引言

  混凝土属于脆性材料,其韧性较差。而纤维抗拉强度较高,两者复合使用可以克服混凝土抗拉强度较低和脆性的缺点。目前,应用到水泥混凝土内的纤维种类比较多,常用的包括碳纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、钢纤维、聚丙烯晴纤维、聚乙烯醇纤维(PVA)等。其中PVA 纤维增强水泥基材料是目前热门课题之一。

  近年来,超高韧性水泥基复合材料是比较热门的一种新型建筑材料,其实质上是通过在混凝土中加入2%的聚乙烯醇短纤维制备出一种高性能纤维增强水泥基复合材料。这种纤维增强混凝土在受到轴向拉伸和弯曲荷载作用下会呈现出显著的应变硬化特征,并且当受力开裂后,其承载力会经历一个类似于钢筋的假应变硬化阶段,而不会像钢纤维混凝土和聚丙烯纤维混凝土那样当遭受达到极限承载力的荷载作用时会突然降低。

  1 PVA 的性能特点

  与其他种类的纤维相比,PVA 纤维具有以下几点优势:①高抗拉强度和高弹性模量;②与矿物掺合料的相容性较好;③高亲水性,能够较好地均匀分布在水泥浆体中;④与水泥基材料的界面结合较好;⑤高耐酸碱性;⑥直径适中,可达到39 μm;⑦环保,无毒无害。几种常用纤维的性能参数见表1。由表1 可以看出,钢纤维弹性模量较高,制作工艺较复杂,生产的钢纤维直径较大,不利于普遍应用。聚丙烯纤维的弹性模量太低, 碳纤维的弹性模量较高,其极限延伸率较小,且不能弯曲。整体上看,聚乙烯纤维性能上与PVA 接近, 但是聚乙烯纤维价格较高,不适合大量应用。

  2 PVA 纤维增强混凝土的力学性能

  钱桂枫等人研究发现,PVA 纤维的最佳掺量是0.08%~0.1%,体积掺量在此范围内可以有效改善混凝土抗折强度,且PVA 纤维的长径比越小,强度提高效果越显著。Fukuyama 等人对PVA 纤维增强混凝土构件进行了拉—压循环荷载试验,结果发现当PVA 纤维掺量为1.5%时,构件的应变可以达1.5%,试件韧性较好,且裂缝宽度小于0.2 mm。与普通混凝土材料相比, 韧性得到提高,PVC 增强混凝土材料可以用于承受剪切和粘结劈裂作用的构件。也有学者通过静载和疲劳试验对比研究了PVA 纤维增强材料和聚乙烯纤维增强材料的弯曲疲劳特性,结果发现聚乙烯纤维增强材料表现出高的强度和大的变形, 且其微裂缝数量也比PVA 纤维增强材料多,并且提出PVC 管混凝土可以显著提高混凝土的强度和延性。Takashima 等人研究了挤压成型PVA 混凝土基体的刚度对材料断裂特性的作用, 结果发现基体本身的刚度取决于水灰比以及灰浆与水泥的比值。水灰比不变,低灰浆与水泥的比值有利于预防纤维断裂以及提高强度和极限应变。当水灰比增大时,极限应变也随之提高,但是极限拉伸强度会降低。可以推出结论,通过优化水灰比以及灰浆与水泥的比值,可以达到增强、增韧的效果。

  有关纤维增强混凝土的理论模型, 目前也是研究的热点之一。Zhang 等人[6]通过确定相关参数(纤维弹性模量、基体弹性模量、纤维-基体界面粘结强度、纤维在基体中的取向、纤维密度等参数),建立了纤维取向角为变量的纤维增强混凝土材料的断裂分析模型。Maalej 等[7]则推导了关于纤维的细观力学模型。基于概率统计方法,假设界面摩擦粘结应力为常数, 考虑了纤维的拔出以及局部摩擦等影响, 计算推导出纤维复合材料的拉伸强度以及断裂能,并通过试验进行了验证。但是该模型并未考虑到纤维本身的弯曲断裂以及斜向分布的纤维从基体中拔出导致的剥蚀作用。虽然这些模型并不是针对PVC 纤维, 但是可以通过输入纤维的相关参数,应用于各类纤维。

  3 PVA 纤维增强混凝土的微观结构

  复合材料的界面性能对材料整体的性能影响较大,特别是纤维增强混凝土复合材料,其性能的随机性多数是由于界面相的差异。纤维与水泥浆体基体的粘接情况直接决定复合材料的综合性能。并且,其界面相的厚度及力学性能对复合材料的性能也有影响。Kanda 等人研究发现PVA 纤维具有较强的粘结力, 当纤维弯曲时纤维-基体界面位置会出现断裂现象,最终影响硬化纤维增强混凝土整体的拉应变性能。Redon等人则认为PVA 纤维在外力作用下被拔出时, 会出现显著的滑移-硬化效应,从而导致纤维在剪切应力作用下发生剥蚀。Li[10]等人针对PVA 的缺陷, 于2002 年提出在纤维表面涂刷一层油可以使混凝土拉伸应变超过4%,克服了滑移-硬化效应。也有学者提出混凝土中添加粉煤灰会影响PVA-水泥浆体的界面特性。现有成果均表明,PVA 纤维在材料基体中容易出现断裂现象,因此研究纤维复合材料的界面特性,有利于推导出界面参数, 从而找出预防纤维断裂的措施,以使得PVA 纤维在建筑材料中可以更好地发挥其增强增韧的作用。传统的PVA 增强混凝土材料存在多点开裂及应变硬化等现象,但是裂纹的宽度也偏大(一般60~80 μm)。但是,有学者专家通过研究提出, 调节细骨料的粒径尺寸以及基材的韧度,能达到发生多点开裂和应变硬化现象,并且保证能将裂纹的宽度减小至10~30 μm。事实上,不论是何种纤维,都是纤维、基材及其二者之间的界面性能等参数最终决定材料整体的应变硬化特性。

  4 结语

  目前,PVC 材料主要应用在提高结构整体性、混凝土材料的修补、补偿混凝土道面收缩变形、桥梁盖板的连接段制作、现场浇筑及预制构件等方面。但是,实践中发现PVA 混凝土材料也存在一些问题,如干燥、收缩偏大。PVA 混凝土的裂纹宽度可以得到一定程度的控制,但在实际工程上,由于材料本身干缩过大, 与其它原材料的协同工作性就会变差。例如,PVA 材料28 d 干燥收缩大约1 200 微应变,而普通的混凝土材料28 d 的干缩应变为400~800 微应变, 相差较大。这个问题也严重制约PVA材料在修补等工程中的广泛应用。除此之外,PVC 还有一个问题就是在达到极限应变之前单个裂纹的宽度仍然可以达到80 μm。对于水分渗透以及耐久性来说,该程度的裂缝宽度还是偏大。虽然从结构的承载能力来看,该宽度的裂缝可能属于无害,但其对结构的长期耐久性仍会造成一定影响。所以,在PVC 得到广泛应用之前, 还需要深入研究如何在实现裂纹稳态扩展和多点开裂的基础上减小裂纹宽度。

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