基于纖維拔出研究PVA纖維表面改性對界面性能影響

牛恒茂 武文紅 代洪偉 梁超

摘要：聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料（PVA-ECC）界面性能決定纖維橋接裂縫的效率，進而影響材料的力學性能。本文基于纖維拔出理論評述了PVA纖維-基體界面性能模型和界面參數試驗測定機理，分析了PVA纖維表面改性對界面性能影響。結果表明：界面性能對PVA-ECC力學性能影響顯著。PVA纖維通過表面涂油劑，物理或化學處理后優化了PVA纖維-基體界面性能，形成的ECC可以獲得高延性。

關鍵詞：水泥基材料;界面性能;PVA纖維表面改性;拉伸延性

中圖分類號：TU528.58 ?文獻標識碼：A

0 引言

纖維增強水泥基復合材料（ECC）是一種高性能的水泥基材料，它通過優化纖維-基體界面性能能夠獲得高于普通混凝土百倍以上的延性，在微觀力學機理指導下由于纖維-水泥基體界面性能決定著材料的開裂強度準則和穩態開裂準則，同時影響橋接裂縫纖維的斷裂模式，因此合適的界面性能是ECC獲得高延性的重要條件[1]。試驗測定復合材料界面力學表征是研究界面力學行為的重要內容[2]，由于單纖維拔出試驗相對簡單、經濟，而且纖維與基體的受力條件與復合材料開裂過程中橋接纖維與開裂基體的受力條件相近，故單纖維拔出試驗成為ECC在細觀層面研究纖維-基體界面性能參數的重要方法。因此，基于柔性纖維拔出理論，通過單纖維拔出試驗研究PVA纖維表面改性處理對界面界面性能的影響，同時分析了界面性能對PVA-ECC宏觀力學性能的影響，為PVA-ECC界面性能細觀研究和ECC的宏觀性能提升提供借鑒。

1 基于纖維拔出的柔性PVA纖維-基體界面性能模型

微觀層面纖維界面粘結參數和脫粘準則決定了纖維增強、增韌的效率，而纖維-基體界面性能模型能夠反映纖維與基體之間的應力傳遞特性和界面脫粘過程中纖維與基體之間的相互作用。在以強度為基礎的纖維脫粘理論中，假設當界面剪應力達到界面粘結強度時，纖維脫粘開始發生，表征界面粘結特性的參數主要有纖維與基體之間的化學粘結、界面臨界應變能釋放率與界面滑動摩擦等參數，模型建立過程中根據采用的脫粘理論選擇合理的界面粘結參數來表征材料系統的界面粘結特性。

對于親水性柔性單纖維拔出試驗，纖維和水泥基體最初是通過界面處的化學粘結（Gd）提供拔出力，當界面處剪切應力超過界面處纖維基體的Gd時，界面開始脫粘，拔出力作用下纖維脫粘部分在脫粘區域界面處產生摩擦粘結τ，最大摩擦剪應力可以支持的界面處的τ，隨外力增加，當超過最大摩擦剪應力時，纖維開始滑動。隨著拔出力持續增加，新的脫粘區域不斷出現，直到完成界面的完全脫粘剝離，然后纖維在拔出過程中由于是柔性纖維且剛度遠小于周圍硬化的水泥基體，故不可避免受到刮削而提供拔出力，最終完全拔出。

PVA單纖維在水泥基材料拔出試驗中PVA纖維存在2種狀態，即拔出與拉斷。對于PVA纖維拔出情況（拔出長度與嵌入長度一致），拔出過程微觀機理如上所述;而對于PVA纖維拉斷的情況（拔出長度小于嵌入長度），拔出過程中PVA纖維斷裂機理仍不完全清楚，但存在有兩種可能性：脫粘過程中由于高的Gd而斷裂和在滑動拔出過程中由于高的摩擦粘結τ而斷裂。對于表面涂了油劑的PVA纖維，油劑處理僅僅提高了纖維脫粘的面積，可能無法使纖維在拔出過程中完全脫粘，故PVA纖維在脫粘階段發生斷裂。第二個可能性是PVA纖維完全脫粘后滑動，然后在滑動過程中斷裂，在纖維滑動過程中纖維被刮削導致纖維的拔出力不斷增加，同時也顯著加大了纖維斷裂的概率。

2 基于纖維拔出的PVA纖維表面改性對界面性能影響

傳統的PVA纖維表面改性是通過表面油劑處理實現，文獻[3]給出了單纖維拔出試驗測定的油劑處理PVA纖維與未處理形成的不同界面性能參數，纖維表面1.2%的油劑處理后Gd從表面未處理的4.71J/m2降低為1.61J/m2，τ0從2.44MPa降低為1.11MPa，同時對ECC做拉伸試驗，纖維表面1.2%的油劑處理的三個試件均保持了穩定的應變硬化行為，最終應變值都大于4%，而未處理的三個試件應變值不穩定且均在2%以下。

