PVA 纤维增强水泥基复合材料力学性能研究
2022-12-01王玲玲司晨玉姜宁宁李世晋赵玉厦沈阳建筑大学材料科学与工程学院
王玲玲 钟 炀 司晨玉 姜宁宁 李世晋 闵 柯 赵玉厦(沈阳建筑大学 材料科学与工程学院)
0 引言
PVA 纤维作为水泥基复合材料的增强体，具有强度高、耐候性好、环保无害等优点，经PVA 纤维增强的水泥基复合材料被广泛应用于桥梁、公路、抗震及结构修复等领域。目前众多国内外学者对水泥基复合材料开展了理论分析、宏微观性能以及实际应用等方面的研究[1,2]，结果表明水泥基复合材料具有良好的力学性能，但仍然缺乏一定的成熟的标准和规范对其配合比进行明确的规定，制约了水泥基复合材料的推广应用[3]。为进一步提高水泥基复合材料的力学性能，探究水泥基复合材料的合理配合比，本研究通过正交试验设计方法研究了水胶比、PVA 纤维体积掺量、纳米SiO2掺量以及减水剂掺量等因素对水泥基复合材料抗折强度、抗压强度的影响，为工程实际应用提供理论依据和技术支持。
1 试验原材料
本试验原材料包括P.O42.5 级水泥、Ⅰ级粉煤灰、40～80 目精制石英砂、聚羧酸高效减水剂以及普通自来水；选用日本可乐丽公司生产的KURALON K-Ⅱ型的PVA 纤维；选用VK-SP30 型号纳米SiO2，平均粒径为30nm，外观为白色松散粉末。
2 试验方法
本试验选用40mm×40mm×160mm 的试件进行28d抗折强度和28d 抗压强度的测试。成型后的试件置于室内阴凉处，24h 后脱模，然后放入标准养护室内养护至28d 后，在TYE-10C 型水泥胶砂抗压试验机和TYE-300型压力试验机上进行抗折试验和抗压试验。
3 结果与讨论
3.1 试验方案
本试验选取水胶比、PVA 纤维体积掺量、纳米SiO2掺量以及减水剂掺量作为因素及其合适的水平设计L16(45)正交试验。因素与水平如表1 所示，正交试验方案如表2 所示。
表1 因素与水平
表2 正交试验方案
3.2 水泥基复合材料力学性能分析
3.2.1 水泥基复合材料28d 抗折强度分析
⑴抗折强度极差分析
从表3 可知，影响水泥基复合材料28d 抗折强度的主次因素为PVA 纤维体积掺量＞水胶比＞纳米SiO2掺量＞减水剂掺量。当水胶比为0.27、PVA 纤维体积掺量为2.0%、纳米SiO2掺量为2.0%、减水剂掺量为0.75%时，水泥基复合材料28d 抗折强度可达13.45MPa。
表3 水泥基复合材料28d 抗折强度极差分析
⑵抗折强度方差分析
由表4 可知，PVA 纤维体积掺量对水泥基复合材料28d 抗折强度的影响非常显著，水胶比次之，纳米SiO2掺量和减水剂掺量对抗折强度的影响较小。
表4 水泥基复合材料28d 抗折强度方差分析
各因素对水泥基复合材料28d 抗折强度的影响分别如图1 所示。
图1a 表明，随着水胶比的增大，水泥基复合材料28d 抗折强度逐渐减小，在水胶比为0.27 时，水泥基复合材料的抗折强度最大。这是由于随着水胶比的增大，水泥基复合材料的孔隙率逐渐增大，结构致密性变差，从而降低水泥基复合材料的抗折强度[4]。由图1b 可知，水泥基复合材料28d 抗折强度随着PVA 纤维体积掺量的增加逐渐增大。在基体受力过程中，PVA 纤维起到了限制试件横向变形以及裂缝的滑移和发展的阻裂作用，使试件的承载能力有所提高，试件的抗折强度增大，且纤维的掺量越大，这种作用越明显[5]。由图1c 可以看出，随着纳米SiO2掺量的增加呈一定幅度的增大趋势，纳米SiO2掺量为2.0%时，抗折强度达到最大。从图1d可以看出，随着减水剂掺量的增加，水泥基复合材料28d 抗折强度先增大后减小，在减水剂掺量为0.60%时达到最大。
图1 各因素对水泥基复合材料28d 抗折强度影响分析
3.2.2 水泥基复合材料28d 抗压强度分析
⑴抗压强度极差分析
由表5 可知，影响水泥基复合材料28d 抗压强度的主次因素为水胶比＞纳米SiO2掺量＞PVA 纤维体积掺量＞减水剂掺量。当水胶比为0.27、PVA 纤维体积掺量为2.0%、纳米SiO2掺量为2.0%、减水剂掺量为0.75%时，水泥基复合材料28d 抗压强度可达70.85MPa。
表5 水泥基复合材料28d 抗压强度极差分析
⑵抗压强度方差分析
由表6 可知，水胶比和纳米SiO2掺量对水泥基复合材料28d 抗压强度的影响显著，PVA 纤维体积掺量次之，减水剂掺量对抗压强度的影响较小。
表6 水泥基复合材料28d 抗压强度方差分析
各因素对水泥基复合材料28d 抗压强度的影响分别如图2 所示。
图2a 表明，随着水胶比的增大，水泥基复合材料28d 抗压强度逐渐减小，水胶比的增大意味着水泥基复合材料基体用水量增加，和易性得到改善，减小了PVA纤维与基体之间的粘结摩擦，但纤维的桥联作用未能得到充分发挥，同时基体内部的空隙增多，密实性变差，内部缺陷增加，导致水泥基复合材料抗压韧性减弱，从而降低其抗压强度。由图2b 可以看出，水泥基复合材料28d 抗压强度随着PVA 纤维体积掺量的增加逐渐增大。图2c 表明，随着纳米SiO2掺量的增加，水泥基复合材料28d 抗压强度不断增大。由图2d 可知，水泥基复合材料28d 抗压强度随着减水剂掺量的增加先增加后减小，在减水剂掺量为0.45% 时达到最大。
图2 各因素对水泥基复合材料28d 抗压强度影响分析
4 结论
采用L16(45)正交试验设计，探究水胶比、PVA 纤维体积掺量、纳米SiO2掺量和减水剂掺量等因素及其合适的水平对水泥基复合材料28d 抗折强度、28d 抗压强度的影响，得出如下结论：
⑴PVA 纤维体积掺量对水泥基复合材料28d 抗折强度影响非常显著，水胶比次之，纳米SiO2掺量和减水剂掺量对抗折强度影响较小。当水胶比为0.27、PVA 纤维体积掺量为2.0%、纳米SiO2掺量为2.0%、减水剂掺量为0.75%时，水泥基复合材料28d 抗折强度可达13.45MPa。
⑵水胶比和纳米SiO2掺量对水泥基复合材料28d抗压强度影响显著，PVA 纤维体积掺量次之，减水剂掺量对抗压强度影响较小。当水胶比为0.27、PVA 纤维体积掺量为2.0%、纳米SiO2掺量为2.0%、减水剂掺量为0.75%时，水泥基复合材料28d 抗压强度可达70.85MPa。
