聚乙烯醇纤维砂浆的制备与基本力学性能试验

金晓勤, 蒋益鹏, 郑佳晓

(厦门理工学院, 福建 厦门 361024)

聚乙烯醇纤维砂浆的制备与基本力学性能试验

金晓勤, 蒋益鹏, 郑佳晓

(厦门理工学院, 福建 厦门 361024)

近年来聚乙烯醇纤维增韧水泥基复合材料(PVA-ECC)引起了国内外学者的广泛关注，但工程应用较少.因为目前尚没有纤维砂浆材料力学性能的试验规程，本文基于厦门本地原材料进行聚乙烯醇纤维(PVA)砂浆的制备试验，并参考相关试验规程对PVA纤维砂浆的抗压性能和抗折性能进行试验，研究砂胶比、PVA掺量变化等对其基本力学性能的影响.试验结果表明，利用室内小型砂浆搅拌机制备PVA纤维砂浆是可行的，宜采用适当的投料方式、控制PVA掺量、减小砂胶比等；随着PVA纤维掺入量的增加，砂浆的抗压强度变化不大，但抗折强度和抗弯极限承载力增幅显著，压折比降低；与素砂浆相比，PVA纤维砂浆受压或者受弯时裂缝发展缓慢，裂缝宽度也较小，表现出一定的延性性质.

聚乙烯醇纤维； 水泥砂浆； 抗压强度； 抗折强度； 极限承载力

传统水泥基材的主要缺点是抗拉强度低、极限延伸率小、性脆.为了改善这种缺陷，各国学者纷纷展开了积极的研究.吴中伟院士曾提出，复合化是提高水泥基材料高性能化的主要途径，核心则是纤维增强[1].抗拉强度高、极限延伸率大、抗碱性好的纤维加入到水泥基料中，组成纤维混凝土复合材料，使材料的抗拉、抗弯、抗冲击强度及延伸率和韧性得以提高.目前纤维混凝土的主要品种有石棉水泥、钢纤维混凝土、玻璃纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土及碳纤维混凝土、植物纤维混凝土和高弹模合成纤维混凝土等[2].

1992年美国密歇根大学的VICTOR教授和麻省理工大学的CHRISTOPHER教授最早提出将聚乙烯醇纤维(Polyvinyl alcohol Fiber，PVA)用于高韧性水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites，ECC)中，从此PVA纤维增韧水泥基复合材料(Polyvinyl alcohol Fiber-Engineered Cementitious Composite，PVA-ECC)引起了国内外学者的广泛关注[3].PVA相对于传统的钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等具有抗拉强度高、性能稳定、与水泥基的粘结强度高的特点[4-5].我国对PVA-ECC的研究进展很快，1995年王德松等[6]开始研究水溶性聚合物PVA纤维对水泥石力学性能的影响，发现较高强度模量的聚乙烯醇纤维的增强增韧效果优于较低强度模量的维尼纶纤维；刘品旭对PVA水泥基材料的抗弯强度和抗弯曲韧性进行力学研究[7]；李贺东对钢筋PVA-ECC梁的四点弯曲试验，表明PVA-ECC能提高构件的承载力[8]；徐世烺等[9],张君等[10]对PVA-ECC叠合梁进行研究，发现PVA-ECC层厚度的增加，梁的整体弯曲性能和承载力都得到明显改善；杜志芹等[11]研究混凝土掺入PVA纤维后，因PVA纤维的强度和弹性模量较高，提高了水泥基体抗裂能力，抑制了裂缝的出现和扩展；刘曙光等[12]证明了掺入PVA纤维，可以明显改善水泥基复合材料的抗盐冻性能，有效提高机体的抗剥落能力和阻止裂缝的产生及扩展.

聚乙烯醇(PVA)纤维水泥基复合材料的研究在国内尚处于起步阶段，尚没有关于纤维复合水泥砂浆材性的试验规程，因此，本项目的研究方法和试验方案均是在摸索中进行.本文通过试验研究，初步探讨不同PVA掺量砂浆的制备及其抗压抗折性能.

1 PVA砂浆材料制备成型

1.1 原材料

(1)PVA纤维

参考到多篇文献均提出国产的纤维分散性不足[9,12-14]，本文采用的是日本可乐丽生产的K-Ⅱ可乐纶进行试验，纤维的各项参数见表1.

表1 PVA纤维的性能参数[12]

(2)其他材料

水泥：采用试验专用的42.5基准水泥.

砂：采用普通中砂.

减水剂：采用厦门科之杰的聚羧酸系高性能减水剂.

1.2 材料制备成型

本实验室采用沧州路仪试验仪器有限公司生产的UJZ-15型砂浆搅拌机，ZH·DG-80型混凝土试验用振动台.

