聚乙烯醇纖維復(fù)合水泥基材料性能的研究進展

常洋銘，楊威龍，付 豪

（華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院 河南 鄭州 450045）

0 引言

纖維水泥基的研究至今已經(jīng)比較成熟，但還是有著韌性低、抗拉強度低、易出現(xiàn)裂紋且無法恢復(fù)、脆性破壞等缺陷。為解決這些問題，專家學(xué)者進行了大量試驗研究，袁小亞等[1]、孫斌斌等[2]發(fā)現(xiàn)將聚乙烯醇（properties of polyvinyl alcohol，PVA）纖維加入水泥基材料中對其抗壓強度及抗折強度提升效果顯著，并且對耐久性也有顯著的改善。結(jié)合實際建筑工程中的材料性質(zhì)需求，基于材料的微觀力學(xué)性能設(shè)計方法，LI等[3]從微觀結(jié)構(gòu)角度對水泥基材料進行改性調(diào)整，研究開發(fā)出了超高韌性水泥基復(fù)合材料。首先確定纖維原材選取，以亂向短纖維僑聯(lián)法為理論研究基礎(chǔ)，通過材料性能驅(qū)使的設(shè)計方法與材料的微觀機理，基于纖維與漿體之間的黏結(jié)能力，通過高等數(shù)學(xué)分析工具，進行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，制備出了超高韌性水泥基復(fù)合材料（engineered cementitious composites，ECC），ECC有著明顯多縫開裂與拉伸應(yīng)變特征。陳潤鋒等[4]、王玉清等[5]、楊才千等[6]對ECC主要從拉應(yīng)力-應(yīng)變、抗沖擊韌性、彎曲變形能力、抗裂性、耐磨性等力學(xué)性能與抗收縮性、抗?jié)B性、抗凍性、自修復(fù)能力等耐久性方面，進行了一系列深入的研究。丘愉莊等[7]、羅毅等[8]、黃振宇等[9]設(shè)計開發(fā)了多工藝、多用途品種ECC，如自密實ECC、噴射ECC、輕質(zhì)ECC、自愈合ECC等。

FISCHER[10]對PVA-ECC的單軸拉伸性能進行了研究，PVA纖維在混凝土拉伸斷裂時可以起到橋接作用，它們通過對PVA纖維進行改性，提升其與混凝土之間的黏結(jié)能力，從而提升混凝土的單軸拉伸性能。AHMARAN等[11]也發(fā)現(xiàn)對PVA進行表面處理可以明顯提高混凝土的韌性，拉伸應(yīng)變可以達(dá)到2%以上。高淑玲等[12]通過坍落拓展度研究了不同制備工藝與不同原材料的投放順序?qū)VA纖維混凝土的工作影響，選定成型工藝后，通過單軸拉伸試驗對應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行分析，結(jié)合雙線性模型與三線性模型，發(fā)現(xiàn)PVA纖維混凝土的極限拉應(yīng)變可達(dá)到普通混凝土的70倍以上。徐世烺等[13]通過改進直接拉伸方法，測定應(yīng)力應(yīng)變曲線，并進行典型裂縫分析，發(fā)現(xiàn)PVA-ECC材料有超高的韌性，極限拉應(yīng)變可達(dá)到3%以上，為普通混凝土的百倍，同時PVA纖維可以有效控制混凝土的裂縫，可將裂縫寬度控制約在50 μm。

胡春紅等[14]通過單軸抗壓試驗測定出壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線與抗壓強度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PVA-ECC試件的破壞形態(tài)具有延性破壞特征，PVA纖維可以明顯提升混凝土壓縮變形性能。卜良桃等[15]同時改善了水泥基體與PVA纖維的接觸面，使PVA纖維表面更好地覆蓋水泥漿體，增加了水泥與PVA纖維之間的黏結(jié)力，提高了黏結(jié)強度

張鵬等[16]研究發(fā)現(xiàn)PVA纖維可以明顯改善水泥基材料的抗?jié)B性、抗凍性、抗裂性、抗氯離子滲透性等耐久性，大量的PVA纖維在水泥基復(fù)合材料中呈亂向分布狀態(tài)，形成了亂向支撐體系，這種體系可以有效地消耗吸收能量，從而實現(xiàn)了阻裂增韌作用有效地減少了水泥基材料的裂紋數(shù)量，從而提升了耐久性。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對水泥基材料進行了大量的研究，纖維加入水泥基材料中能夠有效增強其韌性、耐久性能。為此，本文將介紹PVA纖維對水泥基材料的力學(xué)耐久性能的作用。

