聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料力学性能试验研究
聚乙烯醇纤维增强混凝土的性能分析及其应用
聚乙烯醇纤维增强混凝土的性能分析及其应用混凝土是重要的建筑材料，具有可模塑性、可延展性和压缩强度等优点。
然而，混凝土在拉伸和弯曲方向上的强度和韧性相对较差，容易出现裂缝和破损。
为了解决这些问题，研究人员开始探索添加纤维增强混凝土，其中聚乙烯醇纤维是一种广泛应用的材料。
本文将对聚乙烯醇纤维增强混凝土的性能进行分析，并探讨其在实际应用中的优缺点。
一、聚乙烯醇纤维增强混凝土的性能1.1 强度提高添加聚乙烯醇纤维可以显著提高混凝土的拉伸和弯曲强度。
由于混凝土中存在局部弱点和微裂缝，聚乙烯醇纤维在其上形成网状结构，从而增强混凝土的整体强度。
1.2 抗裂性能混凝土中出现裂缝主要是由于局部受到外力或内部温度变化所致。
添加聚乙烯醇纤维可以抑制混凝土内部的裂缝扩展，从而提高其抗裂性能。
1.3 韧性提高韧性是指材料在断裂前能够吸收的能量，是评价材料抗震性能的重要指标。
添加聚乙烯醇纤维可以提高混凝土的韧性，使其在发生外力作用时能够更好地承受一定的塑性变形，从而减轻了建筑物的震害程度。
1.4 降低收缩和渗透性混凝土中存在缩短、干缩和水泥胶体收缩等问题，这些问题容易导致混凝土的开裂和渗透。
添加聚乙烯醇纤维可以有效地减少混凝土收缩系数，从而减缓混凝土的变形和裂缝发生率。
二、聚乙烯醇纤维增强混凝土的应用2.1 地下水利工程地下水利工程施工亦常常会用到混凝土，而地下水中的水分会使混凝土吸水而导致渗漏。
添加聚乙烯醇纤维增强混凝土可以有效地改善其渗透性能，防止发生渗漏问题。
2.2 道路建设混凝土在道路建设中被广泛应用，而道路工程面临的气候和外力作用较大，需要具备较好的抗裂性能和韧性。
添加聚乙烯醇纤维可以增强混凝土的整体强度和韧性，从而提高其使用寿命和抗疲劳性能。
2.3 防护工程在一些防护工程中，如滨海公路、水利等重要建筑，在海水波浪冲刷、水蚀侵蚀等情况下，聚乙烯醇纤维增强混凝土可以减轻外力对建筑物的破坏程度，增强抵御自然侵蚀和环境变迁的能力。
国产PVA纤维用于高韧性纤维增强水泥基复合材料的试验研究
（ １ ． 中国建 筑材 料科 学研究 总 院 ， 北京 １ ０ ０ ０ ２ ４ ； ２ ． 中国建筑 股份 有 限公 司技术 中心 ， 北京 １ ０ １ ３ ２ ０ ）
摘 要： 采 用正交试 验设 计方法 ， 以国产聚 乙烯醇 （ Ｐ Ｖ Ａ） 纤维作 为增强纤维， 研究 了水胶 比、 粉煤灰掺 量和胶砂
应变 一 硬 化 特性 ．将 产 生 多重 饱 和裂 缝 破 坏且 饱 和 －状态 的多 缝 开裂 现 象 ， 裂 缝 宽 度 多小 于 ０ ． １ ｍ ｍ［ ４ １ ， 这 使得 Ｅ Ｃ Ｃ材 料 成 为一 种 耐 久 度 极 高 的水 泥基 复合
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：Ｄ ｏ ｍｅ ｓ ｔ ｉ ｃ Ｐ ＶＡ ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ； ＥＣ Ｃ ； Ｕｎ ｉ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｕ ５ ２ ８ ． ５ ７ ２
文 献标 识码 ： Ａ
性 纤 维 增 强 水 泥基 复合 材 料 。
关键词 ： 国产 Ｐ ＶＡ 纤 维 ； Ｅ Ｃ Ｃ； 单 轴拉 伸 性 能
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｏ ｇ ｏ ｎ ａ ｌ ｅ ｘ ｐ ｅ ｉ ｒ ｍ ｅ ｎ ｔ ， ｄ ｏ ｍ ｅ ｓ ｔ ｉ ｃ ｐ ｏ ｌ ｙ ｖ ｉ ｎ ｙ ｌ ａ ｌ ｃ ｏ ｈ ｏ ｌ（ Ｐ Ｖ Ａ ） ｉ ｆ ｂ ｅ ｒ ａ ｓ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｉ ｆ ｂ ｅ ｒ ， ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｌ ｆ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ － ｂ ｉ ｎ ｄ ｅ ｒ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ， ｃ ｏ ｎ ｔ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｎ ｙ ａ ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｇ ｇ ｒ ｅ ｇ ａ ｔ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｏ ｎ ｕ ｎ ｉ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｈ ｉ ｇ ｈ ｔ ｏ ｕ ｇ ｈ ｎ ｅ ｓ ｓ
PVA纤维水泥基复合材料单轴受压试验研究
PVA纤维水泥基复合材料单轴受压试验研究姜海军;刘曙光;闫长旺;张菊【期刊名称】《混凝土》【年(卷),期】2014(000)006【摘要】聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料（Polyvinyl alcohol fiber reinforced cementitious composites简称PVA-FRCCs）是一种高性能纤维增强水泥基复合材料。
采用棱柱体试件（150 mm×150 mm×550 mm）研究其单轴受压力学性能。
单轴受压试验直接获得了棱柱体试件的应力-应变全曲线，从而获得峰值应力、峰值应变、弹性模量，并系统分析了纤维体积掺量对上述参数的影响。
通过对试验数据和已存模型比较获得一个能够描述其应力-应变曲线的非线性本构模型。
【总页数】4页(P81-83,111)【作者】姜海军;刘曙光;闫长旺;张菊【作者单位】内蒙古工业大学矿业学院，内蒙古呼和浩特 010051; 中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116;内蒙古工业大学矿业学院，内蒙古呼和浩特010051;内蒙古工业大学矿业学院，内蒙古呼和浩特 010051;内蒙古工业大学矿业学院，内蒙古呼和浩特 010051【正文语种】中文【中图分类】TU528.041【相关文献】1.PVA纤维增强水泥基复合材料单轴抗压试验研究 [J], 高淑玲;徐世烺2.PVA纤维尾矿砂水泥基复合材料断裂能试验研究 [J], 张少峰;王雪3.高温后PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能试验研究 [J], 杨珊;李祚;彭林欣;罗月静;滕晓丹4.钢筋约束PVA纤维水泥基复合材料受压性能试验研究与理论模型 [J], 孙伟;徐珍飞5.纳米粒子和石英砂对PVA纤维水泥基复合材料单轴拉伸性能的影响 [J], 魏华;张鹏;王娟;张天航因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
ECC-混凝土控裂功能材料力学性能的试验研究
ECC-混凝土控裂功能材料力学性能的试验研究聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)是在水泥砂浆中掺入一定量的聚乙烯醇纤维而制成的一种复合材料,它具有比较高的抗弯和抗拉强度、极限延伸率,较大的抗裂性能、抗变形性能、抗冲击性、耐磨性、抗渗性和较高的疲劳强度等优点。
在工程中应用PVA-ECC这种材料可以有效地提高工程的耐久性。
借鉴已有的ECC研究成果以及课题组相关的研究成果,本论文进一步探索采用国产PVA纤维制备PVA-ECC的最优配合比,并在普通混凝土材料的基础上,引入功能梯度材料的设计原理,将ECC布置在混凝土构件的受拉区以替代该区域的部分混凝土,形成一种由普通混凝土和ECC结合而成的复合材料。
在ECC和混凝土材料的界面结合区,两种材料相互渗透,在一定厚度范围内形成了 ECC-混凝土控裂功能梯度材料。
为了更好地分析采用这种由ECC-混凝土复合材料制成的构件(或结构)的受力性能,有必要研究ECC和混凝土界面结合区域的ECC-混凝土控裂功能材料的力学性能。
本文通过试验研究确定了国产PVA-ECC材料的最佳配合比,并针对ECC-混凝土控裂功能材料的力学性能开展了试验和理论研究。
本文所做研究工作如下:(1)通过立方体抗压和四点弯曲试验研究PVA-ECC 的力学性能,两种试验各制备了27组试件。
分析试验结果,确定国产PVA-ECC材料的最佳配合比。
针对PVA-ECC最佳配合比的材料,由该材料的跨中挠度推导得到它的拉伸应变计算值,采用已有的拉伸应变试验值验证了 PVA-ECC材料的跨中挠度与拉伸应变之间的关系式。
(2)通过立方体抗压试验和劈裂抗拉试验分别研究ECC-混凝土控裂功能材料在受压和受拉时的力学性能。
两种试验各自制备了 36组试件,其中30组试件采用国产PVA纤维,6组试件作为对照组采用日本PVA纤维。
通过试验数据线性拟合,确定了 ECC-混凝土控裂功能材料立方体抗压强度与单轴抗压强度的比值随ECC厚度变化的关系。
聚乙烯醇纤维水泥基复合材料研究进展
不 同 ＰＶＡ纤维掺量下混凝 土 的弯 曲韧性和变 形性 能。 李 晗等研 究 发 现混 杂 ＰＶＡ 和 钢 纤 维 的 混凝 土 构 件
研究表 明，ＰＶＡ—ＥＣＣ开裂 后仍可 承受荷载 ，在单 轴拉 在 高温后 仍 有较 高 的残余 强度 。长 安大 学李 丹等 设
伸荷载作用下实现 了多重裂纹 开裂 ，表明 ＰＶＡ纤 维具 计 了两种 掺 量 的 ＰＶＡ—ＥＣＣ，分 别 测试 了试 件 在 不
பைடு நூலகம்
１．７％时 ，两种 ＰＶＡ—ＥＣＣ材料的极 限拉伸应 变分别 为 熔 出 ，试件 内部产生互相交 错 的孑Ｌ隙通道 ，能有效 防止
１．４９３％ 和 ２．Ｏ３８％ 。
试件爆裂 。同时 ，试件 由密实逐渐 变为松散蜂 窝状 ，内
２．３ 抗 压强 度
部孔 隙和裂纹逐渐增加 ，试件强度下降 。
抗 压强 度是 外 力为 压力 时 的强 度极 限 。姜海 军 ３ ＰＶＡ纤 维水 泥基 复合 材料 研 究发展 趋势
裂缝控制能力 。张君教 授通过改进 传统 的 ＰＶＡ—ＥＣＣ ＥＣＣ的抗 压强 度也 有 明显 的提 高 ，在 ８００℃ 高温 处 理
Ｋｒ４，，配制 了两种高韧性低收缩的 ＰＶＡ—ＥＣＣ材 料 ，单 后 ，试件仍具 有一定 的 弯 曲韧性 。对 试块 微观 结构 分
轴 拉 伸 试 验 结果 表 明 ，当 ＰＶＡ纤 维体 积 掺 量 Ｖ 为 析表 明 ，当温度升高到一定 值时 ，试件 中纤 维逐渐熔解
ＰＶＡ纤 维水 泥基 复 合材 料 （Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ Ｆｉ－ ｂｅｔ—Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，简 称 ＰＶＡ— ＥＣＣ）是 以水 泥 、填 料 或 者 粒 径 不 大 于 ５ｍｍ 的细 集 料 作 为基体 ，掺 人一 定 比例 的 ＰＶＡ纤 维 制得 的一种 具 有 优异 拉伸 变形 性 能 的水 泥基 复合 材 料 。美 国密 西 根大 学 的 Ｖｉｃｔｏｒ Ｃ．Ｌｉ教 授 和麻 省理工 的 Ｌｅｕｎｇ教
《PVA纤维增韧水泥基复合材料制备及其高温力学性能研究》
《PVA纤维增韧水泥基复合材料制备及其高温力学性能研究》一、引言随着现代建筑技术的不断发展，对建筑材料性能的要求日益提高。
水泥基复合材料因其优异的物理力学性能和良好的耐久性，在建筑领域得到了广泛应用。
然而，传统的水泥基材料在受到冲击或震动时易产生裂纹，影响了其使用性能。
为了改善这一不足，研究人员开始探索将纤维加入到水泥基材料中，以提高其韧性和抗裂性能。
其中，PVA（聚乙烯醇）纤维因其优良的物理性能和与水泥基材料的良好相容性，成为了增强水泥基复合材料的重要选择。
本文旨在研究PVA纤维增韧水泥基复合材料的制备工艺及其在高温环境下的力学性能。
二、PVA纤维增韧水泥基复合材料的制备1. 材料选择制备PVA纤维增韧水泥基复合材料所需的主要材料包括水泥、PVA纤维、水和其他添加剂。
其中，PVA纤维的选择对于提高复合材料的性能至关重要。
应选择具有高强度、高韧性和良好亲水性的PVA纤维。
2. 制备工艺制备过程主要包括材料混合、搅拌、浇筑和养护等步骤。
