PVA混雜纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究

秦敬平 王 博 張 磊

（1棗莊學(xué)院 城市與建筑工程學(xué)院，山東 棗莊 277160；2青島西海岸旅游投資集團(tuán)有限公司，山東 青島 266400）

（3青島億佰建工集團(tuán)有限公司，山東 青島 266400）

0 引言

PVA-ECC（Engineered cementitious composites）復(fù)合材料因摻入強(qiáng)度和韌性都很高的PVA纖維，可以有效地阻止微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，提高復(fù)合材料的韌性和強(qiáng)度[1]。

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)PVA-ECC復(fù)合材料的抗壓性能有了很多研究，但使用部分國(guó)產(chǎn)纖維代替進(jìn)口纖維，即國(guó)產(chǎn)PVA纖維和進(jìn)口PVA纖維混摻的抗壓性能研究較少。大連理工大學(xué)高淑玲博士[2]對(duì)PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了抗壓實(shí)驗(yàn)研究。研究表明：軸壓試驗(yàn)時(shí)，軸壓強(qiáng)度在16MPa～33MPa，極限壓應(yīng)變大約是普通混凝土的100倍。

本文首次采用國(guó)產(chǎn)PVA纖維與進(jìn)口PVA纖維混雜使用的方法，重點(diǎn)研究國(guó)產(chǎn)纖維部分代替進(jìn)口纖維復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度，達(dá)到這種復(fù)合材料國(guó)產(chǎn)化、本地化的目的。

1 原材料和試驗(yàn)方法

PVA纖維：國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的PVA纖維和日本Kuraray Co.生產(chǎn)的PVA-K-II纖維。

水泥：榴園42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥

粉煤灰：青島市正友公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰。

石英砂：作為細(xì)骨料由山東省日照市生產(chǎn)，它的粒徑范圍在75～47μm。

減水劑：減水劑是遼寧省大連市某公司生產(chǎn)的，一種聚羧酸高效減水劑，基體為改性聚羧酸鹽溶液，液體呈現(xiàn)為淡棕色。

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在本次混雜纖維混凝土試驗(yàn)中，參考已有的研究成果，選擇PVA進(jìn)口纖維與PVA國(guó)產(chǎn)纖維的比值作為試驗(yàn)的影響因素。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為 6組配合比，每組配合比設(shè)計(jì)為三個(gè)試件。試驗(yàn)中，粉煤灰與水泥的單位體積的質(zhì)量比值為2.893，水泥和粉煤灰的質(zhì)量之和與石英砂的單位體積的質(zhì)量比值為 1.5。對(duì)于 PVA纖維體積的摻量，六組試驗(yàn)的國(guó)產(chǎn)纖維和進(jìn)口纖維總的體積摻量為2.0%，這其中，國(guó)產(chǎn)纖維的體積摻量有：0%、0.4%、0.5%、0.6%、0.8%、1.0%。

Victor Li[2]等通過(guò)試驗(yàn)研究表明：ECC在使用體積率約為2%，PVA的纖維情況下得到的復(fù)合材料PVA-ECC材料，該材料在硬化后具有顯著的應(yīng)變硬化特征。所以本實(shí)驗(yàn)中，PVA纖維體積摻量最大值為2.0%。

本實(shí)驗(yàn)中，國(guó)產(chǎn)PVA纖維的體積摻量之所以最大值取到1.0%，是因?yàn)榇筮B理工大學(xué)高淑玲博士[3]對(duì)國(guó)內(nèi)PVA纖維在水泥基復(fù)合材料中應(yīng)用的試驗(yàn)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，一般情況下PVA纖維的體積摻量達(dá)到1.2%以后，就開(kāi)始容易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)問(wèn)題，并且明顯影響PVA纖維的增韌效果與分散效果。