1 PVA纖維復(fù)合水泥基材料的力學(xué)性能

PVA纖維是以PVA為原料，加工而成的人工合成纖維。PVA纖維的主要特點是強度高、耐磨性好、抗酸堿好、耐候性好，并且與粉煤灰、水泥、減水劑等材料有較好的親和力，無毒無污染，對人體無害，對環(huán)境友好，PVA纖維還具有一定吸水吸濕性，吸附漿體自由水。在漿體中形成骨架，與水泥漿體間會形成作用力。將其加入水泥基復(fù)合材料中作為增強纖維，可以對水泥基材料的力學(xué)性能和耐久性能進行提升。我國PVA纖維的每年生產(chǎn)能力和總產(chǎn)量均在世界排名第一。

1.1 PVA纖維對水泥砂漿工作性能的影響

水泥基材料的工作性能非常重要，工作性能的好壞對水泥基硬化后的各種性能均有影響，因此良好的工作性能是水泥基成型及高性能的保證。PVA纖維與水泥、粉煤灰等膠凝材料有著較好的結(jié)合程度，在水泥漿體中可以起到橋梁作用，但其具有一定吸水吸濕性，從而導(dǎo)致水泥凈漿流動度降低。PVA纖維會對水泥膠砂流動度和水泥凈漿流動度有一定程度上的不利影響，從而影響水泥基材料的工作性能，在水泥基材料中摻入適量PVA纖維，在一定范圍內(nèi)，這種影響不明顯。

1.2 PVA纖維對水泥砂漿抗壓強度的影響

抗壓強度性能是水泥基材料及混凝土最基本的力學(xué)性能指標(biāo)。抗壓強度良好能夠保證工程結(jié)構(gòu)的使用年限，抗壓強度不僅能確定水泥砂漿強度，還是確定其他性能（如：抗折強度、韌性、耐久性、破壞形態(tài)、孔隙和變形等）和微觀孔隙的主要因素。與普通水泥基材料相比，纖維水泥基材料中的孔隙小，并且水泥基材料中各種材料強度、漿體與骨料間界面強度甚至內(nèi)部骨料強度之間的差別也小，與勻質(zhì)材料比較接近。

對于普通水泥基砂漿試塊，能顯現(xiàn)出明顯的脆性破壞形態(tài)。對于PVA纖維水泥基砂漿試塊，當(dāng)很多裂縫形成之后，裂縫之間的PVA纖維開始作用，使裂縫的擴展延遲，并且PVA纖維從水泥基材料間分離時需要耗散大量的變形能，因而與普通水泥基材料試塊相比，其破壞形態(tài)發(fā)生了比較大的變化。纖維砂漿試塊破壞后無碎塊迸裂，不過出現(xiàn)許多裂紋。這是由于纖維的韌性比較好。因此PVA纖維的加入，明顯地改善了水泥砂漿的抗壓強度。

1.3 PVA纖維對水泥砂漿抗折強度的影響

由于PVA纖維具有韌性好的優(yōu)勢，因此將纖維加入水泥基材料中，可以很好地提高其抗折強度。水泥基試塊本身相對較小，抗折強度有限，在一定范圍內(nèi)將PVA纖維加入水泥基材料中，可以顯著提高其抗折強度。從宏觀層面上看，PVA纖維在水泥基材料內(nèi)部有著橋梁作用，起到了增強增韌的效果。

2 PVA纖維復(fù)合水泥基材料的耐久性能

2.1 PVA纖維對水泥砂漿抗沖擊性能的影響

PVA纖維復(fù)合水泥基材料可作為土木工程、水利、路面、房屋的主要材料，對于PVA纖維水泥基材料的抗沖擊韌性是研究重點，纖維復(fù)合水泥基材料的抗沖擊性是耐久性能的一個重要指標(biāo)。PVA纖維分子結(jié)構(gòu)比較獨特，并且水泥粉煤灰等具有良好的親和力。在水泥砂漿中加入適量PVA纖維，能有效控制水泥基復(fù)合材料因塑性收縮及溫度變化等因素引起的裂紋。

