高強(qiáng)度高彈模PVA纖維增強(qiáng)高性能水泥基材料的韌性摘要：采用低摻量（纖維體積率為1％～2%）的高強(qiáng)度高彈模聚乙烯醇纖維（簡稱PVA纖維）進(jìn)行延性纖維基材料韌性的研究，研究并分析了材料組成參數(shù)（PVA纖維體積率、纖維長徑比、界面改性劑和砂灰比等）對高強(qiáng)度高彈模PVA纖維增強(qiáng)水泥基材料韌性的影響。結(jié)果表明，使用高強(qiáng)度高彈模PVA纖維以及通過材料組分優(yōu)化，可以在低體積率下得到高韌性水泥基復(fù)合材料，凹土可以做為PVA纖維的一種界面改性劑。關(guān)鍵詞：水泥基材料；聚乙烯醇纖維；韌性；凹凸棒土0前言現(xiàn)代混凝土常用纖維來實(shí)現(xiàn)混凝土的增強(qiáng)增韌阻裂。采用鋼纖維、玻璃纖維這些纖維來增韌，通常在較高的纖維體積率下才能發(fā)揮較大作用，而采用聚丙烯等有機(jī)纖維雖然可增韌，但強(qiáng)度往往降低[1]。聚乙烯醇（PVA）纖維分散性好、密度小、與水泥粘結(jié)性好、親水、無毒，尤其是高強(qiáng)高彈聚乙烯醇（PVA）纖維具有較高的彈性模量，并且纖維具有高的比表面積，按照Romualdi等人提出的纖維間距理論[2]，這種纖維應(yīng)可起到較好的增強(qiáng)與增韌作用，因而引起了研究者們的興趣。V.C.Li[3]從理論上分析了PVA纖維復(fù)合材料的實(shí)現(xiàn)方法，并成功地制作出了高韌性的PVA-ECC材料。Li[4]還指出其實(shí)現(xiàn)的一個關(guān)鍵因素是改善纖維與基體的界面粘結(jié)，并在纖維表面涂履一層油劑來改善界面。Peled[5]和Redon[6]也提出用粉煤灰來改善界面的方法。本文的研究工作是以在低纖維體積率的情況下實(shí)現(xiàn)水泥基材料的增強(qiáng)與增韌為目的，系統(tǒng)研究了纖維體積率、長徑比、砂灰比對材料韌性的影響。同時，還考察了用凹土棒粉來做為界面改性劑的應(yīng)用效果。1原材料與試驗(yàn)方法1.1試驗(yàn)原材料選用的細(xì)骨料為安徽舒城產(chǎn)河砂，表觀密度為2.655g/cm3，堆積密度為1400Kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.68，中粗砂，級配為Ⅱ區(qū)，含泥量為1.05%，含水率為2.26%。水泥選用安徽巢湖散兵水泥廠制造的巢湖石牌42.5級普通硅酸鹽水泥。纖維選用一種國產(chǎn)高強(qiáng)高彈聚乙烯醇（PVA）短纖維，直徑為14μm，長度選用5mm和4mm兩種。超細(xì)粉煤灰為安徽淮南平圩熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰。硅灰為挪威?？蠂H貿(mào)易有限公司生產(chǎn)，平均粒徑為0.15μm，密度為2.2g/cm3，堆積密度為222kg/m3。凹土是一種具有特殊微觀結(jié)構(gòu)的礦物，具有特殊的鏈層結(jié)構(gòu)以及十分細(xì)小的棒狀、纖維狀晶體，比表面積較大，表現(xiàn)出外在的強(qiáng)吸附性和膠體性。本研究采用的是安徽明光200目焙燒凹凸棒土，比表面積為300～400m2/g。減水劑：高效減水劑FE-100。采用潔凈的自來水。試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了五個系列的試驗(yàn)，分別考察纖維摻量、纖維長徑比、A粉摻量和砂灰比對高性能砂漿韌性的影響。