磁化水對(duì)PVA纖維混凝土抗折性能的影響

崔元?jiǎng)P，劉 悅

(河南理工大學(xué)，河南 焦作 454003)

0 引言

混凝土具有多種優(yōu)越特性，比如其成本相較其他建筑材料較低，原料豐富且生產(chǎn)非常方便，因此成為土木工程最主要的建筑材料之一[1]，并廣泛應(yīng)用在建筑、水利、交通、港口等工程。但混凝土的應(yīng)用范圍也被限制，因?yàn)槠浯嬖诖嘈?、容易開裂、抗壓強(qiáng)度有上限、破壞時(shí)變形較大、抗拉強(qiáng)度不高等弱點(diǎn)。目前，混凝土的抗拉強(qiáng)度是需要解決的主要問題之一，因?yàn)楫?dāng)今的建筑發(fā)展逐漸向規(guī)模大、超高層與大跨度方向發(fā)展，因此混凝土的抗拉能力和耐久性也要隨著工程的需要而逐漸增強(qiáng)。通過各種途徑改善混凝土的力學(xué)性能，一直是國內(nèi)外專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

聚乙烯醇纖維是合成纖維的重要品種之一，其外觀接近于棉，但其強(qiáng)度與彈性模量均優(yōu)于棉，是一種具有高抗拉強(qiáng)度和高彈性模量的纖維。PVA纖維在標(biāo)準(zhǔn)條件下的吸濕率為4.5%左右，有很好的親水性，纖維表面能夠吸附少量自由水，在幾大合成纖維中位列前幾名，且摻于混凝土后與水泥基體有很高的黏結(jié)強(qiáng)度[2]。同時(shí)，PVA纖維還有很好的抗腐蝕抗日光性，因此在提高混凝土的抗裂性能與耐久性方面可能會(huì)有很好的可能性[3]。由纖維間距原理與復(fù)合材料強(qiáng)度原理及國內(nèi)外的各種研究可知，纖維長徑比、基體強(qiáng)度、體積率、纖維的分布[4-6]決定了混凝土中摻入纖維后其強(qiáng)度的增強(qiáng)效果。破壞的主因多為PVA纖維混凝土中纖維和基體的界面黏結(jié)強(qiáng)度降低[7]，不能完全發(fā)揮出PVA纖維的作用，因此研究提升PVA纖維與基體的黏結(jié)強(qiáng)度是非常有必要的。

磁化水是普通自來水以一定的速度流過一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)。如內(nèi)部布置磁鐵片的儀器，水在磁場(chǎng)中的流向與磁場(chǎng)方向相垂直，流過切割磁場(chǎng)后得到的水即為磁化水。用磁化水拌制的混凝土即為磁化水混凝土。國內(nèi)外對(duì)通過磁化水改善混凝土性能的研究較多，并取得了一定經(jīng)濟(jì)效益[8]。費(fèi)厚乾[4]、汪浩然等[9]用磁化水代替普通水拌制了磁化水鋼纖維混凝土并進(jìn)行了抗折性能、劈拉性能、抗壓性能的試驗(yàn)研究，分析試驗(yàn)結(jié)果得出了磁化水對(duì)于鋼纖維混凝土的力學(xué)性能有很大的增強(qiáng)。關(guān)于對(duì)使用磁化水與高親水性的PVA纖維共同制作磁化水PVA纖維混凝土的研究較少，本研究將制作100×100×400 mm的小梁試塊來進(jìn)行抗折試驗(yàn)，以普通混凝土、PVA纖維混凝土作對(duì)比，研究磁化水對(duì)PVA纖維混凝土的抗折強(qiáng)度的提升。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

控制流速裝置：1寸口徑的渦輪電子流量計(jì)。水泥：試驗(yàn)水泥采用的是焦作市堅(jiān)固牌水泥有限公司生產(chǎn)的42.5 R型普通硅酸鹽水泥。砂子：細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為2.7的中砂，級(jí)配優(yōu)良。石子：粗骨料選用 5～20 mm 連續(xù)級(jí)配碎石。PVA纖維：使用北京中紡纖建科技有限公司生產(chǎn)的PVA纖維，長度為12 mm，見圖2-1。水：磁化水為經(jīng)磁化器接流量計(jì)后按照指定流速循環(huán)磁化后得到的，經(jīng)初步配合比計(jì)算與實(shí)際使用性的試配與調(diào)整，最終得出材料配合比如表1：