首先，将水泥、PVA纤维、水和添加剂按照一定比例混合；然后，通过搅拌使各组分充分混合均匀；接着，将混合物浇筑到模具中，进行养护；最后，脱模并得到PVA纤维增韧水泥基复合材料。
三、高温力学性能研究1. 实验方法为了研究PVA纤维增韧水泥基复合材料在高温环境下的力学性能，采用高温炉对试样进行加热，并利用万能材料试验机进行力学性能测试。
通过改变加热温度和加热时间，探究不同条件下复合材料的力学性能变化。
2. 实验结果与分析（1）抗拉强度：随着温度的升高，PVA纤维增韧水泥基复合材料的抗拉强度呈现先增加后降低的趋势。
在较低温度下，PVA纤维能够有效地提高复合材料的抗拉强度；而在较高温度下，由于纤维与基体的热膨胀系数差异较大，导致复合材料内部产生较大的热应力，从而降低其抗拉强度。
（2）抗压强度：与抗拉强度类似，PVA纤维增韧水泥基复合材料的抗压强度在高温环境下也呈现先增加后降低的趋势。
PVA纤维增强水泥基复合材料弯曲韧性试验研究
表 ３ 四 点 弯 曲 试 验 结 果
图 ５ 砂灰 比对弹性 变形 的影 响
掌
避
碘
制
坦
蹬
砂 灰比 （ Ｓ ／ Ｃ）
ｇ Ⅲ／ 越嚣 篱
图 ６ 砂 灰 比对 变形 恢 复能 力 的影 响
１ ． ２ 试 验 方 法
本试 验 以砂灰 比为 参变 量 ， 研究 Ｐ Ｖ Ａ纤 维 增强 水泥 基 复合材 料 的弯 曲性 能 ， 具 体 试 验 配 合 比见 表 ２ 。整 个试 验水 胶 比为 ０ ． ３ ２ ， 粉煤 灰取 代 量 为 ７ ５ ％， 并添 加少 量高 效 减 水 剂 。搅 拌 流程 见 图 １所 示 ， 搅 拌过 程 中没有 发现 结 团现象 。采 用标 准养 护方 式养 护 。通过 四点 弯 曲试 验 测 试 材 料 的弯 曲 韧性 指 标 。 试件 采用 ４ ０ ０ ｍｍ×１ ０ ０ ｍ ｍ ×１ ５ ｍｍ 的薄 板试 件 。使 用３ ０ ｔ 的 闭环 液压 伺 服 材 料 试 验 机进 行 加 载 ， 位 移 控制 ， 加载速率 ０ ． ５ ｍ ｍ ／ ｍｉ ｎ ， 加 载 到 极 限荷 载后 缓 慢卸 载 。采用 荷 载传 感 器 和位 移 传 感 器 （ Ｌ Ｖ Ｄ Ｔ） 测 定试 件 承受 的荷 载 和跨 中挠 度 ， 全 自动 数 据 采 集 处 理 系统 进行荷 载 和挠度 的数据采 集 处理 。
残余 变形能与总 变形能的 比值 。采 用变形指标和 能量吸收指标进行 试验 结果分析 ， 结果表 明这种材料 具有较 高的 韧性和能量耗散能力 ， 并且在研 究的砂灰 比范围内存在 一个 临界 砂灰 比 ， 使 变形指 标和 能量指标 随砂灰 比 的变化 在临界值处 出现转折 。 关键词 ： Ｐ Ｖ Ａ纤维 ； 水泥基复合材料 ； 砂灰 比； 弯曲变形 ； 能量吸收 ； 韧 性 中图分类号 ： Ｕ ４ ４ ５ ． ５ ７ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ３— ６ ０ ５ ２ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３—０ Ｏ ４ ４— ０ ４
聚乙烯醇纤维水泥基复合材料受压弹性模量试验研究
$K试验概况 材料配置 采 用 钻 牌 早 强 型 Z-h04/Xa水 泥"/级
粉煤灰"基本物理性能见表 6(细骨料采用天然河砂" 细度模数 6/X"细砂(Z.S纤维 有 关性能见 表 4(减水 剂采用北京凯斯美联合化工产品 eBR W\95! 聚羧酸 系减水剂# "浓度为 05^"减水率达 9\^以上&
7745 世纪 \5 年代日本学者采用聚乙烯醇纤维 Z.S 增强水泥基材料! Z.SWE++# *6+ 获得了很高拉伸延展 性和抗拉强度& 这种新型水泥基复合材料 Z.SWE++ 自问世以来就获得了各国学者的极大关注"经过近年 的研究和发展"在结构工程上已获得广泛应用&
弹性模量是描述材料应力 W应变关系的重要力 学指标"是混凝土结 构 设 计 计 算 的 基 本 材 料 参 数& 对混凝土而 言"其 弹 性 模 量 随 粗 骨 料 的 用 量 和 弹 性 模量的增加 而 增 加 *4+ & Z.SWE++没 有 粗 骨 料" 所 以弹性模量 低 于 普 通 混 凝 土 *9 W0+ & 已 有 研 究 指 出) 由于 E++中 的 Z.S纤 维 掺 量 不 大" 故 纤 维 对 水 泥 基材料的 弹 性 模 量 影 响 不 大 *4"0+ & 迄 今" 尚 没 有 关 于 E++受压弹性模量的系统研究">(的研究提 出当 圆柱抗压强度为 95 ‘35 RZ)时"Z.SWE++的受压 弹性模量为 45 ‘4X [Z)*9+ &
纤维增强水泥基复合材料弯曲性能与纤维作用机理研究
效应 [２] ꎬ在实际工程中ꎬ梁柱等构件尺寸远大于薄板
Ｗｅｉｂｕｌｌ 分布理论ꎬ试件厚度越小ꎬ其弯曲性能也越
好ꎬ因此ꎬ利用薄板试件来研究材料的弯曲性能将不
便于其在实际工程中的推广应用 [１２] ꎮ
变可达 ３％ꎬ远超过普通混凝土和 ＦＲＣꎬ形成的裂缝
由此ꎬ本文先开展与实际工程中梁柱尺寸更加贴
１ 试 验
１ １ 纤维类型与试件制作
本次试验采用日本 Ｋｕｒａｒａｙ 生产的 ＲＣＥＳ１５ ´１２
型聚乙烯醇( Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ Ａｌｃｏｈｏｌꎬ简称“ ＰＶＡ” ) 纤维ꎬ
其基本力学性能如表 １ 所列ꎮ
收稿日期: ２０１９￣０３￣１８
基金项目: 重庆市高校优秀成果转化资助重点项目 ( ＫＪＺＨ１４２２０) ꎻ 重庆市社会民生科技创新专项项目 ( ｃｓｔｃ２０１５ｓｈｍｓｚｘ３０００６)
玻璃钢 / 复合材料
１９
２０１９ 年第 １０ 期
纤维增强水泥基复合材料弯曲性能与纤维作用机理研究
龚宏伟１ ꎬ 江世永１ꎬ２ ꎬ 陈 进１ ꎬ 陶 帅３
(１ 陆军勤务学院军事设施系ꎬ 重庆
４０１３３１ꎻ ２ 重庆交通大学土木工程学院ꎬ 重庆
外几条细微裂缝ꎬ随着荷载进一步加大ꎬＰ￣１ ０ 组试
弯状态下的力学性能是十分重要的ꎮ 目前ꎬ各国都
线ꎬ从细观层面对复合材料中纤维桥联作用的发挥
先后推行了测试纤维混凝土弯曲性能的标准试验方
进行定性分析ꎬ为纤维增强水泥基复合材料在建筑
法ꎬ如美国 ＡＳＴＭ Ｃ１０１８ 标准
标准
[８]
[７]
和日本 ＪＳＣＥ￣ＳＦ４ 标准
、中国 ＣＥＣＳ １３ ∶２００９
聚乙烯醇对水泥基复合材料的性能研究
聚乙烯醇对水泥基复合材料的性能研究刘俊茹【摘要】本文主要研究了加入不同份数的聚乙烯醇对水泥基复合材料体积电阻率、力学性能和耐久性能的影响.【期刊名称】《四川水泥》【年(卷),期】2016(000)007【总页数】1页(P5)【关键词】聚乙烯醇;水泥基复合材料;电阻率;力学性能;耐久性【作者】刘俊茹【作者单位】西安思源学院城市建设学院陕西西安 710038【正文语种】中文【中图分类】TQ172以水溶性聚合物作为水泥的改性剂，可以改善水泥的结构，实现减水、调凝、增强及增韧水泥的目的。
聚乙烯醇(PVA)能溶于含羟基的极性溶液中，易转变成凝胶，不溶于几乎所有的非极性溶剂，水是其最好的溶剂，且它的水溶液含水量高、强度高、毒性小、生物相容性好。
PVA 的性质主要由它的分子量和醇解度来决定，分子量越大，水溶性越差，水溶液粘度大，成膜性能好。
PVA 具有较佳的强力粘接性、皮膜柔韧性、平滑性、耐油性、耐溶剂性、胶体保护性、气体阻绝性、耐磨性。
在水泥中加入不同质量分数的PVA，并按照加水量36.4%加水，分别测试其性能。
PVA 掺量对水泥基复合材料体积电阻率的影响分别按质量分数1%、2%、4%、8%加入PVA，测量其 7 天、28 天体积电阻率结果见图1所示。
由图1可知：随着PVA 掺量的增加，PVA水泥复合材料的7 天、28 天体积电阻率逐渐上升。
其中，7 天体积电阻率从未加 PVA 时的3.95×108Ω·cm 提高到 8%PVA 掺量时的14.42×108Ω·cm； 28 天体积电阻率从未加 PVA 时的4.13×108Ω·cm 提高到8%PVA 掺量时的66.54×108Ω·cm，电阻率提高了 15 倍以上。
该结果的原因在于 PVA 分子链能和水泥水化产物(如铝酸钙)结合形成界面层，最终形成聚合物和水泥水化物相互交织、相互贯穿的复合体结构，从而细化孔结构减弱孔液互相连通，使材料微结构更趋致密，电阻率提高。
PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能试验研究的开题报告
PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能试验研究的开题报告一、研究背景与意义水泥基材料是建筑领域中广泛应用的一种材料，但在实际使用中存在着比较严重的缺陷，如抗裂强度低、自重大、脆性等问题，这些问题导致水泥基材料在实际使用中的可靠性和稳定性受到限制。
为了改善这些问题，研究开发水泥基复合材料已成为一种新的解决方案。
其中，PVA 纤维被广泛应用于水泥基复合材料中，有效地提高了材料的力学性能。
因此，本研究旨在通过试验研究PVA纤维增强水泥基复合材料的力学性能，为水泥基材料的改性提供一定的理论依据和实验数据支持。
二、研究内容与方法（一）研究内容1. PVA纤维增强水泥基复合材料的制备；2. PVA纤维增强水泥基复合材料的力学性能研究，包括抗弯、抗压、抗拉等力学性能测试。
（二）研究方法：1. 材料制备：采用机械搅拌法将水泥、石灰石粉、砂子等原材料混合后制备出水泥基材料；将PVA纤维与水泥基材料混合，制备出PVA纤维增强水泥基复合材料。
2. 实验设计：设计PVA纤维增强水泥基复合材料的试验小样，进行抗弯、抗压、抗拉等性能测试。
3. 数据处理：采用统计分析方法对试验数据进行整理和分析，绘制相应的力学性能力学曲线和统计图表分析结果。
三、预期成果1. 制备PVA纤维增强水泥基复合材料；2. 获得PVA纤维增强水泥基复合材料的力学性能测试数据；3. 分析PVA纤维增强水泥基复合材料的力学性能特点；4. 探讨PVA纤维增强水泥基复合材料在实际应用领域中的应用前景。
四、研究进度安排1. 5月：完成课题的背景资料收集和研究；2. 6月：收集和购买实验所需的原材料和仪器设备；3. 7-8月：进行PVA纤维增强水泥基复合材料的制备；4. 9-10月：进行PVA纤维增强水泥基复合材料的力学性能测试和数据处理；5. 11-12月：完成试验报告撰写和博士论文的部分内容编写。
PVA纤维增强对水泥基复合材料抗冻性能的研究
９８
鄂 州 大 学 学 报
第 ２３卷
ｌ＿３ ＰＶＡ纤维 特性 １．３．１物 理性 能
聚 乙烯醇 纤 维 ，又称 维 纶纤 维 ，该 类纤 维 采 用 高聚 合度 优质 聚 乙烯 醇 作为 原 料 ．并 运用 特 定先 进 技 术进 行 加工 所制 成 的合 成 纤维 。该纤 维 具 有 强度 高 、伸度 低 、模 量高 、抗 酸碱 、耐 磨 以及 耐 候 性 好等 优点 ，能 够 与水 泥 和石 膏等 基 材 良好 结合 ，无 毒 无 污染 ，对人 体肌 肤 无 损 害 ，于人 体 无 害 ，为 当 前 新 兴 的高科 技 绿 色建 材 。其 生产 原 料 为聚 乙烯 醇 ．该物 质为 水 溶性 高 聚合 物 ，其 性 能 基 于塑 料 与 橡 胶 两者 之 间 ，应 用于 各领 域 。我 国聚 乙烯醇 生 产 能力 与产 量均 高居 世界 首位 ，日本次 之 。合 成纤 维 以优 质低 价 、高强 高模 为发 展方 向 。随着 当前维 纶 工业 以及 相 关技 术 的不 断发 展 与进 步 ，我 国 已能 够 制 作 出 高 强 高 模 聚 乙 烯 醇 纤 维 ，强 度 可 高 达 １０．６至 ２４．７ＣＮ／ｄｔｅｘ，其模 量可 高达 １２至 ２０ＧＰａ。 １．３．２同其他 纤 维性 能方 面 的对 比
关 键 词 ：ＰＶＡ 纤 维 ；水 泥基 复 合 材 料 ；抗 冻性 能
中图 分 类 号 ：ＴＵ５２８．５８
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１００８—９００４（２Ｏ１６）ｏ３—００９７一Ｏ３
聚 乙烯 醇纤 维 ，简 称 ＰＶＡ纤 维 ，１９２４年 由德 国化 学 家 Ｗ．Ｏ．Ｈｅｒｒｍａｎｎ与 Ｗ．ＷＨａｃｈｎｅｌ博 士 共 同合 成 ，但 该 ＰＶＡ材 料 尚无 耐 热 水 性 ．因 而使 用 价值 极 小 【ｌｊ。 １９３９年 ，李 升 基 （朝 鲜 ）、樱 田一 部 与 矢泽 将 英 （日本 ）利 用 甲醛对 该纤 维 加 以处 理从 而 制成 了聚 乙烯醇 缩 甲醛 纤 维 ，该 种 纤 维柔 软 且 可 用 于保 暖 。我 国于 ２Ｏ世 纪 ６Ｏ年代 从 日本 进 口了 一 套 维 纶生 产线 ，由此将 聚 乙烯 醇纤 维 引入 国 内 。 ２１世纪 初 至今 ，聚 乙烯 醇纤 维 在 国内迅 速发展 ，呈 现 出欣欣 向荣 的 良好局 面 。 １使 用概 况 １．１水 泥基 复合 材料 纤维 分类
聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料轴压徐变性能研究
㊀第３７卷第９期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.３７㊀Ｎｏ.９㊀２０１８年９月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＢＵＬＬＥＴＩＮＯＦＴＨＥＣＨＩＮＥＳＥＣＥＲＡＭＩＣＳＯＣＩＥＴＹ㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒꎬ２０１８㊀聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料轴压徐变性能研究张为民１ꎬ郑业勇１ꎬ杨才千１ꎬ２ꎬ李科锋１(１.湘潭大学土木工程与力学学院ꎬ湘潭㊀４１１１０５ꎻ２.东南大学土木工程学院ꎬ南京㊀２１００１８)摘要:通过自制加载装置ꎬ研究了聚乙烯醇纤维(ＰＶＡ)增强水泥基复合材料在轴向压应力作用下的徐变性能ꎮ研究参数包括水胶比和纤维掺量ꎮ研究结果表明:纤维掺入会降低水泥基复合材料抵抗徐变的能力ꎬ相对于未掺纤维的水泥基复合材料ꎬ纤维掺量为１％时其１２０ｄ徐变增加了１９.４％ꎻ适当的水胶比有利于胶凝材料充分反应ꎬ增加对ＰＶＡ水泥基复合材料对徐变的抑制作用ꎬ当水胶比超过０.３时ＰＶＡ水泥基复合材料的力学性能会出现一定程度的降低ꎬ且１２０ｄ徐变会呈现快速增加ꎮ基于分数阶导数理论ꎬ采用Ａｂｅｌ粘壶替代标准线性固体模型中的牛顿粘壶ꎬ推导出用于描述水泥基复合材料的徐变模型ꎬ并利用该徐变模型对试验数据进行分析ꎮ结果表明ꎬ含Ａｂｅｌ粘壶的徐变模型与试验数据吻合良好且稳定性较高ꎮ关键词:水泥基复合材料ꎻ徐变ꎻＡｂｅｌ粘壶ꎻ聚乙烯醇纤维ꎻ分数阶导数中图分类号:ＴＵ３９８＋.９㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:１００１￣１６２５(２０１８)０９￣２７４３￣０５ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＣｒｅｅｐＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＰｏｌｙｖｉｎｙｌＡｌｃｏｈｏｌＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＥｎｇｉｎｅｅｒｅｄＣｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓＣｏｍｐｏｓｉｔｅＺＨＡＮＧＷｅｉ￣ｍｉｎ１ꎬＺＨＥＮＧＹｅ￣ｙｏｎｇ１ꎬＹＡＮＧＣａｉ￣ｑｉａｎ１ꎬ２ꎬＬＩＫｅ￣ｆｅｎｇ１(１.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃｓꎬＸｉａｎｇｔａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＸｉａｎｇｔａｎ４１１１０５ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００１８ꎬＣｈｉｎａ)㊀㊀㊀㊀㊀㊀基金项目:国家自然科学基金青年项目(５１７０８４７６)ꎻ湖南省自然科学基金(２０１７ＪＪ３３０２)作者简介:张为民(１９６８￣)ꎬ男ꎬ教授.主要从事粘弹性材料本构理论研究.通讯作者:杨才千ꎬ博士ꎬ教授.Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｌｏａｄｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｃｒｅｅｐｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｐｏｌｙｖｉｎｙｌａｌｃｏｈｏｌｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｕｎｄｅｒａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｓｓ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖａｒｉａｂｌｅｓｉｎｃｌｕｄｅｗａｔｅｒｔｏｂｉｎｄｅｒｒａｔｉｏａｎｄｆｉｂｅｒｆｒａｃｔｉｏｎ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＰＶＡｆｉｂｅｒａｄｄｅｄｔｏｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅ(ＥＣＣ)ｒｅｄｕｃｅｄｔｈｅｃｒｅｅｐｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅ.Ｗｈｅｎｔｈｅｆｉｂｅｒｆｒａｃｔｉｏｎｗａｓ１％ꎬｔｈｅ１２０ｄｃｒｅｅｐｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ１９.４％ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｏｓｅｗｉｔｈｏｕｔｆｉｂｅｒａｄｄｉｔｉｏｎ.ＡｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｗａｔｅｒｔｏｂｌｉｎｄｅｒｒａｔｉｏｉｓｉｎｆａｖｏｒｏｆｔｈｅｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｒｅａｃｔｉｏｎａｎｄｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｃｒｅｅｐｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆＰＶＡ￣ＥＣＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ.Ｗｈｅｎｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｗａｔｅｒｔｏｂｉｎｄｅｒｉｓｏｖｅｒ０.３ꎬｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＰＶＡ￣ＥＣＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｌｌｄｅｃｒｅａｓｅꎬｍｅａｎｗｈｉｌｅ１２０ｄｃｒｅｅｐｗｉｌｌｉｎｃｒｅａｓｅｒａｐｉｄｌｙ.ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｆｒａｃｔｉｏｎａｌｏｒｄｅｒｄｅｒｉｖａｔｉｖｅꎬｔｈｅｃｒｅｅｐｍｏｄｅｌｉｓｄｅｄｕｃｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅＡｂｅｌｄａｓｈｐｏｔｉｎｓｔｅａｄｏｆｔｈｅＮｅｗｔｏｎｄａｓｈｐｏｔｉｎａｓｔａｎｄａｒｄｌｉｎｅａｒｍｏｄｅｌꎬａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｔｈｅｃｒｅｅｐｍｏｄｅｌ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｒｅｅｐｍｏｄｅｌｉｓｉｎｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａａｎｄｈｉｇｈｓｔａｂｉｌｉｔｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅꎻｃｒｅｅｐꎻＡｂｅｌｄａｓｈｐｏｔꎻｐｏｌｙｖｉｎｙｌａｌｃｏｈｏｌｆｉｂｅｒꎻｆｒａｃｔｉｏｎａｌｏｒｄｅｒｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ１㊀引㊀言纤维增强水泥基复合材料相比普通混凝土具有显著的抗裂性㊁韧性和较高的强度ꎬ在增强结构的耐久性㊁抗冲击性及可持续方面具有显著的优势[１￣２]聚乙烯醇纤维(ＰＶＡ)增强水泥基复合材料(以下简称ꎬＰＶＡ２７４４㊀专题论文硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３７卷水泥基复合材料)是将ＰＶＡ纤维掺入水泥基中形成的一种新型混凝土ꎮ这种新型混凝土有效克服了普通混凝土脆性大㊁低拉伸性㊁抗裂性差等不良性能在工程运用导致的缺陷[３]ꎮ混凝土的细微裂缝问题ꎬ通过纤维掺合技术得以解决ꎬ并在桥梁路面修复㊁结构加固㊁屋面防水[４￣５]等领域有广泛的研究和应用前景ꎮ与普通混凝土不同ꎬＰＶＡ水泥基复合材料中没有粗骨料ꎬ纤维的掺入容易形成界面孔隙ꎬ因此水泥基复合材料的耐久性问题一直受到人们的关注ꎮ目前ꎬ国内外学者对ＰＶＡ水泥基复合材料的抗渗性㊁抗冻性等方面进行了大量的试验研究[６￣７]ꎬ而与时间相关的徐变及粘弹性等方面研究文献相对较少ꎮ徐变能促使结构内部进行长期应力分布调整ꎬ减少应力集中ꎬ同时也会造成应力损失和较大变形ꎮ本文对通过自制加载设备对ＰＶＡ水泥基复合材料进行轴压徐变试验ꎬ考虑水胶比和纤维掺量对徐变的影响ꎮ在试验数据的基础上采用含Ａｂｅｌ粘壶的徐变模型进行拟合ꎬ研究ＰＶＡ水泥基复合材料的徐变特性ꎮ２㊀徐变试验２.１㊀试验材料水泥采用湘潭中材水泥厂生产的Ｐ Ｏ４２.５普通硅酸盐水泥ꎻ聚乙烯醇纤维由日本可乐丽公司生产ꎬ成品为束状ꎬ长度１２ｍｍꎬ直径３９μｍꎬ抗拉强度１６００ＭＰａꎬ断裂伸长率为６％ꎮ减水剂由江苏苏博特新材料股份有限公司生产的ＰＶＡ￣Ⅰ聚羧酸高性能减水剂ꎬ减水率为２５％ꎮ细骨料为１２０目的精细石英砂ꎮ粉煤灰由湘潭电厂生产的一级粉煤灰ꎮ２.２㊀配合比ＰＶＡ水泥基复合材料的纤维体积掺量一般在０％到２％之间ꎬ过高掺量容易使纤维在搅拌过程中与混合物结成球团ꎮ此外水胶比过大会导致在振捣等试件成型过程中产生泌水和水泥浆离析ꎬ也会影响ＰＶＡ水泥基复合材料的力学性能ꎮ因此ꎬ本文选取的纤维体积掺量为０％㊁１％㊁２％ꎬ水胶比控制在０.４以下ꎬ具体配合比见表１ꎮ本文试件编号规则:如ＰＥ￣２５￣２ꎬＰＥ是ＰＶＡ水泥基复合材料的代称ꎬ第一个数字代表水胶比ꎬ第二个数字代表纤维掺量ꎮ表１㊀试件的配合比及抗压强度Ｔａｂ.１㊀Ｍｉｘｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｓｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈ编号水胶比ＰＶＡ掺量材料用量/(ｋｇ/ｍ３)水泥粉煤灰水石英砂ＰＶＡｆｃ/ＭＰａ(２８ｄ)ＰＥ￣２５￣２０.２５２３７３８２２２９５４３４２６５１.９５ＰＥ￣２５￣１０.２５１３７３８２２２９５４３４１３４６.２５ＰＥ￣３０￣２０.３２５３０６４７３５３４３１２６３９.３１ＰＥ￣３０￣１０.３１５３０６４７３５３４３１１３４１.９５ＰＥ￣３０￣００.３０５３０６４７３５３４３１０４０.１１ＰＥ￣３５￣２０.３５２４９５６０５３８５４０１２６２４.３５ＰＥ￣３５￣１０.３５１４９５６０５３８５４０１１３３０.３５ＰＥ￣４０￣１０.４１４７１５７６４１９３８６１３２８.７０２.３㊀试验装置及测量方案图１㊀徐变试验装置示意图(ａ)和实物图(ｂ)Ｆｉｇ.１㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍ(ａ)ａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｃｒｅｅｐｔｅｓｔ(ｂ)借鉴国内已有的混凝土徐变试验加载装置[８]ꎬ自行设计了弹簧式试验装置(图１)ꎮ装置分为上中下三部分ꎬ分别放置液压千斤顶和压力传感器㊁加载试件㊁高强弹簧ꎮ将千斤顶施加的轴向压力转化为弹簧弹力ꎬ通过拧紧中部钢板上部的高强双螺帽将钢板２固定在架体上ꎬ保证试件在整个试验过程中受力恒定ꎮ在试㊀第９期张为民等:聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料轴压徐变性能研究２７４５㊀件左右两侧放置量程为１ｍｍ的带钻千分表测量试件长期压缩变形值ꎮ为减少其它变量对试验结果的影响ꎬ将该装置放入温度为(２０ʃ２)ħ㊁相对湿度(６０ʃ５)％的实验室中ꎮ试件尺寸为１００ｍｍˑ１００ｍｍˑ４００ｍｍꎬ养护２８ｄ后取棱柱体抗压强度的４０％作为试验加载值ꎮ由于试件受压后会逐渐产生徐变变形ꎬ同时弹簧会产生一定的应力松弛ꎬ两者都会使弹簧恢复部分弹性形变ꎮ因此ꎬ需通过数据采集仪实时监测试验过程中荷载变化ꎬ微调螺帽维持加载系统受力恒定ꎮ３㊀徐变模型分数阶导数模型描述介于弹性体和粘性体之间的物质与时间相关的力学性能ꎬ克服了经典模型理论徐变在某些阶段与试验数据不能很好拟合的缺点[９]ꎬ仅采用几个元件组合就能获得很好的效果ꎮ３.