PVA及玄武巖纖維對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響*

王仕富，曾曉輝，周 堯，王 平，馬建寧，周 昊，李建輝，潘國園

(1.中國鐵路南寧局集團(tuán)有限公司，南寧 530029; 2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031;3.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410074; 4.四川昊龍高科軌道交通新材料科技股份有限公司，成都 610000)

0 引 言

國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)混凝土中摻入適量高彈性模量纖維可顯著提高基體強(qiáng)度，而摻入適量低彈性模量高延性纖維可顯著提高基體的韌性[1-2]。在纖維水泥基復(fù)合材料的研究應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，纖維對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的改善與之類似，但是考慮到市場上纖維的質(zhì)量參差不齊，同時考慮到“纖維混雜效應(yīng)”[3-4]，單一纖維可能會存在局限性，為了充分發(fā)揮纖維的優(yōu)勢，最大限度地改善水泥基復(fù)合材料的各種性能，越來越多專家學(xué)者將目光聚焦于混雜纖維的研究，采用復(fù)摻兩種或多種纖維技術(shù)，使水泥基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，韌性更好，力學(xué)特征更優(yōu)越。

目前，聚丙烯纖維與鋼纖維的混雜研究較多，但鋼纖維材料成本較高，同時存在腐蝕、導(dǎo)電等問題,越來越多的專家學(xué)者轉(zhuǎn)向PVA纖維及玄武巖纖維的研究[5-6]。PVA纖維是由聚丙乙烯為原料制作，因其具有高強(qiáng)高模等特點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域皆有廣泛的應(yīng)用。例如，在水泥混凝土(或砂漿)中摻入適量PVA纖維，能有效抑制砼(或砂漿)因塑性收縮及溫度變化等因素引發(fā)的裂紋，抑制裂縫的形成與發(fā)展，提高基材的抗彎、抗沖擊及抗裂強(qiáng)度[7]。玄武巖纖維是一種天然玄武巖拉制的連續(xù)纖維，是一種新興的綠色高性能的無機(jī)非金屬纖維材料，一般為褐色，有金屬光澤。玄武巖連續(xù)纖維不僅強(qiáng)度高，而且還具有電絕緣、耐腐蝕、耐高溫等多種優(yōu)點(diǎn)。玄武巖纖維的摻入能改善混凝土(或砂漿)粘聚性和穩(wěn)定性,提高構(gòu)件抗沖擊性能,降低其脆性；同時，還能改善基材抗?jié)B性能、抗凍融循環(huán)能力和抗收縮能力[8]。此外，相較于大部分工業(yè)纖維，玄武巖纖維抗老化性能更佳[9]。

惠存等[10]在PVA-玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，混雜纖維較單一纖維在抗折強(qiáng)度和韌性方面的加強(qiáng)效果更明顯；Ahmed S F U等[11]研究得出材料變形能力主要受大尺寸纖維控制，而材料強(qiáng)度主要取決于小尺寸纖維，這對PVA-玄武巖纖維在水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用指明了方向。本文通過單摻PVA纖維、單摻不同長度玄武巖纖維以及復(fù)摻兩種不同長度纖維，對水泥基復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，探究不同摻量對于水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，從而得出適應(yīng)高強(qiáng)高韌性基材的最佳纖維配比。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

PVA纖維：考慮經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性，實(shí)驗(yàn)使用中國石化集團(tuán)四川維尼綸廠生產(chǎn)的聚乙烯醇PVA纖維，纖維外觀如圖1所示，基本性能如表1所示。

表1 PVA纖維相關(guān)基本指標(biāo)

玄武巖纖維：實(shí)驗(yàn)用玄武巖纖維為四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)，纖維外觀如圖2所示，基本性能如表2所示。

表2 玄武巖纖維相關(guān)基本指標(biāo)

水泥：成都都江堰市拉法基水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5R硅酸鹽水泥；粉煤灰：四川金堂沃能精細(xì)粉煤灰材料有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級低鈣粉煤灰，各項(xiàng)性能參數(shù)均符合規(guī)范[12]要求；硅灰：成都合鋒新材料有限公司生產(chǎn)的硅灰，其物化性能指標(biāo)均符合規(guī)范[13]要求；偏高嶺土：成都復(fù)興建材有限公司生產(chǎn)的偏高嶺土；石英砂：成都凱斯博建材有限公司生產(chǎn)的20～70目石英砂；水采用普通自來水，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合規(guī)范[14]要求。

1.2 基礎(chǔ)配合比設(shè)計

基礎(chǔ)配合比除纖維摻量外均參考PVA-ECC配合比[15]，探究纖維參量和種類對混凝土力學(xué)性能的影響，確定最終配合比如表3所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 單摻PVA纖維對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

