PVA及玄武岩纤维对水泥基复合材料力学性能的影响*

王仕富，曾晓辉，周 尧，王 平，马建宁，周 昊，李建辉，潘国园

(1.中国铁路南宁局集团有限公司，南宁 530029; 2.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031;3.中南大学 土木工程学院，长沙 410074; 4.四川昊龙高科轨道交通新材料科技股份有限公司，成都 610000)

0 引 言

国内外研究发现混凝土中掺入适量高弹性模量纤维可显著提高基体强度，而掺入适量低弹性模量高延性纤维可显著提高基体的韧性[1-2]。在纤维水泥基复合材料的研究应用中发现，纤维对水泥基复合材料力学性能的改善与之类似，但是考虑到市场上纤维的质量参差不齐，同时考虑到“纤维混杂效应”[3-4]，单一纤维可能会存在局限性，为了充分发挥纤维的优势，最大限度地改善水泥基复合材料的各种性能，越来越多专家学者将目光聚焦于混杂纤维的研究，采用复掺两种或多种纤维技术，使水泥基复合材料的结构更加密实，韧性更好，力学特征更优越。

目前，聚丙烯纤维与钢纤维的混杂研究较多，但钢纤维材料成本较高，同时存在腐蚀、导电等问题,越来越多的专家学者转向PVA纤维及玄武岩纤维的研究[5-6]。PVA纤维是由聚丙乙烯为原料制作，因其具有高强高模等特点，在诸多领域皆有广泛的应用。例如，在水泥混凝土(或砂浆)中掺入适量PVA纤维，能有效抑制砼(或砂浆)因塑性收缩及温度变化等因素引发的裂纹，抑制裂缝的形成与发展，提高基材的抗弯、抗冲击及抗裂强度[7]。玄武岩纤维是一种天然玄武岩拉制的连续纤维，是一种新兴的绿色高性能的无机非金属纤维材料，一般为褐色，有金属光泽。玄武岩连续纤维不仅强度高，而且还具有电绝缘、耐腐蚀、耐高温等多种优点。玄武岩纤维的掺入能改善混凝土(或砂浆)粘聚性和稳定性,提高构件抗冲击性能,降低其脆性；同时，还能改善基材抗渗性能、抗冻融循环能力和抗收缩能力[8]。此外，相较于大部分工业纤维，玄武岩纤维抗老化性能更佳[9]。

惠存等[10]在PVA-玄武岩纤维混凝土力学性能的实验中发现，混杂纤维较单一纤维在抗折强度和韧性方面的加强效果更明显；Ahmed S F U等[11]研究得出材料变形能力主要受大尺寸纤维控制，而材料强度主要取决于小尺寸纤维，这对PVA-玄武岩纤维在水泥基复合材料中的应用指明了方向。本文通过单掺PVA纤维、单掺不同长度玄武岩纤维以及复掺两种不同长度纤维，对水泥基复合材料的各项力学性能进行实验研究，探究不同掺量对于水泥基复合材料力学性能的影响，从而得出适应高强高韧性基材的最佳纤维配比。

1 实 验

1.1 实验原料

PVA纤维：考虑经济性及实用性，实验使用中国石化集团四川维尼纶厂生产的聚乙烯醇PVA纤维，纤维外观如图1所示，基本性能如表1所示。

表1 PVA纤维相关基本指标

玄武岩纤维：实验用玄武岩纤维为四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司生产，纤维外观如图2所示，基本性能如表2所示。

表2 玄武岩纤维相关基本指标

水泥：成都都江堰市拉法基水泥厂生产的P·O42.5R硅酸盐水泥；粉煤灰：四川金堂沃能精细粉煤灰材料有限公司生产的Ⅰ级低钙粉煤灰，各项性能参数均符合规范[12]要求；硅灰：成都合锋新材料有限公司生产的硅灰，其物化性能指标均符合规范[13]要求；偏高岭土：成都复兴建材有限公司生产的偏高岭土；石英砂：成都凯斯博建材有限公司生产的20～70目石英砂；水采用普通自来水，各项性能指标均符合规范[14]要求。

