PVA纖維水泥基材料力學性能及耐久性研究綜述

黃東升　高繼祥　代小兵　李博　賴家林

摘 要：PVA纖維水泥基材料作為一種高性能混凝土建筑材料，由于具有良好的力學性能和耐久性能，在工程領域受到了越來越多的關注和使用。為了深入的了解PVA纖維水泥基復合材料的特性及更好的應用于實際工程，科學工作者對PVA纖維水泥基復合材料的力學性能和耐久性進行了一系列的研究，本文系統介紹了國內外對于PVA纖維水泥基復合材料力學性能和耐久性研究的情況。

關鍵詞：PVA纖維；水泥基材料；力學性能；耐久性

0 引言

在水泥基體中加入纖維是提高混凝土的韌性、耐沖擊及耐收縮斷裂性的有效途徑。合成纖維混凝土的研究及應用開始于20世紀60年代，70年代獲得了較大發展。由于合成纖維能有效地控制水泥砂漿及混凝土的非結構裂縫，80年代已被大規模地應用于新建工程和修補工程。傳統纖維水泥基復合材料抵抗拉應變的能力普遍不高，近年來為改變這種脆性的研究取得了一些成果，大都集中在纖維摻量方面。雖然這樣做可以增加材料的斷裂韌性，但增加了成本，而且給施工帶來了不便。近年來隨著研究的進步，一種高強度、高彈模的聚乙烯醇纖維成為比較理想的替代品。

1 PVA纖維水泥基材料力學性能

聚乙烯醇（ PVA ）纖維是一種具有高抗拉、高彈模，親水性好，特別是與波特蘭水泥有良好的相容性等特點的新型纖維.薛會青等利用實驗驗證PVA纖維增強水泥基復合材料的單軸拉伸性能和彎曲韌性。試驗結果表明：PVA纖維具有良好的阻裂增韌效用，能夠顯著提高水泥基復合材料的抗裂性能和變形能力；PVA 纖維可明顯改善混凝土彎曲韌性，且PVA 纖維混凝土的彎曲韌性指數明顯高于聚丙烯（ PP）纖維混凝土。

PVA纖維具有化學纖維共有的優點，且價格相對較低，彈性模量高，但由于其在水泥混凝土領域的研究非常少，因此遠未得到充分利用。王永波等通過對PVA纖維和混凝土進行研究，發現PVA纖維可有效地改善水泥基材料的抗裂性能，因此可在建筑工程中，有效地提高砂漿及混凝土的抗裂能力；PVA纖維的加入有效地改善了水泥混凝土的韌性，實驗結果顯示提高值可達67%以上。

詹炳根等采用低摻量（纖維體積率為1 %～2 %） 的高強度高彈模聚乙烯醇纖維（簡稱PVA 纖維） 進行延性纖維基材料韌性的研究。結果表明，隨著纖維體積率的增大及砂灰比的減小，高強高彈PVA 纖維增強水泥基材料的韌性提高。凹土改善了纖維與基體的界面，從而也改善PVA 纖維增強水泥基材料的韌性，但摻量有一個最佳值。較高的長徑比對PVA 纖維增強水泥基材料韌性有較好地改善作用。

王有凱等對PVA 纖維增強水泥基復合材料（ PVA - Fiber Reinforced Cementitious Composites，以下簡稱PVA - FRCC） 進行了四點彎曲試驗，得到荷載- 撓度曲線， 結果表明，PVA - FRCC 較基體混凝土的變形能力得到顯著改善，由突然的脆性破壞變為具有較好韌性的延性破壞，破壞時出現多縫開裂現象。

高模量的聚乙烯醇纖維可代替鋼筋增強水泥基材料的韌性，使其呈現假應變硬化和多縫開裂的特征，從而改善結構的耐久性。陳雪等通過三點彎曲試驗得出不同配比下纖維增強水泥基復合材料（ECC） 的抗彎曲特性。結果表明，水灰比越大，ECC的抗彎強度越小，但水灰比小，會降低基體流動性能，不利于施工操作；隨著纖維質量分率的增大，ECC的抗彎性能先增后降，纖維的長徑比越大，彎曲性能越好。

