常洋銘，楊威龍，付 豪

（華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院 河南 鄭州 450045）

0 引言

纖維水泥基的研究至今已經(jīng)比較成熟，但還是有著韌性低、抗拉強(qiáng)度低、易出現(xiàn)裂紋且無(wú)法恢復(fù)、脆性破壞等缺陷。為解決這些問(wèn)題，專家學(xué)者進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，袁小亞等[1]、孫斌斌等[2]發(fā)現(xiàn)將聚乙烯醇（properties of polyvinyl alcohol，PVA）纖維加入水泥基材料中對(duì)其抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度提升效果顯著，并且對(duì)耐久性也有顯著的改善。結(jié)合實(shí)際建筑工程中的材料性質(zhì)需求，基于材料的微觀力學(xué)性能設(shè)計(jì)方法，LI等[3]從微觀結(jié)構(gòu)角度對(duì)水泥基材料進(jìn)行改性調(diào)整，研究開(kāi)發(fā)出了超高韌性水泥基復(fù)合材料。首先確定纖維原材選取，以亂向短纖維僑聯(lián)法為理論研究基礎(chǔ)，通過(guò)材料性能驅(qū)使的設(shè)計(jì)方法與材料的微觀機(jī)理，基于纖維與漿體之間的黏結(jié)能力，通過(guò)高等數(shù)學(xué)分析工具，進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備出了超高韌性水泥基復(fù)合材料（engineered cementitious composites，ECC），ECC有著明顯多縫開(kāi)裂與拉伸應(yīng)變特征。陳潤(rùn)鋒等[4]、王玉清等[5]、楊才千等[6]對(duì)ECC主要從拉應(yīng)力-應(yīng)變、抗沖擊韌性、彎曲變形能力、抗裂性、耐磨性等力學(xué)性能與抗收縮性、抗?jié)B性、抗凍性、自修復(fù)能力等耐久性方面，進(jìn)行了一系列深入的研究。丘愉莊等[7]、羅毅等[8]、黃振宇等[9]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了多工藝、多用途品種ECC，如自密實(shí)ECC、噴射ECC、輕質(zhì)ECC、自愈合ECC等。

FISCHER[10]對(duì)PVA-ECC的單軸拉伸性能進(jìn)行了研究，PVA纖維在混凝土拉伸斷裂時(shí)可以起到橋接作用，它們通過(guò)對(duì)PVA纖維進(jìn)行改性，提升其與混凝土之間的黏結(jié)能力，從而提升混凝土的單軸拉伸性能。AHMARAN等[11]也發(fā)現(xiàn)對(duì)PVA進(jìn)行表面處理可以明顯提高混凝土的韌性，拉伸應(yīng)變可以達(dá)到2%以上。高淑玲等[12]通過(guò)坍落拓展度研究了不同制備工藝與不同原材料的投放順序?qū)VA纖維混凝土的工作影響，選定成型工藝后，通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，結(jié)合雙線性模型與三線性模型，發(fā)現(xiàn)PVA纖維混凝土的極限拉應(yīng)變可達(dá)到普通混凝土的70倍以上。徐世烺等[13]通過(guò)改進(jìn)直接拉伸方法，測(cè)定應(yīng)力應(yīng)變曲線，并進(jìn)行典型裂縫分析，發(fā)現(xiàn)PVA-ECC材料有超高的韌性，極限拉應(yīng)變可達(dá)到3%以上，為普通混凝土的百倍，同時(shí)PVA纖維可以有效控制混凝土的裂縫，可將裂縫寬度控制約在50 μm。

胡春紅等[14]通過(guò)單軸抗壓試驗(yàn)測(cè)定出壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線與抗壓強(qiáng)度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PVA-ECC試件的破壞形態(tài)具有延性破壞特征，PVA纖維可以明顯提升混凝土壓縮變形性能。卜良桃等[15]同時(shí)改善了水泥基體與PVA纖維的接觸面，使PVA纖維表面更好地覆蓋水泥漿體，增加了水泥與PVA纖維之間的黏結(jié)力，提高了黏結(jié)強(qiáng)度

張鵬等[16]研究發(fā)現(xiàn)PVA纖維可以明顯改善水泥基材料的抗?jié)B性、抗凍性、抗裂性、抗氯離子滲透性等耐久性，大量的PVA纖維在水泥基復(fù)合材料中呈亂向分布狀態(tài)，形成了亂向支撐體系，這種體系可以有效地消耗吸收能量，從而實(shí)現(xiàn)了阻裂增韌作用有效地減少了水泥基材料的裂紋數(shù)量，從而提升了耐久性。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水泥基材料進(jìn)行了大量的研究，纖維加入水泥基材料中能夠有效增強(qiáng)其韌性、耐久性能。為此，本文將介紹PVA纖維對(duì)水泥基材料的力學(xué)耐久性能的作用。