同時利用環(huán)境掃描電鏡觀察抗折試件的斷面，研究凹凸棒粉對纖維界面顯微結(jié)構(gòu)的影響。表1抗彎韌性試驗(yàn)試件搬試驗(yàn)系列訴考察因素電試件編號丟配合比猜系連列掏1兵纖維體積熊率紡F翻1塵0虧0卻、夢F逐1權(quán)0矮6視、慰F諒1歸1爺2怪、看F址1要1研8利、況F換1堆24炎凹凸棒粉籌：烏0.6獅%霞，水膠亦比凱0.32鏡系苗列餅2急纖維體積橋率嗽F犁3留1殃5冰、谷F刃3云18藝凹凸棒粉階：遣1.5籌%港，水膠蹤比設(shè)0.35俊系扁列他3譜長徑比亮F拉2尼0幕0群、肺F菠2淡1浮5凡、峰F仿2蔬1昨8業(yè)、聚f1身5黃、圣f18態(tài)凹凸棒粉河：式0.6術(shù)%姐，水膠乖比婚0.35填系逢列市4蓄砂灰比頸S0臘6點(diǎn)、少S1闊0額、紙S14恒V摧f記：覽0.6%哀,輛纖維長安度漢5mm儉系邪列壇5顛凹土摻量捐A00渠、犬A0趁6聚、杰A12遭V教f爽：漸0.5%綱，攏水膠側(cè)比館0.3膽2吐，纖維長倘度據(jù)5mm注：各試件的膠凝材料相同，為水泥72%，硅灰8%，超細(xì)粉煤灰20%試件編號規(guī)則，F(xiàn)系列摻加的纖維長度為5mm，f系列摻加的纖維長度為4mm,F和f后面的數(shù)字表示纖維體積率，如06表示纖維體積率為0.6％，A系列采用不同的凹土摻量，A后面的數(shù)字表示凹土摻量，如06表示凹土與膠凝材料的質(zhì)量比為0.6％，S系列采用不同的砂灰比，S后面的數(shù)字表示具體的砂灰比數(shù)值，如06表示砂與膠凝材料的質(zhì)量比為0.6。1.3成型工藝所有試件采用3聯(lián)砂漿試模制備，尺寸40mm×40mm×160mm，試樣的成型有針對性地采用了兩種不同制備工藝。該試驗(yàn)采用的PVA纖維直徑細(xì)小，且具有親水性，在攪拌過程中的分散性好，所以均采用纖維后摻法。下列工藝中括號中的材料為高性能材料的用量。（a）:凹土+砂+水泥（+粉煤灰+硅灰）拌1分鐘→水拌1分鐘→消泡劑+減水劑拌3分鐘→振動10秒榮（封b慶）兇:析冊凹結(jié)土版+向砂島+傅水泥層（磨+編粉煤兆灰吃+戶硅灰）貌拌遍1統(tǒng)分責(zé)鐘影→嘆水分拌拜1耐分裝鐘由→誰消泡渴劑轟+輪減水劑腎拌回1尋分暫鐘鞋→拿纖維悠拌厲5信分巾鐘機(jī)→燒振動物10互～深4良0剪秒鬼不摻纖維烤的采用工霧藝?yán)╝機(jī)，摻纖維猜的采用工閣藝評b冤。成型后厲的試件在濁標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)六箱（濕肌度奔9倦8喂％趕±1裂%蘇，溫漆度菜2旨0駱℃拍±憲2棄℃輕）中養(yǎng)護(hù)悔到預(yù)定齡貫期后，取泳出擦去表大面水分，賴并立即進(jìn)舉行相應(yīng)試握驗(yàn)。試驗(yàn)方法機(jī)采用長春吃試驗(yàn)機(jī)研懸究所生產(chǎn)泛的孩CSS4域430秩0距型電子萬洪能試驗(yàn)機(jī)拖進(jìn)行抗彎景韌性試驗(yàn)僅，各試件悅詳見冠表羞1側(cè)。利用彎埋曲韌性來福測定材料鐮的韌性性羞能。本次洋試驗(yàn)。首漂先飽調(diào)整支座尊間距，剛香性支座兩毅支點(diǎn)間的框距離調(diào)整楚為溜12積0桑㎜，并固呼定，試件午在下支座初的兩邊各啞露稼出出2丘0賺㎜，試件酬的上支座帳為試件兩聚個下支點(diǎn)回間的三分懇點(diǎn)處。試蔽驗(yàn)在初裂茶前的加荷處速度年為族0.03夸kN/s畢，初裂后粒的撓度變裹化速度范為鈔0.03哭mm/m訊i堡n貨。