纖維混凝土復合材料的制備及力學性能的研究*

戴 麗，楊 峰，周美容，符仁建

(南通理工學院 建筑工程學院，江蘇 南通 226001)

0 引 言

混凝土誕生100多年來，已經成為非常重要的建筑材料廣泛使用于人們生活的各個領域。隨著社會的不斷進步，超高層建筑、大型混凝土建筑物等對混凝土的要求越來越高[1-3]。而傳統混凝土自身的缺點越來越突出，例如：抗拉強度低、韌性差、脆性高、抗裂能力較低和自重大等[4]。目前，很多研究者聚焦如何提高混凝土的各項性能，使其能夠更好地為社會發展服務，未來高強度、輕質、高韌性的多功能混凝土將成為發展的必然[5-10]。聚乙烯醇纖維(PVA)因具有強度高、模量高、耐磨、比表面積大、抗酸堿和良好的結合力等特點而被廣泛應用于水泥混凝土增強材料、造紙業和布料等方面[11-13]。其中在水泥增強材料方面主要是通過引入聚乙烯醇纖維后，較強的結合力可以使得纖維能與基體形成較好的結合，并且在基體中形成致密的網狀結構，該結構對混凝土裂紋的萌生和擴展產生阻礙作用，且纖維引入后還能使混凝土復合材料保持較高的流動性和自密實性，是一種較好的混凝土改性方式[14-17]。目前對于混凝土的改性研究，多數是通過調整混凝土的配比、原材料和施工方式等實現[18-21]。蔣志光等通過優化配比，得出最優粉煤灰摻量和橡膠粉含量，在最優配合比的基礎上，分析了粉煤灰摻入量對橡膠陶粒柔性混凝土坍落度和強度的影響，發現粉煤灰能較好地改善柔性混凝土的力學性能，在滿足強度需求的基礎上提高了路面的舒適性[22]。劉洋等選用聚乙烯醇(PVA)纖維、超高相對分子質量聚乙烯(UHMWPE)纖維、玄武巖纖維和玻璃纖維增強混凝土制備超高性能混凝土(UHPC)，通過性能測試，選出UHPC改性最佳纖維為PVA纖維和UHMWPE纖維，然后采用Design-Expert專業實驗數據分析軟件，對PVA和UHMWPE混雜纖維設計進行理論模擬，針對目標纖維進行摻量優化設計，得出當12 mm長度的PVA纖維的含量為0.3%(體積分數)、6 mm長度的UHMWPE纖維的含量為0.9%(體積分數)時，目標UHPC的抗折強度、抗壓強度和流動度達到最優佳[23]。鄧明科等研究了聚乙烯醇(PVA)纖維改性高延性混凝土(HDC)的剪切性能，通過雙面剪切試驗，以纖維體積分數和HDC抗壓強度為參數，分析其破壞形態、抗剪強度及峰值變形，結果表明，HDC纖維橋聯作用及纖維拔出過程中吸收了大量能量，試件發生了具有延性特征的剪切破壞，與基體試件和普通混凝土試件相比，HDC試件的抗剪強度和峰值變形均顯著提高，其提高幅度隨纖維體積分數的增加而增大[24]。本文通過引入聚乙烯醇纖維，制備出了一系列不同纖維含量的纖維混凝土復合材料，對該纖維混凝土復合材料的力學性能、流動性能、吸水率等進行測試分析，以獲得最佳纖維摻量的纖維混凝土復合材料。

1 實 驗

1.1 試驗原材料

聚乙烯醇纖維(PVA)：干熱軟化點≥216 ℃，耐熱水性≥98 ℃，南通科嘉紡織纖維制品有限公司，PVA纖維的性能參數如表1所示；硅酸鹽水泥：P.Ⅱ 52.5級硅酸鹽水泥，3和28 d的抗壓強度實測為23和49 MPa，無錫市江淮建材科技有限公司；摻合料：I級粉煤灰和S95礦渣微粉，上海集大實業有限公司；硅灰：SiO2含量為98%，比表面積為2×104m2/kg，無錫市江淮建材科技有限公司；碎石：尺寸約為10～20 mm，壓碎指標為8.2%，無錫市江淮建材科技有限公司；河砂：粒徑約為3～5 mm，表觀密度為2 625 kg/m3，無錫市江淮建材科技有限公司；減水劑：減水率≥25%，山東騰維新型建材有限公司。

