聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料耐久性能的研究進(jìn)展

王峰　王英浩

【摘 要】 聚乙烯醇（PVA）纖維是近年來(lái)廣泛應(yīng)用于水泥基復(fù)合材料的新型合成纖維，在試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用方面有良好的前景。綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料抗侵蝕性、抗凍性及抗?jié)B透性的研究進(jìn)展，并在此基礎(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；抗侵蝕性；抗凍融性；抗?jié)B透性

【中圖分類號(hào)】 TU528.581

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【Abstract】 Polyvinyl alcohol （PVA） fiber is a new type of synthetic fiber which is widely used in cementitious composites in recent years. It has a great prospect in the field of experimental research and engineering application. The research progress of PVA fiber reinforced cementitious composite at home and abroad in recent years， based on the corrosion resistance， frost resistance and permeability， are reviewed in this paper. On this basis， it puts forward the direction of further research.

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

1.引言

（1）Mehta[1]曾指出：“當(dāng)今世界混凝土的破壞原因，按重要性遞減順序排列為：鋼筋銹蝕、凍害、腐蝕作用”。因此，為改善混凝土及其他水泥基復(fù)合材料的耐久性能，需考慮環(huán)境因素及結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性。高強(qiáng)高性能混凝土在橋梁、港口碼頭、高層建筑等工程建設(shè)領(lǐng)域已起到舉足輕重的作用，但我國(guó)南北方地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)均處于一定不利環(huán)境條件下，導(dǎo)致一些混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性嚴(yán)重不足。為了進(jìn)一步提高混凝土等水泥基材料的耐久性，對(duì)其抗侵蝕性、抗凍性與抗?jié)B透性的提高備受研究人員的重視。

（2）自從20世紀(jì)90年代纖維增強(qiáng)超高韌性水泥基復(fù)合材料（ECC）出現(xiàn)以后[2]，其優(yōu)良性能受到了國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者的重視，尤其在耐久性方面已經(jīng)取得了一系列重要成果。高彈高模的PVA纖維對(duì)實(shí)現(xiàn)ECC的優(yōu)良性能尤為關(guān)鍵，且能在很大程度上提高ECC的耐久性能。

（3）但是，目前通過(guò)摻加PVA纖維改善水泥基復(fù)合材料的抗侵蝕性、抗凍性與抗?jié)B透性的試驗(yàn)研究還略有不足。本文綜述了近年來(lái)PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料耐久性能影響的研究進(jìn)展，并對(duì)進(jìn)一步研究作了展望。

2. PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗侵蝕性

（1）不利環(huán)境條件的侵蝕是導(dǎo)致水泥基材料性能退化最為重要的原因之一，在各種環(huán)境因素中，氯鹽與硫酸鹽是導(dǎo)致水泥基復(fù)合材料發(fā)生侵蝕破壞的重要形式。高彈高模PVA纖維的摻入，提高了水泥基復(fù)合材料的阻裂性能，改善了其抗外界有害物質(zhì)侵入的能力。

（2）劉曙光等[3]采用100mm×100mm×100mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件在5%硫酸鈉溶液中的長(zhǎng)期浸泡方法進(jìn)行了硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，得出結(jié)論：通過(guò)對(duì)PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的表觀形貌變化可知，在硫酸鈉溶液侵蝕下材料的損傷破壞程度與纖維摻量有關(guān)；結(jié)合體積變化率和質(zhì)量變化率分析，隨著PVA纖維的摻入，明顯改善了PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗硫酸鈉侵蝕性能。

（3）氯離子具有各種侵蝕介質(zhì)中最強(qiáng)的侵蝕性，是影響結(jié)構(gòu)耐久的關(guān)鍵因素。水泥基復(fù)合材料中隨機(jī)分布的纖維，在一定程度上起到了限制裂縫發(fā)展的作用。由于纖維的阻裂效應(yīng)，水泥基復(fù)合材料的裂縫的數(shù)量、寬度和長(zhǎng)度明顯減少，進(jìn)而提高了抗氯離子滲透性[4]。