1.2 試件制作

PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的試件制作工藝流程為：首先，將石英砂、粉煤灰和水泥這三種試驗(yàn)材料按照設(shè)計(jì)的配合比，稱量好放入試驗(yàn)攪拌機(jī)內(nèi)，攪拌約10分鐘；然后，加入水、減水劑繼續(xù)攪拌，攪拌大約5分鐘；待攪拌均勻后，將PVA纖維均勻緩慢加入，再攪拌大約6～10分鐘，邊攪拌邊觀測(cè)其坍落度，最后注入抗壓和抗折的標(biāo)準(zhǔn)模具。

2 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

加載裝置：加載裝置由長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)廠家生產(chǎn)，型號(hào)為NYL-2000壓力試驗(yàn)機(jī)。這種試驗(yàn)機(jī)的最大壓力為2000kN，精度等級(jí)為2級(jí)，最小刻度是2.5kN。

待各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成之后開(kāi)始試驗(yàn)加載，采用荷載控制。抗壓試驗(yàn)的加載方法、制度按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)，進(jìn)行測(cè)試?？箟涸囼?yàn)加載速度不超過(guò)0.3～0.5MPa/s，保持勻速加載。同時(shí)觀察立方體試塊的破壞情況，加載到試件完全破壞為止，并記錄下每個(gè)試塊的抗壓試驗(yàn)力。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

抗壓試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，PVA-ECC復(fù)合材料立方體試塊的抗壓試驗(yàn)破壞現(xiàn)象和混凝土材料有很大區(qū)別?；炷敛牧显噳K在達(dá)到最大荷載之后，就會(huì)很快出現(xiàn)破壞。但PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，在達(dá)到峰值壓力之后，仍持續(xù)一段時(shí)間，最后緩慢下降。表明復(fù)合材料中PVA纖維起到了很好的增韌效果,可以有效的防止混凝土試塊的“一裂即壞”的現(xiàn)象。

在PVA立方體試塊抗壓試驗(yàn)中，試塊抗壓強(qiáng)度的變化隨著進(jìn)口PVA纖維的摻入比例（即總的PVA纖維體積摻量）的變化情況如1所示，試塊抗壓強(qiáng)度的變化隨著進(jìn)口國(guó)產(chǎn)PVA纖維的摻入比例的變化情況如圖2所示。

圖1 進(jìn)口PVA纖維摻入比例抗壓強(qiáng)度比例抗壓強(qiáng)度

圖2 國(guó)產(chǎn)PVA纖維摻入

從圖1圖2可以看出隨著進(jìn)口纖維摻入比例的增加，立方體抗壓試塊的抗壓強(qiáng)度增大，隨著國(guó)產(chǎn)纖維摻入比例的增加，立方體抗壓試塊的抗壓強(qiáng)度減小。這個(gè)因?yàn)镻VA纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料發(fā)揮了增韌和增強(qiáng)的作用，國(guó)產(chǎn)PVA纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料的增韌和增強(qiáng)作用不如進(jìn)口纖維增強(qiáng)增韌作用強(qiáng)。。

在PVA纖維的總的體積摻入量在2.0%時(shí)，圖1可以看出，進(jìn)口PVA纖維的體積摻量為2.0%時(shí)取得抗壓強(qiáng)度最大值35.6MPa，進(jìn)口PVA纖維的體積摻量為1.0%時(shí)取得抗壓強(qiáng)度最小值27.8MPa。圖2可以看出，國(guó)產(chǎn)PVA纖維的體積摻量為0.4%時(shí)取得抗壓強(qiáng)度最大值34.8MPa，國(guó)產(chǎn)PVA纖維的體積摻量為1.0%時(shí)取得抗壓強(qiáng)度最小值31.8MPa。

4 結(jié)論

試驗(yàn)得出：試塊抗壓強(qiáng)度隨著總的纖維摻入量的增加而增大，抗壓強(qiáng)度在27.8MPa～35.6MPa之間，此時(shí)的纖維摻入量分別為1.0%，2.0%。在PVA纖維的總的體積摻入量在2.0%時(shí)，隨著國(guó)產(chǎn)纖維摻入比例的增加，抗壓強(qiáng)度減小，抗壓強(qiáng)度在31.8MPa～34.8MPa，此時(shí)的國(guó)產(chǎn)纖維摻入量為0.4%，1.0%。