１㊀Ａｂｅｌ粘壶模型张为民等[１０]曾提出构建含Ａｂｅｌ核的本构方程来描述粘弹性材料的徐变行为ꎮ根据Ｒｉｅｍａｎｎ￣Ｌｉｏｕｖｉｌｌｅ分数阶导数的定义给出Ａｂｅｌ核函数为:Ⅰγ(ｔ)＝１/[Γ(１－γ)ｔγ](１)式中ꎬΓ为Ｇａｍｍａ函数ꎮ当γ>０时ꎬ如图２(ａ)所示ꎬ函数图像逐渐减小到某一最小值ꎮ当γ<０时ꎬ如图２(ｂ)所示ꎬ函数图像逐渐增加到某一最大值ꎮ该Ａｂｅｌ粘壶的单轴徐变柔量为:Ｄ(ｔ)＝ｔγ/[ηＡΓ(γ＋１)](２)图２㊀Ａｂｅｌ函数图Ｆｉｇ.２㊀Ａｂｅｌｆｕｎｃｔｉｏｎｇｒａｐｈ图３㊀修正后的标准线性体模型Ｆｉｇ.３㊀Ｍｏｄｉｆｉｅｄｓｔａｎｄａｒｄｌｉｎｅａｒｍｏｄｅｌ３.２㊀修正后的标准线性体模型目前用于表征材料粘弹性的模型主要有Ｍａｘｗｅｌｌ模型㊁Ｋｅｌｖｉｎ模型㊁三参量固体模型㊁Ｂｕｒｇｅｒｓ模型等ꎬ它们通常采用粘壶㊁弹簧㊁摩擦件三种基本元件进行串联或并联组成ꎮ其中三参数固体模型也称标准线性体ꎬ由于它的简单性ꎬ工程中常用它作为描述粘弹性固体(如混凝土㊁岩石等)的最简单模型ꎮ本文从粘弹性经典模型出发ꎬ用Ａｂｅｌ粘壶替代普通标准线性体中的Ｎｅｗｔｏｎ粘壶(图３)ꎬ从而推导出修正后的标准线性体模型ꎬ用于描述ＰＶＡ水泥基复合材料的徐变特性ꎮ其本构方程:ε(ｔ)＋β－１Ｄγε(ｔ)＝Ｄɕσ(ｔ)＋Ｄ０β－１Ｄγσ(ｔ)(３)式中ꎬｔȡ０ꎬ０﹤γ﹤１ꎮβ为材料常数ꎬＤ０与Ｄɕ分别为材料的瞬态徐变柔量和长期徐变柔量ꎮ将σ(ｔ)＝θ(ｔ)带入式(３)中ꎬ进行Ｌａｐｌａｃｅ变换后再进行逆变换可得徐变柔量:Ｄ(ｔ)＝＝Ｄ０{１＋(ＤɕＤ０－１)Σɕｎ＝０(－１)ｎβγ(ｎ＋１)ｔγ(ｎ＋１)Γ[γ(ｎ＋１)＋１]}(４)４㊀结果与讨论４.１㊀试验结果２７４６㊀专题论文硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３７卷本文进行了１２０ｄ徐变试验ꎬ得到如图４所示的徐变￣时间曲线ꎮ图４(ａ)表示不同纤维掺量对徐变的影响ꎮ由图可知ꎬ早期徐变增长速率较大ꎬ超过了普通混凝土ꎬ而后速率呈下降ꎮ后期徐变在极限值附近波动并逐渐趋于平缓ꎮ由于ＰＶＡ水泥基复合材料采用粉煤灰替代部分水泥ꎬ减少初期水化热的同时也提高密实性ꎬ进而提高了它的长期力学性能ꎮ此外ꎬＰＶＡ水泥基复合材料中不含粗骨料ꎬ受压后产生的变形值相对较大ꎬ而后期的强度发展超过普通混凝土ꎬ增加了ＰＶＡ水泥基复合材料抵抗徐变的能力ꎬ使得在较短的时间内达到稳定状态ꎮ聚乙烯醇纤维的吸湿高达５％ꎬ易使纤维界面层在水化热后产生孔隙ꎮ纤维掺量增加也给ＰＶＡ水泥基复合材料的内部带来更多缺陷ꎬ增大了１２０ｄ徐变ꎮ与未掺纤维的水泥基复合材料相比ꎬ纤维掺量为１％时其１２０ｄ徐变增加了１９.４％ꎮ纤维掺量为１％时ꎬ不同水胶比的徐变曲线见图４(ｂ)ꎮ由图可知ꎬ徐变曲线的发展趋势基本没有改变ꎬ１２０ｄ徐变随着水胶比的增大先减小后增大ꎮ出现徐变值减小可能是适当的水胶比能使胶凝材料反应更加充分增加基体的流动性ꎬ保证结构内部基体均匀分布ꎮ水胶比超过０.３后ꎬ随着水胶比的增大１２０ｄ徐变也随之增大ꎮ可能是过大的水胶比使得ＰＶＡ水泥基复合材料在振捣等试件成型过程中产生泌水和水泥浆离析ꎬ使得骨料不能够被很好的固定ꎬ易形成内部缺陷和微孔隙ꎮ应力集中通过内部物质的流动逐渐被释放ꎬ增大了１２０ｄ徐变ꎮ而水胶比对ＰＶＡ水泥基复合材料抗压强度(表１)的影响与水胶比对１２０ｄ徐变的影响原因基本相同ꎮ因此ꎬ水胶比对ＰＶＡ水泥基复合材料徐变性能的影响可以反映到抗压强度上ꎬ一般强度越高ꎬ徐变越小ꎮ图４㊀ＰＶＡ水泥基复合材料的徐变曲线Ｆｉｇ.４㊀ＣｒｅｅｐｃｕｒｖｅｓｏｆＰＶＡｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅ４.２㊀模型拟合真实材料很多都具有弹性与粘性的双重性质ꎬ受力状态下表现为粘弹性ꎮ一般认为本文研究的ＰＶＡ水泥基复合材料是一种典型的粘弹性材料ꎬ因此可以采用粘弹性力学模型中含有时间参数的函数来描述徐变现象ꎮ常采用由一个弹簧元件和一个Ｋｅｌｖｉｎ模型串联合成的标准线性固体模型和由一个Ｋｅｌｖｉｎ模型和一个Ｍａｘｗｅｌｌ模型串联而成的Ｂｕｒｇｅｒｓ模型ꎬ拟合效果见图５ꎮ定义相对徐变柔量为Ｄｒ(ｔ)＝Ｄ(ｔ)/Ｄ０ꎮ图中圆点为试验测量值ꎬ虚线为模型预测值ꎮ三种模型的预测值与试验数据的非线性拟合都吻合的良好ꎬ标准线性体模型的相关系数Ｒ２＝０.９８４ꎮ而本文所提出模型的相关系数Ｒ２＝０.９９３ꎬ克服标准线性体在后期不能很好吻合的缺点ꎮ对每一组试件的试验数据进行拟合ꎬ得出不同模型的相关系数(图６)ꎬ从图中可以看出ꎬ修正后的标准线性体模型在相比其它两种模型的拟合相关系数更高ꎬ且具有较好拟合稳定性ꎮ图５㊀徐变曲线拟合Ｆｉｇ.６㊀ＦｉｔｔｉｎｇｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｄｅｌｓＦｉｇ.５㊀Ｃｒｅｅｐｃｕｒｖｅｓｆｉｔｔｉｎｇ图６㊀不同模型的拟合相关系数㊀第９期张为民等:聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料轴压徐变性能研究２７４７㊀４.３㊀模型系数分析本文提出的模型系数对比结果(表２)ꎬ表中瞬态徐变柔量Ｄ０的实际意义为ＰＶＡ水泥基复合材料在荷载作用下ꎬ瞬时变形与应力的比值ꎮ长期徐变柔量与瞬态徐变柔量的比值Ｄɕ/Ｄ０表达了材料在长期恒定荷载作用下ꎬ徐变值与初始变形值的倍数关系ꎮ从表中可以看出ꎬ徐变值约为初始变形值的一倍ꎮ本文模型系数关系ꎬ如图７所示ꎮ当β不变ꎬ曲线转折点相同ꎬγ值越大ꎬ曲线越陡峭ꎮ当γ不变ꎬ曲线走向相同ꎬβ值越大ꎬ曲线呈向上平移趋势ꎮ可以说ꎬβ决定了曲线的拐点ꎬ而γ决定了曲线的走向ꎮ表２㊀徐变模型系数对比结果Ｔａｂ.２㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｃｒｅｅｐｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｂｙｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｃｒｅｅｐｍｏｄｅｌ编号αβＤ０ˑ１０－５/ＭＰａ－１Ｄɕ/Ｄ０ＰＥ￣２５￣２０.３８５００.２６３４４.０４２１.８４８９ＰＥ￣２５￣１０.３３６８０.２９２８４.６４５１.９７５４ＰＥ￣３０￣２０.４１４７０.２４８９５.３１３２.１１５８ＰＥ￣３０￣１０.３８５６０.２６２８４.２１９１.８８６ＰＥ￣３０￣００.２６７８０.２９４８４.３４４１.９１２３ＰＥ￣３５￣２０.３３７８０.２９１１３.４８３１.７３１４ＰＥ￣３５￣１０.４４０６０.２３５５４.９９１２.０４８ＰＥ￣４０￣１０.３４２３０.２４３７５.６７７２.１９２１图７㊀模型系数对图形的影响Ｆｉｇ.７㊀Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍｏｄｅｌｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｏｎｇｒａｐｈｉｃｓ５㊀结㊀论(１)ＰＶＡ水泥基复合材料的徐变￣时间曲线基本呈现相同变化趋势ꎬ具有典型的初始徐变阶段和稳定徐变阶段ꎬＰＶＡ水泥基复合材料１２０ｄ徐变随着ＰＶＡ纤维掺量的增加而增加ꎮ(２)适当的水胶比有利于胶凝材料充分反应并提高其力学性能ꎬ增加对ＰＶＡ水泥基复合材料对徐变的抑制作用ꎬ当水胶比超过０.３时ＰＶＡ水泥基复合材料的力学性能会出现一定程度的降低ꎬ且１２０ｄ徐变会呈现快速增加ꎮ(３)含Ａｂｅｌ粘壶的标准线性体徐变模型与试验数据吻合良好且稳定性较高ꎮ参考文献[１]ＬｉＶＣ.Ｌｏｎｇｔｅｒｍｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＲｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｏｆＢｕｉｌｄｉｎｇｓ＆Ｍｏｎｕｍｅｎｔｓꎬ２００６ꎬ１２(２):１１９￣１３２. [２]ＬｉｕＨꎬＺｈａｎｇＱꎬＬｉＶꎬｅｔａｌ.Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｓｔｕｄｙｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ(ＥＣＣ)ｕｎｄｅｒｓｕｌｆａｔｅａｎｄｃｈｌｏｒｉｄｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ[Ｊ].ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０１７ꎬ１３３:１７１￣１８１.[３]ＬｉＶＣ.高延性纤维增强水泥基复合材料的研究进展及应用[Ｊ].硅酸盐学报ꎬ２００７ꎬ３５(４):５３１￣５３６.[４]ＹｕＪꎬＬｉＨꎬＬｅｕｎｇＣＫＹꎬｅｔａｌ.Ｍａｔｒｉｘｄｅｓｉｇｎｆｏｒｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ(ＥＣＣｓ)[Ｊ].ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０１７ꎬ１３９:４３８￣４４６.[５]郭平功ꎬ田㊀砾ꎬ李晓东ꎬ等.ＰＶＡ￣ＥＣＣ在工程维修中的应用[Ｊ].国外建材科技ꎬ２００６ꎬ２７(４):８２￣８４＋８７.[６]高淑玲ꎬ史宏飞ꎬ王晓伟.带预制裂缝的ＰＶＡ￣ＥＣＣ抗(盐)冻性能及机理[Ｊ].长安大学学报(自然科学版)ꎬ２０１６ꎬ３６(１):３６￣４３. [７]ＬｉｕＨꎬＺｈａｎｇＱꎬＧｕＣꎬｅｔａｌ.Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｍｉｃｒｏ￣ｃｒａｃｋｉｎｇｏｎｔｈｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＣｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｃｒｅｔｅＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎬ２０１６ꎬ７２:１０４￣１１３.[８]曹国辉ꎬ方㊀志.徐变加载装置的研制与应用[Ｊ].实验室研究与探索ꎬ２００５ꎬ２４(１０):３５￣３７＋４６.[９]张为民.一种采用分数阶导数的新流变模型理论[Ｊ].湘潭大学自然科学学报ꎬ２００１ꎬ２３(１):３０￣３６.[１０]张为民ꎬ张淳源ꎬ张㊀平.考虑老化的混凝土粘弹性分数导数模型[Ｊ].应用力学学报ꎬ２００４ꎬ２１(１):１￣４.。
超高韧性纤维增强水泥基复合材料基本力学性能
2009年9月水 利 学 报SH UI LI X UE BAO第40卷 第9期收稿日期:2008212212基金项目:国家自然科学基金重点项目(50438010);南水北调工程建设重大关键技术研究及应用(J G ZX JJ2006213)作者简介:徐世 (1953-),男,湖北人,博士,教授,主要从事混凝土断裂力学基本理论与工程应用、新型材料与结构、超高韧性水泥基复合材料和非金属纤维编织网增强混凝土结构研究。
E 2mail :slxu @文章编号:055929350(2009)0921055209超高韧性纤维增强水泥基复合材料基本力学性能徐世 ,蔡向荣(大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室结构分室,辽宁大连 116024)摘要:研制了采用高强高弹模聚乙烯醇纤维作为增强材,以精制水泥砂浆为基体的超高韧性水泥基复合材料。
本文通过单轴拉伸试验、四点弯曲试验、单轴抗压试验、三点弯曲断裂试验研究了这种新型材料的抗拉、抗弯、抗压和抗裂性能。
试验结果表明,该材料在拉伸和弯曲荷载作用下具有假应变硬化和多缝开裂特性,以及高延性、高韧性和高能量吸收能力。
极限荷载时的最大裂缝宽度在50μm 左右。
拉伸和弯曲试验测得的极限拉伸应变在3%以上,平均裂缝间距1mm 左右。
其抗压强度类似于混凝土,抗压弹性模量较低,但受压变形能力比普通混凝土大很多。
