聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料耐久性能的研究进展

王峰　王英浩

【摘 要】 聚乙烯醇（PVA）纤维是近年来广泛应用于水泥基复合材料的新型合成纤维，在试验研究与工程应用方面有良好的前景。综述了近年来国内外有关PVA纤维增强水泥基复合材料抗侵蚀性、抗冻性及抗渗透性的研究进展，并在此基础上，提出进一步研究的方向。

【关键词】 聚乙烯醇纤维；水泥基复合材料；抗侵蚀性；抗冻融性；抗渗透性

【中图分类号】 TU528.581

【文献标识码】 A

【Abstract】 Polyvinyl alcohol （PVA） fiber is a new type of synthetic fiber which is widely used in cementitious composites in recent years. It has a great prospect in the field of experimental research and engineering application. The research progress of PVA fiber reinforced cementitious composite at home and abroad in recent years， based on the corrosion resistance， frost resistance and permeability， are reviewed in this paper. On this basis， it puts forward the direction of further research.

【Key words】 Polyvinyl alcohol fiber；Cementitious composites；Corrosion resistance；Frost resistance；Permeability

1.引言

（1）Mehta[1]曾指出：“當今世界混凝土的破坏原因，按重要性递减顺序排列为：钢筋锈蚀、冻害、腐蚀作用”。因此，为改善混凝土及其他水泥基复合材料的耐久性能，需考虑环境因素及结构的抗渗性。高强高性能混凝土在桥梁、港口码头、高层建筑等工程建设领域已起到举足轻重的作用，但我国南北方地区的建筑结构均处于一定不利环境条件下，导致一些混凝土结构的耐久性严重不足。为了进一步提高混凝土等水泥基材料的耐久性，对其抗侵蚀性、抗冻性与抗渗透性的提高备受研究人员的重视。

（2）自从20世纪90年代纤维增强超高韧性水泥基复合材料（ECC）出现以后[2]，其优良性能受到了国内外广大学者的重视，尤其在耐久性方面已经取得了一系列重要成果。高弹高模的PVA纤维对实现ECC的优良性能尤为关键，且能在很大程度上提高ECC的耐久性能。

（3）但是，目前通过掺加PVA纤维改善水泥基复合材料的抗侵蚀性、抗冻性与抗渗透性的试验研究还略有不足。本文综述了近年来PVA纤维增强水泥基复合材料耐久性能影响的研究进展，并对进一步研究作了展望。

2. PVA纤维增强水泥基复合材料的抗侵蚀性

（1）不利环境条件的侵蚀是导致水泥基材料性能退化最为重要的原因之一，在各种环境因素中，氯盐与硫酸盐是导致水泥基复合材料发生侵蚀破坏的重要形式。高弹高模PVA纤维的掺入，提高了水泥基复合材料的阻裂性能，改善了其抗外界有害物质侵入的能力。

（2）刘曙光等[3]采用100mm×100mm×100mm标准立方体试件在5%硫酸钠溶液中的长期浸泡方法进行了硫酸盐侵蚀试验，得出结论：通过对PVA纤维增强水泥基复合材料的表观形貌变化可知，在硫酸钠溶液侵蚀下材料的损伤破坏程度与纤维掺量有关；结合体积变化率和质量变化率分析，随着PVA纤维的掺入，明显改善了PVA纤维增强水泥基复合材料的抗硫酸钠侵蚀性能。

（3）氯离子具有各种侵蚀介质中最强的侵蚀性，是影响结构耐久的关键因素。水泥基复合材料中随机分布的纤维，在一定程度上起到了限制裂缝发展的作用。由于纤维的阻裂效应，水泥基复合材料的裂缝的数量、宽度和长度明显减少，进而提高了抗氯离子渗透性[4]。

（4）王志伟等[5]采用湿-烘循环的试验方法，以PVA纤维掺量为参数，研究了PVA纤维增强水泥基复合材料的抗氯离子侵蚀性能。试验结果表明：与同条件下混凝土相比，PVA纤维体积掺量越大，PVA-FRCC试件的氯离子最大侵蚀深度越小，平均侵蚀深度越小。因此PVA纤维的掺入明显改善了PVA-FRCC试件的抗氯离子侵蚀性能。

（5）几十年来，国内外对抗侵蚀性能的研究主要集中于普通混凝土材料，在纤维增强水泥基复合材料方面的研究较少，且主要集中于单一因素下PVA纤维增强水泥基复合材料的抗侵蚀性能研究，纤维增强水泥基复合材料在多因素共同作用下的抗侵蚀性能还有待科研人员今后进一步探索。