表1 試驗(yàn)材料配合比Tab.1 Mix proportion of experimental materials

1.2 磁化參數(shù)選擇

磁化裝置：采用山西長治某公司生產(chǎn)的四分磁化器，中間一組強(qiáng)磁銣鐵硼，根據(jù)課題組之前研究成果得出水在磁場(chǎng)強(qiáng)度位285 mT時(shí)的表面張力較小，比較有利于水化反應(yīng)的進(jìn)行。磁感應(yīng)強(qiáng)度用量程范圍為0～2 000 mT的 HT20型數(shù)字特斯拉計(jì)測(cè)定。

水流速選擇：由文獻(xiàn)[9]可知，不同水流速對(duì)混凝土早期強(qiáng)度有不同的提升。本研究分別選用1.2 m/s、1.8 m/s、2.4 m/s這三個(gè)流速來進(jìn)行試塊的制作。

2 試驗(yàn)規(guī)劃

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的16種配合比，每組制作3個(gè)100×100×400 mm混凝土試件。配合比為4種不同PVA纖維摻量(0.9 kg/m3、1.2 kg/m3、1.5 kg/m3、1.8 kg/m3)，水流速分別為1.2 m/s、1.8 m/s、2.4 m/s，進(jìn)行正交試驗(yàn)。試件制作完成后，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d后取出，進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 PVA纖維圖Fig.1 PVA fiber diagram

抗折試驗(yàn)進(jìn)行程序是：根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，加載方式為四點(diǎn)加載法，試驗(yàn)機(jī)的加載速度選為0.2 kN/s，取出試件后，先在其受力點(diǎn)處用油性筆標(biāo)記，操作使中梁落下后開始加載，待試件破壞后進(jìn)行拍照并將試驗(yàn)機(jī)中紀(jì)錄的曲線與臨界荷載數(shù)據(jù)復(fù)制。

圖2 加載示意圖Fig.2 Schematic diagram of loading

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 使用磁化水拌制PVA纖維混凝土對(duì)其抗折能力影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

磁化水PVA混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results of fracture resistance strength

圖(a)和圖(b)是PVA纖維摻量為1.2 kg/m3的PVA纖維混凝土與水流速為1.8 m/s同摻量的磁化水PVA纖維混凝土破壞時(shí)的形態(tài)圖片。PVA纖維混凝土試件在破壞時(shí)會(huì)產(chǎn)生豎向貫通裂縫分為兩半，磁化水PVA纖維混凝土由于PVA纖維的增韌作用和磁化水帶來的界面黏結(jié)力的增加，在破壞時(shí)并未直接斷裂，而是受拉區(qū)先出現(xiàn)一條裂縫，隨著荷載繼續(xù)增加后裂縫延伸直至破壞?？梢酝暾貜膲毫C(jī)取下，需要用外力才可將試件從斷裂處一分為二。

圖3 混凝土破壞形態(tài)圖Fig.3 Chart of concrete fracture morphology

根據(jù)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出磁化水對(duì)PVA纖維混凝土的抗折強(qiáng)度影響曲線如圖4所示。由表2和圖4得知，與素混凝土相比，用磁感強(qiáng)度為285 mT，水流速分別為1.2 m/s、1.8 m/s、2.4 m/s磁化水制作混凝土試件養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)的抗折強(qiáng)度相比普通混凝土都有增強(qiáng)，抗折強(qiáng)度增長率分別為3.42%、7.05%、14.90%，其中水流速為2.4 m/s時(shí)，磁化水混凝土相比素混凝土的抗折強(qiáng)度提升最大。