通过三点弯曲断裂试验证明,该材料的峰值荷载及其对应变形都较基体有明显的提高。
缺口拉伸试件和缺口梁试件均证明,该材料可以将单一裂缝细化成多条细裂缝,同时该材料具有对小缺口不敏感的特性。
4种试验的结果证明该材料在各种破坏荷载作用下均能保持良好的整体性,不发生碎裂破坏。
关键词:超高韧性水泥基复合材料;假应变硬化;多缝开裂;高延性;高韧性;高能量吸收能力中图分类号:T U5281572文献标识码:A1 研究背景水利工程是我国的一项基础产业工程,目前我国正在大规模、高速度地进行水利开发,2008年第四季度国家新增200亿元中央水利建设投资加快水利基础设施建设。
聚乙烯醇纤维增韧水泥基复合材料研究进展
聚乙烯醇纤维增韧水泥基复合材料研究进展徐涛智;杨医博;梁颖华;郭文瑛【期刊名称】《混凝土与水泥制品》【年(卷),期】2011(000)006【摘要】聚乙烯醇纤维增韧水泥基复合材料(Polyvinyl alcohol Fiber-Engineered Cementitious Composites简称PVA-ECC)是一种拉伸变形性能优异的水泥基复合材料,是通过断裂力学和微观力学原理对材料体系进行系统设计和优化得到的复合材料.本文介绍了国内外PVA-ECC的研究情况,并对国产PVA纤维无法应用于PVA-ECC的原因以及.PVA-ECC直接拉伸实验方法两个亟待解决的问题进行了论述.【总页数】6页(P39-44)【作者】徐涛智;杨医博;梁颖华;郭文瑛【作者单位】华南理工大学土木工程系,广州,510640;华南理工大学土木工程系,广州,510640;华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室,广州,510640;华南理工大学土木工程系,广州,510640;华南理工大学土木工程系,广州,510640【正文语种】中文【中图分类】TU528.58【相关文献】1.聚乙烯醇纤维水泥基复合材料研究进展 [J], 郑睢宁;张建雷;李立顶;刘鹏飞2.氧化石墨烯调控水化产物增强增韧水泥基复合材料的研究进展 [J], 吕生华;张佳;殷海荣;罗潇倩3.氧化石墨烯调控水化产物增强增韧水泥基复合材料的研究进展 [J], 吕生华;张佳;殷海荣;罗潇倩;4.聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的抗压强度数值预测方法研究 [J], 刘红彪;李鹏展;张路刚;齐方利;谭林怀;卫宪;刘畅5.聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料研究进展 [J], 熊辉霞;赵文杰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
PVA纤维增强水泥基复合材料假应变硬化及断裂特性研究共3篇
PVA纤维增强水泥基复合材料假应变硬化及断裂特性研究共3篇PVA纤维增强水泥基复合材料假应变硬化及断裂特性研究1 PVA纤维增强水泥基复合材料假应变硬化及断裂特性研究复合材料是一种由两种或两种以上材料组合而成的新型材料。
在工程领域，常常使用纤维增强复合材料（FRC）来替换传统材料，以提高材料的力学性能。
而PVA纤维增强水泥基复合材料（PFRC）则是一种新型的FRC材料。
本研究采用PFRC材料为研究对象，考察了其假应变硬化及断裂特性。
首先，我们介绍PFRC材料的组成。
PFRC材料由水泥、砂、水、聚乙烯醇（PVA）纤维等多种材料组成，其中PVA纤维作为增强体起到支撑水泥基材料的作用。
研究表明，PVA纤维具有良好的柔韧性，可以增加PFRC材料的韧性和耐久性。
接着，我们介绍假应变硬化的概念。
在PFRC材料中，由于PVA纤维的作用，材料在受力时会发生一定量的应变，但是当应力达到一定的数值后，材料的应变就呈现出硬化的现象，即应变不再增加。
然而，经过实验测算，我们发现在PFRC材料中，这种应变硬化是一种“假”应变硬化，因为当应力分布不均匀时，该材料的应变并不是真的硬化。
在接下来的实验中，我们测量了PFRC材料在不同应力水平下的应变和应力数据，并按照负荷史和最大负荷史分别统计了材料的最大应力和断裂延伸能。
结果显示，在低应力范围内，PFRC材料的应变硬化越明显，而在高应力范围内应变硬化就逐渐减弱。
此外，当PVA纤维含量增加时，PFRC材料的断裂延伸能也有所提高。
最后，我们讨论了PFRC材料的断裂特性。
PFRC材料断裂时呈现出典型的拉伸断裂模式，同时材料表面会出现很多细小的裂纹。
我们还测量了材料的断裂延伸能，发现PFRC材料的断裂延伸能与应变硬化程度呈正相关关系。
这表明，PFRC材料在接受外部力的时候，在一定应力水平下具有很好的韧性和延展性。
综上所述，本研究通过对PFRC材料的假应变硬化及断裂特性研究，深入分析了PFRC材料的性能和特点，为PFRC材料在工程领域中的应用提供了一定的参考价值综合本研究结果表明，PFRC材料具有明显的应变硬化特征，但是这种硬化并非真实存在，而是受到应力分布不均匀的影响。
聚乙烯醇纤维增强混凝土力学性能数值模拟分析
聚乙烯醇纤维增强混凝土力学性能数值模拟分析摘要：聚乙烯醇纤维增强混凝土（FRC）具有优异的抗裂、抗渗、抗冻融性能，被广泛应用于结构工程中。
本文通过数值模拟的方法，研究了聚乙烯醇纤维在混凝土中的力学性能，包括抗拉强度、抗折强度、抗压强度等，并对比了普通混凝土和聚乙烯醇纤维增强混凝土的性能差异。
研究结果表明，聚乙烯醇纤维的加入能够显著提高混凝土的力学性能，增强其抗裂能力，提高其耐久性，从而保障结构工程的安全可靠。
一、引言混凝土作为一种广泛应用于结构工程中的材料，其强度和耐久性一直是工程师们关注的焦点。
随着科学技术的不断进步和材料学的发展，人们对混凝土的要求也越来越高。
传统混凝土在抗裂能力、抗渗性能和抗冻融性能等方面存在一定的不足。
为了改善混凝土的性能，研究者们开始开发新的材料和工艺。
聚乙烯醇纤维作为混凝土增强材料的一种，具有很高的纤维强度和柔软性，能够有效提高混凝土的力学性能和耐久性。
二、聚乙烯醇纤维增强混凝土的性能研究1. 抗拉强度为了研究聚乙烯醇纤维对混凝土抗拉强度的影响，我们采用了数值模拟的方法。
通过在混凝土中添加不同比例的聚乙烯醇纤维，对比分析了不同纤维含量下混凝土的抗拉强度。
模拟结果显示，随着聚乙烯醇纤维含量的增加，混凝土的抗拉强度逐渐提高。
这是因为聚乙烯醇纤维能够有效抵抗混凝土受力时的裂纹扩展，增强了混凝土的延展性，提高了其抗拉强度。
2. 抗折强度同样地，我们也研究了聚乙烯醇纤维对混凝土抗折强度的影响。
通过数值模拟分析，发现聚乙烯醇纤维的加入能够显著增强混凝土的抗折性能。
与普通混凝土相比，聚乙烯醇纤维增强混凝土的抗折强度增加了20%以上。
这是因为聚乙烯醇纤维的存在能够有效阻碍裂纹的扩展，提高混凝土的承载能力。
3. 抗压强度混凝土的抗压强度是评价其力学性能的重要指标之一。
我们利用数值模拟的方法研究了聚乙烯醇纤维对混凝土抗压强度的影响。
模拟结果显示，聚乙烯醇纤维的加入能够显著提高混凝土的抗压强度。
PVA 纤维增强型水泥基复合材料高温后力学性能试验
PVA 纤维增强型水泥基复合材料高温后力学性能试验白文琦;吕晶;杜强;白亮;吴函恒【摘要】为了研究聚乙烯醇（PV A ）纤维增强型水泥基复合材料高温后的力学性能，对30组共90个试件进行了力学性能试验，测得材料的立方体抗压强度、抗折强度、弹性模量、轴心抗压强度以及棱柱体单轴抗压应力‐应变全曲线，并与相应基体的力学性能进行对比分析。
结果表明：当加热温度低于200℃时，PV A纤维的掺入可有效改善水泥基复合材料的抗折强度和棱柱体单轴受压峰值荷载后的延性性能和韧性性能，降低弹性模量，对立方体抗压强度和棱柱体轴心抗压强度影响不大；温度高于200℃后，抗折强度、弹性模量和峰值荷载后的延性性能与韧性性能与基体接近，立方体抗压强度和轴心抗压强度均低于基体，轴心抗压强度下降幅度远远大于立方体抗压强度。
%In order to study the mechanical behaviors of polyvinyl alcohol (PVA) fiber reinforced cementitious composite ,90 specimens divided into 30 groups after high temperature treatment were tested .The material cubic compressive strength ,flexural strength ,elasticity modulus , axial compressive strength and the prism uniaxial compressive stress‐strain c urves were obtained . The mechanical behavior of corresponding matrix was also tested for comparison .The results show that when the heating temperature bellows 200 ℃ ,flexuralstrength ,ductility property and toughness property after the prism uniaxial compressive peak load of cementitious composite can effectively improve with PVA fiber mixing .Meanwhile ,while elasticity modulus decreases ,PVA fiber has little effect on cubic compressive strength and the prism axial compressive strength . When the heating temperature is higher than200 ℃ , flexural strength , elasticity modulus , ductility property and toughness property after the prism uniaxial compressive peak load of PVA fiber reinforced cementitious composite is close to the matrix .Cubic compressive strength and axial compressive strength of PVA fiber reinforced cementitious composite is lower than the matrix .Axial compressive strength decreases much more than the cubic compressive strength .【期刊名称】《建筑科学与工程学报》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】6页(P86-91)【关键词】高温;纤维增强型水泥基复合材料;聚乙烯醇;力学性能;应力-应变全曲线【作者】白文琦;吕晶;杜强;白亮;吴函恒【作者单位】长安大学建筑工程学院，陕西西安 710061;长安大学建筑工程学院，陕西西安 710061;长安大学建筑工程学院，陕西西安 710061;长安大学建筑工程学院，陕西西安 710061;长安大学建筑工程学院，陕西西安 710061【正文语种】中文【中图分类】TU528.0430 引言PVA纤维增强型水泥基复合材料（PVA－ECC）是采用聚乙烯醇纤维来改善水泥基材料抗拉强度低、韧性差、抗震和抗冲击强度较低的一种新型复合材料。
碳酸钙晶须混杂聚乙烯纤维增强水泥基复合材料力学性能研究
