磁化水對PVA纖維混凝土抗折性能的影響

崔元凱，劉 悅

(河南理工大學，河南 焦作 454003)

0 引言

混凝土具有多種優越特性，比如其成本相較其他建筑材料較低，原料豐富且生產非常方便，因此成為土木工程最主要的建筑材料之一[1]，并廣泛應用在建筑、水利、交通、港口等工程。但混凝土的應用范圍也被限制，因為其存在脆性、容易開裂、抗壓強度有上限、破壞時變形較大、抗拉強度不高等弱點。目前，混凝土的抗拉強度是需要解決的主要問題之一，因為當今的建筑發展逐漸向規模大、超高層與大跨度方向發展，因此混凝土的抗拉能力和耐久性也要隨著工程的需要而逐漸增強。通過各種途徑改善混凝土的力學性能，一直是國內外專家學者的研究熱點。

聚乙烯醇纖維是合成纖維的重要品種之一，其外觀接近于棉，但其強度與彈性模量均優于棉，是一種具有高抗拉強度和高彈性模量的纖維。PVA纖維在標準條件下的吸濕率為4.5%左右，有很好的親水性，纖維表面能夠吸附少量自由水，在幾大合成纖維中位列前幾名，且摻于混凝土后與水泥基體有很高的黏結強度[2]。同時，PVA纖維還有很好的抗腐蝕抗日光性，因此在提高混凝土的抗裂性能與耐久性方面可能會有很好的可能性[3]。由纖維間距原理與復合材料強度原理及國內外的各種研究可知，纖維長徑比、基體強度、體積率、纖維的分布[4-6]決定了混凝土中摻入纖維后其強度的增強效果。破壞的主因多為PVA纖維混凝土中纖維和基體的界面黏結強度降低[7]，不能完全發揮出PVA纖維的作用，因此研究提升PVA纖維與基體的黏結強度是非常有必要的。

磁化水是普通自來水以一定的速度流過一個穩定的磁場。如內部布置磁鐵片的儀器，水在磁場中的流向與磁場方向相垂直，流過切割磁場后得到的水即為磁化水。用磁化水拌制的混凝土即為磁化水混凝土。國內外對通過磁化水改善混凝土性能的研究較多，并取得了一定經濟效益[8]。費厚乾[4]、汪浩然等[9]用磁化水代替普通水拌制了磁化水鋼纖維混凝土并進行了抗折性能、劈拉性能、抗壓性能的試驗研究，分析試驗結果得出了磁化水對于鋼纖維混凝土的力學性能有很大的增強。關于對使用磁化水與高親水性的PVA纖維共同制作磁化水PVA纖維混凝土的研究較少，本研究將制作100×100×400 mm的小梁試塊來進行抗折試驗，以普通混凝土、PVA纖維混凝土作對比，研究磁化水對PVA纖維混凝土的抗折強度的提升。

1 試驗設計

1.1 試驗材料及設備

控制流速裝置：1寸口徑的渦輪電子流量計。水泥：試驗水泥采用的是焦作市堅固牌水泥有限公司生產的42.5 R型普通硅酸鹽水泥。砂子：細骨料細度模數為2.7的中砂，級配優良。石子：粗骨料選用 5～20 mm 連續級配碎石。PVA纖維：使用北京中紡纖建科技有限公司生產的PVA纖維，長度為12 mm，見圖2-1。水：磁化水為經磁化器接流量計后按照指定流速循環磁化后得到的，經初步配合比計算與實際使用性的試配與調整，最終得出材料配合比如表1：

表1 試驗材料配合比Tab.1 Mix proportion of experimental materials

1.2 磁化參數選擇

磁化裝置：采用山西長治某公司生產的四分磁化器，中間一組強磁銣鐵硼，根據課題組之前研究成果得出水在磁場強度位285 mT時的表面張力較小，比較有利于水化反應的進行。磁感應強度用量程范圍為0～2 000 mT的 HT20型數字特斯拉計測定。

水流速選擇：由文獻[9]可知，不同水流速對混凝土早期強度有不同的提升。本研究分別選用1.2 m/s、1.8 m/s、2.4 m/s這三個流速來進行試塊的制作。

2 試驗規劃

根據試驗設計的16種配合比，每組制作3個100×100×400 mm混凝土試件。配合比為4種不同PVA纖維摻量(0.9 kg/m3、1.2 kg/m3、1.5 kg/m3、1.8 kg/m3)，水流速分別為1.2 m/s、1.8 m/s、2.4 m/s，進行正交試驗。試件制作完成后，在標準養護室養護28d后取出，進行試驗。

圖1 PVA纖維圖Fig.1 PVA fiber diagram

抗折試驗進行程序是：根據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》規定，加載方式為四點加載法，試驗機的加載速度選為0.2 kN/s，取出試件后，先在其受力點處用油性筆標記，操作使中梁落下后開始加載，待試件破壞后進行拍照并將試驗機中紀錄的曲線與臨界荷載數據復制。

