聚乙烯纖維增韌對水泥基復合材料抗壓強度的影響

邱豐實，余昭陽，楊元全

聚乙烯纖維增韌對水泥基復合材料抗壓強度的影響

邱豐實1，余昭陽2，楊元全2

（1. 遼寧省石油化工規劃設計院有限公司，遼寧 沈陽 110000； 2. 沈陽理工大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110158）

普通混凝土因脆性大，韌性差和易開裂等缺點導致其在工程中應用受限，本文主要采用聚乙烯纖維（PVA）改善水泥基復合材料力學性能，研究了粉煤灰摻量、纖維體積率和水膠比對聚乙烯纖維增韌水泥基復合材料抗壓強度的影響。研究結果表明，隨著PVA纖維體積率的增加，試件的抗壓強度呈現逐漸增加的趨勢，當纖維體積率由1.0%提升至1.5%時，試件的抗壓強度提升速率最快；隨著粉煤灰摻量的增加，試件的抗壓強度逐漸下降；高水膠比可以增加水泥基復合材料工作性能，但同時會降低水泥基復合材料力學性能，相比與水膠比0.26的試件，水膠比為0.28的試件抗壓強度下降了11.1%。

聚乙烯纖維；粉煤灰；纖維體積率；水膠比；抗壓強度

鋼筋混凝土結構在建設工程中廣泛應用，從近代開始，由水泥制備成的各類，多用途建筑材料已經成為主流使用的建設工程材料之一。我國“十四五”規劃已明確大量的工程建設項目[1]，其中主要為交通、水利和能源項目，截止到2022年，各地披露的已開工重大項目投資規模超1.2萬億。但是傳統混凝土自身延性差，在遭受極端荷載時，會發生脆性破壞，同時，也因其耐久性差等原因使其缺乏可持續性。

一些科研工作者在攪拌過程中加入或混入一定體積分數聚合物纖維，以此來提高混凝土的延性，由于這些纖維其自身屬性并不具備較高的延性，經大量試驗證明: 纖維混凝土的極限拉伸應變大約不會超過0.05%[2]，但相對普通混凝土來說，它的抗裂能力和韌性有了一定程度的提升，經反復試驗及大量工程應用，其確實可提升基體韌性，但是在遭受到重荷載的條件下，基體開裂仍無法控制。為了更好解決此問題，20世紀中后期，科研人員開始對纖維增韌水泥基復合材料進行研究，一些學者在試驗中發現合成纖維可有效提升水泥基復合材料的性能[3-4]，同時提出了纖維間距理論，但均未涉及增韌機理的分析，直至20世紀80年代，以聚丙烯和鋼纖維為主要纖維的高性能纖維增強水泥基復合材料出現，此材料具備良好的應變硬化特性和明顯多縫開裂特征，并且廣泛應用于實際工程中[5-10]。然而，結合目前的研究現狀來看，國內的纖維增韌水泥基復合材料起步較晚，經過了十幾年的發展，一些科研人員相繼制備出具有明顯應變硬化特性的水泥基復合材料，并取得了一系列的進步和發展，但纖維增韌水泥基復合材料的研究仍處于初步階段，還需要進行大量的研究。本研究主要采用聚乙烯纖維增強水泥基復合材料（PVA-FRCC），研究粉煤灰摻量、水膠比和纖維體積率對水泥基復合材料抗壓強度的影響。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥采用沈陽冀東水泥有限公司生產的P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥；石英砂作為填充料，細度模數4.8，表觀密度1 650 kg/m3；聚乙烯纖維直徑0.039 mm，長度12 mm，密度1.3 g/cm3，抗拉強度1 620 MPa，彈性模量42.8 GPa；礦物摻合料采用沈陽沈海熱電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，化學成分見表1。

表1 粉煤灰化學成分/%

2.2 配合比設計

本試驗中粉煤灰替代硅酸鹽水泥量分別為50%、60%和70%，水膠比為0.26，纖維體積摻量分別為0.5%、1%、1.5%和2%，砂率為0.35，具體配合比見表2。

表2 試驗配合比

2.3 試驗方法

抗壓試件參照《JGJ/T 70—2009建筑砂漿基本性能試驗方法標準》制備和養護，試件尺寸70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。將達到養護期的試件使用打磨機對試件的受漿面進行打磨，保證試件表面光滑無破損，采用YE—2000E型壓力機對試件進行抗壓強度試驗。根據《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》JGJ/T70—2009P71，PVA—FRCC立方體試件的抗壓強度按下式計算立方體抗壓強度按照式（1）計算：