当纤维掺量达到一定比例时，砂浆搅拌过程中易出现结团现象，即使增加搅拌时间也不能改变这种现象，经过多次反复调整减水剂用量、PVA纤维掺量、纤维的投入方式和搅拌时间，并采用参考文献[13-14]推荐的拌合法，最终这种情况才得到改善，见图1.

试块制作成型过程具体如下：

a．按比例称量各种材料的质量；

b．将砂和水泥放入搅拌机中干拌2 min；

c．放入水和减水剂，搅拌4 min；

d．分散加入PVA，搅拌5 min,使之均匀散落在砂浆中，此时搅拌的终止时间以纤维浆体不成团、结块为依据.简称湿拌法.

e．装模.迅速把拌合物装入已经准备好的模具中，装料是应用抹刀沿模具壁插捣，并使拌合物略高于模具口.

f．振实.将试模放于混凝土振动台上进行振动，振动持续到表面出浆为止，使试块上的混凝土分布均匀密实不得过振，振动时间1 min为最适宜时间.

g．振动结束后，从振动台上取下试模，刮除试模上口多余的混凝土，待砂浆临近初凝时，用抹刀抹平，然后贴上标签.

h．在室温为20±5℃的环境下静置24 h，然后拆模，拿油性笔在试块上写上编号，放入温度为20℃及湿度为95%以上的标养室中养护，养护28 d后进行力学性能测试.

根据当前的研究，PVA纤维的体积含量一般为2%.多组试验后确定, 本次试验PVA的最高掺量为2%，水：砂：胶分别为0.283∶0.6∶1和0.448∶2.5∶1时的PVA砂浆和易性最佳.

图1 PVA砂浆搅拌

2 基本材性试验结果及分析

2.1 抗压强度与抗折强度试验

因目前尚没有纤维砂浆材料力学性能的试验规程，因此参考《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)和《钢丝网水泥用砂浆力学性能试验方法》(GB/T 7897-2008)的相关规定[15-16]，在标准模具中制作40 mm×40 mm×160 mm试件块(PVA含量分别为0，1.0%，1.5%，2%)，标准养护28 d后进行抗折和抗压对比实验.

每组均采用3个试块进行平行试验，试验结果取其平均值，但当有试验值超出平均值得15%时，予以剔除，取余下2个值进行平均.

实测抗压强度按公式1计算[15]：

(1)

公式中：P为抗压强度；F为压力；S为受压面积.

实测抗折强度按公式2计算[15]：

(2)

公式中：

σf为纤维水泥基复合材料抗折强度(MPa)；

Ff为折断时施加在棱柱体中部的荷载(N)；

l为试件跨度(mm)；

b为试件宽度(mm)，公称尺寸为40 mm.

采用DKZ-6000型数显电动抗折试验机进行标准三点抗折实验.将折断后的试块放到油泵加压机器，以1 200 N·S-1的加载速度进行加载.实测抗折强度和抗压强度见表2和图2.

表2 实测抗折强度

Table 2 The measured flexural strength with different PVA contents

砂胶比0.6∶1砂胶比2.5∶1PVA掺量/%抗折强度/MPaPVA掺量/%抗折强度/MPa011.407.81.012.41.08.11.5>15.01.59.42.0>15.02.08.8

注：个别试块的抗折强度超出了数显电动抗折试验机的量程范围.

图2 PVA含量与实测抗压强度的关系图

Fig.2 Effect of PVA contents on compressive strength of the mortar specimen

根据表2和图2可知：

(1)本次试验配制的砂浆强度大大高于普通砂浆的强度(一般最高为M20)，并且砂胶比较小者(0.6∶1)，抗压和抗折强度均更高.

(2)当砂胶比为0.6∶1时，随着PVA掺入量从0增加至2%，PVA砂浆的抗折强度增加，但因个别试块的抗折强度超出了数显电动抗折试验机的量程范围，无法量化；而抗压强度最大提高3.9%.

(3)当砂胶比为2.5∶1时，随着PVA掺入量的增加，砂浆的抗折强度增加，最佳掺量是1.5%，抗折强度相应增加 21%；而抗压强度则略有下降，最多下降4.3%.

砂浆抗裂性可以用压折比来衡量，压折比越小，砂浆抗裂性越好；压折比越大，砂浆抗裂性越差.计算砂胶比为2.5∶1的压折比，见表3.

表3 砂胶比为2.5∶1的压折比

Table 3 The compression-fold ratio when sand-binder ratio is on 2.5∶1

PVA掺量/%压折比07.21.06.51.55.82.06.1

可见，当砂胶比为2.5∶1时，随着PVA掺入量的增加，砂浆的抗裂性能增加.

(4)普通砂浆试块受压达到强度峰值后断裂，呈脆性破坏；而PVA砂浆试块达到强度峰值出现裂缝后，并不断裂，裂缝处可见多根纤维牵扯，要用力才能掰开，PVA含量越高的越明显，见图3.掰开后触摸断面，有毛糙感，说明有PVA纤维拔出或者拉断.