1 PVA纖維復(fù)合水泥基材料的力學(xué)性能

PVA纖維是以PVA為原料，加工而成的人工合成纖維。PVA纖維的主要特點(diǎn)是強(qiáng)度高、耐磨性好、抗酸堿好、耐候性好，并且與粉煤灰、水泥、減水劑等材料有較好的親和力，無(wú)毒無(wú)污染，對(duì)人體無(wú)害，對(duì)環(huán)境友好，PVA纖維還具有一定吸水吸濕性，吸附漿體自由水。在漿體中形成骨架，與水泥漿體間會(huì)形成作用力。將其加入水泥基復(fù)合材料中作為增強(qiáng)纖維，可以對(duì)水泥基材料的力學(xué)性能和耐久性能進(jìn)行提升。我國(guó)PVA纖維的每年生產(chǎn)能力和總產(chǎn)量均在世界排名第一。

1.1 PVA纖維對(duì)水泥砂漿工作性能的影響

水泥基材料的工作性能非常重要，工作性能的好壞對(duì)水泥基硬化后的各種性能均有影響，因此良好的工作性能是水泥基成型及高性能的保證。PVA纖維與水泥、粉煤灰等膠凝材料有著較好的結(jié)合程度，在水泥漿體中可以起到橋梁作用，但其具有一定吸水吸濕性，從而導(dǎo)致水泥凈漿流動(dòng)度降低。PVA纖維會(huì)對(duì)水泥膠砂流動(dòng)度和水泥凈漿流動(dòng)度有一定程度上的不利影響，從而影響水泥基材料的工作性能，在水泥基材料中摻入適量PVA纖維，在一定范圍內(nèi)，這種影響不明顯。

1.2 PVA纖維對(duì)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

抗壓強(qiáng)度性能是水泥基材料及混凝土最基本的力學(xué)性能指標(biāo)。抗壓強(qiáng)度良好能夠保證工程結(jié)構(gòu)的使用年限，抗壓強(qiáng)度不僅能確定水泥砂漿強(qiáng)度，還是確定其他性能（如：抗折強(qiáng)度、韌性、耐久性、破壞形態(tài)、孔隙和變形等）和微觀孔隙的主要因素。與普通水泥基材料相比，纖維水泥基材料中的孔隙小，并且水泥基材料中各種材料強(qiáng)度、漿體與骨料間界面強(qiáng)度甚至內(nèi)部骨料強(qiáng)度之間的差別也小，與勻質(zhì)材料比較接近。

對(duì)于普通水泥基砂漿試塊，能顯現(xiàn)出明顯的脆性破壞形態(tài)。對(duì)于PVA纖維水泥基砂漿試塊，當(dāng)很多裂縫形成之后，裂縫之間的PVA纖維開(kāi)始作用，使裂縫的擴(kuò)展延遲，并且PVA纖維從水泥基材料間分離時(shí)需要耗散大量的變形能，因而與普通水泥基材料試塊相比，其破壞形態(tài)發(fā)生了比較大的變化。纖維砂漿試塊破壞后無(wú)碎塊迸裂，不過(guò)出現(xiàn)許多裂紋。這是由于纖維的韌性比較好。因此PVA纖維的加入，明顯地改善了水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度。

1.3 PVA纖維對(duì)水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響

由于PVA纖維具有韌性好的優(yōu)勢(shì)，因此將纖維加入水泥基材料中，可以很好地提高其抗折強(qiáng)度。水泥基試塊本身相對(duì)較小，抗折強(qiáng)度有限，在一定范圍內(nèi)將PVA纖維加入水泥基材料中，可以顯著提高其抗折強(qiáng)度。從宏觀層面上看，PVA纖維在水泥基材料內(nèi)部有著橋梁作用，起到了增強(qiáng)增韌的效果。

2 PVA纖維復(fù)合水泥基材料的耐久性能

2.1 PVA纖維對(duì)水泥砂漿抗沖擊性能的影響

PVA纖維復(fù)合水泥基材料可作為土木工程、水利、路面、房屋的主要材料，對(duì)于PVA纖維水泥基材料的抗沖擊韌性是研究重點(diǎn)，纖維復(fù)合水泥基材料的抗沖擊性是耐久性能的一個(gè)重要指標(biāo)。PVA纖維分子結(jié)構(gòu)比較獨(dú)特，并且水泥粉煤灰等具有良好的親和力。在水泥砂漿中加入適量PVA纖維，能有效控制水泥基復(fù)合材料因塑性收縮及溫度變化等因素引起的裂紋。