—換算系數，取1.35；

N— 試件破壞荷載，N；

—試件承壓面積，mm2。

3 結果與討論

3.1 纖維體積率對PVA-FRCC抗壓強度的影響

無論PVA-FRCC應用在何處，其抗壓強度始終是重要參數之一，所以對PVA-FRCC抗壓強度的研究是十分必要的，本小節研究了不同纖維摻量對PVA-FRCC抗壓強度的影響。

由圖1可知：試件置于受壓板中心后即刻開始加載，在加載的過程中，試件隨著受壓荷載的增加不斷出現“嗞嗞”聲，這是基體內部纖維被拉斷的聲音。4組試件中只有U2和U7保持了良好的完整性，U5和U6在受壓過程中，橫向裂縫較大，而且貫穿整個試件，由此可知，纖維體積率為1.0%和0.5%時基體內部的纖維不足以發揮其本身的橋接作用，在受到荷載時，基體內纖維直接斷裂，只有少數纖維承擔壓力，隨著荷載增大微裂縫未向兩側拓展，而是直接貫穿試件。U5和U6的破壞模式為脆性破壞，整體性略差。相比于U5和U6，U2和U7未出現較大裂紋和明顯的脆性破壞，當纖維體積率提升至1.5%時，試件的抗壓韌性得到了很好的改善，由貫穿裂縫轉變為多數細小裂紋，隨著荷載增加，在試件表面產生第一條微裂縫時，由于纖維在內部發揮橋接作用，微裂紋得以控制。纖維體積率提升至2.0%時，相比于U7，U2的裂紋更加細小，細小的纖維在基體中猶如短鋼筋一樣承接著力的傳導，試件破壞后仍保持著良好的完整性。U2的裂縫更加細密，無序分布的纖維產生的三維網狀結構使得PVA-FRCC內部裂縫得到約束，試件具有良好的受壓韌性。

圖2 纖維體積率對PVA-FRCC抗壓強度的影響

由圖2可知，隨著PVA纖維體積率的增加，試件的抗壓強度呈現逐漸增加的趨勢，相比于U5，U6和U7試件的抗壓強度分別提升了13.9%和40.3%，而相比U7的試件，U2的抗壓強度提高了14.4%，當纖維體積率由1.0%提升至1.5%時，試件的抗壓強度提升速率最快，相比于U6的抗壓強度，U7的抗壓強度提升了23.2%，可見，纖維體積率在1.5%以上時，纖維對基體的增韌效果較好，由此分析，在基體與纖維特性合適的情況下，PVA纖維體積率小，其橋聯力小于開裂力，纖維無法承擔開裂應力，最終導致纖維被提前拉斷，橫向裂縫貫穿整個試件，從實測數據來看，U2和U7的平均抗壓均強度超過40?MPa, PVA纖維體積率高，基體可發揮的橋聯力就大，試件表面僅有少許細微裂縫且裂縫長度和寬度也小于U5和U6組。

3.2 粉煤灰摻量對PVA-FRCC抗壓強度的影響

粉煤灰是一種綠色材料，其為火電廠燃燒煤粉的副產物，現已被廣泛應用到建筑材料中，采用粉煤灰替代水泥來制備PVA-FRCC可以使試件更好的發揮應變硬化特性。本小節采用粉煤灰替代水泥，替代量為50%、60%和70%，每組替代量制作三個試件，測試其抗壓強度。

圖3 不同粉煤灰摻量下試件的破壞形態

從圖3中可以看出，除粉煤灰摻量為50%（U3）外，粉煤灰摻量為60%（U1）和70%（U2）試件的完整性較好，隨著荷載的增大，U1和U2表面產生了一定數量的微裂紋，試驗結束時，二者并無貫穿性的裂縫，而U3在即將達到峰值強度時，隨著荷載的增大，主裂縫拓展并貫通試件，由此可見粉煤灰摻量的提高可以提高復合材料的延展性，使得試件在荷載下保持一定的完整性。

