PVA纖維在水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用

王昊 魯猛 孟威

摘 要：簡述目前常用的傳統(tǒng)纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料性能的影響，重點(diǎn)介紹聚乙烯醇（PVA）纖維水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐久性。目前，國內(nèi)外研究已經(jīng)證明，PVA纖維水泥基復(fù)合材料是符合時(shí)代發(fā)展的新型復(fù)合材料，尤其是低成本的國產(chǎn)PVA纖維，擁有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

關(guān)鍵詞：纖維;水泥基復(fù)合材料;聚乙烯醇（PVA）纖維;國產(chǎn)PVA纖維

中圖分類號(hào)：TU525文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）17-0112-03

Application of PVA Fiber in Cement Based Composites

WANG Hao LU Meng MENG Wei

（School of Civil Engineering and Communications， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： The influence of traditional fibers on the properties of cement-based composites is briefly introduced. The mechanical properties and durability of polyvinyl alcohol（PVA） fiber cement-based composites are mainly introduced. According to the current research progress at home and abroad， PVA fiber cement-based composite is a new type of composite material in line with the theme of the times， especially the low-cost domestic PVA fiber has great development potential.

Keywords： fibre;cement based composites;Polyvinyl Alcohol（PVA） fiber;domestic PVA fiber

19世紀(jì)20年代，英國波蘭特水泥誕生，促使以水泥為基礎(chǔ)的建筑材料成為工程領(lǐng)域不可或缺的材料。國內(nèi)外對(duì)水泥基復(fù)合材料的研究從未停止，且隨時(shí)代的發(fā)展不斷進(jìn)步。20世紀(jì)初期，鋼纖維混凝土受到關(guān)注，研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土中加入鋼纖維能夠提高混凝土的性能。20世紀(jì)60年代后，在水泥基復(fù)合材料中加入鋼纖維的強(qiáng)化方式開始得到應(yīng)用[1]。鋼纖維不僅能夠阻止混凝土的裂縫擴(kuò)展，還能提高水泥基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和韌性。1963年，鋼纖維在混凝土中的作用機(jī)理理論基本成熟。隨著鋼纖維的成功應(yīng)用，人們開始把目光轉(zhuǎn)向玻璃纖維、碳纖維、天然植物纖維等其他纖維，使得纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

1 不同纖維的增強(qiáng)效應(yīng)

纖維加入水泥基復(fù)合材料中，能夠改變復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)材料的內(nèi)部缺陷，使得材料更加緊密結(jié)實(shí)，提高了材料的抗拉強(qiáng)度。材料內(nèi)部早期裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展過程遇到纖維會(huì)得到減緩，避免了裂紋連通形成易破壞的貫穿裂縫，從而提高了復(fù)合材料的抗?jié)B性。纖維在水泥基質(zhì)中呈離散式分布。纖維對(duì)抑制裂縫和延緩結(jié)構(gòu)脆性破壞的作用機(jī)理如圖1所示。

鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維等傳統(tǒng)纖維一般通過工業(yè)化方法來制作。

鋼纖維是最早應(yīng)用在水泥基復(fù)合材料當(dāng)中的纖維，可以通過噴射方式或上下層布式加入水泥基中。鋼纖維混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中常常擔(dān)任承重結(jié)構(gòu)材料的角色。鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料有著優(yōu)異的力學(xué)性能，也有著較長的研究歷史，但成本較高，因此在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。

碳纖維是一種強(qiáng)度和彈性模量都很好的高性能纖維，與水泥基質(zhì)的粘結(jié)性能優(yōu)秀，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。但是，由于碳纖維的相關(guān)研究難度較大，目前國內(nèi)在碳纖維研究領(lǐng)域還不夠成熟，暫未達(dá)到國際先進(jìn)水平。此外，價(jià)格昂貴是碳纖維難以推廣的主要原因。