不使用磁化水時(shí)的普通PVA纖維混凝土在PVA纖維摻量為0.9 kg/m3、1.2 kg/m3、1.5 kg/m3、1.8 kg/m3時(shí)，較普通混凝土抗折強(qiáng)度提升率分別為22.6%、30.6%、34.5%、29%，故在一定摻量范圍內(nèi)加入PVA纖維會(huì)提高混凝土的抗折強(qiáng)度。

圖4 磁化水對(duì)PVA纖維混凝土的抗折強(qiáng)度影響曲線Fig.4 Influence curve of magnetized water on the fracture resistance strength of PVA fiber concrete

磁化水PVA纖維混凝土的抗折強(qiáng)度超過了普通PVA纖維混凝土，說明磁化水作用于PVA纖維混凝土是可以提升抗折強(qiáng)度的。在相同的磁強(qiáng)強(qiáng)度與水流速情況下，試件的抗折強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加而增加。但在摻量超過1.5 kg/m3時(shí)，抗折強(qiáng)度增幅趨勢(shì)減小。據(jù)纖維間距理論分析得知1.5 kg/m3為存在的最佳摻量，一旦超過最佳摻量，則會(huì)因?yàn)槔w維的平均間距減小而引起纖維相互纏繞，此時(shí)的纖維在基體中與水泥砂漿的包裹性不佳，造成其抗折強(qiáng)度降低。

由表3不同水流速的磁化水PVA纖維混凝土相較于同摻量下的PVA纖維混凝土的抗折強(qiáng)度增長率，整體看來其中水流速為2.4 m/s時(shí)，抗折強(qiáng)度的增長率最大，說明在纖維摻量不變的情況下，抗折強(qiáng)度隨水流速的加快而提高。

表3 磁化水PVA纖維混凝土相對(duì)PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度增長率Tab.3 Magnetized water PVA fiber concrete relative PVA fiber concrete fracture resistance strength growth rate

3.2 PVA纖維與磁化水共同作用對(duì)混凝土抗折性能的影響

抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果為表3所示，使用磁化水拌制的PVA纖維混凝土相較于普通混凝土的抗折強(qiáng)度增長率，分別大于磁化水混凝土和PVA纖維混凝土，因?yàn)榭梢缘贸龃呕饔糜赑VA纖維混凝土?xí)r，不僅不影響PVA纖維發(fā)揮其優(yōu)越性能，而且可以共同促進(jìn)混凝土的抗折強(qiáng)度提升。

表4 磁化水與PVA纖維共同作用對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度增長率的影響Tab.4 Effect of the combined effect of magnetized water and PVA fiber on the growth rate of concrete fracture resistance strength

試驗(yàn)得出，可由兩方面分析使用磁化水替代普通水拌制PVA纖維混凝土有增強(qiáng)效果的機(jī)理。一方面，磁化水與普通水不同點(diǎn)在于，水經(jīng)磁化后分子團(tuán)變小了，水分子活性變強(qiáng)，使得與水泥進(jìn)行水化反應(yīng)更徹底，從而提升混凝土基體強(qiáng)度；另一方面，混凝土中，水泥石與粗骨料間的Ca(OH)2過渡帶因?yàn)榇呕膬?yōu)良性能而減少了很多，改善了骨料與水泥間的界面結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了PVA纖維與混凝土基體之間的界面黏結(jié)力，充分發(fā)揮了PVA纖維的強(qiáng)度，從而間接增加PVA纖維混凝土的強(qiáng)度。

4 結(jié)論

對(duì)于普通的PVA纖維混凝土，在PVA纖維摻量為1.5 kg/m3時(shí)，對(duì)比普通混凝土抗折強(qiáng)度提升率達(dá)到最大，抗折強(qiáng)度提高可達(dá)34.5%。水流速為1.2 m/s、1.8 m/s、2.4 m/s情況下的磁化水PVA纖維混凝土，相較于同摻量的普通PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度均有提升。

相較于普通混凝土，磁化水PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度增長率最大的配比為水流速2.4 m/s、PVA纖維摻量為1.5 kg/m3，增長率達(dá)到51.2%。由此可得出結(jié)論，磁化水PVA纖維混凝土的較優(yōu)參數(shù)為水流速2.4 m/s，纖維摻量為1.5 kg/m3。