PVA及玄武巖纖維對水泥基復合材料力學性能的影響*

王仕富，曾曉輝，周 堯，王 平，馬建寧，周 昊，李建輝，潘國園

(1.中國鐵路南寧局集團有限公司，南寧 530029; 2.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031;3.中南大學 土木工程學院，長沙 410074; 4.四川昊龍高科軌道交通新材料科技股份有限公司，成都 610000)

0 引 言

國內外研究發現混凝土中摻入適量高彈性模量纖維可顯著提高基體強度，而摻入適量低彈性模量高延性纖維可顯著提高基體的韌性[1-2]。在纖維水泥基復合材料的研究應用中發現，纖維對水泥基復合材料力學性能的改善與之類似，但是考慮到市場上纖維的質量參差不齊，同時考慮到“纖維混雜效應”[3-4]，單一纖維可能會存在局限性，為了充分發揮纖維的優勢，最大限度地改善水泥基復合材料的各種性能，越來越多專家學者將目光聚焦于混雜纖維的研究，采用復摻兩種或多種纖維技術，使水泥基復合材料的結構更加密實，韌性更好，力學特征更優越。

目前，聚丙烯纖維與鋼纖維的混雜研究較多，但鋼纖維材料成本較高，同時存在腐蝕、導電等問題,越來越多的專家學者轉向PVA纖維及玄武巖纖維的研究[5-6]。PVA纖維是由聚丙乙烯為原料制作，因其具有高強高模等特點，在諸多領域皆有廣泛的應用。例如，在水泥混凝土(或砂漿)中摻入適量PVA纖維，能有效抑制砼(或砂漿)因塑性收縮及溫度變化等因素引發的裂紋，抑制裂縫的形成與發展，提高基材的抗彎、抗沖擊及抗裂強度[7]。玄武巖纖維是一種天然玄武巖拉制的連續纖維，是一種新興的綠色高性能的無機非金屬纖維材料，一般為褐色，有金屬光澤。玄武巖連續纖維不僅強度高，而且還具有電絕緣、耐腐蝕、耐高溫等多種優點。玄武巖纖維的摻入能改善混凝土(或砂漿)粘聚性和穩定性,提高構件抗沖擊性能,降低其脆性；同時，還能改善基材抗滲性能、抗凍融循環能力和抗收縮能力[8]。此外，相較于大部分工業纖維，玄武巖纖維抗老化性能更佳[9]。

惠存等[10]在PVA-玄武巖纖維混凝土力學性能的實驗中發現，混雜纖維較單一纖維在抗折強度和韌性方面的加強效果更明顯；Ahmed S F U等[11]研究得出材料變形能力主要受大尺寸纖維控制，而材料強度主要取決于小尺寸纖維，這對PVA-玄武巖纖維在水泥基復合材料中的應用指明了方向。本文通過單摻PVA纖維、單摻不同長度玄武巖纖維以及復摻兩種不同長度纖維，對水泥基復合材料的各項力學性能進行實驗研究，探究不同摻量對于水泥基復合材料力學性能的影響，從而得出適應高強高韌性基材的最佳纖維配比。

1 實 驗

1.1 實驗原料

PVA纖維：考慮經濟性及實用性，實驗使用中國石化集團四川維尼綸廠生產的聚乙烯醇PVA纖維，纖維外觀如圖1所示，基本性能如表1所示。

表1 PVA纖維相關基本指標

玄武巖纖維：實驗用玄武巖纖維為四川航天拓鑫玄武巖實業有限公司生產，纖維外觀如圖2所示，基本性能如表2所示。

表2 玄武巖纖維相關基本指標

水泥：成都都江堰市拉法基水泥廠生產的P·O42.5R硅酸鹽水泥；粉煤灰：四川金堂沃能精細粉煤灰材料有限公司生產的Ⅰ級低鈣粉煤灰，各項性能參數均符合規范[12]要求；硅灰：成都合鋒新材料有限公司生產的硅灰，其物化性能指標均符合規范[13]要求；偏高嶺土：成都復興建材有限公司生產的偏高嶺土；石英砂：成都凱斯博建材有限公司生產的20～70目石英砂；水采用普通自來水，各項性能指標均符合規范[14]要求。