图3 PVA纤维砂浆试块受压破坏形态

2.2 大试块的受弯和受压破坏试验

为了进一步研究PVA砂浆的抗裂性能，参考《钢纤维混凝土》(JG/T 472-2015)和《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)[17-18]，采用的砂胶比为0.6，水胶比为0.283的配合比，制作100 mm×100 mm×400 mm试块，在WDW-100微机控制电子万能试验机上进行四点抗折实验，见图4.

同时，制作100 mm×100 mm×100 mm试块进行受压破坏试验.实测极限承载力见图5.

图4 大试块的四点弯曲试验示意

图5 PVA含量与受弯和受压的极限承载力的关系图

Fig.5 Effect of PVA contents on the ultimate bearing capacity of the model in bending and compression when sand-binder ratio is on 0.6∶1

可见：

(1)随着PVA掺量从0增加至2%，受弯破坏极限承载力几乎呈线性增加，最大提高80%；

(2)随着PVA掺量从0增加至2%，受压极限承载力也有所增加，最大提高8.6%；

(3)普通水泥基复合材料在受弯破坏时突然断裂、承载力降为零.而PVA纤维水泥基复合材料破坏时裂缝发展缓慢，破坏时试件并无全截面断开，裂缝宽度也较小，仍有一定承载力，如图6和7所示.

图6 素水泥砂浆破坏形态

图7 PVA纤维水泥砂浆破坏形态

Fig.7 Four-point bending destruction of PVA fiber cement mortar

可见,掺入PVA纤维主要增大了抗弯折的极限承载力，提高了材料的延性.

3 结 论

本文通过对PVA水泥砂浆制备和基本材性试验研究，结果表明：

(1)实验室小型搅拌机搅拌PVA纤维砂浆是可行的，宜采用后加入PVA纤维、控制PVA掺量、减小砂胶比；

(2)随着砂胶比增加，砂浆强度降低，PVA纤维难以搅拌均匀，削弱了PVA纤维的桥联作用，特别是当PVA掺量达到2%时.这和VICTOR等提出的PVA掺量一般不超过2%相吻合.

(3)随着PVA纤维掺入量的增加，水泥砂浆的抗压强度或抗压极限承载力变化不大，但抗折强度或抗弯折的极限承载力提高明显；压折比降低，砂浆抗裂性大大提高.

(4)普通水泥砂浆在受折和受压时均表现为脆性破坏，即突然断裂、承载力降为零.而PVA纤维砂浆受压或者受弯时裂缝发展缓慢，裂缝宽度也较小，仍有一定承载力，表现出一定的延性性质.

目前在我国，聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料在工程中的应用才刚刚起步，本课题组对该材料的实际应用及性能研究还将作进一步的探索.

[1] 吴中伟.纤维增强——水泥基材料的未来[J].混凝土与水泥制品，1999(1)：5-6.

WU Z W. Fiber reinforced—the future of cementitious material[J]. China Concr Cem Prod, 1999(1)：5-6.

[2] 中国混凝土机械网. 纤维混凝土品种及制备与性能[EB/OL]．http://www.998jx.cn/sbyy/show-512.html. 2013-04-23.

China Concrete Machinery Net. Variety and preparation and properties of fiber reinforced concrete[EB/OL]．http://www.998jx.cn/sbyy/show-512.html. 2013.

[3] 徐涛智，杨医博，梁颖华，等. 聚乙烯醇纤维增韧水泥基复合材料研究进展[J].混凝土与水泥制品，2011(6)：39-44.

XU T Z, YANG Y B, LIANG Y H, et al. Research and development of polyvinyl alcohol fiber-engineered cementitious composites[J]. China Concr Cem Prod, 2011(6)：39-44.

[4] ATSUHISA O, TETSUO H, HOSHIRO H. Poiyvinylalcohol fiber reinforced cement-based composites[J]. Res Buil and Monu, 2006, 12(2):101-108.

[5] TATSUSHI K, VICTOR C L. Interface property and apparent strength of high-strength hydrophilic fiber in cement matrix[J]. J Mater Civ Eng, 1998, 10(1):5-13.

[6] 王德松，李淑敏，马劲松，等.聚乙烯醇纤维和维尼纶纤维增强水泥石的研究[J].河北轻化工学院学报, 1996，17(3)：50-54.

WANG D S, LI S M, MA J S, et al. Study on PVA fibers or vinylon fibers reinforced cement pastes[J]. J Hebei Inst Chem Tech Lig Ind, 1996，17(3)：50-54.

[7] 刘品旭.PVA纤维增强水泥基复合材料的耐久性能研究[D].石家庄：河北工业大学，2014.