玻璃纖維是將玻璃溶液排出氣泡后高速拉制成的長絲，性能十分優(yōu)異。玻璃纖維混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中主要用作結(jié)構(gòu)加固材料。因具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、絕緣等特點(diǎn)，它可用于化學(xué)品運(yùn)輸和軍事等領(lǐng)域。然而，玻璃纖維會(huì)污染環(huán)境，與當(dāng)代社會(huì)發(fā)展要求嚴(yán)重不符，從而制約著玻璃纖維的發(fā)展與應(yīng)用。

21世紀(jì)，環(huán)境問題引起國際社會(huì)的高度重視，各國都開始重視資源的回收與再利用，可持續(xù)發(fā)展觀念也已經(jīng)深入人心。在這樣的時(shí)代背景下，纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料技術(shù)迎來了新的發(fā)展。植物纖維、可再生纖維、聚合物纖維等新式纖維擺脫了傳統(tǒng)纖維制作過程中污染環(huán)境、成本高昂等缺點(diǎn)，符合當(dāng)代社會(huì)綠色發(fā)展的要求，成為未來工程材料的研究熱點(diǎn)。

2 PVA纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)作用

聚乙烯醇（PVA）纖維是一種新興的綠色纖維[2]，如圖2所示。PVA纖維具有強(qiáng)度高、耐磨、彈性模量高、抗酸堿性強(qiáng)以及受氣候影響不大等特性。PVA纖維相比一般合成纖維具有更高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度。與玻璃纖維相比較，PVA纖維比重小，抗酸堿性強(qiáng)，且不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)。PVA纖維的力學(xué)性能與其他各種有機(jī)纖維相比優(yōu)勢明顯：抗拉強(qiáng)度優(yōu)于鋁合金、玻璃、鋼等材料;模量較之于鋼材和鋁合金略低，比重僅為1.3 g/cm3，分別是鋼的1/6和鋁的1/2;斷裂伸長僅為5%～7%;比石棉材料更輕，但耐用性是石棉的1.5～2.0倍，沖擊強(qiáng)度提高了約1.6倍。更重要的是，PVA纖維的制作過程安全健康，無毒無污染，對(duì)人體也無害，克服了傳統(tǒng)纖維的諸多缺點(diǎn)。日本可樂麗公司通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料與鋼筋的粘結(jié)性比鋼筋與水泥的粘結(jié)性更好，同時(shí)PVC纖維具有良好的分散性和耐堿性[3]。國內(nèi)PVA纖維的生產(chǎn)雖然起步較晚，但發(fā)展十分迅速，且具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。國產(chǎn)PVA纖維與進(jìn)口PVC纖維相比，成本低，產(chǎn)量大，但粘結(jié)力太強(qiáng)，拔出時(shí)易斷開。PVA纖維以高聚合度的優(yōu)質(zhì)聚乙烯醇為原料，而我國聚乙烯醇的生產(chǎn)能力和產(chǎn)量均高居世界首位，因此低成本的國產(chǎn)PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的研究具有重要意義。

PVA纖維受到高度關(guān)注，始于超高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composites，ECC）的誕生。這種復(fù)合材料憑借不同于一般水泥基復(fù)合材料的單一裂縫破壞，而是多縫開裂的延性破壞形式[4]。ECC的裂縫寬度多小于0.1 mm，能夠有效提高結(jié)構(gòu)的耐久性。但是，ECC的原料聚乙烯（Polyethylene，PE）成本較高，不便于實(shí)際推廣運(yùn)用。PVA纖維的成本僅為PE的1/8，且在性能方面可以完美代替PE，有利于ECC的順利推廣。PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展已經(jīng)逐漸成熟，國內(nèi)外學(xué)者也通過大量實(shí)驗(yàn)對(duì)PVA纖維材料有了更充分的認(rèn)識(shí)和了解。

研究發(fā)現(xiàn)，PVA纖維的加入可以大幅提高復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度，但隨PVA纖維摻量的不斷增加，抗壓強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)性變化，而非持續(xù)變大[5-6]。

王有凱等[7]研究了PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的變形性能，通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果可以看出，PVA纖維的加入可以大幅增加水泥基復(fù)合材料的斷裂韌性。對(duì)比基準(zhǔn)組，破壞形式由原來的脆性破壞變?yōu)槎嗔芽p開裂的延性破壞，說明PVA纖維可以增加復(fù)合材料的韌性和延性。

