PVA纤维在水泥基复合材料中的应用

王昊 鲁猛 孟威

摘 要：简述目前常用的传统纤维对水泥基复合材料性能的影响，重点介绍聚乙烯醇（PVA）纤维水泥基复合材料的力学性能和耐久性。目前，国内外研究已经证明，PVA纤维水泥基复合材料是符合时代发展的新型复合材料，尤其是低成本的国产PVA纤维，拥有巨大的发展潜力。

关键词：纤维;水泥基复合材料;聚乙烯醇（PVA）纤维;国产PVA纤维

中图分类号：TU525文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）17-0112-03

Application of PVA Fiber in Cement Based Composites

WANG Hao LU Meng MENG Wei

（School of Civil Engineering and Communications， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： The influence of traditional fibers on the properties of cement-based composites is briefly introduced. The mechanical properties and durability of polyvinyl alcohol（PVA） fiber cement-based composites are mainly introduced. According to the current research progress at home and abroad， PVA fiber cement-based composite is a new type of composite material in line with the theme of the times， especially the low-cost domestic PVA fiber has great development potential.

Keywords： fibre;cement based composites;Polyvinyl Alcohol（PVA） fiber;domestic PVA fiber

19世纪20年代，英国波兰特水泥诞生，促使以水泥为基础的建筑材料成为工程领域不可或缺的材料。国内外对水泥基复合材料的研究从未停止，且随时代的发展不断进步。20世纪初期，钢纤维混凝土受到关注，研究发现，在混凝土中加入钢纤维能够提高混凝土的性能。20世纪60年代后，在水泥基复合材料中加入钢纤维的强化方式开始得到应用[1]。钢纤维不仅能够阻止混凝土的裂缝扩展，还能提高水泥基复合材料的抗拉强度和韧性。1963年，钢纤维在混凝土中的作用机理理论基本成熟。随着钢纤维的成功应用，人们开始把目光转向玻璃纤维、碳纤维、天然植物纤维等其他纤维，使得纤维增强水泥基复合材料成为国内外学者的研究热点。

1 不同纤维的增强效应

纤维加入水泥基复合材料中，能够改变复合材料的内部结构，弥补材料的内部缺陷，使得材料更加紧密结实，提高了材料的抗拉强度。材料内部早期裂纹的产生和扩展过程遇到纤维会得到减缓，避免了裂纹连通形成易破坏的贯穿裂缝，从而提高了复合材料的抗渗性。纤维在水泥基质中呈离散式分布。纤维对抑制裂缝和延缓结构脆性破坏的作用机理如图1所示。

钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等传统纤维一般通过工业化方法来制作。

钢纤维是最早应用在水泥基复合材料当中的纤维，可以通过喷射方式或上下层布式加入水泥基中。钢纤维混凝土在建筑结构中常常担任承重结构材料的角色。钢纤维增强水泥基复合材料有着优异的力学性能，也有着较长的研究历史，但成本较高，因此在实际应用中存在一定的局限性。

碳纤维是一种强度和弹性模量都很好的高性能纤维，与水泥基质的粘结性能优秀，且化学性质稳定。但是，由于碳纤维的相关研究难度较大，目前国内在碳纤维研究领域还不够成熟，暂未达到国际先进水平。此外，价格昂贵是碳纤维难以推广的主要原因。

玻璃纤维是将玻璃溶液排出气泡后高速拉制成的长丝，性能十分优异。玻璃纤维混凝土在建筑结构中主要用作结构加固材料。因具有质量轻、耐腐蚀、绝缘等特点，它可用于化学品运输和军事等领域。然而，玻璃纤维会污染环境，与当代社会发展要求严重不符，从而制约着玻璃纤维的发展与应用。

21世纪，环境问题引起国际社会的高度重视，各国都开始重视资源的回收与再利用，可持续发展观念也已经深入人心。在这样的时代背景下，纤维增强水泥基复合材料技术迎来了新的发展。植物纤维、可再生纤维、聚合物纤维等新式纤维摆脱了传统纤维制作过程中污染环境、成本高昂等缺点，符合当代社会绿色发展的要求，成为未来工程材料的研究热点。

2 PVA纤维对水泥基复合材料的增强作用

聚乙烯醇（PVA）纤维是一种新兴的绿色纤维[2]，如图2所示。PVA纤维具有强度高、耐磨、弹性模量高、抗酸碱性强以及受气候影响不大等特性。PVA纤维相比一般合成纤维具有更高的弹性模量和抗拉强度。与玻璃纤维相比较，PVA纤维比重小，抗酸碱性强，且不会产生有害物质。PVA纤维的力学性能与其他各种有机纤维相比优势明显：抗拉强度优于铝合金、玻璃、钢等材料;模量较之于钢材和铝合金略低，比重仅为1.3 g/cm3，分别是钢的1/6和铝的1/2;断裂伸长仅为5%～7%;比石棉材料更轻，但耐用性是石棉的1.5～2.0倍，冲击强度提高了约1.6倍。更重要的是，PVA纤维的制作过程安全健康，无毒无污染，对人体也无害，克服了传统纤维的诸多缺点。日本可乐丽公司通过试验研究发现，PVA纤维增强水泥基复合材料与钢筋的粘结性比钢筋与水泥的粘結性更好，同时PVC纤维具有良好的分散性和耐碱性[3]。国内PVA纤维的生产虽然起步较晚，但发展十分迅速，且具有巨大的发展潜力。国产PVA纤维与进口PVC纤维相比，成本低，产量大，但粘结力太强，拔出时易断开。PVA纤维以高聚合度的优质聚乙烯醇为原料，而我国聚乙烯醇的生产能力和产量均高居世界首位，因此低成本的国产PVA纤维增强水泥基复合材料的研究具有重要意义。