（4）王志偉等[5]采用濕-烘循環(huán)的試驗(yàn)方法，以PVA纖維摻量為參數(shù)，研究了PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗氯離子侵蝕性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：與同條件下混凝土相比，PVA纖維體積摻量越大，PVA-FRCC試件的氯離子最大侵蝕深度越小，平均侵蝕深度越小。因此PVA纖維的摻入明顯改善了PVA-FRCC試件的抗氯離子侵蝕性能。

（5）幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)抗侵蝕性能的研究主要集中于普通混凝土材料，在纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料方面的研究較少，且主要集中于單一因素下PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗侵蝕性能研究，纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在多因素共同作用下的抗侵蝕性能還有待科研人員今后進(jìn)一步探索。

3. PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗凍性

（1）近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料抗凍性能的研究已逐漸深入。尤其在北方寒冷地區(qū)，凍融作用往往是導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)劣化乃至產(chǎn)生一系列不利于工程應(yīng)用的最主要因素， 為有效評(píng)價(jià)PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料抗凍性能，國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量抗凍性能試驗(yàn)。

（2）張菊等[6]通過(guò)氯鹽環(huán)境中快速凍融試驗(yàn)，得出如下試驗(yàn)結(jié)果：基于氯鹽環(huán)境中凍融循環(huán)后試件的外觀形貌和質(zhì)量損失率表明，PVA纖維摻量為2%的試件表現(xiàn)出較好的抗凍性；而動(dòng)彈性模量和耐久性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PVA纖維體積分?jǐn)?shù)為1%的試件有較好的抗凍性。

（3）薛會(huì)青等[7]通過(guò)凍融試驗(yàn)研究了摻入國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口PVA纖維的ECC在不同砂灰比下的抗凍融耐久性能，探討了ECC具有高抗凍性的機(jī)理。300次凍融循環(huán)后，摻入國(guó)內(nèi)與國(guó)外PVA纖維的ECC縱向與橫向動(dòng)彈性模量均高于60%?；炷良吧皾{的抗凍等級(jí)為F100，而摻入國(guó)內(nèi)與國(guó)外PVA纖維的ECC抗凍等級(jí)均大于F300，結(jié)果表明：摻入PVA纖維的ECC抗凍耐久性明顯優(yōu)于普通混凝土與砂漿，完全滿足寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)中度飽和水條件下對(duì)材料抗凍性的要求，可用于寒冷地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的加固與維護(hù)。

（4）劉曙光等[8]以快凍法研究了鹽凍環(huán)境下PVA纖維水泥基復(fù)合材料的抗凍性能，其試驗(yàn)結(jié)果表明：適量PVA纖維的摻入可以有效改善PVA纖維水泥基復(fù)合材料的抗凍融性能，且通過(guò)對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失率及掃描電鏡（SEM）觀測(cè)可知，PVA纖維水泥基復(fù)合材料的抗凍性隨纖維摻量的增加而提高。當(dāng)摻量為1.5%時(shí)，抗鹽凍性能最好；當(dāng)摻量達(dá)到2%時(shí)，由于PVA纖維水泥基復(fù)合材料微觀空隙增多，導(dǎo)致抗鹽凍性能下降。且由于PVA纖維具有抗裂作用，可顯著減少初始裂縫數(shù)量同時(shí)抑制裂縫的寬度和長(zhǎng)度，使PVA纖維水泥基復(fù)合材料具有遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土的良好抗凍性。

（5）鄧宗才等[9]通過(guò)快速凍融試驗(yàn)，研究了ECC的抗凍融耐久性能，分析了在不同砂灰比情況下國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口PVA纖維對(duì)ECC抗凍融性能的影響規(guī)律，并探討了ECC具有高抗凍性的機(jī)理。結(jié)果表明：150次凍融循環(huán)后，砂漿和混凝土試件的縱向與橫向相對(duì)動(dòng)彈性模量均下降到 60%以下，由于在ECC中摻入的PVA纖維向基體中引入大量的微小氣泡，明顯增大基體含氣量，有效緩解凍融循環(huán)過(guò)程中的滲透壓力和靜水壓力，提高了抗凍性能；PVA纖維的摻入減少了ECC試件的裂縫數(shù)量，提高了凍融循環(huán)作用過(guò)程中ECC試件對(duì)膨脹應(yīng)力的抵抗能力，使試件凍融損傷過(guò)程中的能量消耗明顯增大，有效地抑制了試件的凍脹開裂，改善了抗凍性能。

