黃東升　高繼祥　代小兵　李博　賴家林

摘 要：PVA纖維水泥基材料作為一種高性能混凝土建筑材料，由于具有良好的力學(xué)性能和耐久性能，在工程領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注和使用。為了深入的了解PVA纖維水泥基復(fù)合材料的特性及更好的應(yīng)用于實(shí)際工程，科學(xué)工作者對PVA纖維水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐久性進(jìn)行了一系列的研究，本文系統(tǒng)介紹了國內(nèi)外對于PVA纖維水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能和耐久性研究的情況。

關(guān)鍵詞：PVA纖維；水泥基材料；力學(xué)性能；耐久性

0 引言

在水泥基體中加入纖維是提高混凝土的韌性、耐沖擊及耐收縮斷裂性的有效途徑。合成纖維混凝土的研究及應(yīng)用開始于20世紀(jì)60年代，70年代獲得了較大發(fā)展。由于合成纖維能有效地控制水泥砂漿及混凝土的非結(jié)構(gòu)裂縫，80年代已被大規(guī)模地應(yīng)用于新建工程和修補(bǔ)工程。傳統(tǒng)纖維水泥基復(fù)合材料抵抗拉應(yīng)變的能力普遍不高，近年來為改變這種脆性的研究取得了一些成果，大都集中在纖維摻量方面。雖然這樣做可以增加材料的斷裂韌性，但增加了成本，而且給施工帶來了不便。近年來隨著研究的進(jìn)步，一種高強(qiáng)度、高彈模的聚乙烯醇纖維成為比較理想的替代品。

1 PVA纖維水泥基材料力學(xué)性能

聚乙烯醇（ PVA ）纖維是一種具有高抗拉、高彈模，親水性好，特別是與波特蘭水泥有良好的相容性等特點(diǎn)的新型纖維.薛會青等利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的單軸拉伸性能和彎曲韌性。試驗(yàn)結(jié)果表明：PVA纖維具有良好的阻裂增韌效用，能夠顯著提高水泥基復(fù)合材料的抗裂性能和變形能力；PVA 纖維可明顯改善混凝土彎曲韌性，且PVA 纖維混凝土的彎曲韌性指數(shù)明顯高于聚丙烯（ PP）纖維混凝土。

PVA纖維具有化學(xué)纖維共有的優(yōu)點(diǎn)，且價格相對較低，彈性模量高，但由于其在水泥混凝土領(lǐng)域的研究非常少，因此遠(yuǎn)未得到充分利用。王永波等通過對PVA纖維和混凝土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)PVA纖維可有效地改善水泥基材料的抗裂性能，因此可在建筑工程中，有效地提高砂漿及混凝土的抗裂能力；PVA纖維的加入有效地改善了水泥混凝土的韌性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示提高值可達(dá)67%以上。

詹炳根等采用低摻量（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。結(jié)果表明，隨著纖維體積率的增大及砂灰比的減小，高強(qiáng)高彈PVA 纖維增強(qiáng)水泥基材料的韌性提高。凹土改善了纖維與基體的界面，從而也改善PVA 纖維增強(qiáng)水泥基材料的韌性，但摻量有一個最佳值。較高的長徑比對PVA 纖維增強(qiáng)水泥基材料韌性有較好地改善作用。

王有凱等對PVA 纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（ PVA - Fiber Reinforced Cementitious Composites，以下簡稱PVA - FRCC） 進(jìn)行了四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，得到荷載- 撓度曲線， 結(jié)果表明，PVA - FRCC 較基體混凝土的變形能力得到顯著改善，由突然的脆性破壞變?yōu)榫哂休^好韌性的延性破壞，破壞時出現(xiàn)多縫開裂現(xiàn)象。

高模量的聚乙烯醇纖維可代替鋼筋增強(qiáng)水泥基材料的韌性，使其呈現(xiàn)假應(yīng)變硬化和多縫開裂的特征，從而改善結(jié)構(gòu)的耐久性。陳雪等通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得出不同配比下纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（ECC） 的抗彎曲特性。結(jié)果表明，水灰比越大，ECC的抗彎強(qiáng)度越小，但水灰比小，會降低基體流動性能，不利于施工操作；隨著纖維質(zhì)量分率的增大，ECC的抗彎性能先增后降，纖維的長徑比越大，彎曲性能越好。