PVA纤维受到高度关注，始于超高韧性纤维增强水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites，ECC）的诞生。这种复合材料凭借不同于一般水泥基复合材料的单一裂缝破坏，而是多缝开裂的延性破坏形式[4]。ECC的裂缝宽度多小于0.1 mm，能够有效提高结构的耐久性。但是，ECC的原料聚乙烯（Polyethylene，PE）成本较高，不便于实际推广运用。PVA纤维的成本仅为PE的1/8，且在性能方面可以完美代替PE，有利于ECC的顺利推广。PVA纤维增强水泥基复合材料经过数十年的发展已经逐渐成熟，国内外学者也通过大量实验对PVA纤维材料有了更充分的认识和了解。

研究发现，PVA纤维的加入可以大幅提高复合材料的抗弯强度，但随PVA纤维掺量的不断增加，抗压强度会出现波动性变化，而非持续变大[5-6]。

王有凯等[7]研究了PVA纤维增强水泥基复合材料的变形性能，通过四点弯曲试验结果可以看出，PVA纤维的加入可以大幅增加水泥基复合材料的断裂韧性。对比基准组，破坏形式由原来的脆性破坏变为多裂缝开裂的延性破坏，说明PVA纤维可以增加复合材料的韧性和延性。

阚黎黎等[8]针对进口纤维价格昂贵的问题，研究了价格更具优势的国产PVA纤维对水泥基复合材料的影响。通过单轴拉伸、压缩、三点抗弯等试验，得到国产PVA纤维增强水泥基复合材料的力学性能变化。结果显示，虽然个别PVA纤维性能指数低于进口PVA纤维，但都可以达到ECC的性能要求。

有研究分析了高温对PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能的影响，发现200 ℃以下热处理后的PVA纤维可以发挥自身特性，增加水泥基复合材料的抗折、抗弯强度，延缓其裂缝扩展[9-10]。当处理温度超过200 ℃时，PVA纤维会对结构产生负作用，降低复合材料的各项性能。200 ℃可以作为PVA纤维正常使用的极限温度，因此结构设计时需要慎重考虑这一因素。

钟俊飞等[11]开展了对PVA纤维水泥基复合材料耐久性能的研究，对比了不同掺量的PVA纤维对复合材料抗氯离子渗透性能的影响。对照试验发现，添加PVA纤维可以有效提高复合材料的抗氯离子渗透性能，但当掺量达到一定程度后，作用效果会逐渐趋于稳定。

杨燕华[12]分析了PVA纤维对水泥基复合材料抗冻性能的影响，在冻融循环试验中加入一定量PVA纤维的水泥基复合材料，与基准组相比，提升了抗冻性，且初始裂缝的数量有所减少，试块更加密实，耐久性也得到了加强。

谭明轮等[13]发现纤维长度对ECC的流动度、坍落度等性能有影响但无明显规律，而提高PVA纤维的掺量可以大幅提高ECC的抗折强度。

汪卫等[14]直接使用国产PVA纤维等量替换ECC中的纤维掺量，发现无法完全满足ECC的性能要求，通过改变水泥/粉煤灰比、水胶比、PVA掺量等方式进行配合比的优化，可以达到ECC性能要求，但其力学性能会有所下降，并指出了国产PVA-ECC进一步发展的方向。

3 结语

如今，传统纤维增强水泥基复合材料早已在实际工程中应用，并且可以根据具体情况选择不同的纤维来满足工程设计的需要。但是，传统纤维增强水泥基材料没有得到大规模推广的主要原因就是成本高昂，经济效益不佳。此外，传统纤维制造时产生的环境污染问题也是不容忽视的缺点。PVA纤维属于绿色纤维材料，高强度、高弹性模量，与水泥粘结性好。在水泥基复合材料中掺入PVA纤维已被证实能够改善复合材料的抗弯强度等性能。结合ECC材料的多裂缝开裂理论可知，PVA纤维能够提高水泥基复合材料的耐久性。研究表明，PVA纤维的加入对复合材料的抗压强度作用不明显甚至会产生负作用，因此对PVA纤维增强水泥基复合材料的作用机理还需要进一步深入研究。国产PVA纤维虽然在某些物理性能上稍逊于进口纤维，但通过调整配合比等手段仍可以达到ECC的使用要求。尤其是国产PVA低廉的成本更适用于实际工程，故国产PVA纤维具有良好的发展潜力和应用前景。

参考文献：

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[11]钟俊飞，王宗林，高庆飞.PVA纤维增强水泥基复合材料抗氯离子渗透性能[J].混凝土，2019（6）：105-108.

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[13]谭明轮，孙仁娟，周志东，等.PVA纤维长度与掺量对工程水泥基复合材料性能影响试验研究[J].铁道建筑，2014（3）：115-117.

[14]汪卫，潘钻峰，孟少平，等.国产PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能研究[J].工业建筑，2014（1）：958-964.