聚乙烯醇纖維砂漿的制備與基本力學(xué)性能試驗(yàn)

金曉勤, 蔣益鵬, 鄭佳曉

(廈門理工學(xué)院, 福建 廈門 361024)

聚乙烯醇纖維砂漿的制備與基本力學(xué)性能試驗(yàn)

金曉勤, 蔣益鵬, 鄭佳曉

(廈門理工學(xué)院, 福建 廈門 361024)

近年來(lái)聚乙烯醇纖維增韌水泥基復(fù)合材料(PVA-ECC)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，但工程應(yīng)用較少.因?yàn)槟壳吧袥](méi)有纖維砂漿材料力學(xué)性能的試驗(yàn)規(guī)程，本文基于廈門本地原材料進(jìn)行聚乙烯醇纖維(PVA)砂漿的制備試驗(yàn)，并參考相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程對(duì)PVA纖維砂漿的抗壓性能和抗折性能進(jìn)行試驗(yàn)，研究砂膠比、PVA摻量變化等對(duì)其基本力學(xué)性能的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明，利用室內(nèi)小型砂漿攪拌機(jī)制備PVA纖維砂漿是可行的，宜采用適當(dāng)?shù)耐读戏绞?、控制PVA摻量、減小砂膠比等；隨著PVA纖維摻入量的增加，砂漿的抗壓強(qiáng)度變化不大，但抗折強(qiáng)度和抗彎極限承載力增幅顯著，壓折比降低；與素砂漿相比，PVA纖維砂漿受壓或者受彎時(shí)裂縫發(fā)展緩慢，裂縫寬度也較小，表現(xiàn)出一定的延性性質(zhì).

聚乙烯醇纖維； 水泥砂漿； 抗壓強(qiáng)度； 抗折強(qiáng)度； 極限承載力

傳統(tǒng)水泥基材的主要缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度低、極限延伸率小、性脆.為了改善這種缺陷，各國(guó)學(xué)者紛紛展開(kāi)了積極的研究.吳中偉院士曾提出，復(fù)合化是提高水泥基材料高性能化的主要途徑，核心則是纖維增強(qiáng)[1].抗拉強(qiáng)度高、極限延伸率大、抗堿性好的纖維加入到水泥基料中，組成纖維混凝土復(fù)合材料，使材料的抗拉、抗彎、抗沖擊強(qiáng)度及延伸率和韌性得以提高.目前纖維混凝土的主要品種有石棉水泥、鋼纖維混凝土、玻璃纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土及碳纖維混凝土、植物纖維混凝土和高彈模合成纖維混凝土等[2].

1992年美國(guó)密歇根大學(xué)的VICTOR教授和麻省理工大學(xué)的CHRISTOPHER教授最早提出將聚乙烯醇纖維(Polyvinyl alcohol Fiber，PVA)用于高韌性水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementitious Composites，ECC)中，從此PVA纖維增韌水泥基復(fù)合材料(Polyvinyl alcohol Fiber-Engineered Cementitious Composite，PVA-ECC)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3].PVA相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維等具有抗拉強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定、與水泥基的粘結(jié)強(qiáng)度高的特點(diǎn)[4-5].我國(guó)對(duì)PVA-ECC的研究進(jìn)展很快，1995年王德松等[6]開(kāi)始研究水溶性聚合物PVA纖維對(duì)水泥石力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)較高強(qiáng)度模量的聚乙烯醇纖維的增強(qiáng)增韌效果優(yōu)于較低強(qiáng)度模量的維尼綸纖維；劉品旭對(duì)PVA水泥基材料的抗彎強(qiáng)度和抗彎曲韌性進(jìn)行力學(xué)研究[7]；李賀東對(duì)鋼筋PVA-ECC梁的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，表明PVA-ECC能提高構(gòu)件的承載力[8]；徐世烺等[9],張君等[10]對(duì)PVA-ECC疊合梁進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)PVA-ECC層厚度的增加，梁的整體彎曲性能和承載力都得到明顯改善；杜志芹等[11]研究混凝土摻入PVA纖維后，因PVA纖維的強(qiáng)度和彈性模量較高，提高了水泥基體抗裂能力，抑制了裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)展；劉曙光等[12]證明了摻入PVA纖維，可以明顯改善水泥基復(fù)合材料的抗鹽凍性能，有效提高機(jī)體的抗剝落能力和阻止裂縫的產(chǎn)生及擴(kuò)展.

