到約束裂縫的的作用。由于纖維的阻裂作用，顯著減少裂縫的數(shù)量、長度和寬度，降低生成貫通縫的可能性，從而使抗氯離子滲透性得到加強(qiáng)[13]。

（3）閆長旺等[14]通過在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，應(yīng)用灰色模型GM（1.1）對氯離子濃度沿PVA纖維水泥基復(fù)合材料深度的變化規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明：在基體中摻入PVA纖維可對基體起到良好的約束作用，從而減小微裂縫的產(chǎn)生，改善了PVA纖維水泥基復(fù)合材料抗氯離子滲透性能，從而對抗氯離子侵蝕能力起到了積極的作用。研究通過對氯離子濃度的分布情況進(jìn)行分析，認(rèn)為1.5%PVA纖維摻量對水泥基復(fù)合材料抗氯離子滲透性的改善效果最好。

（4）劉曙光等[15]通過濕通電法研究了將不同纖維摻量的150mm×150mm×150mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件浸泡在5%氯化鈉溶液中的鋼筋銹蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：不摻纖維的試件銹蝕率最大，纖維摻量1.5%和2%的試件鋼筋銹蝕率最小。在恒電流條件下PVA纖維摻量的增加會降低鋼筋的銹蝕率，但降低幅度很小，最大降低幅度僅為6.27%。表明PVA纖維的摻入明顯降低了氯離子的侵蝕速度，改善了氯離子對水泥基復(fù)合材料的侵蝕作用，增強(qiáng)了其抗?jié)B透性能。

（5）近年來，國內(nèi)外主要研究混凝土的抗侵蝕性能，而關(guān)于水泥基復(fù)合材料抗侵蝕性能的研究較少，主要集中于單一侵蝕環(huán)境下PVA纖維摻量對水泥基復(fù)合材料抗侵蝕性能的影響。隨著試驗(yàn)研究的發(fā)展，PVA纖維取向、分布、長徑比及錨固長度對水泥基復(fù)合材料在多重鹽侵環(huán)境下抗侵蝕性能的影響將會成為未來土木工程領(lǐng)域的重要研究方向。

5. 結(jié)語與展望

（1）PVA纖維是具有多種優(yōu)良性能的新型合成纖維。在水泥基復(fù)合材料中摻入PVA纖維，能夠?qū)φw起到一定的約束與裂縫控制作用，降低外界有害物質(zhì)的侵入，顯著改善水泥基復(fù)合材料的抗凍及抗侵蝕性能；

（2）目前主要集中于在凍融、氯鹽侵蝕、硫酸鹽侵蝕等單一因素作用下纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的研究上，而在多因素共同作用下對纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的研究還很少，應(yīng)對多因素共同作用下纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的性能、微觀結(jié)構(gòu)、損傷機(jī)理等方面進(jìn)行更深層次的研究。

參考文獻(xiàn)

[1]Mehta P D. Concrete durability： fifty year's progress[C]// The 2nd International Conference On Concrete Durability. America， 1991： 1～33.

[2]徐世烺， 李賀東. 超高韌性水泥基復(fù)合材料研究進(jìn)展及其工程應(yīng)用[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2008， 06： 45～60.

[3]王曉偉， 劉品旭， 田穩(wěn)苓， 等. PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的耐久性能[J]. 中國港灣建設(shè)， 2013（5）： 8～11.

[4]劉品旭. PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的耐久性能研究[D]. 河北：河北工業(yè)大學(xué)，2014.

[5]鄧宗才， 薛會青， 徐海賓. ECC材料的抗凍融性能試驗(yàn)研究[J]. 華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)， 2013， 01： 16～19.

[6]ahmaran M， Lachemi M， Li V C. Assessing the durability of engineered cementitious composites under freezing and thawing cycles[J]. Journal of Astm International， 2009， 6（7）.

[7]劉曙光， 閆長旺. PVA纖維水泥基復(fù)合材料性能與抗凍、抗鹽腐蝕研究[M]. 北京：科學(xué)出版社， 2013.

[8]Nam J， Kim G， Lee B， et al. Frost resistance of polyvinyl alcohol fiber and polypropylene fiber reinforced cementitious composites under freeze thaw cycling[J]. Composites Part B Engineering， 2016， 6（242）： 241～250.

[9]ahmaran M， zbay E， Yücel H E， et al. Frost resistance and microstructure of engineered cementitious composites： influence of fly ash and micro poly-vinyl-alcohol fiber[J]. Cement & Concrete Composites， 2012， 34（2）： 156～165.

[10]劉曙光， 王志偉， 閆長旺， 等. PVA纖維水泥基復(fù)合材料鹽凍損傷分析及壽命預(yù)測[J]. 混凝土與水泥制品， 2012， 11： 46～48.

[11]徐世烺， 蔡新華， 李賀東. 超高韌性水泥基復(fù)合材料抗凍耐久性能試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2009， 09： 42～46.

[12]Yun H D， Rokugo K. Freeze-thaw influence on the flexural properties of ductile fiber-reinforced cementitious composites （DFRCCs） for durable infrastructures[J]. Cold Regions Science & Technology， 2012， 78（4）： 82～88.

[13]唐巍， 張廣泰， 董海蛟， 等. 纖維混凝土耐久性能研究綜述[J]. 材料導(dǎo)報(bào)， 2014， 11： 123～127.

[14]閆長旺， 張華， 劉曙光， 等. PVA纖維水泥基復(fù)合材料氯離子濃度分布規(guī)律的研究[J]. 混凝土， 2013， 05： 38～41.

[15]劉曙光， 鄭德路， 閆長旺， 等. 恒電流下聚乙烯醇纖維水泥基復(fù)合材料鋼筋銹蝕率的研究[J]. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2013， 03： 225～229.