第43卷第1期2024年1月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.43㊀No.1January,2024碳酸钙晶须混杂聚乙烯纤维增强水泥基复合材料力学性能研究陈月顺,汤成宇(湖北工业大学土木建筑与环境学院,武汉㊀434000)摘要:为研究碳酸钙晶须掺量对聚乙烯纤维增强水泥基复合材料(PE-ECC)力学性能及微观结构的影响,设计了4组不同碳酸钙晶须掺量的PE-ECC 试件,对其进行抗压性能试验㊁抗拉性能试验㊁三点弯曲断裂性能试验,并使用XRD㊁SEM㊁NMR 技术对其微观结构进行研究㊂结果表明,碳酸钙晶须对PE-ECC 有增强增韧作用,随着碳酸钙晶须掺量增加,这种增强增韧作用呈先增大后减小的趋势,当碳酸钙晶须掺量为1%(体积分数)时,PE-ECC 的抗压性能㊁拉伸性能㊁断裂性能提升最佳㊂适量的碳酸钙晶须能填充基体,减少少害孔及多害孔数量,改善孔隙结构㊂关键词:水泥基复合材料;碳酸钙晶须;PE 纤维;拉伸性能;断裂性能;微观结构中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2024)01-0016-11Mechanical Properties of Calcium Carbonate Whisker Hybrid Polyethylene Fiber Reinforced Cement-Based CompositeCHEN Yueshun ,TANG Chengyu(School of Civil Engineering,Architecture and Environment,Hubei University of Technology,Wuhan 434000,China)Abstract :In order to study the influence of calcium carbonate whisker with different content on the mechanical properties and microstructure of polyethylene fiber reinforced cement-based composite(PE-ECC),four groups of PE-ECC specimens with different content of calcium carbonate whisker were designed,and the compressive properties,tensile properties and three-point bending fracture properties were tested on them.The microstructure was studied by XRD,SEM and NMR.The results show that calcium carbonate whisker can strengthen and toughen PE-ECC.With the increase of calcium carbonate whisker content,the strengthening and toughening effects first increase and then decrease.When the content of calcium carbonate whisker is 1%(volume fraction),the compressive properties,tensile properties and fracture properties of PE-ECC are improved best.Appropriate amount of calcium carbonate whisker can fill the matrix,reduce the number of less and more damaged pores,and improve pore structure.Key words :cement-based composite;calcium carbonate whisker;PE fiber;tensile property;fracture property;microstructure 收稿日期:2023-07-21;修订日期:2023-09-21作者简介:陈月顺(1975 ),男,博士,教授㊂主要从事高性能混凝土方面的研究㊂E-mail:yueshunchen@通信作者:汤成宇,硕士研究生㊂E-mail:tcy177********@0㊀引㊀言为了提升普通混凝土的抗拉强度和韧性,国内外研究者以微观力学模型和断裂力学机制为理论基础设计出一种新型纤维增强水泥基复合材料(polyethylene fiber reinforced cement-based composite,PE-ECC)㊂PE-ECC 具有应变硬化及多缝开裂的特性[1-3],抗拉强度介于3~7MPa,极限拉伸应变值约为3%[4],为普通混凝土的200~300倍㊂混凝土材料的多尺度结构特征限制了单一纤维对混凝土材料的增强效果[5],国内外学者对采用不同尺寸纤维抑制裂纹扩展㊁提高混凝土材料韧性㊁增强混凝土材料性能等进行了一系列的研究,研究结果表明混掺不同尺寸纤维能够增强混凝土材料的抗压性能[6]㊁拉伸性能[7-8]㊁抗弯性能[9]㊁抗裂性㊀第1期陈月顺等:碳酸钙晶须混杂聚乙烯纤维增强水泥基复合材料力学性能研究17能[10-12]等㊂碳酸钙晶须是一种生产简单㊁成本低廉㊁绿色环保的微米级纤维材料,且无需复杂的分散方法就能对水泥基材料产生积极作用[13],具有良好的工程意义㊂目前,国内外已有研究[14-16]表明碳酸钙晶须的掺入对纤维增强水泥基复合材料的性能有一定的提升作用,为进一步探究碳酸钙晶须掺量对聚乙烯纤维增强水泥基复合材料力学性能的影响规律,本文选用碳酸钙晶须和PE纤维作为水泥基材料的掺合物,对不同碳酸钙晶须(calcium carbonate whisker,CW)掺量下PE-ECC的拉伸性能进行研究;基于断裂力学理论及双K断裂准则,通过三点弯曲切口梁断裂试验对不同碳酸钙晶须掺量下PE-ECC试件的断裂性能进行研究;并且使用XRD㊁SEM㊁NMR技术分析不同碳酸钙晶须掺量试件的微观形貌及孔隙结构,为碳酸钙晶须增强PE-ECC在实际工程中的应用提供参考㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料及配合比本试验胶凝材料采用海螺牌P㊃O42.5普通硅酸盐水泥,武汉阳逻电厂生产的Ⅰ级粉煤灰;细骨料采用规格为70~110目(140~210μm)的超细砂,最大粒径约为0.21mm;减水剂采用上海三瑞公司生产的聚羧酸高效粉体减水剂;拌合水为武汉自来水;试验采用的纤维为上海同延建筑科技有限公司生产的PE纤维和灵寿县矿产品加工厂生产的碳酸钙晶须,PE纤维及碳酸钙晶须的物理性能指标见表1㊂PE纤维掺量固定为总体积的1.5%,碳酸钙晶须掺量为总体积的0%㊁1%㊁2%㊁3%㊂本试验固定水胶比为0.3,砂胶比为0.36,配合比见表2㊂表1㊀聚乙烯纤维及碳酸钙晶须性能指标Table1㊀Performance indexes of polyethylene fiber and calcium carbonate whiskerFiber type Density/(g㊃cm-3)Length/mm Diameter/μm Tensile strength/GPa Elastic modulus/GPa PE0.9718.0025.0 2.8110~120CW 2.690.01~0.030.5~1.0 3.0~6.0410~710表2㊀试验配合比Table2㊀Experimental mix proportionSpecimen Mix proportion/(kg㊃m-3)Sand Cement Fly ash Water HRWR PE CW CW0474.4593.0711.6391.4 4.019.00 CW1474.4593.0711.6391.4 4.019.026.9 CW2474.4593.0711.6391.4 4.019.053.8 CW3474.4593.0711.6391.4 4.019.080.71.2㊀试件制备与试验方法本试验中试件制备采取后掺法,即先加入胶凝材料㊁碳酸钙晶须和骨料并搅拌均匀,随后倒入水和外加剂再次搅拌,搅拌过程中加入纤维㊂抗压试验采用70.7mmˑ70.7mmˑ70.7mm立方体试块㊂单轴拉伸试验采用哑铃型试件,尺寸如图1所示㊂断裂试验采用三点弯曲切口梁试件,试件尺寸为400mmˑ100mmˑ100mm,跨度S为300mm,预制裂缝高度α0为40mm,荷载为P,几何尺寸如图2所示㊂核磁共振试验中试件采用特制模具进行浇筑,SEM及XRD试样采用切割或研磨试件角部获取㊂试件浇筑完成后放入温度为(20ʃ1)ħ㊁相对湿度大于96%的标准养护室养护28d,养护完成后进行抗压㊁拉伸㊁三点弯曲切口梁断裂试验及微观结构试验㊂参照‘建筑砂浆基本性能试验方法标准“(JGJ/T70 2009),采用DYE-2000S型微机伺服压力试验机进行抗压强度试验,加载速率为1.5kN/s㊂参照‘高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法“(JC/T2461 2018),采用WDW-100C型微机控制电子万能试验机进行单轴拉伸强度试验,通过位移控制方式进行加载,加载速率为0.4mm/min㊂单轴拉伸强度试验中采用引伸计测试试件单轴拉伸过程中的变形㊂参照‘水工混凝土断裂试验规程(附条文说明)“(DL/T5332 2005),采用CBT1105-D型微机控制电子试验18㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷压力机进行三点弯曲切口梁断裂试验,通过位移控制方式进行加载,加载速率为0.1mm/min㊂三点弯曲切口梁断裂试验前在跨中预制裂缝尖端两侧对称布置4枚应变片,并通过应变采集仪采集实时应变以测定起裂荷载㊂试验过程中利用试验机内置传感器采集荷载及跨中挠度,采用夹式引伸计采集跨中预制裂缝张开口位移㊂使用Hitachi S-4800型扫描电子显微镜对试件进行SEM分析㊂采用Bruker D8ADVANCE型X射线衍射仪进行XRD测试㊂采用MicroM12-025VR型核磁共振分析仪进行孔隙测试㊂图1㊀哑铃型试件(单位:mm) Fig.1㊀Dumbbell specimen(unit:mm)图2㊀试件构造及尺寸(单位:mm)Fig.2㊀Structure and dimension of specimen(unit:mm) 2㊀结果与讨论2.1㊀抗压性能各试验组抗压强度如图3所示㊂混掺PE纤维和碳酸钙晶须的试件抗压强度均高于单掺PE纤维的试件㊂随着碳酸钙晶须掺量的增加,试件的抗压强度呈先增大后减小的趋势,CW1㊁CW2㊁CW3组试件的抗压强度较未掺碳酸钙晶须的CW0组试件分别提升了11.3%㊁7.8%㊁1.7%㊂综上所述,碳酸钙晶须能提升PE-ECC试件的抗压强度,在碳酸钙晶须掺量为1%时这种提升效果最明显㊂在试件受压应力时,碳酸钙晶须吸附粘结周围基体,使其能承受更多的压应力㊂由于碳酸钙晶须自身高强高弹模的特点,在试件受压过程中碳酸钙晶须能吸收部分外部荷载传递的能力,从而降低基体的受损程度[17]㊂2.2㊀拉伸性能图4为各组试件的代表性拉伸应力-应变曲线,各组试件拉伸性能特征参数如表3所示㊂图3㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的抗压强度Fig.3㊀Compressive strength of specimens with different calcium carbonate whiskercontent 图4㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的拉伸应力-应变曲线Fig.4㊀Tensile stress-strain curves of specimens withdifferent calcium carbonate whisker content从图4及表3可以看出,掺入碳酸钙晶须后试件的初裂应力㊁峰值应力㊁极限应变及拉伸韧性都出现了不同程度的提升㊂掺入1%碳酸钙晶须后,CW1的初裂应力较CW0提升了55.5%,峰值应力提升了11.7%;掺入2%和3%碳酸钙晶须的试件CW2和CW3的初裂应力分别提升了50.5%㊁39.3%,峰值应力分第1期陈月顺等:碳酸钙晶须混杂聚乙烯纤维增强水泥基复合材料力学性能研究19㊀别提升了7.8%㊁4.5%㊂CW1的极限拉伸应变相比于CW0提升了55.8%,拉伸韧性提升了99.6%;CW2㊁CW3的极限拉伸应变相比于CW0分别提升了22.2%㊁5.1%,拉伸韧性分别提升了39.3%㊁19.5%㊂不难发现,碳酸钙晶须对试件拉伸初裂应力的提升效果相对于峰值应力更加明显,这是因为适量碳酸钙晶须对基体缺陷的填充作用㊁对微观裂缝的桥联作用和对微裂纹的偏转作用共同提升了试件在荷载作用下的初裂强度㊂但由于碳酸钙晶须自身微米级尺寸的限制,当裂缝扩展延伸至一定程度时,碳酸钙晶须延缓㊁限制裂缝的作用减弱㊂试件多缝开裂模式如图5所示,CW1裂缝数量明显增多,裂缝宽度和裂缝间距减小,表现出更稳定的应变硬化行为㊂表3㊀试件的拉伸性能特征参数Table 