采畏用神ASTM碎C10健1掩8覆進(jìn)行纖維圈混凝土彎復(fù)曲韌性的隨測定以及桶試驗(yàn)數(shù)據(jù)采的分析，狹并采鏟用粉JC鍬I邀彎曲韌性元系數(shù)法進(jìn)宣行比較。補(bǔ)試驗(yàn)結(jié)果許與分析試驗(yàn)結(jié)果竟圖獎2叉睡纖維摻量鉆對韌性的欣影響（一擾）況史囑協(xié)趕圖暗3李纖維摻量前對韌性的示影響（二捎）竄圖肅4非奇纖維長徑智比對韌性曠的影地響紀(jì)寶溜串訪電國圖絕5攀準(zhǔn)砂灰比對膀韌性的影表響逆2.2嘴喜纖維體積至率和長徑父比的影響指圖距6川不同纖維遲體積率下嬌的韌度指防數(shù)曾潮搜洞智圖上7取擔(dān)不同纖維仍長度下的梨韌度指數(shù)央（一）瓦圖囑8窯笨不同纖維冤長度下的途韌度指數(shù)什（二）幅纖維增強(qiáng)坦水泥基復(fù)湖合材料的熱增強(qiáng)增韌受需實(shí)現(xiàn)材沖料的應(yīng)變捷硬化與多京縫開裂，件纖維體積狐率達(dá)到臨拼界體積率助，水泥基弟材才能實(shí)例現(xiàn)多縫開尾裂。具從高性昂能梁PV訴A蔑纖維砂漿勺的抗彎荷謎載－撓度茂曲線（筐圖附2當(dāng)）可以看包出：曉≤百1.2治%氏時，曲線裂出現(xiàn)軟化特現(xiàn)象；性≥偉1.8紹%鍵時，曲線他出現(xiàn)硬化吳現(xiàn)象?？捎芤姼咝跃I能奉PV嫂A璃纖維水泥必砂漿纖維影的臨界體祖積率介致于省1.2亦%帶與兵1.8瓦%炒之間。境Romu邁ald盞i現(xiàn)和蜻M(jìn)and涼e捉l震針對亂向妖短鋼纖維棕增強(qiáng)混凝陡土提出纖滔維間距理孤論牲[2叉]汗，認(rèn)為：阻在水泥基褲體內(nèi)部存像在不同尺氧度層次的滑孔隙和缺們陷，造成功應(yīng)力集中稅，為了增豈強(qiáng)水泥基套材料的強(qiáng)矮度就必須跪減少與縮參小裂縫源綱的尺寸和拐數(shù)量，緩恰和應(yīng)力集方中程度，執(zhí)提高抑制兔裂縫引伸醉與發(fā)展的夕能力，在辨水泥基體脫中摻入纖緒維將發(fā)揮蠅約束裂縫歌引發(fā)與擴(kuò)率展的作用別，如果纖涌維間距越賣小，則對知緩和裂縫朽尖應(yīng)力集椅中程度越百大，從而逆強(qiáng)度和韌痕性相應(yīng)提重高頑。隙Romu陸ald斥i耽和初Mand濤el[2卷]段由該理論齡得出反的手FR遠(yuǎn)C助纖維間距輝計(jì)算公式俱：螺式中年，桶S漠為纖維間腐距，然為纖維直通徑，籌為纖維體睡積百分率奉。根據(jù)該由理論，纖烘維直徑一米定的情況屢下，纖維論體積率越握大，纖維呆間距越小辟，所以纖晨維增強(qiáng)水扮泥基材的性韌性隨著影纖維體積急率的增加盒而增加。拾楊東寧從[7]涉和彭定超循[8廁]栗的研究結(jié)標(biāo)果都表明慢PV折A融纖維混凝豎土梁的韌秀性要比普鴨通混凝土?xí)沉侯^高工,哨且隨纖維芬含量的增扯加而增大蜂。本文也潛做出了同鳴樣的結(jié)果不，義分析巡圖剪2唐及牛圖堤3何抗彎荷輸載燙-晌撓度曲線野尾部情況略及澇圖足6奴，不難發(fā)嘩現(xiàn)：纖維叨水泥基材參料的抗彎豪韌度指數(shù)句（或韌度司系數(shù)）隨慶增大而提鼻高，隨彎園曲撓度增灣大而增大談。試驗(yàn)結(jié)時果與纖維陳間距理論畏的分析也大是一致的派。滅從驅(qū)圖枝7預(yù)、摸圖驕8山可以看出錯，纖維體毯積率乞?yàn)槭?.軋5笛％時，長霉徑比增大逢，韌性略上有降低。峰而纖維體凍積率街為立1.喉8板％時，相穴對摻加短尖纖維的試勻件，摻加閱長纖維的寸試件略的延AST栗M壯韌性指數(shù)斥增促加淚1駁7仗％符，福JC鏡I罵韌性指數(shù)愈增妨加洽1冊2華％。纖維是體積率煉從盈1.健5碑％增加撕到控1.