聚乙烯醇(PVA)纖維水泥基復(fù)合材料的研究在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，尚沒(méi)有關(guān)于纖維復(fù)合水泥砂漿材性的試驗(yàn)規(guī)程，因此，本項(xiàng)目的研究方法和試驗(yàn)方案均是在摸索中進(jìn)行.本文通過(guò)試驗(yàn)研究，初步探討不同PVA摻量砂漿的制備及其抗壓抗折性能.

1 PVA砂漿材料制備成型

1.1 原材料

(1)PVA纖維

參考到多篇文獻(xiàn)均提出國(guó)產(chǎn)的纖維分散性不足[9,12-14]，本文采用的是日本可樂(lè)麗生產(chǎn)的K-Ⅱ可樂(lè)綸進(jìn)行試驗(yàn)，纖維的各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 PVA纖維的性能參數(shù)[12]

(2)其他材料

水泥：采用試驗(yàn)專用的42.5基準(zhǔn)水泥.

砂：采用普通中砂.

減水劑：采用廈門科之杰的聚羧酸系高性能減水劑.

1.2 材料制備成型

本實(shí)驗(yàn)室采用滄州路儀試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的UJZ-15型砂漿攪拌機(jī)，ZH·DG-80型混凝土試驗(yàn)用振動(dòng)臺(tái).

當(dāng)纖維摻量達(dá)到一定比例時(shí)，砂漿攪拌過(guò)程中易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，即使增加攪拌時(shí)間也不能改變這種現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)調(diào)整減水劑用量、PVA纖維摻量、纖維的投入方式和攪拌時(shí)間，并采用參考文獻(xiàn)[13-14]推薦的拌合法，最終這種情況才得到改善，見(jiàn)圖1.

試塊制作成型過(guò)程具體如下：

a．按比例稱量各種材料的質(zhì)量；

b．將砂和水泥放入攪拌機(jī)中干拌2 min；

c．放入水和減水劑，攪拌4 min；

d．分散加入PVA，攪拌5 min,使之均勻散落在砂漿中，此時(shí)攪拌的終止時(shí)間以纖維漿體不成團(tuán)、結(jié)塊為依據(jù).簡(jiǎn)稱濕拌法.

e．裝模.迅速把拌合物裝入已經(jīng)準(zhǔn)備好的模具中，裝料是應(yīng)用抹刀沿模具壁插搗，并使拌合物略高于模具口.

f．振實(shí).將試模放于混凝土振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)，振動(dòng)持續(xù)到表面出漿為止，使試塊上的混凝土分布均勻密實(shí)不得過(guò)振，振動(dòng)時(shí)間1 min為最適宜時(shí)間.

g．振動(dòng)結(jié)束后，從振動(dòng)臺(tái)上取下試模，刮除試模上口多余的混凝土，待砂漿臨近初凝時(shí)，用抹刀抹平，然后貼上標(biāo)簽.

h．在室溫為20±5℃的環(huán)境下靜置24 h，然后拆模，拿油性筆在試塊上寫上編號(hào)，放入溫度為20℃及濕度為95%以上的標(biāo)養(yǎng)室中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試.

根據(jù)當(dāng)前的研究，PVA纖維的體積含量一般為2%.多組試驗(yàn)后確定, 本次試驗(yàn)PVA的最高摻量為2%，水：砂：膠分別為0.283∶0.6∶1和0.448∶2.5∶1時(shí)的PVA砂漿和易性最佳.

圖1 PVA砂漿攪拌

2 基本材性試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

因目前尚沒(méi)有纖維砂漿材料力學(xué)性能的試驗(yàn)規(guī)程，因此參考《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)和《鋼絲網(wǎng)水泥用砂漿力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 7897-2008)的相關(guān)規(guī)定[15-16]，在標(biāo)準(zhǔn)模具中制作40 mm×40 mm×160 mm試件塊(PVA含量分別為0，1.0%，1.5%，2%)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗折和抗壓對(duì)比實(shí)驗(yàn).

