PVA 纖維增強水泥基復合材料力學性能研究

王玲玲 鐘 煬 司晨玉 姜寧寧 李世晉 閔 柯 趙玉廈(沈陽建筑大學 材料科學與工程學院)

0 引言

PVA 纖維作為水泥基復合材料的增強體，具有強度高、耐候性好、環保無害等優點，經PVA 纖維增強的水泥基復合材料被廣泛應用于橋梁、公路、抗震及結構修復等領域。目前眾多國內外學者對水泥基復合材料開展了理論分析、宏微觀性能以及實際應用等方面的研究[1,2]，結果表明水泥基復合材料具有良好的力學性能，但仍然缺乏一定的成熟的標準和規范對其配合比進行明確的規定，制約了水泥基復合材料的推廣應用[3]。為進一步提高水泥基復合材料的力學性能，探究水泥基復合材料的合理配合比，本研究通過正交試驗設計方法研究了水膠比、PVA 纖維體積摻量、納米SiO2摻量以及減水劑摻量等因素對水泥基復合材料抗折強度、抗壓強度的影響，為工程實際應用提供理論依據和技術支持。

1 試驗原材料

本試驗原材料包括P.O42.5 級水泥、Ⅰ級粉煤灰、40～80 目精制石英砂、聚羧酸高效減水劑以及普通自來水；選用日本可樂麗公司生產的KURALON K-Ⅱ型的PVA 纖維；選用VK-SP30 型號納米SiO2，平均粒徑為30nm，外觀為白色松散粉末。

2 試驗方法

本試驗選用40mm×40mm×160mm 的試件進行28d抗折強度和28d 抗壓強度的測試。成型后的試件置于室內陰涼處，24h 后脫模，然后放入標準養護室內養護至28d 后，在TYE-10C 型水泥膠砂抗壓試驗機和TYE-300型壓力試驗機上進行抗折試驗和抗壓試驗。

3 結果與討論

3.1 試驗方案

本試驗選取水膠比、PVA 纖維體積摻量、納米SiO2摻量以及減水劑摻量作為因素及其合適的水平設計L16(45)正交試驗。因素與水平如表1 所示，正交試驗方案如表2 所示。

表1 因素與水平

表2 正交試驗方案

3.2 水泥基復合材料力學性能分析

3.2.1 水泥基復合材料28d 抗折強度分析

⑴抗折強度極差分析

從表3 可知，影響水泥基復合材料28d 抗折強度的主次因素為PVA 纖維體積摻量＞水膠比＞納米SiO2摻量＞減水劑摻量。當水膠比為0.27、PVA 纖維體積摻量為2.0%、納米SiO2摻量為2.0%、減水劑摻量為0.75%時，水泥基復合材料28d 抗折強度可達13.45MPa。

表3 水泥基復合材料28d 抗折強度極差分析

⑵抗折強度方差分析

由表4 可知，PVA 纖維體積摻量對水泥基復合材料28d 抗折強度的影響非常顯著，水膠比次之，納米SiO2摻量和減水劑摻量對抗折強度的影響較小。

表4 水泥基復合材料28d 抗折強度方差分析

各因素對水泥基復合材料28d 抗折強度的影響分別如圖1 所示。

圖1a 表明，隨著水膠比的增大，水泥基復合材料28d 抗折強度逐漸減小，在水膠比為0.27 時，水泥基復合材料的抗折強度最大。這是由于隨著水膠比的增大，水泥基復合材料的孔隙率逐漸增大，結構致密性變差，從而降低水泥基復合材料的抗折強度[4]。由圖1b 可知，水泥基復合材料28d 抗折強度隨著PVA 纖維體積摻量的增加逐漸增大。在基體受力過程中，PVA 纖維起到了限制試件橫向變形以及裂縫的滑移和發展的阻裂作用，使試件的承載能力有所提高，試件的抗折強度增大，且纖維的摻量越大，這種作用越明顯[5]。由圖1c 可以看出，隨著納米SiO2摻量的增加呈一定幅度的增大趨勢，納米SiO2摻量為2.0%時，抗折強度達到最大。從圖1d可以看出，隨著減水劑摻量的增加，水泥基復合材料28d 抗折強度先增大后減小，在減水劑摻量為0.60%時達到最大。

圖1 各因素對水泥基復合材料28d 抗折強度影響分析

3.2.2 水泥基復合材料28d 抗壓強度分析

⑴抗壓強度極差分析

由表5 可知，影響水泥基復合材料28d 抗壓強度的主次因素為水膠比＞納米SiO2摻量＞PVA 纖維體積摻量＞減水劑摻量。當水膠比為0.27、PVA 纖維體積摻量為2.0%、納米SiO2摻量為2.0%、減水劑摻量為0.75%時，水泥基復合材料28d 抗壓強度可達70.85MPa。

表5 水泥基復合材料28d 抗壓強度極差分析

⑵抗壓強度方差分析

由表6 可知，水膠比和納米SiO2摻量對水泥基復合材料28d 抗壓強度的影響顯著，PVA 纖維體積摻量次之，減水劑摻量對抗壓強度的影響較小。

表6 水泥基復合材料28d 抗壓強度方差分析

各因素對水泥基復合材料28d 抗壓強度的影響分別如圖2 所示。

圖2a 表明，隨著水膠比的增大，水泥基復合材料28d 抗壓強度逐漸減小，水膠比的增大意味著水泥基復合材料基體用水量增加，和易性得到改善，減小了PVA纖維與基體之間的粘結摩擦，但纖維的橋聯作用未能得到充分發揮，同時基體內部的空隙增多，密實性變差，內部缺陷增加，導致水泥基復合材料抗壓韌性減弱，從而降低其抗壓強度。由圖2b 可以看出，水泥基復合材料28d 抗壓強度隨著PVA 纖維體積摻量的增加逐漸增大。圖2c 表明，隨著納米SiO2摻量的增加，水泥基復合材料28d 抗壓強度不斷增大。由圖2d 可知，水泥基復合材料28d 抗壓強度隨著減水劑摻量的增加先增加后減小，在減水劑摻量為0.45% 時達到最大。

圖2 各因素對水泥基復合材料28d 抗壓強度影響分析

4 結論

采用L16(45)正交試驗設計，探究水膠比、PVA 纖維體積摻量、納米SiO2摻量和減水劑摻量等因素及其合適的水平對水泥基復合材料28d 抗折強度、28d 抗壓強度的影響，得出如下結論：

⑴PVA 纖維體積摻量對水泥基復合材料28d 抗折強度影響非常顯著，水膠比次之，納米SiO2摻量和減水劑摻量對抗折強度影響較小。當水膠比為0.27、PVA 纖維體積摻量為2.0%、納米SiO2摻量為2.0%、減水劑摻量為0.75%時，水泥基復合材料28d 抗折強度可達13.45MPa。

⑵水膠比和納米SiO2摻量對水泥基復合材料28d抗壓強度影響顯著，PVA 纖維體積摻量次之，減水劑摻量對抗壓強度影響較小。當水膠比為0.27、PVA 纖維體積摻量為2.0%、納米SiO2摻量為2.0%、減水劑摻量為0.75%時，水泥基復合材料28d 抗壓強度可達70.85MPa。