模8燃％，摻短呢纖維的試貧件的韌性郊變化很小烏，而摻長惡纖維的試闊件化的慈AST池M奇韌性指數(shù)穴增些加誤2園2獅％釘，睬JC費(fèi)I僻韌性指數(shù)盜增由加偽1假6?。?，由此那可見，長逢徑比增大顯，父PV賊A轟纖維的增腐韌效果增辛強(qiáng)。昌2.3獅臘砂灰比（哈或砂膠比霉）的影響馬圖詳9辭院不同砂灰摘比下的韌晚度指數(shù)丹分析砂膠膏比對高性讀能企PV潤A熄纖維砂漿那（壞V分f他＝永0.6%擾,l妹f恐＝賣5m愿m隊(duì)）的抗彎住荷載－撓袋度曲線（緣圖艦4迫）影響作先用，可以滿得出：砂拋膠比提高的，纖維材乘料的初裂子強(qiáng)度提高眾，曲線斜浴率增大，焰材料的彈閘性模量增偶大；曲線即出現(xiàn)軟化串現(xiàn)象；搭圖耀9倒表明砂膠嫂比提高，低高強(qiáng)高喊彈銹PV偵A悲纖維增強(qiáng)挺水泥基材雪料療的敬AST殺M慎彎曲韌度屆指菌數(shù)昌I相5唯和層JC爽I賓韌性系數(shù)硬均顯著降待低，材料陰韌性降低鞭。踢界面改性旋劑（凹土波）的影響珠L猛i美與注W許u污等根據(jù)細(xì)快觀力學(xué)理炒論，認(rèn)為繩在纖維體奴積率不高找的情況下幸，用高模坑量合成纖李維欲制成風(fēng)高抗拉強(qiáng)偏度、高延娛性與高韌番性的纖維蝶水泥基材鉆料，關(guān)鍵著在于設(shè)法快強(qiáng)化此種食纖維與水睛泥基材的展界面，因刷此本文通北過絨SE校M竊觀撐察闖PV躁A癥纖維界面冠的顯微結(jié)罵構(gòu)，研究粱了凹土?xí)侾V癢A堤纖維界面幕的影響。戚從事圖毀1敵0性可以看出巴，纖維材爬料手JC告I層抗彎韌度碼系數(shù)提高榴了楚36沸%機(jī)（凹土摻忘量句為鑼0.6陷%播）圈和羞26挎%澇（凹土摻辛量哲為膊1.2怠%灶），悉而聯(lián)AST轟M低抗彎韌度杜指數(shù)相應(yīng)遙提高含了闖7.5棒%溫，抗彎強(qiáng)額度也相應(yīng)誼提高?？梢艘?，凹土縱摻入對高練性能纖維充水泥基材香料有增強(qiáng)其和增韌雙期重效應(yīng)，價但是凹土寺?lián)搅恳m為桿1.2惱%爬時脈，逗JC特I古韌性指數(shù)飽又有所下男降，所以歷凹土的摻欠量有一優(yōu)胡化范圍。雹從高性房能勿PV仿A餅纖維水泥配基材料抗包折界面勤的掏SE某M良照片（丑圖前1脖1煤）可以看敬出：添高性能素雪水泥基材訓(xùn)料中，雖帝然境S錫F會和字UF唐A低的微觀填蔽充作用使稱水泥基材榮料的顆粒炸分布更加叛均勻，但篩是界面中解仍存在明岔顯的陰暗償區(qū)，界面騰上水泥砂斑漿的孔隙宮很少，孔逐徑贈在孟2栗0豎μ膨m興左右（煮圖嫁11a拋）媽；霜少量凹土籮（咸0.2綿%浸）茄的摻入使栗顆粒分布紗較均勻，篩圖中出現(xiàn)瞇許多均勻訓(xùn)分布的白艷色細(xì)小顆叛粒（凹土拼顆粒），喬界面的陰限暗區(qū)比嘩圖糞11貫a趟有所減小冬（替圖談11價b督）；試亦樣噸3豎中凹土摻趴量較大時下，材料的態(tài)顆粒細(xì)小稈，思材料中沒劃有明顯的滔塊狀顆粒教，界面幾飄乎不存在社陰暗區(qū)，盤材料的勻睜質(zhì)性較好襪，由臂圖炮11技c謀可以看出粥凹土的聚喚集體在材渡料中的分寨散非常均胡勻，能夠論較好地發(fā)糾揮其填充狀作用。伐SE隆M緞?wù)掌屑暗慕缑娲髴置娣e的陰畢暗區(qū)是拍貴攝平面存淡在較大孔拉洞造成的蝕。因此凹斃土的摻入謝及摻量增北大，能減姿小界面陰渴暗區(qū)的尺獸寸，填充覆對結(jié)構(gòu)不攀利的大型藏孔洞，從跌而提高纖腿維材料的碗密實(shí)性。慎這種作用能的結(jié)果必栗然使界面剩細(xì)化，界魔面數(shù)量增西多拳,附從而使纖根維在拔出澆的過程中郊消耗更多旗的能量，增因此材料綠的韌性增示強(qiáng)。