1.2 基础配合比设计

基础配合比除纤维掺量外均参考PVA-ECC配合比[15]，探究纤维参量和种类对混凝土力学性能的影响，确定最终配合比如表3所示。

2 结果与讨论

2.1 单掺PVA纤维对水泥基复合材料力学性能的影响

由于PVA纤维的掺入会降低水泥基复合材料的抗压强度，且同等直径的纤维，长度越长，掺量越高，水泥基复合材料的抗压强度下降越明显[16]，本次单掺PVA纤维实验研究以短纤维掺入为主。PVA纤维掺量对水泥基复合材料力学性能的影响主要以材料28 d的抗压强度、抗折强度和折压比为考察指标，实验测试结果如图3所示(素砂浆试件抗压强度代表值为65.4 MPa，抗折强度代表值为15.6 MPa)。

图2 玄武岩纤维外观图

表3 实验用砂浆基础配合比

从图3可以看出，PVA短纤维的掺入会明显提高复合材料的抗压强度，但抗折强度会有所降低。水泥基复合材料的抗折强度随着PVA短纤维掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，当掺量为1.6%(体积分数)时，达到14.5 MPa的峰值；继续增加PVA短纤维的掺量，抗折强度持续下降。而水泥基复合材料的抗压强度随着PVA短纤维掺量的增加呈现先减小后增大的趋势，但总体随PVA短纤维掺量的增加而增加，当掺量<1.4%(体积分数)时，抗压强度随着PVA短纤维掺量的增加而降低；当掺量为1.4%(体积分数)时，抗压强度最低为76 MPa；当掺量>1.4%(体积分数)时,抗压强度随着PVA短纤维掺量的增加而逐步增加。

通过曲线可知，折压比也呈现出先增大后减小的趋势，且均小于基准基材的折压比，在掺量为1.4%和1.6%(体积分数)时达到最大值0.18，可见PVA纤维在改善材料韧性方面亦发挥着作用。综合考虑水泥基复合材料的强度和韧性，选择1.6%(体积分数)为PVA短纤维的最佳掺量[6]，此时，水泥基复合材料的抗折强度降低7%，抗压强度提升31%，折压比降低24%。

图3 单掺PVA纤维对水泥基复合材料力学性能的影响

2.2 单掺玄武岩纤维对水泥基复合材料力学性能的影响

实验对比分析了两种不同长度的玄武岩纤维对水泥基复合材料力学性能的影响，结果如图4所示。其中，玄武岩纤维的掺量分别为0，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%和0.6%(体积分数)。由图4(a)和(b)可知，玄武岩长纤维在0.1%(体积分数)掺量下，水泥基复合材料的各项力学性能均大幅度降低，相对素水泥基复合材料试件，抗折强度降低了38.0%，抗压强度降低了57.8%；在0.2%(体积分数)掺量下，水泥基复合材料的各项力学性能均有较大的回升，但仍然达不到素水泥基复合材料试件的力学强度；在0.2%～0.6%(体积分数)掺量下，水泥基复合材料的抗折强度先增大后减小；在0.3%(体积分数)掺量下，基本持平素水泥基复合材料试件的抗折强度；在0.4%(体积分数)掺量下，超过素水泥基复合材料试件抗折强度，并达到这系列的抗折强度达到最大值，为22.8 MPa。玄武岩长纤维的抗压强度是先增大后降低再增大，且最高抗压强度不超过100 MPa。

图4 单掺玄武岩纤维对水泥基复合材料力学性能的影响

从图4(a)和(b)可以看出，玄武岩短纤维在0.1%(体积分数)掺量下，抗折强度有所下降，但在0.2%(体积分数)时有一定回升，之后基本稳定在19～21 MPa之间；抗压强度则表现为先增大后减小，在0.3%(体积分数)掺量下达到最大抗压强度121.6 MPa，相对素水泥基复合材料试件，抗压强度增长了15.7%，且抗压的极差只有20 MPa。

由图4分析可知，对比掺入两种不同长度玄武岩纤维后水泥基复合材料的力学性能，掺入玄武岩短纤维的水泥基复合材料在各种掺量下，不仅满足设计的力学性能要求，并且显示出较好的稳定性，特别是抗压强度，不仅稳定在100～120 MPa之间，而且全面超过相对掺量下的玄武岩长纤维水泥基复合材料；但玄武岩长纤维在0.2%(体积分数)掺量以上时，水泥基复合材料的抗折强度相比同样掺量的玄武岩短纤维高。在变形方面，短纤维的极限变形在1.0～1.2 mm左右，而长纤维的极限变形在0.65～0.7 mm左右。主要原因是18 mm相对过长，与水泥基复合材料的粘结面积大，粘结过强，纤维不会出现滑移，均为拉断，所以对变形的增强效果不好。综合以上分析，选取玄武岩短纤维的掺量为0.3%(体积分数)时，水泥基复合材料的各方面性能最优，此时抗折强度降低8%，抗压强度提升15.7%，折压比降低20%。