闞黎黎等[8]針對(duì)進(jìn)口纖維價(jià)格昂貴的問題，研究了價(jià)格更具優(yōu)勢的國產(chǎn)PVA纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料的影響。通過單軸拉伸、壓縮、三點(diǎn)抗彎等試驗(yàn)，得到國產(chǎn)PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能變化。結(jié)果顯示，雖然個(gè)別PVA纖維性能指數(shù)低于進(jìn)口PVA纖維，但都可以達(dá)到ECC的性能要求。

有研究分析了高溫對(duì)PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)200 ℃以下熱處理后的PVA纖維可以發(fā)揮自身特性，增加水泥基復(fù)合材料的抗折、抗彎強(qiáng)度，延緩其裂縫擴(kuò)展[9-10]。當(dāng)處理溫度超過200 ℃時(shí)，PVA纖維會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)作用，降低復(fù)合材料的各項(xiàng)性能。200 ℃可以作為PVA纖維正常使用的極限溫度，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要慎重考慮這一因素。

鐘俊飛等[11]開展了對(duì)PVA纖維水泥基復(fù)合材料耐久性能的研究，對(duì)比了不同摻量的PVA纖維對(duì)復(fù)合材料抗氯離子滲透性能的影響。對(duì)照試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加PVA纖維可以有效提高復(fù)合材料的抗氯離子滲透性能，但當(dāng)摻量達(dá)到一定程度后，作用效果會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。

楊燕華[12]分析了PVA纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料抗凍性能的影響，在凍融循環(huán)試驗(yàn)中加入一定量PVA纖維的水泥基復(fù)合材料，與基準(zhǔn)組相比，提升了抗凍性，且初始裂縫的數(shù)量有所減少，試塊更加密實(shí)，耐久性也得到了加強(qiáng)。

譚明輪等[13]發(fā)現(xiàn)纖維長度對(duì)ECC的流動(dòng)度、坍落度等性能有影響但無明顯規(guī)律，而提高PVA纖維的摻量可以大幅提高ECC的抗折強(qiáng)度。

汪衛(wèi)等[14]直接使用國產(chǎn)PVA纖維等量替換ECC中的纖維摻量，發(fā)現(xiàn)無法完全滿足ECC的性能要求，通過改變水泥/粉煤灰比、水膠比、PVA摻量等方式進(jìn)行配合比的優(yōu)化，可以達(dá)到ECC性能要求，但其力學(xué)性能會(huì)有所下降，并指出了國產(chǎn)PVA-ECC進(jìn)一步發(fā)展的方向。

3 結(jié)語

如今，傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料早已在實(shí)際工程中應(yīng)用，并且可以根據(jù)具體情況選擇不同的纖維來滿足工程設(shè)計(jì)的需要。但是，傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)水泥基材料沒有得到大規(guī)模推廣的主要原因就是成本高昂，經(jīng)濟(jì)效益不佳。此外，傳統(tǒng)纖維制造時(shí)產(chǎn)生的環(huán)境污染問題也是不容忽視的缺點(diǎn)。PVA纖維屬于綠色纖維材料，高強(qiáng)度、高彈性模量，與水泥粘結(jié)性好。在水泥基復(fù)合材料中摻入PVA纖維已被證實(shí)能夠改善復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度等性能。結(jié)合ECC材料的多裂縫開裂理論可知，PVA纖維能夠提高水泥基復(fù)合材料的耐久性。研究表明，PVA纖維的加入對(duì)復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度作用不明顯甚至?xí)a(chǎn)生負(fù)作用，因此對(duì)PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的作用機(jī)理還需要進(jìn)一步深入研究。國產(chǎn)PVA纖維雖然在某些物理性能上稍遜于進(jìn)口纖維，但通過調(diào)整配合比等手段仍可以達(dá)到ECC的使用要求。尤其是國產(chǎn)PVA低廉的成本更適用于實(shí)際工程，故國產(chǎn)PVA纖維具有良好的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

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