鑼圖錄10縱足不同凹土態(tài)摻量下的款韌度指數(shù)假圖孫11妄樂不同凹土病摻量下的補(bǔ)纖維界面管微觀形貌望凹土摻量蕩為芒(a)0躍%嚇（蠻×30挨0以）勤；涂(b)漠0.2辨%右（歉×30娃0藍(lán)）姐；膜(c)1者.5遣%屆（示×30凱0射）報2.5嫌蒙不同韌度載測定方法推的影響掙與美國姐的賓AST抗M贊方法比現(xiàn)較即,拾日本麻的棒JC宣I斯方法更適依合表述低謊摻量合成施纖維混凝銷土的抗彎該韌性。美觀國開AST咸M雞方法中提蓋出的梁初攔裂點(diǎn)不容撇易合理確竿定門,烏要測得穩(wěn)果定的載跡荷挨~玻撓度全曲刪線對試驗(yàn)激機(jī)的要求赴很高。用辰日本方法駁即使沒有悲測得穩(wěn)定辟的下降過館程也能近善似求得等首效抗彎強(qiáng)百度及韌招性卡,加對初裂點(diǎn)擴(kuò)撓度沒有喚要求。關(guān)拔于韌性評憐價方法也婆值得進(jìn)一掛步研究。結(jié)論書摻僵入離1能％康到按2胞％杏的倘PV曲A牙纖維可以述明顯提高同水泥基材惑料的韌性鑰，實(shí)現(xiàn)水厘泥基材的熱應(yīng)變硬化結(jié)和多縫開憐裂。股隨著纖維框體積率的次增大、砂證灰比的減慈小，高強(qiáng)員高迎彈見PV庸A訂纖維增強(qiáng)龍水泥基材謙料的韌性流提高。凹減土改善了麥纖維與基打體的界面哈，從而也硬改藏善賤PV煉A銹纖維增強(qiáng)正水泥基材猴料的韌性索，但摻量惕有一個最羽佳值。較翁高的長徑翅比余對孔PV嚴(yán)A蓄纖維增強(qiáng)硬水泥基材戀料韌性有蛾較好的改芝善作用。有[滾參考文獻(xiàn)剝]希[1]短Fuku范yama丘H惜,融Sato摸Y莊,肢LiV賞C極,踏eta柿l肅.Duc客tile辛Eng賤inee摧red母Ceme若ntit私ious捐Com恨posi配tes芽Elem釋ents藥for戚Sei徐smic飼Str允uctu庫ral蹲Appl垃icat泡ion算[A].發(fā)In誕:咳Proc拳eedi良ngs搏oft醋he1尚2WC險EE洪[C]下,竹2000已.口[2]辨Romu岔aldi酒JP況,Man假del劫JA.裁Tens邀ile改Stre莖ngth巖of蜜Conc妨rete餡Aff秀ecte成dby石Uni咱form粥Dis拼trib巾uted希and父Col牛sely酬Spa蹈ced爸Shor濕tLe腐ngth捏sof總Wir篇eRe致info爬rcem策ent.躺ACI阻Jou決rnal襲,Pro攏ceed胞ings胞,196特4,61椒(6):潛657-青670異[3]L信iV訂C,Ba篇cker襖S,W楚ang尸Yet肝al.掛Toug防hene辟dBe吹havi沉ora籮ndM腐echa慈nism絕sof罰Syn傘thet盾icF謊iber嶄Rei畏nfor蝴ced斃Norm練alS選tren支gth附and彈High懶Str煎engt午hCo踢ncre感te.于In:泛Swam期yR膚N,B索arr近Bed偉s.F允iber踢Rei肚nfor那ced晃Ceme浴nts右and號Conc啄rete舟s:R訓(xùn)ecen扮tDe嘗velo勸pmen皇ts.1礦989.旋Lond饅on:革Else冷vier降A(chǔ)pp侮lied竹Sci冰ence挑,42愈0-43晉3閘[4]坑LiV京C,W嫂uC私,駝Wang扇Shun慚xin羞,墊eta財l雷.Int丘erfa悠ceT顧ailo酒ring動for琴Str舅ain-寺Hard租enin遲gPo墨lyvi擁nyl來Alco彎hol-贈Engi灘