1.2 基礎配合比設計

基礎配合比除纖維摻量外均參考PVA-ECC配合比[15]，探究纖維參量和種類對混凝土力學性能的影響，確定最終配合比如表3所示。

2 結果與討論

2.1 單摻PVA纖維對水泥基復合材料力學性能的影響

由于PVA纖維的摻入會降低水泥基復合材料的抗壓強度，且同等直徑的纖維，長度越長，摻量越高，水泥基復合材料的抗壓強度下降越明顯[16]，本次單摻PVA纖維實驗研究以短纖維摻入為主。PVA纖維摻量對水泥基復合材料力學性能的影響主要以材料28 d的抗壓強度、抗折強度和折壓比為考察指標，實驗測試結果如圖3所示(素砂漿試件抗壓強度代表值為65.4 MPa，抗折強度代表值為15.6 MPa)。

圖2 玄武巖纖維外觀圖

表3 實驗用砂漿基礎配合比

從圖3可以看出，PVA短纖維的摻入會明顯提高復合材料的抗壓強度，但抗折強度會有所降低。水泥基復合材料的抗折強度隨著PVA短纖維摻量的增加呈現先增大后減小的趨勢，當摻量為1.6%(體積分數)時，達到14.5 MPa的峰值；繼續增加PVA短纖維的摻量，抗折強度持續下降。而水泥基復合材料的抗壓強度隨著PVA短纖維摻量的增加呈現先減小后增大的趨勢，但總體隨PVA短纖維摻量的增加而增加，當摻量<1.4%(體積分數)時，抗壓強度隨著PVA短纖維摻量的增加而降低；當摻量為1.4%(體積分數)時，抗壓強度最低為76 MPa；當摻量>1.4%(體積分數)時,抗壓強度隨著PVA短纖維摻量的增加而逐步增加。

通過曲線可知，折壓比也呈現出先增大后減小的趨勢，且均小于基準基材的折壓比，在摻量為1.4%和1.6%(體積分數)時達到最大值0.18，可見PVA纖維在改善材料韌性方面亦發揮著作用。綜合考慮水泥基復合材料的強度和韌性，選擇1.6%(體積分數)為PVA短纖維的最佳摻量[6]，此時，水泥基復合材料的抗折強度降低7%，抗壓強度提升31%，折壓比降低24%。

圖3 單摻PVA纖維對水泥基復合材料力學性能的影響

2.2 單摻玄武巖纖維對水泥基復合材料力學性能的影響

實驗對比分析了兩種不同長度的玄武巖纖維對水泥基復合材料力學性能的影響，結果如圖4所示。其中，玄武巖纖維的摻量分別為0，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%和0.6%(體積分數)。由圖4(a)和(b)可知，玄武巖長纖維在0.1%(體積分數)摻量下，水泥基復合材料的各項力學性能均大幅度降低，相對素水泥基復合材料試件，抗折強度降低了38.0%，抗壓強度降低了57.8%；在0.2%(體積分數)摻量下，水泥基復合材料的各項力學性能均有較大的回升，但仍然達不到素水泥基復合材料試件的力學強度；在0.2%～0.6%(體積分數)摻量下，水泥基復合材料的抗折強度先增大后減??；在0.3%(體積分數)摻量下，基本持平素水泥基復合材料試件的抗折強度；在0.4%(體積分數)摻量下，超過素水泥基復合材料試件抗折強度，并達到這系列的抗折強度達到最大值，為22.8 MPa。玄武巖長纖維的抗壓強度是先增大后降低再增大，且最高抗壓強度不超過100 MPa。

圖4 單摻玄武巖纖維對水泥基復合材料力學性能的影響

從圖4(a)和(b)可以看出，玄武巖短纖維在0.1%(體積分數)摻量下，抗折強度有所下降，但在0.2%(體積分數)時有一定回升，之后基本穩定在19～21 MPa之間；抗壓強度則表現為先增大后減小，在0.3%(體積分數)摻量下達到最大抗壓強度121.6 MPa，相對素水泥基復合材料試件，抗壓強度增長了15.7%，且抗壓的極差只有20 MPa。

由圖4分析可知，對比摻入兩種不同長度玄武巖纖維后水泥基復合材料的力學性能，摻入玄武巖短纖維的水泥基復合材料在各種摻量下，不僅滿足設計的力學性能要求，并且顯示出較好的穩定性，特別是抗壓強度，不僅穩定在100～120 MPa之間，而且全面超過相對摻量下的玄武巖長纖維水泥基復合材料；但玄武巖長纖維在0.2%(體積分數)摻量以上時，水泥基復合材料的抗折強度相比同樣摻量的玄武巖短纖維高。在變形方面，短纖維的極限變形在1.0～1.2 mm左右，而長纖維的極限變形在0.65～0.7 mm左右。主要原因是18 mm相對過長，與水泥基復合材料的粘結面積大，粘結過強，纖維不會出現滑移，均為拉斷，所以對變形的增強效果不好。綜合以上分析，選取玄武巖短纖維的摻量為0.3%(體積分數)時，水泥基復合材料的各方面性能最優，此時抗折強度降低8%，抗壓強度提升15.7%，折壓比降低20%。