由線彈性理論可知，減少內(nèi)部應(yīng)力尖端，就可以提高水泥基材料的強度。PVA纖維抗拉強度高，在水泥基材料基體中分布比較均勻，減少水泥基材料內(nèi)部應(yīng)力集中程度。并且有很大的吸收荷載能量的能力。纖維復(fù)合水泥基材料在受沖擊的同時，PVA纖維吸收了其中一部分沖擊動能，有效提高了水泥基材料的沖擊性能。因此，PVA纖維能有效地限制裂縫的出現(xiàn)，對水泥基試塊的抗沖擊性能有顯著提高。

2.2 PVA纖維對水泥砂漿抗?jié)B性能的影響

PVA纖維水泥基材料的防水性能良好，在防水性能方面，主要是通過其內(nèi)部抗裂而達(dá)到防水的要求。PVA纖維抗?jié)B的理論研究是建立在對纖維復(fù)合水泥基材料的微觀研究上。PVA纖維在水泥基內(nèi)部不易成團，能與水泥基材料更好地結(jié)合；由于PVA纖維比較細(xì)，比表面積大，能在水泥基材料內(nèi)部構(gòu)成亂向支撐體系。當(dāng)微裂縫在向內(nèi)部細(xì)裂縫產(chǎn)生的過程中，由于PVA纖維的阻礙，耗散了一些內(nèi)部能量，很難進一步產(chǎn)生和發(fā)展。PVA纖維可以顯著地抑制水泥基材料早期干縮微裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，還能明顯地減少水泥基材料收縮裂縫。究其原因，PVA纖維分散了水泥基材料的拉應(yīng)力，從而達(dá)到了顯著抗裂的效果。

在水泥基材料中加入PVA纖維，能夠在某種程度上阻礙水泥基材料開裂，可以達(dá)到防水效果。在北方比較寒冷地區(qū)的路面、街道、停車場等，使用化學(xué)纖維水泥基材料可顯著地減少凍裂等相關(guān)問題。良好的抗?jié)B性可以保護構(gòu)件內(nèi)部的各種材料，免除銹蝕危害，以免造成工程安全問題。

2.3 PVA纖維對水泥砂漿收縮性能的影響

在實際工程中，由于外界荷載和周圍環(huán)境的影響，造成水泥基材料開裂變形。水泥漿體不僅在硬化過程中會發(fā)生體積收縮，并且在成型之后，在使用過程中也會發(fā)生各種物理收縮和化學(xué)收縮。水泥基體積穩(wěn)定性不好會導(dǎo)致一些裂縫的產(chǎn)生，從而對水泥基材料劣化有促進作用，收縮也是引起裂縫產(chǎn)生的重要因素之一。PVA纖維復(fù)合水泥基材料可以減小變形，究其原因，一方面是自身內(nèi)部影響因素，另一方面又受溫度、養(yǎng)護條件等外部因素的影響?？刂扑嗷牧系氖湛s，將減少水泥基材料內(nèi)部裂縫產(chǎn)生及發(fā)展的概率，減少水泥基材料受侵蝕。PVA纖維能夠有效阻礙水泥基材料收縮，減少水泥基材料內(nèi)部收縮裂縫，因此加入PVA纖維是一種有效的方法。

3 結(jié)語

PVA纖維的加入，在一定程度上改善了水泥基材料的抗壓、抗折和耐久性能，使纖維水泥基材料由脆性破壞形態(tài)變?yōu)樗苄云茐男螒B(tài)。PVA纖維加入纖維水泥基材料中后，使水泥基材料的抗折強度、抗壓強度及受彎曲荷載有較大的提高，并且顯著地提高了混凝土的抗?jié)B性及混凝土的收縮性能，對抗沖擊性能也有明顯的提高。PVA纖維是具有較高強度和模量的化學(xué)纖維。PVA纖維與水化硬化后，纖維復(fù)合水泥基材料與各材料結(jié)合力較好。

對于PVA纖維的應(yīng)用，目前主要還是集中在水泥制品領(lǐng)域，應(yīng)用的生產(chǎn)地點也大部分局限于一些制品廠家。根據(jù)前面的機理分析及PVA纖維的優(yōu)點，在完善應(yīng)用研究數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的情況下，PVA纖維在工程建設(shè)中可用于墻體抹灰，在外墻、衛(wèi)生間抹灰砂漿中摻入，可解決墻面的開裂，從而增強抗?jié)B漏的能力。PVA纖維用于地面、樓面、屋面砂漿中，可解決砂漿的裂縫和起砂等問題。PVA纖維用于地下室地板、轉(zhuǎn)換層大梁等大體積混凝土?xí)r，可減少溫差、收縮等帶來的混凝土開裂現(xiàn)象。