對國產PVA纖維并通過四種不同的油劑對聚乙烯醇纖維表面進行局部改性，選擇用低濃度和高濃度2類處理[4]。結果表明對于未經處理的原始PVA纖維，所有的纖維都因高Gd而斷裂，而不同濃度處理后的PVA纖維表面其化學粘結Gd和摩擦粘結τ均不同程度降低，形成的ECC其彎曲韌性提升，盡管結果具有一定的離散性，但說明了油劑處理時濃度差異對PVA纖維-水泥基體界面性能的影響，進而影響其力學性能，后續可以通過調整油劑濃度變化的方式去優化界面性能，從而使ECC具有更優異的性能。

PVA纖維一般通過油劑處理進行表面改性，近年來一些新技術應用于纖維表面處理，如酸性溶液進行縮醛化改性PVA纖維表面，并對比傳統的油劑處理和非油劑處理優化纖維-基體界面性能從而最大化PVA-ECC潛能[5]，結果說明強酸化催化導致PVA纖維表面高度損傷，固有的化學粘結結構破壞顯著，橋接纖維化學粘結力顯著降低，這樣大量無界面粘結的裸露纖維滑動被拉斷而不利于纖維橋接應力的發揮，而弱酸催化保留了一定的化學粘結力形成合適的界面，其ECC的平均拉伸應變達到2.5%。

隨著研究推進對國產PVA纖維表面通過疏水二氧化硅和納米級石墨改性進行了嘗試，文獻[6]對比了1.2%油劑處理PVA纖維（N-PVAF），疏水二氧化硅（S-PVAF）和納米級石墨改性（G-PVAF）三種方式，如圖1所示，1-1中3幅圖分別是處理后的纖維表面的宏觀視覺形態，可以看到N-PVAF和S-PVAF由于表面處理而變黃，G-PVAF的表面由于均勻涂有納米級石墨而呈黑色。1-2中3幅圖分別是纖維處理后微觀的原子力（AFM）圖像，可以看到N-PVAF的表面相對光滑，S-PVAF改性后纖維表面粗糙度增大。而G-PVAF不僅表面粗糙度更為顯著，而且由于納米級石墨具有天然特性疏水性的特點，故納米尺度的微觀處理改善了PVA纖維的表面結構，使其性能向疏水性纖維轉變，同時顯著增大了纖維表面的粗糙度。

單纖維拔出試驗表明纖維脫粘后出現明顯的滑動-硬化現象，如圖1-3中3幅圖所示。纖維在滑動階段拔出荷載迅速增加，當纖維-基體界面粘結強度超過纖維的抗拉強度，嵌入纖維會斷裂。如前分析，第一個峰值出現是由于纖維完全的脫粘（Gd消失），而且顯著下降的趨勢在N-PVAF的拉拔曲線中更為顯著，即經油劑處理后PVA纖維不能避免刮削損傷或分層。而在S-PVAF和G-PVAF中由于纖維表面改性和粗糙度增大均表現出較低的Gd值和τ0，與油劑處理后的PVA纖維類似，S-PVAF仍可見纖維損傷和分層現象。但是G-PVAF使得界面得到了很好的優化，其控制了摩擦強度τ0。另外由石墨具有良好的潤滑性能，最終G-PVAF中纖維完全拔出，如圖1-4中3幅圖對比所示。形成ECC其拉伸應力-應變曲線均表現出拉伸應變硬化行為，N-PVAF、K-PVAF、S-PVAF和G-PVAF極限拉伸應變分別為1.1%、1.6%、1.7%和2.7%。在同樣水泥基體組分條件下，顯然G-PVAF具備優化的界面性能利于纖維橋接裂縫，因此形成的PVA-ECC其延性更穩定也更大。

3 結語

單纖維拔出試驗現在是細觀層面研究纖維-基體界面性能參數的重要方法，其通過拔出荷載-位移曲線確定界面性能參數如化學粘結Gd、界面摩擦τ等，這些參數對ECC在受荷過程中微觀層面的纖維橋接裂縫的狀態產生重要影響。隨著近幾年研究推進，PVA纖維界面性能處理除了傳統的油劑處理方式取的了一定的進展，同時在物理處理方面如疏水二氧化硅處理，化學處理如酸溶液的縮醛化改性以及陶瓷行業流行的納米級石墨改性也進行了PVA纖維的表面改性嘗試，雖然許多方法仍在試驗階段，但部分取得了較好的效果，因此后續能夠形成一種對PVA纖維表面進行改性可行的生產方式，使其界面性能滿足ECC高延性要求。

參考文獻：

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基金項目： 內蒙古自治區高等學校科學研究項目（NJZY19265）（基于納米壓痕及纖維拔出研究PVA纖維水泥基材料界面性能）

作者簡介： 牛恒茂（1980.4- ），男，漢族，內蒙古烏蘭察布市人，博士，教授，主要從事水泥基復合材料的細觀分析及高性能測試研究