常洋铭，杨威龙，付 豪
（华北水利水电大学土木与交通学院 河南 郑州 450045）
纤维水泥基的研究至今已经比较成熟，但还是有着韧性低、抗拉强度低、易出现裂纹且无法恢复、脆性破坏等缺陷。为解决这些问题，专家学者进行了大量试验研究，袁小亚等[1]、孙斌斌等[2]发现将聚乙烯醇（properties of polyvinyl alcohol，PVA）纤维加入水泥基材料中对其抗压强度及抗折强度提升效果显著，并且对耐久性也有显著的改善。结合实际建筑工程中的材料性质需求，基于材料的微观力学性能设计方法，LI等[3]从微观结构角度对水泥基材料进行改性调整，研究开发出了超高韧性水泥基复合材料。首先确定纤维原材选取，以乱向短纤维侨联法为理论研究基础，通过材料性能驱使的设计方法与材料的微观机理，基于纤维与浆体之间的黏结能力，通过高等数学分析工具，进行系统的优化设计，制备出了超高韧性水泥基复合材料（engineered cementitious composites，ECC），ECC有着明显多缝开裂与拉伸应变特征。陈润锋等[4]、王玉清等[5]、杨才千等[6]对ECC主要从拉应力-应变、抗冲击韧性、弯曲变形能力、抗裂性、耐磨性等力学性能与抗收缩性、抗渗性、抗冻性、自修复能力等耐久性方面，进行了一系列深入的研究。丘愉庄等[7]、罗毅等[8]、黄振宇等[9]设计开发了多工艺、多用途品种ECC，如自密实ECC、喷射ECC、轻质ECC、自愈合ECC等。
FISCHER[10]对PVA-ECC的单轴拉伸性能进行了研究，PVA纤维在混凝土拉伸断裂时可以起到桥接作用，它们通过对PVA纤维进行改性，提升其与混凝土之间的黏结能力，从而提升混凝土的单轴拉伸性能。AHMARAN等[11]也发现对PVA进行表面处理可以明显提高混凝土的韧性，拉伸应变可以达到2%以上。高淑玲等[12]通过坍落拓展度研究了不同制备工艺与不同原材料的投放顺序对PVA纤维混凝土的工作影响，选定成型工艺后，通过单轴拉伸试验对应力-应变曲线进行分析，结合双线性模型与三线性模型，发现PVA纤维混凝土的极限拉应变可达到普通混凝土的70倍以上。徐世烺等[13]通过改进直接拉伸方法，测定应力应变曲线，并进行典型裂缝分析，发现PVA-ECC材料有超高的韧性，极限拉应变可达到3%以上，为普通混凝土的百倍，同时PVA纤维可以有效控制混凝土的裂缝，可将裂缝宽度控制约在50 μm。
胡春红等[14]通过单轴抗压试验测定出压应力-应变曲线与抗压强度，结果发现PVA-ECC试件的破坏形态具有延性破坏特征，PVA纤维可以明显提升混凝土压缩变形性能。卜良桃等[15]同时改善了水泥基体与PVA纤维的接触面，使PVA纤维表面更好地覆盖水泥浆体，增加了水泥与PVA纤维之间的黏结力，提高了黏结强度
张鹏等[16]研究发现PVA纤维可以明显改善水泥基材料的抗渗性、抗冻性、抗裂性、抗氯离子渗透性等耐久性，大量的PVA纤维在水泥基复合材料中呈乱向分布状态，形成了乱向支撑体系，这种体系可以有效地消耗吸收能量，从而实现了阻裂增韧作用有效地减少了水泥基材料的裂纹数量，从而提升了耐久性。
综上所述，国内外学者对水泥基材料进行了大量的研究，纤维加入水泥基材料中能够有效增强其韧性、耐久性能。为此，本文将介绍PVA纤维对水泥基材料的力学耐久性能的作用。