LIU P X. The research on the durability of PVA fiber reinforced cement matrix composites[D]. Shijiazhuang：Hebei University of Technology,2014.

[8] 李贺东.超高韧性水泥基复合材料试验研究[D].大连：大连理工大学，2008.

LI H D. Experimental research on ultra high toughness cementitious composites[D].Dalian：Dalian University of Technology,2008.

[9] 徐世烺，王楠，李庆华.超高韧性水泥基复合材料增强普通混凝土复合梁弯曲性能试验研究[J].土木工程学报, 2010, 43(5): 17-22.

XU S L, WANG N, LI Q H.Experimental study on the flexural performance of concrete beam strengthened with ultra high toughness cementitious composites[J]. Chin Civ Eng J, 2010, 43(5): 17-22.

[10]ZHANG J, CHRISTOPHER K Y L, YIN N C. Flexural performance of layered ECC-concrete composite beam[J]. Compos Sci Tech, 2006，66(11/12)：1501-1512.

[11]杜志芹，孙伟.纤维和引气剂对现代水泥基材料抗渗性的影响[J].东南大学学报(自然科学版)，2010，40(3)：614-618.

DU Z Q, SUN W. Effect of fibers and air-entraining agent on the impermeability of modern cement-based materials[J]. J Southeast Univ(Nat Sci Edi)， 2010, 40(3):614-618.

[12]刘曙光，闫敏，闫长旺，等.聚乙烯醇纤维强化水泥基复合材料的抗盐冻性能[J].吉林大学学报(工程技术版)，2012，42(1)：63-67.

LIU S G, YAN M, YAN C W, et al. Deicing salt resistance of PVA fiber reinforced cementitious composite[J]. J Jilin Univ(Eng Tech Edi), 2012, 42(1)：63-67.

[13]杨英姿，姚燕.高性能PVA纤维增强水泥基材料的制备与性能[J].中国材料进展，2010, 29(9)：19-24.

YANG Y Z, YAO Y. Preparation and properties of high performance PVA fiber reinforced cementitious materials[J]. Mater China, 2010, 29(9)：19-24.

[14]郑玉国，崔元东，王伟男，等. PVA-ECC的最优配比及力学性能试验研究[J].湖南工程学院学报(自然科学版)，2014，24(2)：69-72.

ZHENG Y G, CUI Y D, WANG W N, et al. Study on optimal mix proportion and mechanical property experiment of PVA-ECC[J]. J Hunan Inst Eng(Nat Sci Edi), 2014，24(2)：69-72.

[15]GB/T 17671-1999,水泥胶砂强度检验方法(ISO法)[S]. 北京：中国标准出版社,1999.

GB/T 17671-1999,Method of testing cements-determination of strength[S]. Beijing: Standard Press of China, 1999.

[16]GB/T 7897-2008,钢丝网水泥用砂浆力学性能试验方法[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

GB/T 7897-2008,Test methods of mechanical properties of mortar for ferrocement[S]. Beijing: Standard Press of China, 2008.

[17]JG/T 472-2015,钢纤维混凝土[S]. 北京：中国标准出版社，2015.

JG/T 472-2015,Steel fiber reinforced concrete[S]. Beijing: Standard Press of China, 2015.

[18]GB/T 50081-2002,普通混凝土力学性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

GB/T 50081-2002,Standard for test method of mechanical properties on ordinary concrete[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2002.

【责任编辑： 周 全】

Preparation and experimental research on the properties of Polyvinyl alcohol Fiber reinforced mortar

JINXiao-qin,JIANGYi-peng,ZHENGJia-xiao

(Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China)

In recent years，the Polyvinyl alcohol fiber-Engineered Cementitious Composite (PVA-ECC) has attracted global attention, but it is rarely applied in bridge and road engineering. Although there is no specification for mix proportion design or test methods for mechanical properties of fiber reinforced mortar, PVA fiber reinforced mortar specimens are prepared and made for compressive test and flexural test respectively. The test results show that the small mortar mixer is feasible for PVA fiber reinforced mortar by adopting proper mix proportion and mixing method; with PVA fiber increasing, the compressive strength and the flexural strength of the reinforced mortar increas, especially the latter increases significantly. Compared with the plain mortar specimens, the crack width in the PVA fiber reinforced mortar specimens is smaller and developed slowly under compression bending.

Polyvinyl alcohol fiber; cement mortar; compressive strength; flexural strength; ultimate bearing capacity

2016-07-18;

2016-08-31

国家自然科学基金资助项目(51078135)；厦门市2014年科技计划高校项目(3502Z20143035)；厦门理工学院2015年大学生创新训练项目;厦门理工学院科技资助项目(YKJ13031R)

金晓勤(1971-)，女，副教授，博士. E-mail: jxqbridge@xmut.edu.cn

1671- 4229(2016)05-0021-06

TU 528.581

A