由線彈性理論可知，減少內(nèi)部應(yīng)力尖端，就可以提高水泥基材料的強(qiáng)度。PVA纖維抗拉強(qiáng)度高，在水泥基材料基體中分布比較均勻，減少水泥基材料內(nèi)部應(yīng)力集中程度。并且有很大的吸收荷載能量的能力。纖維復(fù)合水泥基材料在受沖擊的同時(shí)，PVA纖維吸收了其中一部分沖擊動(dòng)能，有效提高了水泥基材料的沖擊性能。因此，PVA纖維能有效地限制裂縫的出現(xiàn)，對(duì)水泥基試塊的抗沖擊性能有顯著提高。

2.2 PVA纖維對(duì)水泥砂漿抗?jié)B性能的影響

PVA纖維水泥基材料的防水性能良好，在防水性能方面，主要是通過(guò)其內(nèi)部抗裂而達(dá)到防水的要求。PVA纖維抗?jié)B的理論研究是建立在對(duì)纖維復(fù)合水泥基材料的微觀研究上。PVA纖維在水泥基內(nèi)部不易成團(tuán)，能與水泥基材料更好地結(jié)合；由于PVA纖維比較細(xì)，比表面積大，能在水泥基材料內(nèi)部構(gòu)成亂向支撐體系。當(dāng)微裂縫在向內(nèi)部細(xì)裂縫產(chǎn)生的過(guò)程中，由于PVA纖維的阻礙，耗散了一些內(nèi)部能量，很難進(jìn)一步產(chǎn)生和發(fā)展。PVA纖維可以顯著地抑制水泥基材料早期干縮微裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，還能明顯地減少水泥基材料收縮裂縫。究其原因，PVA纖維分散了水泥基材料的拉應(yīng)力，從而達(dá)到了顯著抗裂的效果。

在水泥基材料中加入PVA纖維，能夠在某種程度上阻礙水泥基材料開(kāi)裂，可以達(dá)到防水效果。在北方比較寒冷地區(qū)的路面、街道、停車場(chǎng)等，使用化學(xué)纖維水泥基材料可顯著地減少凍裂等相關(guān)問(wèn)題。良好的抗?jié)B性可以保護(hù)構(gòu)件內(nèi)部的各種材料，免除銹蝕危害，以免造成工程安全問(wèn)題。

2.3 PVA纖維對(duì)水泥砂漿收縮性能的影響

在實(shí)際工程中，由于外界荷載和周圍環(huán)境的影響，造成水泥基材料開(kāi)裂變形。水泥漿體不僅在硬化過(guò)程中會(huì)發(fā)生體積收縮，并且在成型之后，在使用過(guò)程中也會(huì)發(fā)生各種物理收縮和化學(xué)收縮。水泥基體積穩(wěn)定性不好會(huì)導(dǎo)致一些裂縫的產(chǎn)生，從而對(duì)水泥基材料劣化有促進(jìn)作用，收縮也是引起裂縫產(chǎn)生的重要因素之一。PVA纖維復(fù)合水泥基材料可以減小變形，究其原因，一方面是自身內(nèi)部影響因素，另一方面又受溫度、養(yǎng)護(hù)條件等外部因素的影響?？刂扑嗷牧系氖湛s，將減少水泥基材料內(nèi)部裂縫產(chǎn)生及發(fā)展的概率，減少水泥基材料受侵蝕。PVA纖維能夠有效阻礙水泥基材料收縮，減少水泥基材料內(nèi)部收縮裂縫，因此加入PVA纖維是一種有效的方法。

3 結(jié)語(yǔ)

PVA纖維的加入，在一定程度上改善了水泥基材料的抗壓、抗折和耐久性能，使纖維水泥基材料由脆性破壞形態(tài)變?yōu)樗苄云茐男螒B(tài)。PVA纖維加入纖維水泥基材料中后，使水泥基材料的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及受彎曲荷載有較大的提高，并且顯著地提高了混凝土的抗?jié)B性及混凝土的收縮性能，對(duì)抗沖擊性能也有明顯的提高。PVA纖維是具有較高強(qiáng)度和模量的化學(xué)纖維。PVA纖維與水化硬化后，纖維復(fù)合水泥基材料與各材料結(jié)合力較好。

對(duì)于PVA纖維的應(yīng)用，目前主要還是集中在水泥制品領(lǐng)域，應(yīng)用的生產(chǎn)地點(diǎn)也大部分局限于一些制品廠家。根據(jù)前面的機(jī)理分析及PVA纖維的優(yōu)點(diǎn)，在完善應(yīng)用研究數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的情況下，PVA纖維在工程建設(shè)中可用于墻體抹灰，在外墻、衛(wèi)生間抹灰砂漿中摻入，可解決墻面的開(kāi)裂，從而增強(qiáng)抗?jié)B漏的能力。PVA纖維用于地面、樓面、屋面砂漿中，可解決砂漿的裂縫和起砂等問(wèn)題。PVA纖維用于地下室地板、轉(zhuǎn)換層大梁等大體積混凝土?xí)r，可減少溫差、收縮等帶來(lái)的混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象。