圖5 混雜纖維對水泥基復合材料力學性能的影響

2.3 混雜纖維對水泥基復合材料力學性能的影響

探究了兩種不同長度玄武巖纖維在0.3%(體積分數)摻量下與兩種不同長度PVA纖維混雜時，混雜纖維體系對水泥基復合材料力學性能的影響，結果如圖5所示。其中與玄武巖短纖維配合時，PVA短纖維的摻量分別為0.2%，0.35%，0.5%，0.65%，0.8%(體積分數)；與玄武巖長纖維配合時，PVA長纖維摻量分別為0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%(體積分數)。

從圖5(a)可以看出，玄武巖短纖維與PVA短纖維混摻時，水泥基復合材料的抗折強度呈先降低后增長再降低的趨勢，在PVA短纖維摻量為0.5%(體積分數)時達到最大，為22 MPa，所以在使用玄武巖短纖維與PVA短纖維混摻時，選取PVA短纖維的摻量≤0.5%(體積分數)。玄武巖長纖維與PVA長纖維混摻時，水泥基復合材料的抗折強度先減小后增大，在PVA長纖維摻量為0.5%(體積分數)時達到最小，為19.3 MPa。由圖5(b)可知，對于抗壓強度，玄武巖長纖維與PVA長纖維的混摻使得水泥基復合材料的抗壓強度呈鋸齒狀變化，維持在95～110 MPa之間。在玄武巖短纖維與PVA短纖維混摻時，隨著PVA短纖維體積摻量的增加，混雜纖維水泥基復合材料的抗壓強度變化不大，基本穩定在116～120 MPa之間，可認為玄武巖短纖維與PVA短纖維的混摻基本不影響水泥基復合材料的抗壓強度。

在變形方面，摻雜玄武巖長纖維和PVA 長纖維的標準水泥基復合材料試件在抗折條件下的撓度集中在0.65～0.85 mm范圍；摻雜玄武巖短纖維和PVA短纖維的標準水泥基復合材料試件的撓度則在1.2～1.8 mm之間，分別比單摻玄武巖纖維時，撓度增加了10%～30%，即極限變形有一定增加。

因此，綜合考慮纖維力學強度和水泥基復合材料變形性能，結合實驗結果，保證基材的各項力學性能(特別是抗折強度)的提升，在高強高韌性水泥基復合材料中混雜纖維的體積摻量建議選擇玄武巖短纖維0.3%(體積分數)和PVA短纖維0.5%(體積分數)。

3 結 論

通過單摻PVA纖維、單摻玄武巖纖維和復摻兩種纖維的水泥基復合材料力學性能實驗，得出以下結論：

(1)PVA短纖維的摻入會明顯提高復合材料的抗壓強度，但是抗折強度會有所降低，當摻量為1.6%(體積分數)時，各項力學性能提升效果最好，水泥基復合材料的抗折強度降低7%，抗壓強度提升31%，折壓比降低24%。

(2)在玄武巖纖維單摻時，對比于玄武長纖維，玄武巖短纖維明顯更適合用于改善水泥基復合材料的各項力學性能。當玄武巖短纖維摻量為0.3%(體積分數)時，對水泥基復合材料的各項力學性能影響最優，此時抗折強度降低8%，抗壓強度提升15.7%，折壓比降低20%。

(3)在進行玄武巖纖維和PVA纖維混合摻加時，考慮到水泥基復合材料的力學、變形性能及穩定性，選擇玄武巖短纖維摻量為0.3%(體積分數)，PVA短纖維摻量為0.5%(體積分數)，可顯著提升水泥基復合材料的抗壓強度，對材料抗折強度基本無影響，折壓比相對減少，全面改善了材料的各項性能。

(4)對比單摻PVA短纖維、單摻玄武巖短纖維以及復摻兩種纖維這3種方式，復摻兩種纖維對水泥基復合材料的力學性能增強效果更全面，且更具穩定性。