圖2 加載示意圖Fig.2 Schematic diagram of loading

3 試驗結果

3.1 使用磁化水拌制PVA纖維混凝土對其抗折能力影響實驗結果

磁化水PVA混凝土抗折強度試驗結果如表2所示。

表2 抗折強度試驗結果Tab.2 Experimental results of fracture resistance strength

圖(a)和圖(b)是PVA纖維摻量為1.2 kg/m3的PVA纖維混凝土與水流速為1.8 m/s同摻量的磁化水PVA纖維混凝土破壞時的形態圖片。PVA纖維混凝土試件在破壞時會產生豎向貫通裂縫分為兩半，磁化水PVA纖維混凝土由于PVA纖維的增韌作用和磁化水帶來的界面黏結力的增加，在破壞時并未直接斷裂，而是受拉區先出現一條裂縫，隨著荷載繼續增加后裂縫延伸直至破壞。可以完整地從壓力機取下，需要用外力才可將試件從斷裂處一分為二。

圖3 混凝土破壞形態圖Fig.3 Chart of concrete fracture morphology

根據表2中的試驗數據繪制出磁化水對PVA纖維混凝土的抗折強度影響曲線如圖4所示。由表2和圖4得知，與素混凝土相比，用磁感強度為285 mT，水流速分別為1.2 m/s、1.8 m/s、2.4 m/s磁化水制作混凝土試件養護28 d時的抗折強度相比普通混凝土都有增強，抗折強度增長率分別為3.42%、7.05%、14.90%，其中水流速為2.4 m/s時，磁化水混凝土相比素混凝土的抗折強度提升最大。

不使用磁化水時的普通PVA纖維混凝土在PVA纖維摻量為0.9 kg/m3、1.2 kg/m3、1.5 kg/m3、1.8 kg/m3時，較普通混凝土抗折強度提升率分別為22.6%、30.6%、34.5%、29%，故在一定摻量范圍內加入PVA纖維會提高混凝土的抗折強度。

圖4 磁化水對PVA纖維混凝土的抗折強度影響曲線Fig.4 Influence curve of magnetized water on the fracture resistance strength of PVA fiber concrete

磁化水PVA纖維混凝土的抗折強度超過了普通PVA纖維混凝土，說明磁化水作用于PVA纖維混凝土是可以提升抗折強度的。在相同的磁強強度與水流速情況下，試件的抗折強度隨著纖維摻量的增加而增加。但在摻量超過1.5 kg/m3時，抗折強度增幅趨勢減小。據纖維間距理論分析得知1.5 kg/m3為存在的最佳摻量，一旦超過最佳摻量，則會因為纖維的平均間距減小而引起纖維相互纏繞，此時的纖維在基體中與水泥砂漿的包裹性不佳，造成其抗折強度降低。

由表3不同水流速的磁化水PVA纖維混凝土相較于同摻量下的PVA纖維混凝土的抗折強度增長率，整體看來其中水流速為2.4 m/s時，抗折強度的增長率最大，說明在纖維摻量不變的情況下，抗折強度隨水流速的加快而提高。

表3 磁化水PVA纖維混凝土相對PVA纖維混凝土抗折強度增長率Tab.3 Magnetized water PVA fiber concrete relative PVA fiber concrete fracture resistance strength growth rate

3.2 PVA纖維與磁化水共同作用對混凝土抗折性能的影響

抗折強度試驗的結果為表3所示，使用磁化水拌制的PVA纖維混凝土相較于普通混凝土的抗折強度增長率，分別大于磁化水混凝土和PVA纖維混凝土，因為可以得出磁化水作用于PVA纖維混凝土時，不僅不影響PVA纖維發揮其優越性能，而且可以共同促進混凝土的抗折強度提升。

表4 磁化水與PVA纖維共同作用對混凝土抗折強度增長率的影響Tab.4 Effect of the combined effect of magnetized water and PVA fiber on the growth rate of concrete fracture resistance strength

試驗得出，可由兩方面分析使用磁化水替代普通水拌制PVA纖維混凝土有增強效果的機理。一方面，磁化水與普通水不同點在于，水經磁化后分子團變小了，水分子活性變強，使得與水泥進行水化反應更徹底，從而提升混凝土基體強度；另一方面，混凝土中，水泥石與粗骨料間的Ca(OH)2過渡帶因為磁化水的優良性能而減少了很多，改善了骨料與水泥間的界面結構，增強了PVA纖維與混凝土基體之間的界面黏結力，充分發揮了PVA纖維的強度，從而間接增加PVA纖維混凝土的強度。

4 結論

對于普通的PVA纖維混凝土，在PVA纖維摻量為1.5 kg/m3時，對比普通混凝土抗折強度提升率達到最大，抗折強度提高可達34.5%。水流速為1.2 m/s、1.8 m/s、2.4 m/s情況下的磁化水PVA纖維混凝土，相較于同摻量的普通PVA纖維混凝土抗折強度均有提升。

相較于普通混凝土，磁化水PVA纖維混凝土抗折強度增長率最大的配比為水流速2.4 m/s、PVA纖維摻量為1.5 kg/m3，增長率達到51.2%。由此可得出結論，磁化水PVA纖維混凝土的較優參數為水流速2.4 m/s，纖維摻量為1.5 kg/m3。