由于PVA纖維的摻入會降低水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度，且同等直徑的纖維，長度越長，摻量越高，水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度下降越明顯[16]，本次單摻PVA纖維實(shí)驗(yàn)研究以短纖維摻入為主。PVA纖維摻量對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響主要以材料28 d的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和折壓比為考察指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如圖3所示(素砂漿試件抗壓強(qiáng)度代表值為65.4 MPa，抗折強(qiáng)度代表值為15.6 MPa)。

圖2 玄武巖纖維外觀圖

表3 實(shí)驗(yàn)用砂漿基礎(chǔ)配合比

從圖3可以看出，PVA短纖維的摻入會明顯提高復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度，但抗折強(qiáng)度會有所降低。水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度隨著PVA短纖維摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)摻量為1.6%(體積分?jǐn)?shù))時，達(dá)到14.5 MPa的峰值；繼續(xù)增加PVA短纖維的摻量，抗折強(qiáng)度持續(xù)下降。而水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度隨著PVA短纖維摻量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，但總體隨PVA短纖維摻量的增加而增加，當(dāng)摻量<1.4%(體積分?jǐn)?shù))時，抗壓強(qiáng)度隨著PVA短纖維摻量的增加而降低；當(dāng)摻量為1.4%(體積分?jǐn)?shù))時，抗壓強(qiáng)度最低為76 MPa；當(dāng)摻量>1.4%(體積分?jǐn)?shù))時,抗壓強(qiáng)度隨著PVA短纖維摻量的增加而逐步增加。

通過曲線可知，折壓比也呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且均小于基準(zhǔn)基材的折壓比，在摻量為1.4%和1.6%(體積分?jǐn)?shù))時達(dá)到最大值0.18，可見PVA纖維在改善材料韌性方面亦發(fā)揮著作用。綜合考慮水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性，選擇1.6%(體積分?jǐn)?shù))為PVA短纖維的最佳摻量[6]，此時，水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度降低7%，抗壓強(qiáng)度提升31%，折壓比降低24%。

圖3 單摻PVA纖維對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2.2 單摻玄武巖纖維對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

實(shí)驗(yàn)對比分析了兩種不同長度的玄武巖纖維對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖4所示。其中，玄武巖纖維的摻量分別為0，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%和0.6%(體積分?jǐn)?shù))。由圖4(a)和(b)可知，玄武巖長纖維在0.1%(體積分?jǐn)?shù))摻量下，水泥基復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能均大幅度降低，相對素水泥基復(fù)合材料試件，抗折強(qiáng)度降低了38.0%，抗壓強(qiáng)度降低了57.8%；在0.2%(體積分?jǐn)?shù))摻量下，水泥基復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能均有較大的回升，但仍然達(dá)不到素水泥基復(fù)合材料試件的力學(xué)強(qiáng)度；在0.2%～0.6%(體積分?jǐn)?shù))摻量下，水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度先增大后減小；在0.3%(體積分?jǐn)?shù))摻量下，基本持平素水泥基復(fù)合材料試件的抗折強(qiáng)度；在0.4%(體積分?jǐn)?shù))摻量下，超過素水泥基復(fù)合材料試件抗折強(qiáng)度，并達(dá)到這系列的抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值，為22.8 MPa。玄武巖長纖維的抗壓強(qiáng)度是先增大后降低再增大，且最高抗壓強(qiáng)度不超過100 MPa。

圖4 單摻玄武巖纖維對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從圖4(a)和(b)可以看出，玄武巖短纖維在0.1%(體積分?jǐn)?shù))摻量下，抗折強(qiáng)度有所下降，但在0.2%(體積分?jǐn)?shù))時有一定回升，之后基本穩(wěn)定在19～21 MPa之間；抗壓強(qiáng)度則表現(xiàn)為先增大后減小，在0.3%(體積分?jǐn)?shù))摻量下達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度121.6 MPa，相對素水泥基復(fù)合材料試件，抗壓強(qiáng)度增長了15.7%，且抗壓的極差只有20 MPa。

由圖4分析可知，對比摻入兩種不同長度玄武巖纖維后水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能，摻入玄武巖短纖維的水泥基復(fù)合材料在各種摻量下，不僅滿足設(shè)計的力學(xué)性能要求，并且顯示出較好的穩(wěn)定性，特別是抗壓強(qiáng)度，不僅穩(wěn)定在100～120 MPa之間，而且全面超過相對摻量下的玄武巖長纖維水泥基復(fù)合材料；但玄武巖長纖維在0.2%(體積分?jǐn)?shù))摻量以上時，水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度相比同樣摻量的玄武巖短纖維高。在變形方面，短纖維的極限變形在1.0～1.2 mm左右，而長纖維的極限變形在0.65～0.7 mm左右。主要原因是18 mm相對過長，與水泥基復(fù)合材料的粘結(jié)面積大，粘結(jié)過強(qiáng)，纖維不會出現(xiàn)滑移，均為拉斷，所以對變形的增強(qiáng)效果不好。綜合以上分析，選取玄武巖短纖維的摻量為0.3%(體積分?jǐn)?shù))時，水泥基復(fù)合材料的各方面性能最優(yōu)，此時抗折強(qiáng)度降低8%，抗壓強(qiáng)度提升15.7%，折壓比降低20%。