2 PVA纖維水泥基材料力學(xué)性能及耐久性

凍融、鹽侵蝕等因素是導(dǎo)致混凝土及其他水泥基材料和結(jié)構(gòu)性能退化和服役壽命縮短的重要因素。。Mehta1 在總結(jié)50 年來混凝土耐久性的研究進(jìn)展時指出：“當(dāng)今世界混凝土破壞原因，按重要性遞減順序排列是：鋼筋銹蝕、凍害、腐蝕作用”。因此，改善混凝土的抗凍性對提高其耐久性意義重大。

劉曙光等分析了PVA 纖維水泥基復(fù)合材料在鹽凍環(huán)境下的損傷原理及特性，進(jìn)行了壽命預(yù)測。（1）PVA 纖維水泥基復(fù)合材料鹽凍環(huán)境下的損傷是由靜水壓力和滲透壓力產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力而引發(fā)的，其破壞過程是靜水壓力和滲透壓力反復(fù)作用下材料內(nèi)部損傷積累的結(jié)果。（2）基于損傷力學(xué)提出的混凝土損傷模型Er=1+bN+0.5cN2 適用于PVA 纖維水泥基復(fù)合材料，具有較高的擬合精度。模型的驗(yàn)證可為進(jìn)一步研究凍融環(huán)境下PVA 纖維水泥基復(fù)合材料的損傷規(guī)律以及壽命預(yù)測提供依據(jù)。（3）纖維體積摻量為1.5%的PVA 纖維水泥基復(fù)合材料具有較好的抗鹽凍性能。

周在權(quán)等為研究PVA 纖維對水泥基復(fù)合材料收縮開裂性能的影響，通過圓環(huán)收縮試驗(yàn)對纖維含量分別為0%，0.75%，1.5%的SHCC 砂漿粉和纖維含量為0.9%的PVA 增強(qiáng)混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，PVA 的摻入明顯改善了砂漿抗干燥收縮的能力，SHCC 呈現(xiàn)出多裂縫開裂，且最大裂縫寬度都控制在0.1mm 以內(nèi)。從收縮應(yīng)變和最大裂縫寬度來看，PVA 增強(qiáng)混凝土明顯優(yōu)于一般混凝土。2

劉曙光等通過氯鹽環(huán)境中的快速凍融試驗(yàn)研究了纖維體積率、凍融循環(huán)次數(shù)、粉煤灰、硅粉對聚乙烯醇（PVA）纖維水泥基復(fù)合材料抗鹽凍性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：PVA纖維的摻入可明顯改善水泥基復(fù)合材料的抗鹽凍性能；PVA纖維在基體中分散性較好，且與水泥基體界面結(jié)合狀況較好；而粉煤灰、硅粉的摻入未明顯改善PVA纖維水泥基復(fù)合材料的抗鹽凍性能。

水在PVA 纖維水泥基復(fù)合材料中的滲透性一定程度上決定PVA 纖維水泥基復(fù)合材料的劣化速度?；谶_(dá)西定律，劉曙光等在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，推導(dǎo)得出水在PVA 纖維水泥基復(fù)合材料中滲透系數(shù)的計(jì)算模型。研究結(jié)果表明，1）PVA 纖維可以明顯提高水泥基復(fù)合材料的抗?jié)B性能；2）粉煤灰和硅粉的摻加降低了PVA 纖維水泥基復(fù)合材料的抗?jié)B性能。

3 結(jié)語

由上述各位科學(xué)工作者的科學(xué)成果中可以知道：

1）在力學(xué)性能方面：PVA纖維具有良好的阻裂增韌效用，能夠顯著提高水泥基復(fù)合材料的抗裂性能和變形能力； PVA 纖維可明顯改善混凝土彎曲韌性，且PVA 纖維混凝土的彎曲韌性指數(shù)明顯高于聚丙烯（ PP）纖維混凝土。有效地提高砂漿及混凝土的抗裂能力；較高的長徑比對PVA 纖維增強(qiáng)水泥基材料韌性有較好地改善作用。PVA纖維的加入可以是混凝土突然的脆性破壞變?yōu)榫哂休^好韌性的延性破壞，破壞時出現(xiàn)多縫開裂現(xiàn)象。

2）在耐久性方面：PVA纖維的加入可以使水泥基復(fù)合材料具有良好的抗鹽凍性能；PVA 的摻入明顯改善了砂漿抗干燥收縮的能力；PVA 纖維可以明顯提高水泥基復(fù)合材料的抗?jié)B性能；粉煤灰和硅粉的摻加降低了PVA 纖維水泥基復(fù)合材料的抗?jié)B性能。

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