圖4 粉煤灰摻量對PVA-FRCC抗壓強度的影響

由圖4可知，隨著粉煤灰摻量的增加，試件的抗壓強度逐漸下降，與U3的試件相比，U2試件的抗壓強度下降約12.0%，而U1試件相比于U2試件，抗壓強度下降23.5%，粉煤灰摻量由60%提升至70%時，試件的抗壓強度下降速率最快，由此可見粉煤灰摻量增加會引起基體抗壓強度的下降，粉煤灰的“微集料”效應可以充填基體內部空隙，提高密實度，其次粉煤灰顆粒呈現微珠狀，可使纖維-基體間粘結力下降，這有利于纖維的橋接作用，本次試驗未設置更小摻量的粉煤灰替代率，但從實測結果看，粉煤灰摻量高于50%后基體的抗壓強度降低，由此推出過量的粉煤灰并不利于提高基體強度，這是由于水泥的摻入量減小，沒有多余的水泥再與粉煤灰發生二次水化反應，這也意味著基體內不再發生活性膠凝作用，其次水化產物中的C-S-H和鈣帆石的量減小，二者皆是影響強度的主要因素。從破壞形態上來看，U2和U3在荷載作用下，試塊的完整性要優于U1，前者表面無明顯貫穿裂紋，無脫落，而后者則出現了貫穿整個試件的裂縫，其整體性相對差。綜上所述，為了能使試塊達到C40級以上且保持良好的抗壓韌性，粉煤灰摻量在60%為宜。

3.3 水膠比對PVA-FRCC抗壓強度的影響

在工程建設中，不同的工程項目對強度的要求也不同，水膠比是影響強度的重要因素之一，所以確定一個合適的水膠比尤為重要，有研究表明：水膠比增大，基體的強度降低，但是引入多余的水分可以使纖維-基體粘結力降低，這將導致纖維過早的拔出破壞。在實際試配中，發現0.24水膠比在攪拌過程中出現攪拌困難的現象，所以本小節采用0.26和0.28兩種水膠比，每組水膠比三個試件，測試抗壓強度。

圖5 不同水膠比下試件破壞形態

圖6 不同水膠比下試件抗壓強度

從圖6中可以看出，二者的破壞形態無太大差異，隨著水膠比的增大，試件的抗壓強度呈現下降的趨勢，相比與水膠比0.26的試件，水膠比為0.28的試件抗壓強度下降了11.1%。在制備試件過程中發現高水膠比更有利于攪拌，多余的水分可減小纖維與拌合料的摩擦力，起到潤滑作用。PVA纖維是親水性材料，在攪拌過程中纖維會吸收一部分水分，水膠比過低會導致攪拌困難，損壞機器，但增加水膠比也意味著引入多余的水份，這會使基體內部孔隙增加，反而對試件的工作性能不利。

4 結論

本文主要采用聚乙烯纖維（PVA）改善水泥基復合材料力學性能，研究了粉煤灰摻量、纖維體積率和水膠比對聚乙烯纖維增韌水泥基復合材料抗壓強度的影響，主要結論如下：

1）隨著PVA纖維體積率的增加，試件的抗壓強度呈現逐漸增加的趨勢，當纖維體積率由1.0%提升至1.5%時，試件的抗壓強度提升速率最快。

2）粉煤灰摻量的提高可以提高復合材料的延展性，使得試件在荷載下保持一定的完整性，但隨著粉煤灰摻量的增加，試件的抗壓強度逐漸下降，煤灰摻量由60%提升至70%時，試件的抗壓強度下降速率最快。

3）高水膠比可以增加水泥基復合材料工作性能，但同時會降低水泥基復合材料力學性能。

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Effect of Polyethylene Fiber Toughening on Compressive Strength of Cement-Based Composites Materials

1,2,2

（1. Liaoning Petrochemical Planning and Design Institute Co., Ltd., Shenyang Liaoning 110000, China;2. School of Materials Science and Engineering, Shenyang Ligong Universtiy, Shenyang Liaoning 110158, China）

Due to the shortcomings of high brittleness, poor toughness and easy cracking of concrete, its application in engineering is limited. In this paper, polyethylene fiber (PVA) was mainly used to improve the mechanical properties of cement-based composites, and the effects of fly ash content, fiber volume ratio and water-binder ratio on the compressive strength of cement-based composites toughened by polyethylene fiber were studied. The results showed that with the increase of PVA fiber volume fraction, the compressive strength of the specimen showed a gradual increase trend. When the fiber volume fraction increased from 1.0% to 1.5%, the compressive strength of the specimen increased the fastest. With the increase of fly ash content, the compressive strength of the specimen decreased gradually. High water-binder ratio could increase the working performance of cement-based composites, but at the same time it would reduce the mechanical properties of cement-based composites. Compared with the specimens with the water-binder ratio of 0.26, the compressive strength of the specimens with the water-binder ratio of 0.28 decreased by 11.1%.

Polyethylene fiber; Fly ash; Fiber volume ratio; Water-binder ratio; Compressive strength

TQ050.4

A

1004-0935（2023）09-1310-05

2023-02-28

邱豐實（1989-），男，工程師，碩士，研究方向：建筑結構設計。

楊元全（1986-），男，副教授，研究方向：水泥混凝土研究。