PVA混雜纖維增強水泥基復合材料抗壓強度實驗研究

秦敬平 王 博 張 磊

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

（3青島億佰建工集團有限公司，山東 青島 266400）

0 引言

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

目前國內學者對PVA-ECC復合材料的抗壓性能有了很多研究，但使用部分國產纖維代替進口纖維，即國產PVA纖維和進口PVA纖維混摻的抗壓性能研究較少。大連理工大學高淑玲博士[2]對PVA纖維增強水泥基復合材料進行了抗壓實驗研究。研究表明：軸壓試驗時，軸壓強度在16MPa～33MPa，極限壓應變大約是普通混凝土的100倍。

本文首次采用國產PVA纖維與進口PVA纖維混雜使用的方法，重點研究國產纖維部分代替進口纖維復合材料的抗壓強度，達到這種復合材料國產化、本地化的目的。

1 原材料和試驗方法

PVA纖維：國內某公司生產的PVA纖維和日本Kuraray Co.生產的PVA-K-II纖維。

水泥：榴園42.5級普通硅酸鹽水泥

粉煤灰：青島市正友公司生產的Ⅰ級粉煤灰。

石英砂：作為細骨料由山東省日照市生產，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，液體呈現為淡棕色。

1.1 實驗設計

在本次混雜纖維混凝土試驗中，參考已有的研究成果，選擇PVA進口纖維與PVA國產纖維的比值作為試驗的影響因素。

本實驗設計為 6組配合比，每組配合比設計為三個試件。試驗中，粉煤灰與水泥的單位體積的質量比值為2.893，水泥和粉煤灰的質量之和與石英砂的單位體積的質量比值為 1.5。對于 PVA纖維體積的摻量，六組試驗的國產纖維和進口纖維總的體積摻量為2.0%，這其中，國產纖維的體積摻量有：0%、0.4%、0.5%、0.6%、0.8%、1.0%。

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

本實驗中，國產PVA纖維的體積摻量之所以最大值取到1.0%，是因為大連理工大學高淑玲博士[3]對國內PVA纖維在水泥基復合材料中應用的試驗研究時發現，一般情況下PVA纖維的體積摻量達到1.2%以后，就開始容易出現結團問題，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纖維增強水泥基復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材料按照設計的配合比，稱量好放入試驗攪拌機內，攪拌約10分鐘；然后，加入水、減水劑繼續攪拌，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，邊攪拌邊觀測其坍落度，最后注入抗壓和抗折的標準模具。

2 抗壓強度實驗

加載裝置：加載裝置由長春試驗機廠家生產，型號為NYL-2000壓力試驗機。這種試驗機的最大壓力為2000kN，精度等級為2級，最小刻度是2.5kN。

待各項準備工作完成之后開始試驗加載，采用荷載控制?？箟涸囼灥募虞d方法、制度按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)，進行測試?？箟涸囼灱虞d速度不超過0.3～0.5MPa/s，保持勻速加載。同時觀察立方體試塊的破壞情況，加載到試件完全破壞為止，并記錄下每個試塊的抗壓試驗力。

3 試驗結果與分析

抗壓試驗中發現，PVA-ECC復合材料立方體試塊的抗壓試驗破壞現象和混凝土材料有很大區別。混凝土材料試塊在達到最大荷載之后，就會很快出現破壞。但PVA纖維增強水泥基復合材料，在達到峰值壓力之后，仍持續一段時間，最后緩慢下降。表明復合材料中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”的現象。

在PVA立方體試塊抗壓試驗中，試塊抗壓強度的變化隨著進口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，試塊抗壓強度的變化隨著進口國產PVA纖維的摻入比例的變化情況如圖2所示。

圖1 進口PVA纖維摻入比例抗壓強度比例抗壓強度

圖2 國產PVA纖維摻入

從圖1圖2可以看出隨著進口纖維摻入比例的增加，立方體抗壓試塊的抗壓強度增大，隨著國產纖維摻入比例的增加，立方體抗壓試塊的抗壓強度減小。這個因為PVA纖維對水泥基復合材料發揮了增韌和增強的作用，國產PVA纖維對水泥基復合材料的增韌和增強作用不如進口纖維增強增韌作用強。。

在PVA纖維的總的體積摻入量在2.0%時，圖1可以看出，進口PVA纖維的體積摻量為2.0%時取得抗壓強度最大值35.6MPa，進口PVA纖維的體積摻量為1.0%時取得抗壓強度最小值27.8MPa。圖2可以看出，國產PVA纖維的體積摻量為0.4%時取得抗壓強度最大值34.8MPa，國產PVA纖維的體積摻量為1.0%時取得抗壓強度最小值31.8MPa。

4 結論

試驗得出：試塊抗壓強度隨著總的纖維摻入量的增加而增大，抗壓強度在27.8MPa～35.6MPa之間，此時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，隨著國產纖維摻入比例的增加，抗壓強度減小，抗壓強度在31.8MPa～34.8MPa，此時的國產纖維摻入量為0.4%，1.0%。