PVA纤维是以PVA为原料，加工而成的人工合成纤维。PVA纤维的主要特点是强度高、耐磨性好、抗酸碱好、耐候性好，并且与粉煤灰、水泥、减水剂等材料有较好的亲和力，无毒无污染，对人体无害，对环境友好，PVA纤维还具有一定吸水吸湿性，吸附浆体自由水。在浆体中形成骨架，与水泥浆体间会形成作用力。将其加入水泥基复合材料中作为增强纤维，可以对水泥基材料的力学性能和耐久性能进行提升。我国PVA纤维的每年生产能力和总产量均在世界排名第一。
1.1 PVA纤维对水泥砂浆工作性能的影响
水泥基材料的工作性能非常重要，工作性能的好坏对水泥基硬化后的各种性能均有影响，因此良好的工作性能是水泥基成型及高性能的保证。PVA纤维与水泥、粉煤灰等胶凝材料有着较好的结合程度，在水泥浆体中可以起到桥梁作用，但其具有一定吸水吸湿性，从而导致水泥净浆流动度降低。PVA纤维会对水泥胶砂流动度和水泥净浆流动度有一定程度上的不利影响，从而影响水泥基材料的工作性能，在水泥基材料中掺入适量PVA纤维，在一定范围内，这种影响不明显。
1.2 PVA纤维对水泥砂浆抗压强度的影响
抗压强度性能是水泥基材料及混凝土最基本的力学性能指标。抗压强度良好能够保证工程结构的使用年限，抗压强度不仅能确定水泥砂浆强度，还是确定其他性能（如：抗折强度、韧性、耐久性、破坏形态、孔隙和变形等）和微观孔隙的主要因素。与普通水泥基材料相比，纤维水泥基材料中的孔隙小，并且水泥基材料中各种材料强度、浆体与骨料间界面强度甚至内部骨料强度之间的差别也小，与匀质材料比较接近。
对于普通水泥基砂浆试块，能显现出明显的脆性破坏形态。对于PVA纤维水泥基砂浆试块，当很多裂缝形成之后，裂缝之间的PVA纤维开始作用，使裂缝的扩展延迟，并且PVA纤维从水泥基材料间分离时需要耗散大量的变形能，因而与普通水泥基材料试块相比，其破坏形态发生了比较大的变化。纤维砂浆试块破坏后无碎块迸裂，不过出现许多裂纹。这是由于纤维的韧性比较好。因此PVA纤维的加入，明显地改善了水泥砂浆的抗压强度。
1.3 PVA纤维对水泥砂浆抗折强度的影响
由于PVA纤维具有韧性好的优势，因此将纤维加入水泥基材料中，可以很好地提高其抗折强度。水泥基试块本身相对较小，抗折强度有限，在一定范围内将PVA纤维加入水泥基材料中，可以显著提高其抗折强度。从宏观层面上看，PVA纤维在水泥基材料内部有着桥梁作用，起到了增强增韧的效果。
2.1 PVA纤维对水泥砂浆抗冲击性能的影响
PVA纤维复合水泥基材料可作为土木工程、水利、路面、房屋的主要材料，对于PVA纤维水泥基材料的抗冲击韧性是研究重点，纤维复合水泥基材料的抗冲击性是耐久性能的一个重要指标。PVA纤维分子结构比较独特，并且水泥粉煤灰等具有良好的亲和力。在水泥砂浆中加入适量PVA纤维，能有效控制水泥基复合材料因塑性收缩及温度变化等因素引起的裂纹。
由线弹性理论可知，减少内部应力尖端，就可以提高水泥基材料的强度。PVA纤维抗拉强度高，在水泥基材料基体中分布比较均匀，减少水泥基材料内部应力集中程度。并且有很大的吸收荷载能量的能力。纤维复合水泥基材料在受冲击的同时，PVA纤维吸收了其中一部分冲击动能，有效提高了水泥基材料的冲击性能。因此，PVA纤维能有效地限制裂缝的出现，对水泥基试块的抗冲击性能有显著提高。
2.2 PVA纤维对水泥砂浆抗渗性能的影响
PVA纤维水泥基材料的防水性能良好，在防水性能方面，主要是通过其内部抗裂而达到防水的要求。PVA纤维抗渗的理论研究是建立在对纤维复合水泥基材料的微观研究上。PVA纤维在水泥基内部不易成团，能与水泥基材料更好地结合；