3. PVA纤维增强水泥基复合材料的抗冻性

（1）近年来，国内外对PVA纤维增强水泥基复合材料抗冻性能的研究已逐渐深入。尤其在北方寒冷地区，冻融作用往往是导致建筑结构劣化乃至产生一系列不利于工程应用的最主要因素， 为有效评价PVA纤维增强水泥基复合材料抗冻性能，国内外研究人员进行了大量抗冻性能试验。

（2）张菊等[6]通过氯盐环境中快速冻融试验，得出如下试验结果：基于氯盐环境中冻融循环后试件的外观形貌和质量损失率表明，PVA纤维掺量为2%的试件表现出较好的抗冻性；而动弹性模量和耐久性实验结果表明，PVA纤维体积分数为1%的试件有较好的抗冻性。

（3）薛会青等[7]通过冻融试验研究了掺入国产与进口PVA纤维的ECC在不同砂灰比下的抗冻融耐久性能，探讨了ECC具有高抗冻性的机理。300次冻融循环后，掺入国内与国外PVA纤维的ECC纵向与横向动弹性模量均高于60%。混凝土及砂浆的抗冻等级为F100，而掺入国内与国外PVA纤维的ECC抗冻等级均大于F300，结果表明：掺入PVA纤维的ECC抗冻耐久性明显优于普通混凝土与砂浆，完全满足寒冷地区和严寒地区中度饱和水条件下对材料抗冻性的要求，可用于寒冷地区混凝土结构的加固与维护。

（4）刘曙光等[8]以快冻法研究了盐冻环境下PVA纤维水泥基复合材料的抗冻性能，其试验结果表明：适量PVA纤维的掺入可以有效改善PVA纤维水泥基复合材料的抗冻融性能，且通过对相对动弹性模量、质量损失率及扫描电镜（SEM）观测可知，PVA纤维水泥基复合材料的抗冻性随纤维掺量的增加而提高。当掺量为1.5%时，抗盐冻性能最好；当掺量达到2%时，由于PVA纤维水泥基复合材料微观空隙增多，导致抗盐冻性能下降。且由于PVA纤维具有抗裂作用，可显著减少初始裂缝数量同时抑制裂缝的宽度和长度，使PVA纤维水泥基复合材料具有远优于普通混凝土的良好抗冻性。

（5）邓宗才等[9]通过快速冻融试验，研究了ECC的抗冻融耐久性能，分析了在不同砂灰比情况下国产与进口PVA纤维对ECC抗冻融性能的影响规律，并探讨了ECC具有高抗冻性的机理。结果表明：150次冻融循环后，砂浆和混凝土试件的纵向与横向相对动弹性模量均下降到 60%以下，由于在ECC中掺入的PVA纤维向基体中引入大量的微小气泡，明显增大基体含气量，有效缓解冻融循环过程中的渗透压力和静水压力，提高了抗冻性能；PVA纤维的掺入减少了ECC试件的裂缝数量，提高了冻融循环作用过程中ECC试件对膨胀应力的抵抗能力，使试件冻融损伤过程中的能量消耗明显增大，有效地抑制了试件的冻胀开裂，改善了抗冻性能。

（6）Sahmaran等[10]对不掺加纤维与掺加纤维的ECC进行了冻融试验，结果表明：掺入的PVA纤维显著改善了ECC的抗冻融性能，可能是由于PVA纤维的掺入给基体带来了更大体积的孔隙，这些孔隙对ECC抗冻融性能的提高有一定作用。

（7）由国内外研究人员进行的一系列研究可知，掺入的PVA纤维能够明显改善水泥基复合材料的抗冻融能力。目前的研究较多集中于宏观上PVA纤维增强水泥基复合材料的优异抗冻性能，而对微观层面材料抗冻机理的研究较少，今后需将纤维取向、分布、锚固长度及纤维-基体截面联系到一起进行微观研究与分析。

4. PVA纤维增强水泥基复合材料的抗渗透性

（1）众所周知，如文献[1]所说，影响钢筋混凝土结构耐久性的一大关键因素便是钢筋锈蚀，而氯离子、硫酸根离子等的侵入甚至是水渗透进结构内部，都会在一定程度上加速钢筋锈蚀的发生。为减轻钢筋锈蚀作用，关键是研究结构的抗渗透性能，而纤维的掺入对结构抗渗性能的提高起到了巨大作用，这引起了国内外学者的广泛重视，并进行了一系列相关研究工作。