表1 PVA纖維的性能參數

1.2 試件制備及配合比

表2為纖維混凝土的配合比。按照表2配合比稱量原料，首先，將石英砂、粉煤灰和水泥按照設計的配合比稱量好放入攪拌機內，均勻攪拌10 min；其次，加入減水劑和水，均勻攪拌5 min后加入礦渣微粉和硅灰；然后，在攪拌過程中加入PVA纖維，加入時要分開纖維，避免打結成團，待纖維完全加入后再攪拌8 min；最后，將上述混凝土注入模具即得纖維混凝土復合材料。

表2 纖維混凝土的配合比

1.3 試驗方法

力學性能測試：將纖維混凝土復合材料試樣制備成尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，按照(GB/T 50081-2002)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，對樣品進行抗壓強度和彈性模量測試，保持0.6 MPa/s的速度勻速加載直至試樣破壞，每組樣品測試3次，取均值為結果；同時對樣品的劈裂抗拉強度進行測試，采用0.06 MPa/s的速度勻速加載直至破壞，每組樣品測試3次，取均值為結果。

流動性能測試：按照(GB/T 50080-2002)《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》，對纖維混凝土復合材料的“坍落度”進行測定，用坍落擴展度徑向長度來表征其流動性能的好壞。

吸水性能測試：按照(DB32/T 3696-2019)《混凝土吸水率測試方法》，對纖維混凝土復合材料的吸水率進行測定，每組樣品測試6次，取均值為結果。

傅立葉紅外光譜測試(FT-IR)：使用日本島津IR Prestige型傅里葉變換紅外光譜儀，KBr壓片制樣，掃描范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為2 cm-1。

2 結果與討論

2.1 纖維混凝土復合材料的力學性能分析

圖1為纖維混凝土復合材料7和28 d的抗壓強度。從圖1可以看出，隨著聚乙烯醇纖維的引入，纖維混凝土復合材料7和28 d的抗壓強度均呈現出先增大后降低的趨勢。當纖維含量2%(體積分數)時，7和28 d的抗壓強度均達到了最大值，分別為45.6和65.7 MPa，相較于未摻雜纖維的混凝土，強度分別提高了15.15%和19.59%；當纖維含量為3%(體積分數)時，7和28 d的抗壓強度均出現了下降。整體來看，摻入纖維后混凝土的抗壓強度均得到了提高，這是因為纖維摻入后會在混凝土中形成三維網狀結構，這種結構會對基體產生支撐效果，且聚乙烯醇纖維可以很好地與混凝土基體結合，當產生應力時，能有效阻止混凝土的開裂，還能阻礙混凝土表面的析水，減少混凝土硬化后期產生的裂縫；其次，聚乙烯醇纖維的比表面積較大，間距較小，可以有效減少混凝土的孔隙，提高基體的密實性，但當纖維含量較多時，過多的纖維在基體中會導致漿體中纖維孔間壁變薄，使得抗壓強度出現下降[25]。

圖1 纖維混凝土復合材料的抗壓強度

圖2為纖維混凝土復合材料的劈裂抗拉強度。從圖2可以看出，隨著纖維摻量的增加，纖維混凝土復合材料的劈裂抗拉強度呈現出先升高后降低的趨勢。當纖維含量為2%(體積分數)時，7和28 d的劈裂抗拉強度達到最大值，分別為3.65和3.97 MPa，相較于未摻雜纖維的混凝土，劈裂抗拉強度分別提高了25%和26.03%。這是因為聚乙烯醇纖維摻入后會與混凝土基體形成較好的結合，且聚乙烯醇纖維具有較大的比表面積可以聚集大量的水化產物，纖維與混凝土之間具有大的粘結力，從而大大提高了混凝土復合材料的劈裂抗拉強度。

圖2 纖維混凝土復合材料的劈裂抗拉強度

圖3為纖維混凝土復合材料的彈性模量。從圖3可以看出，隨著纖維摻量的增加，纖維混凝土復合材料的彈性模量呈現出先增大后降低的趨勢。當纖維含量為2%(體積分數)時，纖維混凝土復合材料的彈性模量達到最大值為26.2 GPa，相較于未摻雜纖維的混凝土增大了7.82%；當纖維含量為3%(體積分數)時，纖維混凝土復合材料的彈性模量出現了下降。這是因為聚乙烯醇纖維自身具有較高的彈性模量，當適量的聚乙烯醇纖維摻入到混凝土中后，不僅能夠有效抑制裂紋的擴展，還能通過纖維本身將應力進行有效傳遞，并且部分應力會分散在纖維上，這樣在混凝土基體中就不會出現過大的應力集中，從而有效提升了纖維混凝土復合材料的彈性模量。但過量的聚乙烯醇纖維會在混凝土中形成團聚，造成應力集中，反而會降低彈性模量。

