磁化水对PVA纤维混凝土抗折性能的影响

2020-08-19崔元凯

黑龙江科学 2020年16期

崔元凯，刘悦

(河南理工大学，河南焦作 454003)

0 引言

混凝土具有多种优越特性，比如其成本相较其他建筑材料较低，原料丰富且生产非常方便，因此成为土木工程最主要的建筑材料之一[1]，并广泛应用在建筑、水利、交通、港口等工程。但混凝土的应用范围也被限制，因为其存在脆性、容易开裂、抗压强度有上限、破坏时变形较大、抗拉强度不高等弱点。目前，混凝土的抗拉强度是需要解决的主要问题之一，因为当今的建筑发展逐渐向规模大、超高层与大跨度方向发展，因此混凝土的抗拉能力和耐久性也要随着工程的需要而逐渐增强。通过各种途径改善混凝土的力学性能，一直是国内外专家学者的研究热点。

聚乙烯醇纤维是合成纤维的重要品种之一，其外观接近于棉，但其强度与弹性模量均优于棉，是一种具有高抗拉强度和高弹性模量的纤维。PVA纤维在标准条件下的吸湿率为4.5%左右，有很好的亲水性，纤维表面能够吸附少量自由水，在几大合成纤维中位列前几名，且掺于混凝土后与水泥基体有很高的黏结强度[2]。同时，PVA纤维还有很好的抗腐蚀抗日光性，因此在提高混凝土的抗裂性能与耐久性方面可能会有很好的可能性[3]。由纤维间距原理与复合材料强度原理及国内外的各种研究可知，纤维长径比、基体强度、体积率、纤维的分布[4-6]决定了混凝土中掺入纤维后其强度的增强效果。破坏的主因多为PVA纤维混凝土中纤维和基体的界面黏结强度降低[7]，不能完全发挥出PVA纤维的作用，因此研究提升PVA纤维与基体的黏结强度是非常有必要的。

磁化水是普通自来水以一定的速度流过一个稳定的磁场。如内部布置磁铁片的仪器，水在磁场中的流向与磁场方向相垂直，流过切割磁场后得到的水即为磁化水。用磁化水拌制的混凝土即为磁化水混凝土。国内外对通过磁化水改善混凝土性能的研究较多，并取得了一定经济效益[8]。费厚乾[4]、汪浩然等[9]用磁化水代替普通水拌制了磁化水钢纤维混凝土并进行了抗折性能、劈拉性能、抗压性能的试验研究，分析试验结果得出了磁化水对于钢纤维混凝土的力学性能有很大的增强。关于对使用磁化水与高亲水性的PVA纤维共同制作磁化水PVA纤维混凝土的研究较少，本研究将制作100×100×400 mm的小梁试块来进行抗折试验，以普通混凝土、PVA纤维混凝土作对比，研究磁化水对PVA纤维混凝土的抗折强度的提升。

1 试验设计

1.1 试验材料及设备

控制流速装置：1寸口径的涡轮电子流量计。水泥：试验水泥采用的是焦作市坚固牌水泥有限公司生产的42.5 R型普通硅酸盐水泥。砂子：细骨料细度模数为2.7的中砂，级配优良。石子：粗骨料选用 5～20 mm 连续级配碎石。PVA纤维：使用北京中纺纤建科技有限公司生产的PVA纤维，长度为12 mm，见图2-1。水：磁化水为经磁化器接流量计后按照指定流速循环磁化后得到的，经初步配合比计算与实际使用性的试配与调整，最终得出材料配合比如表1：

表1 试验材料配合比Tab.1 Mix proportion of experimental materials

1.2 磁化参数选择

磁化装置：采用山西长治某公司生产的四分磁化器，中间一组强磁铷铁硼，根据课题组之前研究成果得出水在磁场强度位285 mT时的表面张力较小，比较有利于水化反应的进行。磁感应强度用量程范围为0～2 000 mT的 HT20型数字特斯拉计测定。

水流速选择：由文献[9]可知，不同水流速对混凝土早期强度有不同的提升。本研究分别选用1.2 m/s、1.8 m/s、2.4 m/s这三个流速来进行试块的制作。

2 试验规划

根据试验设计的16种配合比，每组制作3个100×100×400 mm混凝土试件。配合比为4种不同PVA纤维掺量(0.9 kg/m3、1.2 kg/m3、1.5 kg/m3、1.8 kg/m3)，水流速分别为1.2 m/s、1.8 m/s、2.4 m/s，进行正交试验。试件制作完成后，在标准养护室养护28d后取出，进行试验。