3㊀Characteristic parameters of tensile properties of specimensSpecimen σcrack /MPa σpeak /MPa εtu /%K t /(N㊃mm㊃mm -3)n w /mm d /mm CW00.99 3.32 5.5413.90100.27 5.27CW1 1.54 3.718.6327.75260.16 2.09CW2 1.49 3.58 6.7719.37160.21 3.34CW3 1.38 3.47 5.8216.62120.24 4.41㊀㊀注:σcrack 为初裂应力;σpeak 为峰值应力;εtu 为极限拉伸应变,对应拉伸应力-应变曲线中最后一次下降段起点的应变;n 为试样引伸计标距内出现的裂纹数量;w 为平均裂缝宽度,w =50mm ˑεtu /n ;d 为平均裂缝间距,d =50mm ˑ(1+εtu )/n ;K t 为拉伸韧性,采用极限应变前应力-应变曲线下包裹的面积作为试件拉伸韧性评价指标㊂2.3㊀断裂性能2.3.1㊀破坏形态未掺碳酸钙晶须的试件CW0与掺入碳酸钙晶须的试件CW1㊁CW2及CW3的断裂形态相似,都表现出明显的多缝开裂行为㊂加载初期,随着跨中挠度增长,荷载不断增加,预制裂缝的开口位移逐渐增大,预制裂缝尖端的纤维与基体开始发生脱粘,第一条微裂缝出现;随着荷载继续增加,纤维与基体之间发生滑移,微裂缝缓慢扩展延伸,并且预制裂缝尖端处不断出现新的微裂缝;继续加载,裂缝向上曲折延伸,主裂缝开始形成并扩展,试件变形较大,在此过程中可听到纤维被拉断的声音;最后随着荷载增加,越来越多的纤维被拉断或拔出,主裂缝逐渐延伸至试件截面上边缘,此时试件仍然能承担一部分的荷载且未出现普通混凝土的脆断现象,表现出 裂而不断 的形态㊂2.3.2㊀荷载-应变曲线在加载过程中,试件开裂前预制裂缝尖端两侧的混凝土拉应力不断增大,拉应变呈增长趋势㊂当拉应变达到极限拉应变时,预制裂缝尖端的混凝土由于应力集中而开裂,此时,拉应变不再增加而荷载继续增大㊂开裂后,预制裂缝尖端的混凝土不再承担拉应力,尖端两侧的混凝土拉应力和拉应变减小,应变片回缩[18-19],如图6所示㊂基于此原则,将荷载应变曲线上出现明显回缩的点对应的荷载作为起裂荷载P ini ㊂各试件的起裂荷载见表4㊂图5㊀哑铃型拉伸试件的多缝开裂模式Fig.5㊀Multi-crack cracking mode of dumbbell tensilespecimens 图6㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的荷载-应变曲线Fig.6㊀Load-strain curves of specimens with different calcium carbonate whisker content20㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷由图6及表4不难发现,随着碳酸钙晶须的增加,起裂荷载呈先增大后减小的趋势,但较不掺碳酸钙晶须的试件均有所提升㊂CW1㊁CW2和CW3的开裂荷载较CW0分别提高了170.5%㊁111.7%㊁55.5%㊂碳酸钙晶须掺量为1%时,试件的开裂荷载提升显著㊂这是由于适量的碳酸钙晶须在水泥基体内部起到了填充作用,改善了孔隙结构,增加了基体密实度,使基体对PE 纤维的握裹力提高㊂在开裂前,碳酸钙晶须与PE 纤维协同作用抑制了裂纹产生,并且由于碳酸钙晶须长径比较大,桥联作用下还改善了C-S-H 凝胶与细骨料的界面过渡区强度[20-21]㊂但掺入过多的碳酸钙晶须后,浇筑时浆体流动性变差,碳酸钙晶须在浆体中难以分散,互相连接形成网状,孔隙增多,基体中的不良界面增多,碳酸钙晶须难以完全发挥其对起裂荷载的提升作用㊂2.3.3㊀荷载-挠度曲线图7㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的荷载-挠度曲线Fig.7㊀Load-deflection curves of specimens with different calcium carbonate whisker content 图7为各试件的荷载-挠度曲线㊂由图7可见,各试件的破坏过程分为4个阶段:正常工作阶段(Ⅰ)㊁多缝开裂阶段(Ⅱ)㊁主裂缝形成并扩展阶段(Ⅲ)㊁失稳破坏阶段(Ⅳ)㊂在正常工作阶段中,试件处于弹性阶段;随着荷载增加,预制裂缝尖端处混凝土开裂,荷载突然下降,进入多缝开裂阶段,纤维发挥桥联作用,抑制裂缝扩展使裂缝快速稳定在较细水平,荷载不断增加,裂缝不断出现,裂缝处的纤维继续发挥桥联作用,在曲线上表现为多处曲折,呈现锯齿状;裂缝处与基体紧密粘结的纤维所提供的桥联应力不足以使基体继续开裂,则进入主裂缝形成并扩展阶段,原有裂缝宽度开始增长,直至某一条裂缝扩展迅速,形成主裂缝;主裂缝不断扩展直至试件进入失稳破坏阶段,此时在荷载挠度曲线上表现为挠度不断增加而荷载下降㊂在正常工作阶段,掺入碳酸钙晶须的试件CW1㊁CW2㊁CW3挠度随荷载增长的速度均低于未掺碳酸钙晶须的试件CW0,在荷载-挠度曲线中表现为曲线初始部分斜率均大于CW0,这说明掺入碳酸钙晶须对开裂前试件的刚度有一定的提升效果㊂从图9中不难看出,CW1的多缝开裂阶段持续时间明显长于CW0,掺入适量的碳酸钙晶须能使多缝开裂阶段更加稳定㊁饱满,一方面是由于碳酸钙晶须在微裂纹尺度上发挥桥联基体㊁偏转裂纹的作用,另一方面由于碳酸钙对于基体的改善作用使基体与PE 纤维的粘结更加紧密,PE 纤维在细裂纹尺度上发挥桥联作用,两者协同工作提供了更多桥接应力㊂碳酸钙晶须掺入后,纤维桥接应力提升,试件能承受更多的荷载㊂各组试件的断裂力学参数如表4所示㊂由表4可知,CW1的失稳荷载较CW0提升了153.9%,CW2㊁CW3的失稳荷载较CW0也分别提升了102.8%㊁62.1%㊂表4㊀试件的断裂力学参数Table 4㊀Fracture parameters of specimensSpecimen P ini /kN P max /kN K ini IC /(MPa㊃m 1/2)K un IC /(MPa㊃m 1/2)a c /mm G f /(kN㊃m -1)D u /m -1CW0 2.21 3.910.46 2.2769.97.40 1.89CW1 5.989.93 1.169.8579.125.66 2.58CW2 4.687.930.927.3778.318.34 2.31CW3 3.43 6.340.68 5.5975.713.28 2.09㊀㊀注:P ini 为起裂荷载,P max 为失稳荷载,K ini IC 为起裂韧度,K un IC 为失稳韧度,a c 为有效裂缝长度,G f 为断裂能,D u 为延性指数㊂2.3.4㊀断裂韧度基于徐世烺等提出的双K 断裂模型[22]采用断裂韧度作为评价试件断裂性能的指标,双K 断裂模型中的断裂韧度包含起裂韧度K ini IC 和失稳韧度K un IC ,这两个断裂韧度能较好地表征试件断裂破坏过程中裂缝的发展状态,具体为:当断裂韧度K IC <K ini IC 时,裂缝处于稳定状态;当K IC =K ini IC 时,裂缝处于开始扩展状态;当K ini IC <K IC <K un IC 时,裂缝处于稳定扩展状态;当K IC =K un IC 时,裂缝处于临界失稳状态;当K IC >K un IC 时,裂缝处于失稳扩展状态㊂参考‘水工混凝土断裂试验规程(附条文说明)“(DL /T 5332 2005)中关于双K 断裂韧度的计算方法,第1期陈月顺等:碳酸钙晶须混杂聚乙烯纤维增强水泥基复合材料力学性能研究21㊀其计算公式如下Kini IC =1.5ˑP ini +mg 2ˑ10-2()ˑ10-3ˑS ˑa 1/20th 2f (α)(1)其中,f (α)=1.99-α(1-α)(2.15-3.93α+2.7α2)(1+2α)(1-α)3/2(2)α=a 0h (3)K un IC =1.5ˑP max +mg 2ˑ10-2()ˑ10-3ˑS ˑa 1/2c th 2f (αc )(4)其中,f (αc )=1.99-αc (1-αc )(2.15-3.93αc +2.7α2c )(1+2αc )(1-αc )3/2(5)αc =a c h (6)a c =πh 2arctan tEV max 32.6P max -0.1135()1/2(7)E =1tc i 3.70+32.60tan 2πa 02h ()[](8)c i =V P (9)式中:K ini IC 为起裂韧度,MPa㊃m 1/2;P ini 为起裂荷载,kN;S 为加载装置中两支座间的跨度,m;a 0为预制裂缝长度,m;t 为试件厚度,m;h 为试件高度,m;K un IC 为失稳韧度,MPa㊃m1/2;P max 为失稳荷载,kN;P 为荷载,MPa;m 为试件在两支座间的质量,kg;g 为重力加速度,取9.81m/s 2;a c 为有效裂缝长度,m;E 为计算弹性模量,GPa;V max 为预制裂缝开口位移临界值,μm;c i 为试件初始柔度,取开裂前弹性阶段任一时刻的荷载与开口位移的比值,μm/kN㊂根据上述公式计算出的试件断裂参数如表4及图8所示,试件的起裂韧度及失稳韧度随碳酸钙晶须掺量的增大而表现出明显的先增大后减小趋势,当碳酸钙晶须掺量为1%时,起裂韧度及失稳韧度的提升效果显著,较对照组CW0分别提升了1.52倍㊁3.34倍㊂这反映了碳酸钙晶须具有抑制裂纹扩展的能力,试件的断裂性能增强显著㊂碳酸钙晶须对断裂性能的增强作用主要体现在以下两个方面:一方面碳酸钙晶须的掺入填充了水泥基体内的缺陷,改善了水泥基体的孔隙分布,增强了水泥基体密实性,提升了纤维-基体界面的粘结性能,使试件起裂荷载提升㊂此外,碳酸钙晶须与水泥基体的结合非常牢固,碳酸钙晶须很难被拔出,通常是与水泥基体一起被拔出或拉断,而这种拔出或拔断机制吸收了部分能量,使得试件开裂需要更多的能量,最终表现为起裂韧度提升㊂另一方面,在开裂后,当裂纹处于微观尺度时,碳酸钙晶须可以通过偏转微裂纹㊁桥联微裂纹等方式延缓微观裂纹向宏观裂纹的发展,另外碳酸钙晶须还能增强基体内部微裂纹源,使多缝开裂行为更加稳定,从而延长多缝开裂阶段的持续时间,提升失稳荷载,最终表现为失稳韧度的提升㊂2.3.5㊀其他断裂参数断裂能G f 是混凝土非线性断裂理论中描述混凝土材料断裂性能的主要参数,可以用材料断裂全过程中消耗于试件断裂区的能量与其韧带面积的比值表示[23-24]㊂加载过程后期荷载-挠度曲线下降段尾部非常平缓,如图9所示,测得荷载降至零需要大量时间,为了节省时间以及消除试件尺寸效应对断裂能计算产生的影响,采用文献[23]提出的修正方法计算断裂能[25]㊂计算公式如式(10)所示㊂G f =ʏδ㊀00P (δ)d δ+12mgδ0+ʏɕδ0aδb d δt ˑ(h -a 0)(10)22㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷式中:P 为荷载,kN;δ0为荷载-挠度曲线中的最大挠度,mm;a 和b 为根据荷载-挠度曲线尾部拟合得到的幂函数拟合参数㊂图8㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的断裂韧度Fig.8㊀Fracture toughness of specimens with different calcium carbonate whiskercontent 图9㊀CW1的荷载-挠度曲线Fig.9㊀Load-deflection curve of CW1㊀另外,采用延性指数D u 作为材料抵抗变形能力的评价指标[26],材料抵抗变形能力越强,其延性指数越高㊂其计算公式如下D u =G f P max (11)各试件计算出的断裂能及延性指数结果如图10及表4所示㊂由图10不难看出,掺入不同掺量碳酸钙晶须对试件的断裂能都有不同程度的增强效果,其中掺量为1%的试件CW1断裂能较对照组CW0提升了2.47倍,CW2㊁CW3较CW0分别提升了1.48倍和0.79倍㊂这主要归因于碳酸钙晶须提升了试件承受荷载的能力以及延长了试件断裂过程中的多缝开裂阶段㊂此外,从图10中还能看出,掺入碳酸钙晶须后试件的延性指数也有小幅度的提升,CW1㊁CW2㊁CW3的延性指数较对照组CW0分别提升了36.5%㊁22.2%㊁10.6%,说明碳酸钙晶须增强了试件抵抗变形的能力,这主要是由于碳酸钙晶须能够通过桥联㊁偏转裂纹以及晶须拔出消耗能量等微观作用机制使基体中产生更多的微裂源[27],增加微裂纹数量,增强裂缝稳定扩展的能力,从而改善其延性㊂有效裂缝长度a c 