圖3 纖維混凝土復合材料的彈性模量

2.2 纖維混凝土復合材料的流動性能分析

圖4為纖維混凝土復合材料的坍落度。從圖4可以看出，隨著纖維摻量的增加，纖維混凝土復合材料的坍落擴展度徑向長度逐漸降低，說明纖維摻入后導致了混凝土復合材料的流動性減小。當纖維含量為3%時，坍落徑向長度最小為585 mm，依舊在500 mm之上，說明適量纖維的摻入不會對混凝土復合材料的流動度造成太大影響。

圖4 纖維混凝土復合材料的坍落度

2.3 纖維混凝土復合材料的吸水性能分析

圖5為纖維混凝土復合材料的吸水率。從圖5可以看出，隨著聚乙烯醇纖維摻量的增加，纖維混凝土復合材料的吸水率呈現出先降低后升高的趨勢。當纖維含量為2%(體積分數)時，纖維混凝土復合材料的吸水率最低為22.1%，這是因為聚乙烯醇纖維摻入后在混凝土基體中會形成良好的網狀薄膜，提高基體整體致密性，其次纖維會分布于混凝土基體的孔隙中，這樣會導致混凝土的孔隙和微裂紋被堵塞，從而導致混凝土的吸水率下降；當纖維含量為3%(體積分數)時，纖維混凝土復合材料的吸水率升高到22.8%，這可能是因為纖維含量較多時，在混凝土基體中分布不均勻，使得部分網狀結構的致密性變差，從而導致了吸水率出現輕微上升。

圖5 纖維混凝土復合材料的吸水率

2.4 纖維混凝土復合材料的FT-IR分析

圖6為纖維混凝土復合材料的FT-IR圖。從圖6(a)可以看出，聚乙烯醇纖維在850和1 090 cm-1處出現的吸收峰為C-C吸收峰和C-O吸收峰。從圖6(b)可以看出，在纖維摻雜2%(體積分數)的混凝土復合材料中，Al-O峰已不存在，且1 420 cm-1處的Si-O峰強度減弱，可見聚乙烯醇纖維明顯影響了水化反應，阻礙了Ca2+在基體中的擴散，說明聚乙烯醇纖維在基體中形成了致密的薄膜網狀結構，使得混凝土復合材料的各組分之間的連接能力增強，對于韌性和強度都有明顯提高。從圖6(c)可以看出，未摻雜纖維的混凝土在710 cm-1處的吸收峰為Al-O峰，870 cm-1處的吸收峰為Ca-O峰。由此可知，適量的纖維摻雜能夠提升混凝土材料的韌性和強度。

圖6 纖維混凝土復合材料的FT-IR圖(a為聚乙烯醇纖維，b為纖維摻雜2%(體積分數)，c為未摻雜纖維的混凝土)

3 結 論

(1)隨著聚乙烯醇纖維的引入，纖維混凝土復合材料7和28 d的抗壓強度、劈裂抗拉強度均呈現出先增大后降低的趨勢，當纖維含量2%(體積分數)時，7和28 d的抗壓強度達到了最大值，分別為45.6和65.7 MPa；7和28 d的劈裂抗拉強度也達到最大值，分別為3.65和3.97 MPa。

(2)隨著纖維摻量的增加，纖維混凝土復合材料的彈性模量呈現出先增大后降低的趨勢。當纖維含量為2%(體積分數)時，纖維混凝土復合材料的彈性模量達到最大值為26.2 GPa。

(3)隨著纖維摻量的增加，纖維混凝土復合材料的坍落擴展度徑向長度逐漸降低，說明纖維摻入后導致了混凝土復合材料的流動性減小。當纖維含量為3%時，坍落徑向長度最小為585 mm，說明摻入適量纖維后混凝土復合材料的流動度很好。

(4)隨著纖維摻量的增加，纖維混凝土復合材料的吸水率呈現出先降低后升高的趨勢。當纖維含量為2%(體積分數)時，纖維混凝土復合材料的吸水率最低為22.1%。

(5)FT-IR分析可知，當纖維含量為2%(體積分數)時，纖維混凝土復合材料中Al-O峰已不存在，且1 420 cm-1處的Si-O峰強度減弱。說明聚乙烯醇纖維在基體中形成了致密的薄膜網狀結構，使得混凝土復合材料的各組分之間的連接能力增強，對于韌性和強度都有明顯提高。

綜合以上分析可知，當聚乙烯醇纖維的含量為2%(體積分數)時，纖維混凝土復合材料的各項性能最優。