（2）徐世烺等[11]通过快速氯离子渗透试验，研究了100mm×100mm×400mmUHTCC棱柱体试件在28d、56d、90d和120d龄期下的抗渗透性能。结果表明：对比相同等级的普通混凝土，UHTCC具有更为优异的抗渗性能，且随龄期的增长，其抗渗性能逐渐增强。

（3）周伟[12]对大掺量粉煤灰ECC进行了抗渗性等耐久性研究，结果表明：掺入的纤维为氯离子进入水泥基体提供了通道，同时大量掺入的粉煤灰造成结构密实性的下降，使得ECC的抗渗性能较普通混凝土差。

（4）就目前而言，国内外在结构抗渗性能的研究领域主要集中在混凝土结构，近几十年又较多研究了钢纤维混凝土结构，而对PVA纤维增强水泥基复合材料的抗渗性能的研究较少，且研究主要集中在单一环境条件下的抗渗透性能，而在多因素共同作用下的抗渗透性能方面还有待学者们进一步研究。

5. 结语与展望

（1）高弹高模的PVA纤维掺入水泥基复合材料，对基体能够起到一定的约束抗裂作用，有效降低有害物质侵入材料内部，显著提高水泥基复合材料的抗侵蚀性、抗冻性及抗渗透性；

（2）目前主要集中于硫酸盐侵蚀、氯盐侵蚀、冻融等单因素作用下纤维增强水泥基复合材料的研究上，而在多因素共同作用以及微观层面的研究还很少，应对纤维增强水泥基复合材料在多因素共同作用下的损伤机理、微观结构等方面进行更深层次的研究；

（3）国内外目前有关纤维增强水泥基复合材料渗透性能的研究主要集中于氯离子渗透，如其他离子渗透、气体渗透及各种环境相互作用下的渗透等方面的研究较少，今后需进行更为全面的研究。

参考文献

[1] Mehta P D. Concrete durability： fifty year's progress[C]// The 2nd International Conference On Concrete Durability. America， 1991： 1～33.

[2] Li V C， Leung C K Y. Steady State and Multiple Cracking of Short Random Fiber Composites[J]. Journal of Engineering Mechanics， 1992， 118（11）：2246～2264.

[3] 刘曙光， 赵晓明， 张菊， 等. 聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料在长期浸泡作用下抗硫酸盐侵蚀性能[J]. 复合材料学报， 2013， 06： 60～66.

[4] 唐巍， 张广泰， 董海蛟， 等. 纤维混凝土耐久性能研究综述[J]. 材料导报， 2014， 11： 123～127.

[5] 王志伟， 刘曙光， 张菊， 等. 湿-烘循环作用下PVA纤维增强水泥基复合材料抗氯离子侵蚀性能研究[J]. 混凝土与水泥制品， 2015， 08： 44～48.

[6] 张菊， 刘曙光， 闫长旺，等. 氯盐环境对PVA纤维增强水泥基复合材料抗冻性的影响[J]. 硅酸盐学报， 2013， 06： 766～771.

[7] 薛会青， 邓宗才. 高韧性水泥基复合材料试验研究[J]. 东南大学学报（自然科学版）， 2010，S2： 20～27.

[8] 刘曙光， 闫敏， 闫长旺， 等. 聚乙烯醇纖维强化水泥基复合材料的抗盐冻性能[J]. 吉林大学学报（工学版）， 2012， 01： 63～67.

[9] 邓宗才， 薛会青， 徐海宾. ECC材料的抗冻融性能试验研究[J]. 华北水利水电学院学报， 2013， 01： 16～19.

[10] Sahmaran M， Ozbay E， Yücel H E， et al. Frost resistance and microstructure of engineered cementitious composites： influence of fly ash and micro poly-vinyl-alcohol fiber[J]. Cement & Concrete Composites， 2012， 34（2）： 156～165.

[11] 徐世烺， 蔡新华. 超高韧性水泥基复合材料碳化与渗透性能试验研究[J]. 复合材料学报，2010，03：177～183.

[12] 周伟. 大掺量粉煤灰ECC耐久性试验研究[D]. 哈尔滨工业大学， 2010.

[文章编号] 1619-2737（2018）01-12-609

[作者简介] 王峰（1985.06-），男，籍贯：内蒙古乌兰察布人，职务：在读硕士、工程管理员，工作单位：中国北方稀土（集团）高科技股份有限公司。