由于PVA纤维比较细，比表面积大，能在水泥基材料内部构成乱向支撑体系。当微裂缝在向内部细裂缝产生的过程中，由于PVA纤维的阻碍，耗散了一些内部能量，很难进一步产生和发展。PVA纤维可以显著地抑制水泥基材料早期干缩微裂缝的产生及发展，还能明显地减少水泥基材料收缩裂缝。究其原因，PVA纤维分散了水泥基材料的拉应力，从而达到了显著抗裂的效果。
在水泥基材料中加入PVA纤维，能够在某种程度上阻碍水泥基材料开裂，可以达到防水效果。在北方比较寒冷地区的路面、街道、停车场等，使用化学纤维水泥基材料可显著地减少冻裂等相关问题。良好的抗渗性可以保护构件内部的各种材料，免除锈蚀危害，以免造成工程安全问题。
2.3 PVA纤维对水泥砂浆收缩性能的影响
在实际工程中，由于外界荷载和周围环境的影响，造成水泥基材料开裂变形。水泥浆体不仅在硬化过程中会发生体积收缩，并且在成型之后，在使用过程中也会发生各种物理收缩和化学收缩。水泥基体积稳定性不好会导致一些裂缝的产生，从而对水泥基材料劣化有促进作用，收缩也是引起裂缝产生的重要因素之一。PVA纤维复合水泥基材料可以减小变形，究其原因，一方面是自身内部影响因素，另一方面又受温度、养护条件等外部因素的影响。控制水泥基材料的收缩，将减少水泥基材料内部裂缝产生及发展的概率，减少水泥基材料受侵蚀。PVA纤维能够有效阻碍水泥基材料收缩，减少水泥基材料内部收缩裂缝，因此加入PVA纤维是一种有效的方法。
PVA纤维的加入，在一定程度上改善了水泥基材料的抗压、抗折和耐久性能，使纤维水泥基材料由脆性破坏形态变为塑性破坏形态。PVA纤维加入纤维水泥基材料中后，使水泥基材料的抗折强度、抗压强度及受弯曲荷载有较大的提高，并且显著地提高了混凝土的抗渗性及混凝土的收缩性能，对抗冲击性能也有明显的提高。PVA纤维是具有较高强度和模量的化学纤维。PVA纤维与水化硬化后，纤维复合水泥基材料与各材料结合力较好。
对于PVA纤维的应用，目前主要还是集中在水泥制品领域，应用的生产地点也大部分局限于一些制品厂家。根据前面的机理分析及PVA纤维的优点，在完善应用研究数据和标准的情况下，PVA纤维在工程建设中可用于墙体抹灰，在外墙、卫生间抹灰砂浆中掺入，可解决墙面的开裂，从而增强抗渗漏的能力。PVA纤维用于地面、楼面、屋面砂浆中，可解决砂浆的裂缝和起砂等问题。PVA纤维用于地下室地板、转换层大梁等大体积混凝土时，可减少温差、收缩等带来的混凝土开裂现象。
猜你喜欢水泥砂浆耐久性水泥水泥像被踢死事件趣味(数学)(2021年5期)2021-10-13不同纤维对磷酸镁水泥砂浆早期性能的影响研究铁道建筑技术(2021年4期)2021-07-21压力容器产品铭牌使用耐久性的思考中国特种设备安全(2019年7期)2019-09-10水泥搅拌桩在城市道路软基处理应用中的思考城市道桥与防洪(2019年5期)2019-06-26高钛型高炉渣砂代砂水泥砂浆力学性能试验研究江西建材(2018年2期)2018-04-14硅灰对硫铝酸盐水泥砂浆物理力学性能的影响上海建材(2017年5期)2018-01-22振动搅拌，基础设施耐久性的保障中国公路(2017年14期)2017-09-26混凝土耐久性无损检测技术湖南城市学院学报（自然科学版）(2016年2期)2016-12-01化腐朽为神奇—本土创造—水泥环保灯工业设计(2016年5期)2016-05-04水泥刨花板国际木业(2016年6期)2016-02-28