每組均采用3個(gè)試塊進(jìn)行平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取其平均值，但當(dāng)有試驗(yàn)值超出平均值得15%時(shí)，予以剔除，取余下2個(gè)值進(jìn)行平均.

實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度按公式1計(jì)算[15]：

(1)

公式中：P為抗壓強(qiáng)度；F為壓力；S為受壓面積.

實(shí)測(cè)抗折強(qiáng)度按公式2計(jì)算[15]：

(2)

公式中：

σf為纖維水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度(MPa)；

Ff為折斷時(shí)施加在棱柱體中部的荷載(N)；

l為試件跨度(mm)；

b為試件寬度(mm)，公稱尺寸為40 mm.

采用DKZ-6000型數(shù)顯電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)抗折實(shí)驗(yàn).將折斷后的試塊放到油泵加壓機(jī)器，以1 200 N·S-1的加載速度進(jìn)行加載.實(shí)測(cè)抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表2和圖2.

表2 實(shí)測(cè)抗折強(qiáng)度

Table 2 The measured flexural strength with different PVA contents

砂膠比0.6∶1砂膠比2.5∶1PVA摻量/%抗折強(qiáng)度/MPaPVA摻量/%抗折強(qiáng)度/MPa011.407.81.012.41.08.11.5>15.01.59.42.0>15.02.08.8

注：個(gè)別試塊的抗折強(qiáng)度超出了數(shù)顯電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)的量程范圍.

圖2 PVA含量與實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖

Fig.2 Effect of PVA contents on compressive strength of the mortar specimen

根據(jù)表2和圖2可知：

(1)本次試驗(yàn)配制的砂漿強(qiáng)度大大高于普通砂漿的強(qiáng)度(一般最高為M20)，并且砂膠比較小者(0.6∶1)，抗壓和抗折強(qiáng)度均更高.

(2)當(dāng)砂膠比為0.6∶1時(shí)，隨著PVA摻入量從0增加至2%，PVA砂漿的抗折強(qiáng)度增加，但因個(gè)別試塊的抗折強(qiáng)度超出了數(shù)顯電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)的量程范圍，無(wú)法量化；而抗壓強(qiáng)度最大提高3.9%.

(3)當(dāng)砂膠比為2.5∶1時(shí)，隨著PVA摻入量的增加，砂漿的抗折強(qiáng)度增加，最佳摻量是1.5%，抗折強(qiáng)度相應(yīng)增加 21%；而抗壓強(qiáng)度則略有下降，最多下降4.3%.

砂漿抗裂性可以用壓折比來(lái)衡量，壓折比越小，砂漿抗裂性越好；壓折比越大，砂漿抗裂性越差.計(jì)算砂膠比為2.5∶1的壓折比，見(jiàn)表3.

表3 砂膠比為2.5∶1的壓折比

Table 3 The compression-fold ratio when sand-binder ratio is on 2.5∶1

PVA摻量/%壓折比07.21.06.51.55.82.06.1

可見(jiàn)，當(dāng)砂膠比為2.5∶1時(shí)，隨著PVA摻入量的增加，砂漿的抗裂性能增加.

(4)普通砂漿試塊受壓達(dá)到強(qiáng)度峰值后斷裂，呈脆性破壞；而PVA砂漿試塊達(dá)到強(qiáng)度峰值出現(xiàn)裂縫后，并不斷裂，裂縫處可見(jiàn)多根纖維牽扯，要用力才能掰開(kāi)，PVA含量越高的越明顯，見(jiàn)圖3.掰開(kāi)后觸摸斷面，有毛糙感，說(shuō)明有PVA纖維拔出或者拉斷.

圖3 PVA纖維砂漿試塊受壓破壞形態(tài)

2.2 大試塊的受彎和受壓破壞試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究PVA砂漿的抗裂性能，參考《鋼纖維混凝土》(JG/T 472-2015)和《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)[17-18]，采用的砂膠比為0.6，水膠比為0.283的配合比，制作100 mm×100 mm×400 mm試塊，在WDW-100微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行四點(diǎn)抗折實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖4.