图5 混杂纤维对水泥基复合材料力学性能的影响

2.3 混杂纤维对水泥基复合材料力学性能的影响

探究了两种不同长度玄武岩纤维在0.3%(体积分数)掺量下与两种不同长度PVA纤维混杂时，混杂纤维体系对水泥基复合材料力学性能的影响，结果如图5所示。其中与玄武岩短纤维配合时，PVA短纤维的掺量分别为0.2%，0.35%，0.5%，0.65%，0.8%(体积分数)；与玄武岩长纤维配合时，PVA长纤维掺量分别为0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%(体积分数)。

从图5(a)可以看出，玄武岩短纤维与PVA短纤维混掺时，水泥基复合材料的抗折强度呈先降低后增长再降低的趋势，在PVA短纤维掺量为0.5%(体积分数)时达到最大，为22 MPa，所以在使用玄武岩短纤维与PVA短纤维混掺时，选取PVA短纤维的掺量≤0.5%(体积分数)。玄武岩长纤维与PVA长纤维混掺时，水泥基复合材料的抗折强度先减小后增大，在PVA长纤维掺量为0.5%(体积分数)时达到最小，为19.3 MPa。由图5(b)可知，对于抗压强度，玄武岩长纤维与PVA长纤维的混掺使得水泥基复合材料的抗压强度呈锯齿状变化，维持在95～110 MPa之间。在玄武岩短纤维与PVA短纤维混掺时，随着PVA短纤维体积掺量的增加，混杂纤维水泥基复合材料的抗压强度变化不大，基本稳定在116～120 MPa之间，可认为玄武岩短纤维与PVA短纤维的混掺基本不影响水泥基复合材料的抗压强度。

在变形方面，掺杂玄武岩长纤维和PVA 长纤维的标准水泥基复合材料试件在抗折条件下的挠度集中在0.65～0.85 mm范围；掺杂玄武岩短纤维和PVA短纤维的标准水泥基复合材料试件的挠度则在1.2～1.8 mm之间，分别比单掺玄武岩纤维时，挠度增加了10%～30%，即极限变形有一定增加。

因此，综合考虑纤维力学强度和水泥基复合材料变形性能，结合实验结果，保证基材的各项力学性能(特别是抗折强度)的提升，在高强高韧性水泥基复合材料中混杂纤维的体积掺量建议选择玄武岩短纤维0.3%(体积分数)和PVA短纤维0.5%(体积分数)。

3 结 论

通过单掺PVA纤维、单掺玄武岩纤维和复掺两种纤维的水泥基复合材料力学性能实验，得出以下结论：

(1)PVA短纤维的掺入会明显提高复合材料的抗压强度，但是抗折强度会有所降低，当掺量为1.6%(体积分数)时，各项力学性能提升效果最好，水泥基复合材料的抗折强度降低7%，抗压强度提升31%，折压比降低24%。

(2)在玄武岩纤维单掺时，对比于玄武长纤维，玄武岩短纤维明显更适合用于改善水泥基复合材料的各项力学性能。当玄武岩短纤维掺量为0.3%(体积分数)时，对水泥基复合材料的各项力学性能影响最优，此时抗折强度降低8%，抗压强度提升15.7%，折压比降低20%。

(3)在进行玄武岩纤维和PVA纤维混合掺加时，考虑到水泥基复合材料的力学、变形性能及稳定性，选择玄武岩短纤维掺量为0.3%(体积分数)，PVA短纤维掺量为0.5%(体积分数)，可显著提升水泥基复合材料的抗压强度，对材料抗折强度基本无影响，折压比相对减少，全面改善了材料的各项性能。

(4)对比单掺PVA短纤维、单掺玄武岩短纤维以及复掺两种纤维这3种方式，复掺两种纤维对水泥基复合材料的力学性能增强效果更全面，且更具稳定性。