图1 PVA纤维图Fig.1 PVA fiber diagram

抗折试验进行程序是：根据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》规定，加载方式为四点加载法，试验机的加载速度选为0.2 kN/s，取出试件后，先在其受力点处用油性笔标记，操作使中梁落下后开始加载，待试件破坏后进行拍照并将试验机中纪录的曲线与临界荷载数据复制。

图2 加载示意图Fig.2 Schematic diagram of loading

3 试验结果

3.1 使用磁化水拌制PVA纤维混凝土对其抗折能力影响实验结果

磁化水PVA混凝土抗折强度试验结果如表2所示。

表2 抗折强度试验结果Tab.2 Experimental results of fracture resistance strength

图(a)和图(b)是PVA纤维掺量为1.2 kg/m3的PVA纤维混凝土与水流速为1.8 m/s同掺量的磁化水PVA纤维混凝土破坏时的形态图片。PVA纤维混凝土试件在破坏时会产生竖向贯通裂缝分为两半，磁化水PVA纤维混凝土由于PVA纤维的增韧作用和磁化水带来的界面黏结力的增加，在破坏时并未直接断裂，而是受拉区先出现一条裂缝，随着荷载继续增加后裂缝延伸直至破坏。可以完整地从压力机取下，需要用外力才可将试件从断裂处一分为二。

图3 混凝土破坏形态图Fig.3 Chart of concrete fracture morphology

根据表2中的试验数据绘制出磁化水对PVA纤维混凝土的抗折强度影响曲线如图4所示。由表2和图4得知，与素混凝土相比，用磁感强度为285 mT，水流速分别为1.2 m/s、1.8 m/s、2.4 m/s磁化水制作混凝土试件养护28 d时的抗折强度相比普通混凝土都有增强，抗折强度增长率分别为3.42%、7.05%、14.90%，其中水流速为2.4 m/s时，磁化水混凝土相比素混凝土的抗折强度提升最大。

不使用磁化水时的普通PVA纤维混凝土在PVA纤维掺量为0.9 kg/m3、1.2 kg/m3、1.5 kg/m3、1.8 kg/m3时，较普通混凝土抗折强度提升率分别为22.6%、30.6%、34.5%、29%，故在一定掺量范围内加入PVA纤维会提高混凝土的抗折强度。

图4 磁化水对PVA纤维混凝土的抗折强度影响曲线Fig.4 Influence curve of magnetized water on the fracture resistance strength of PVA fiber concrete

磁化水PVA纤维混凝土的抗折强度超过了普通PVA纤维混凝土，说明磁化水作用于PVA纤维混凝土是可以提升抗折强度的。在相同的磁强强度与水流速情况下，试件的抗折强度随着纤维掺量的增加而增加。但在掺量超过1.5 kg/m3时，抗折强度增幅趋势减小。据纤维间距理论分析得知1.5 kg/m3为存在的最佳掺量，一旦超过最佳掺量，则会因为纤维的平均间距减小而引起纤维相互缠绕，此时的纤维在基体中与水泥砂浆的包裹性不佳，造成其抗折强度降低。

由表3不同水流速的磁化水PVA纤维混凝土相较于同掺量下的PVA纤维混凝土的抗折强度增长率，整体看来其中水流速为2.4 m/s时，抗折强度的增长率最大，说明在纤维掺量不变的情况下，抗折强度随水流速的加快而提高。

表3 磁化水PVA纤维混凝土相对PVA纤维混凝土抗折强度增长率Tab.3 Magnetized water PVA fiber concrete relative PVA fiber concrete fracture resistance strength growth rate

3.2 PVA纤维与磁化水共同作用对混凝土抗折性能的影响

抗折强度试验的结果为表3所示，使用磁化水拌制的PVA纤维混凝土相较于普通混凝土的抗折强度增长率，分别大于磁化水混凝土和PVA纤维混凝土，因为可以得出磁化水作用于PVA纤维混凝土时，不仅不影响PVA纤维发挥其优越性能，而且可以共同促进混凝土的抗折强度提升。

表4 磁化水与PVA纤维共同作用对混凝土抗折强度增长率的影响Tab.4 Effect of the combined effect of magnetized water and PVA fiber on the growth rate of concrete fracture resistance strength

试验得出，可由两方面分析使用磁化水替代普通水拌制PVA纤维混凝土有增强效果的机理。一方面，磁化水与普通水不同点在于，水经磁化后分子团变小了，水分子活性变强，使得与水泥进行水化反应更彻底，从而提升混凝土基体强度；另一方面，混凝土中，水泥石与粗骨料间的Ca(OH)2过渡带因为磁化水的优良性能而减少了很多，改善了骨料与水泥间的界面结构，增强了PVA纤维与混凝土基体之间的界面黏结力，充分发挥了PVA纤维的强度，从而间接增加PVA纤维混凝土的强度。