同時(shí)，制作100 mm×100 mm×100 mm試塊進(jìn)行受壓破壞試驗(yàn).實(shí)測(cè)極限承載力見(jiàn)圖5.

圖4 大試塊的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意

圖5 PVA含量與受彎和受壓的極限承載力的關(guān)系圖

Fig.5 Effect of PVA contents on the ultimate bearing capacity of the model in bending and compression when sand-binder ratio is on 0.6∶1

可見(jiàn)：

(1)隨著PVA摻量從0增加至2%，受彎破壞極限承載力幾乎呈線性增加，最大提高80%；

(2)隨著PVA摻量從0增加至2%，受壓極限承載力也有所增加，最大提高8.6%；

(3)普通水泥基復(fù)合材料在受彎破壞時(shí)突然斷裂、承載力降為零.而PVA纖維水泥基復(fù)合材料破壞時(shí)裂縫發(fā)展緩慢，破壞時(shí)試件并無(wú)全截面斷開(kāi)，裂縫寬度也較小，仍有一定承載力，如圖6和7所示.

圖6 素水泥砂漿破壞形態(tài)

圖7 PVA纖維水泥砂漿破壞形態(tài)

Fig.7 Four-point bending destruction of PVA fiber cement mortar

可見(jiàn),摻入PVA纖維主要增大了抗彎折的極限承載力，提高了材料的延性.

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)PVA水泥砂漿制備和基本材性試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：

(1)實(shí)驗(yàn)室小型攪拌機(jī)攪拌PVA纖維砂漿是可行的，宜采用后加入PVA纖維、控制PVA摻量、減小砂膠比；

(2)隨著砂膠比增加，砂漿強(qiáng)度降低，PVA纖維難以攪拌均勻，削弱了PVA纖維的橋聯(lián)作用，特別是當(dāng)PVA摻量達(dá)到2%時(shí).這和VICTOR等提出的PVA摻量一般不超過(guò)2%相吻合.

(3)隨著PVA纖維摻入量的增加，水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度或抗壓極限承載力變化不大，但抗折強(qiáng)度或抗彎折的極限承載力提高明顯；壓折比降低，砂漿抗裂性大大提高.

(4)普通水泥砂漿在受折和受壓時(shí)均表現(xiàn)為脆性破壞，即突然斷裂、承載力降為零.而PVA纖維砂漿受壓或者受彎時(shí)裂縫發(fā)展緩慢，裂縫寬度也較小，仍有一定承載力，表現(xiàn)出一定的延性性質(zhì).

目前在我國(guó)，聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在工程中的應(yīng)用才剛剛起步，本課題組對(duì)該材料的實(shí)際應(yīng)用及性能研究還將作進(jìn)一步的探索.

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【責(zé)任編輯： 周 全】

Preparation and experimental research on the properties of Polyvinyl alcohol Fiber reinforced mortar

JINXiao-qin,JIANGYi-peng,ZHENGJia-xiao

(Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China)

In recent years，the Polyvinyl alcohol fiber-Engineered Cementitious Composite (PVA-ECC) has attracted global attention, but it is rarely applied in bridge and road engineering. Although there is no specification for mix proportion design or test methods for mechanical properties of fiber reinforced mortar, PVA fiber reinforced mortar specimens are prepared and made for compressive test and flexural test respectively. The test results show that the small mortar mixer is feasible for PVA fiber reinforced mortar by adopting proper mix proportion and mixing method; with PVA fiber increasing, the compressive strength and the flexural strength of the reinforced mortar increas, especially the latter increases significantly. Compared with the plain mortar specimens, the crack width in the PVA fiber reinforced mortar specimens is smaller and developed slowly under compression bending.

Polyvinyl alcohol fiber; cement mortar; compressive strength; flexural strength; ultimate bearing capacity

2016-07-18;

2016-08-31

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51078135)；廈門市2014年科技計(jì)劃高校項(xiàng)目(3502Z20143035)；廈門理工學(xué)院2015年大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目;廈門理工學(xué)院科技資助項(xiàng)目(YKJ13031R)

金曉勤(1971-)，女，副教授，博士. E-mail: jxqbridge@xmut.edu.cn

1671- 4229(2016)05-0021-06

TU 528.581

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