圖5 混雜纖維對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2.3 混雜纖維對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

探究了兩種不同長度玄武巖纖維在0.3%(體積分?jǐn)?shù))摻量下與兩種不同長度PVA纖維混雜時，混雜纖維體系對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖5所示。其中與玄武巖短纖維配合時，PVA短纖維的摻量分別為0.2%，0.35%，0.5%，0.65%，0.8%(體積分?jǐn)?shù))；與玄武巖長纖維配合時，PVA長纖維摻量分別為0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%(體積分?jǐn)?shù))。

從圖5(a)可以看出，玄武巖短纖維與PVA短纖維混摻時，水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度呈先降低后增長再降低的趨勢，在PVA短纖維摻量為0.5%(體積分?jǐn)?shù))時達(dá)到最大，為22 MPa，所以在使用玄武巖短纖維與PVA短纖維混摻時，選取PVA短纖維的摻量≤0.5%(體積分?jǐn)?shù))。玄武巖長纖維與PVA長纖維混摻時，水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度先減小后增大，在PVA長纖維摻量為0.5%(體積分?jǐn)?shù))時達(dá)到最小，為19.3 MPa。由圖5(b)可知，對于抗壓強(qiáng)度，玄武巖長纖維與PVA長纖維的混摻使得水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度呈鋸齒狀變化，維持在95～110 MPa之間。在玄武巖短纖維與PVA短纖維混摻時，隨著PVA短纖維體積摻量的增加，混雜纖維水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度變化不大，基本穩(wěn)定在116～120 MPa之間，可認(rèn)為玄武巖短纖維與PVA短纖維的混摻基本不影響水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度。

在變形方面，摻雜玄武巖長纖維和PVA 長纖維的標(biāo)準(zhǔn)水泥基復(fù)合材料試件在抗折條件下的撓度集中在0.65～0.85 mm范圍；摻雜玄武巖短纖維和PVA短纖維的標(biāo)準(zhǔn)水泥基復(fù)合材料試件的撓度則在1.2～1.8 mm之間，分別比單摻玄武巖纖維時，撓度增加了10%～30%，即極限變形有一定增加。

因此，綜合考慮纖維力學(xué)強(qiáng)度和水泥基復(fù)合材料變形性能，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，保證基材的各項(xiàng)力學(xué)性能(特別是抗折強(qiáng)度)的提升，在高強(qiáng)高韌性水泥基復(fù)合材料中混雜纖維的體積摻量建議選擇玄武巖短纖維0.3%(體積分?jǐn)?shù))和PVA短纖維0.5%(體積分?jǐn)?shù))。

3 結(jié) 論

通過單摻PVA纖維、單摻玄武巖纖維和復(fù)摻兩種纖維的水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)PVA短纖維的摻入會明顯提高復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度，但是抗折強(qiáng)度會有所降低，當(dāng)摻量為1.6%(體積分?jǐn)?shù))時，各項(xiàng)力學(xué)性能提升效果最好，水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度降低7%，抗壓強(qiáng)度提升31%，折壓比降低24%。

(2)在玄武巖纖維單摻時，對比于玄武長纖維，玄武巖短纖維明顯更適合用于改善水泥基復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能。當(dāng)玄武巖短纖維摻量為0.3%(體積分?jǐn)?shù))時，對水泥基復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能影響最優(yōu)，此時抗折強(qiáng)度降低8%，抗壓強(qiáng)度提升15.7%，折壓比降低20%。

(3)在進(jìn)行玄武巖纖維和PVA纖維混合摻加時，考慮到水泥基復(fù)合材料的力學(xué)、變形性能及穩(wěn)定性，選擇玄武巖短纖維摻量為0.3%(體積分?jǐn)?shù))，PVA短纖維摻量為0.5%(體積分?jǐn)?shù))，可顯著提升水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度，對材料抗折強(qiáng)度基本無影響，折壓比相對減少，全面改善了材料的各項(xiàng)性能。

(4)對比單摻PVA短纖維、單摻玄武巖短纖維以及復(fù)摻兩種纖維這3種方式，復(fù)摻兩種纖維對水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能增強(qiáng)效果更全面，且更具穩(wěn)定性。