2 PVA纖維水泥基材料力學性能及耐久性

凍融、鹽侵蝕等因素是導致混凝土及其他水泥基材料和結構性能退化和服役壽命縮短的重要因素。。Mehta1 在總結50 年來混凝土耐久性的研究進展時指出：“當今世界混凝土破壞原因，按重要性遞減順序排列是：鋼筋銹蝕、凍害、腐蝕作用”。因此，改善混凝土的抗凍性對提高其耐久性意義重大。

劉曙光等分析了PVA 纖維水泥基復合材料在鹽凍環境下的損傷原理及特性，進行了壽命預測。（1）PVA 纖維水泥基復合材料鹽凍環境下的損傷是由靜水壓力和滲透壓力產生的內應力而引發的，其破壞過程是靜水壓力和滲透壓力反復作用下材料內部損傷積累的結果。（2）基于損傷力學提出的混凝土損傷模型Er=1+bN+0.5cN2 適用于PVA 纖維水泥基復合材料，具有較高的擬合精度。模型的驗證可為進一步研究凍融環境下PVA 纖維水泥基復合材料的損傷規律以及壽命預測提供依據。（3）纖維體積摻量為1.5%的PVA 纖維水泥基復合材料具有較好的抗鹽凍性能。

周在權等為研究PVA 纖維對水泥基復合材料收縮開裂性能的影響，通過圓環收縮試驗對纖維含量分別為0%，0.75%，1.5%的SHCC 砂漿粉和纖維含量為0.9%的PVA 增強混凝土進行了試驗。試驗結果表明，PVA 的摻入明顯改善了砂漿抗干燥收縮的能力，SHCC 呈現出多裂縫開裂，且最大裂縫寬度都控制在0.1mm 以內。從收縮應變和最大裂縫寬度來看，PVA 增強混凝土明顯優于一般混凝土。2

劉曙光等通過氯鹽環境中的快速凍融試驗研究了纖維體積率、凍融循環次數、粉煤灰、硅粉對聚乙烯醇（PVA）纖維水泥基復合材料抗鹽凍性能的影響。試驗結果表明：PVA纖維的摻入可明顯改善水泥基復合材料的抗鹽凍性能；PVA纖維在基體中分散性較好，且與水泥基體界面結合狀況較好；而粉煤灰、硅粉的摻入未明顯改善PVA纖維水泥基復合材料的抗鹽凍性能。

水在PVA 纖維水泥基復合材料中的滲透性一定程度上決定PVA 纖維水泥基復合材料的劣化速度。基于達西定律，劉曙光等在試驗研究基礎上，推導得出水在PVA 纖維水泥基復合材料中滲透系數的計算模型。研究結果表明，1）PVA 纖維可以明顯提高水泥基復合材料的抗滲性能；2）粉煤灰和硅粉的摻加降低了PVA 纖維水泥基復合材料的抗滲性能。

3 結語

由上述各位科學工作者的科學成果中可以知道：

1）在力學性能方面：PVA纖維具有良好的阻裂增韌效用，能夠顯著提高水泥基復合材料的抗裂性能和變形能力； PVA 纖維可明顯改善混凝土彎曲韌性，且PVA 纖維混凝土的彎曲韌性指數明顯高于聚丙烯（ PP）纖維混凝土。有效地提高砂漿及混凝土的抗裂能力；較高的長徑比對PVA 纖維增強水泥基材料韌性有較好地改善作用。PVA纖維的加入可以是混凝土突然的脆性破壞變為具有較好韌性的延性破壞，破壞時出現多縫開裂現象。

2）在耐久性方面：PVA纖維的加入可以使水泥基復合材料具有良好的抗鹽凍性能；PVA 的摻入明顯改善了砂漿抗干燥收縮的能力；PVA 纖維可以明顯提高水泥基復合材料的抗滲性能；粉煤灰和硅粉的摻加降低了PVA 纖維水泥基復合材料的抗滲性能。

參考文獻

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