为混凝土材料在断裂过程中发生失稳破坏时,混凝土材料不可恢复变形的临界裂缝长度㊂基于线性渐进叠加假定,有效裂缝由等效弹性自由裂缝和等效弹性虚拟裂缝扩展组成,徐世烺等[28-29]提出了有效裂缝长度的经验公式,如式(7)所示,计算结果如图11及表4所示㊂由图11可见,掺入碳酸钙晶须后,各试件的有效裂缝长度整体有所提升,但随着碳酸钙晶须掺量增加,提升效果逐渐减弱㊂其中碳酸钙晶须掺量为1%时试件的有效裂缝长度提升效果最明显,较CW0提升了13.1%㊂图10㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的断裂能及延性指数Fig.10㊀Fracture energy and ductility of specimens with different calcium carbonate whiskercontent 图11㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的有效裂缝长度Fig.11㊀Effective crack length of specimens with different calcium carbonate whisker content第1期陈月顺等:碳酸钙晶须混杂聚乙烯纤维增强水泥基复合材料力学性能研究23㊀2.4㊀XRD分析图12㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的XRD 谱Fig.12㊀XRD patterns of specimens with different calcium carbonate whisker content 图12为各试件的XRD 谱㊂从图中可以看出不同碳酸钙晶须掺量试件的晶相物质衍射峰值有部分差异㊂其中,掺入碳酸钙晶须试件CW1的水化反应物C 3S 和C 2S 的峰值较CW0偏低,而水化生成物CH 的峰值偏高,表明掺入碳酸钙晶须后水化产物增多,水化反应程度增强,碳酸钙晶须能在一定程度上促进水化反应㊂3㊀微观结构分析3.1㊀微观形貌分析试件在不同放大倍数下的微观形貌如图13所示㊂图13(a)为未掺碳酸钙晶须的试件CW0的微观形貌,可以看到其存在部分缺陷,结构较为松散㊂图13(b)为掺入1%碳酸钙晶须的试件CW1的微观形貌,可以看到其结构紧密,碳酸钙晶须填充了基体,桥接了缺陷㊂图13(d)为掺入3%碳酸钙晶须的试件CW3的微观形貌,能观察到部分碳酸钙晶须出现了堆积现象㊂对比相近放大倍数下的图13(e)㊁(f)㊁(g)㊁(h)发现,试件CW0㊁CW1中PE 纤维分散较为均匀,掺入2%碳酸钙晶须的试件CW2中PE 纤维略有团聚,掺入3%碳酸钙晶须的试件CW3中PE 纤维团聚明显,这可能是㊀㊀㊀图13㊀试件在不同放大倍数下的微观形貌Fig.13㊀Microstructures of specimens at different magnifications24㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷因为掺入过多的碳酸钙晶须容易发生团聚,形成网状结构,导致基体屈服应力和塑性粘度增加[30],基体流动性变差㊂3.2㊀孔隙分析通过试件中氢离子的弛豫时间分布来推测孔隙的分布,假设孔隙为理想球体,弛豫时间T 2与孔径的关系式为1T 2=ρS p V(12)r =βT 2(13)式中:ρ为多孔介质的弛豫强度,μm /s;S p 为孔隙表面积,μm 2;V 为孔隙体积,μm 3;r 为孔隙半径,μm;β为换算系数,取3ρ㊂图14为通过NMR 测得的T 2谱,图中的振幅越高,代表样品孔隙中水的信号强度越强和对应半径的孔隙越多㊂从图14中可以看到,CW1和CW2的两个波峰明显低于CW0,CW3的两个波峰明显高于CW0,表明CW1㊁CW2试件中的孔隙数量少于CW0,而CW3的孔隙数量多于CW0㊂掺入适量的碳酸钙晶须能有效减少孔隙数量,但掺入过多碳酸钙晶须时,孔隙数量会增加㊂从图中还可以看到CW1㊁CW2的T 2谱曲线较CW0略微偏左,说明试件中的氢离子弛豫时间较短,弛豫速度较快,表明试件内部的小孔隙较多[31]㊂依据吴中伟院士等[32-33]提出的模型,孔结构根据孔直径分类为:孔直径小于20nm 的孔为无害孔,20~<100nm 的孔为少害孔,100~200nm 的孔为有害孔,大于200nm 的孔为多害孔㊂各试件的孔隙分布如图15所示,可见掺入碳酸钙晶须的试件CW1和CW2的各类孔均少于未掺入碳酸钙晶须的试件CW0,其中少害孔和多害孔的减少较显著;掺入过多碳酸钙晶须的试件CW3相较于CW0有害孔和多害孔无明显变化,无害孔增多,少害孔略微减少㊂这表明掺入适量的碳酸钙晶须能改善试件的孔隙结构,但掺入过多碳酸钙晶须时,这种改善作用会减弱㊂图14㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的T 2谱Fig.14㊀T 2spectra of specimens with different calcium carbonate whiskercontent 图15㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的孔隙分布Fig.15㊀Pore distribution of specimens with different calcium carbonate whisker content 4㊀结㊀论1)掺入适量的碳酸钙晶须能提升PE-ECC 试件的抗压强度,随着掺量增加,抗压强度呈先增大后减小的趋势㊂2)掺入碳酸钙晶须对PE-ECC 试件的拉伸性能具有增强作用,表现为试件的初裂应力㊁峰值应力㊁极限应变及拉伸韧性提升,多缝开裂的应变硬化行为更加稳定,吸收能量的能力更强㊂3)适量的碳酸钙晶须提升了PE-ECC 试件的开裂前刚度,延长了试件开裂过程中多缝开裂阶段的持续时间,试件的起裂荷载和失稳荷载随碳酸钙晶须掺量呈先增大后减小的趋势㊂碳酸钙晶须对试件的起裂韧度㊁失稳韧度㊁断裂能影响显著,能略微提升试件的延性指数及有效裂缝长度㊂当碳酸钙晶须掺量为1%时,试件的断裂性能得到了最大程度提升㊂。
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１ 试 验 设 计
聚乙烯醇纤 维增 强水 泥基复合 材料 （ Ｐ Ｖ Ａ— Ｅ Ｃ Ｃ） 是一 种新 型复合 材料 ， 该 材料 以水 泥或 水泥 加 填料 ， 再 掺 加 小粒 径细 骨 料 作为 基 体 ， 用Ｐ Ｖ Ａ纤 维 作增 强材 料 ， 具 有高 韧性 、 高 抗 拉强 度 、 高 抗 断裂 能 力， 不 易 开 裂 等 特点 ． 且 具 有 应 变硬 化 特 性 和 很 大 的延 展性 ｆ ｌ － ２ ］ ， 将 其用 于机场 道 面 的修补 与 补强 可 以 有效 弥补 普 通混 凝 土 的不足 ， 延 长 机场 道 面使 用 寿
水 泥 基 体 中起 到 了很 好 的 增 韧 效 果 。
关键 词 ： 聚 乙烯 醇 纤 维增 强水 泥 基 复 合 材料 ； 抗压强度 ： 抗 折 强 度
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ Ｗｅ ｒ ｅ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄ ｏ ｕ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｉ ｓ ｍ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｏ ｆ Ｐ ＶＡ ｉ ｆ ｂ ｅ ｒ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｄ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｍａ ｔ ｅ ｉａ ｒ ｌ ｓ ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｃ ａ ｒｉ ｅ ｄ ｏ ｕ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｈ ａ ｌ ｆ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ Ｐ ＶＡ ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｔ ｅ ｎ ｔ ，ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｍｅ ｎ ｈ ａ ｓ ａ ｎ ｏ ｂ ｖ ｉ ｏ ｕ ｓ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ，ｂ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ— ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｍｅ ｎ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｌ ｙ ｉ ｆ ｒ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｎ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍａ ｔ ｉ ｒ ｘ ｐ ｌ ａ ｙ ａ ｔ ｏ ｕ ｇ ｈ ｅ ｎ —
２ ０ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ１ ３年 第 １ １ 期
１ １月
混 凝 土 与 水 泥 制 品
ＣＨＩ ＮＡ Ｃ０ＮＣＲＥＴＥ ＡＮＤ ＣＥＭＥＮＴ ＰＲＯＤＵＣＴＳ
２ ０１ ３ Ｎｏ ． １ ｌ
Ｎｏ ｖ ｅ ｍｂｅ ｒ
聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料力学性能试验研究
梁济丰 ， 吕 磊， 余 晓 青
ｉ ｎ ｇ ｒ ｏ ｌ ｅ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： Ｐ Ｖ Ａ ｉ ｆ ｂ ｅ ｒ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｄ ｅ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ； Ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｔｈ； ｇ Ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ
（ 空军 勤务 学 院机 场工 程与保 障 系 ， 徐州 ２ ２ １ ０ ０ ）
摘 要： 对 聚 乙烯 醇 纤维 增 强 水 泥 基 复 合材 料 棱 柱 体 试 件 进 行 了抗 折 试 验 ． 并 对抗 折 试 验 后 的 一半 试 件 进 行 了
抗压试验。 试 验 结 果表 明 ， 随Ｐ Ｖ Ａ 纤 维 掺 量 的增 加 ， 试件 抗 折 强度 大幅 提 高 ， 抗 压 强度 先 略 有提 高 然后 降低 ， 纤 维在
命 ．国外 一 些 发 达 国 家 已经 开 展 了一 定 规 模 的 研
究， 并进 行 了少量 工程应 用 。相对 而 言 ， 我 国 的研究
起步较晚， 对 其进 行 力学 性 能研 究具 有 一 定 的实 用
（ ２ ） 粉 煤灰 ： 选 用徐 州 某 厂生 产 的 Ｉ级粉 煤 灰 ， 其 化学 成分见 表 ２ 。
表 １ 水 泥 的物 理 性 能
（ ３ ） 细骨 料 ： 普 通 河砂 ， 表 观 密度 ２ ５ ５ ０ ｋ ｇ ／ ｍ ， 堆 积 密度 １ ５ ７ ０ ｋ ｇ ／ ｍ 。 含 泥量 小 于 １ ％， 最 大粒 径 不 大
表 ３ 砂 的 筛 分 结 果
筛孔径／ ｍｍ ２ ． ３ ６ １ ． １ ８ ０ ． ６ ０ ０ ． ３ ０ ０ ． １ ５ ＜ Ｏ ． １ ５
１ ． １ 试验 材料 与配合 比
Ｐ Ｖ Ａ— Ｅ Ｃ Ｃ 的组 成 成 分 为 水 泥 基 体 与 Ｐ Ｖ Ａ 纤
维 。水 泥 基体 的主要 成分 是水 泥 、 骨料、 水、 化 学外
加剂 等 。Ｐ Ｖ Ａ— Ｅ Ｃ Ｃ的性 能与 材 料各 组 分 的具 体性 能指标 有密切 关 系。 （ １ ） 水泥： 采用 Ｐ ・ Ｏ ４ ２ ． ５级水 泥 ， 其物 理性 能见 表 ｌ 。