（6）Sahmaran等[10]對(duì)不摻加纖維與摻加纖維的ECC進(jìn)行了凍融試驗(yàn)，結(jié)果表明：摻入的PVA纖維顯著改善了ECC的抗凍融性能，可能是由于PVA纖維的摻入給基體帶來(lái)了更大體積的孔隙，這些孔隙對(duì)ECC抗凍融性能的提高有一定作用。

（7）由國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行的一系列研究可知，摻入的PVA纖維能夠明顯改善水泥基復(fù)合材料的抗凍融能力。目前的研究較多集中于宏觀上PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的優(yōu)異抗凍性能，而對(duì)微觀層面材料抗凍機(jī)理的研究較少，今后需將纖維取向、分布、錨固長(zhǎng)度及纖維-基體截面聯(lián)系到一起進(jìn)行微觀研究與分析。

4. PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗?jié)B透性

（1）眾所周知，如文獻(xiàn)[1]所說(shuō)，影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一大關(guān)鍵因素便是鋼筋銹蝕，而氯離子、硫酸根離子等的侵入甚至是水滲透進(jìn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，都會(huì)在一定程度上加速鋼筋銹蝕的發(fā)生。為減輕鋼筋銹蝕作用，關(guān)鍵是研究結(jié)構(gòu)的抗?jié)B透性能，而纖維的摻入對(duì)結(jié)構(gòu)抗?jié)B性能的提高起到了巨大作用，這引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視，并進(jìn)行了一系列相關(guān)研究工作。

（2）徐世烺等[11]通過(guò)快速氯離子滲透試驗(yàn)，研究了100mm×100mm×400mmUHTCC棱柱體試件在28d、56d、90d和120d齡期下的抗?jié)B透性能。結(jié)果表明：對(duì)比相同等級(jí)的普通混凝土，UHTCC具有更為優(yōu)異的抗?jié)B性能，且隨齡期的增長(zhǎng)，其抗?jié)B性能逐漸增強(qiáng)。

（3）周偉[12]對(duì)大摻量粉煤灰ECC進(jìn)行了抗?jié)B性等耐久性研究，結(jié)果表明：摻入的纖維為氯離子進(jìn)入水泥基體提供了通道，同時(shí)大量摻入的粉煤灰造成結(jié)構(gòu)密實(shí)性的下降，使得ECC的抗?jié)B性能較普通混凝土差。

（4）就目前而言，國(guó)內(nèi)外在結(jié)構(gòu)抗?jié)B性能的研究領(lǐng)域主要集中在混凝土結(jié)構(gòu)，近幾十年又較多研究了鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)，而對(duì)PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗?jié)B性能的研究較少，且研究主要集中在單一環(huán)境條件下的抗?jié)B透性能，而在多因素共同作用下的抗?jié)B透性能方面還有待學(xué)者們進(jìn)一步研究。

5. 結(jié)語(yǔ)與展望

（1）高彈高模的PVA纖維摻入水泥基復(fù)合材料，對(duì)基體能夠起到一定的約束抗裂作用，有效降低有害物質(zhì)侵入材料內(nèi)部，顯著提高水泥基復(fù)合材料的抗侵蝕性、抗凍性及抗?jié)B透性；

（2）目前主要集中于硫酸鹽侵蝕、氯鹽侵蝕、凍融等單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以及微觀層面的研究還很少，應(yīng)對(duì)纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在多因素共同作用下的損傷機(jī)理、微觀結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行更深層次的研究；

（3）國(guó)內(nèi)外目前有關(guān)纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料滲透性能的研究主要集中于氯離子滲透，如其他離子滲透、氣體滲透及各種環(huán)境相互作用下的滲透等方面的研究較少，今后需進(jìn)行更為全面的研究。

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[文章編號(hào)] 1619-2737（2018）01-12-609

[作者簡(jiǎn)介] 王峰（1985.06-），男，籍貫：內(nèi)蒙古烏蘭察布人，職務(wù)：在讀碩士、工程管理員，工作單位：中國(guó)北方稀土（集團(tuán)）高科技股份有限公司。