聚乙烯纤维增韧对水泥基复合材料抗压强度的影响

邱丰实，余昭阳，杨元全

聚乙烯纤维增韧对水泥基复合材料抗压强度的影响

邱丰实1，余昭阳2，杨元全2

（1. 辽宁省石油化工规划设计院有限公司，辽宁 沈阳 110000； 2. 沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110158）

普通混凝土因脆性大，韧性差和易开裂等缺点导致其在工程中应用受限，本文主要采用聚乙烯纤维（PVA）改善水泥基复合材料力学性能，研究了粉煤灰掺量、纤维体积率和水胶比对聚乙烯纤维增韧水泥基复合材料抗压强度的影响。研究结果表明，随着PVA纤维体积率的增加，试件的抗压强度呈现逐渐增加的趋势，当纤维体积率由1.0%提升至1.5%时，试件的抗压强度提升速率最快；随着粉煤灰掺量的增加，试件的抗压强度逐渐下降；高水胶比可以增加水泥基复合材料工作性能，但同时会降低水泥基复合材料力学性能，相比与水胶比0.26的试件，水胶比为0.28的试件抗压强度下降了11.1%。

聚乙烯纤维；粉煤灰；纤维体积率；水胶比；抗压强度

钢筋混凝土结构在建设工程中广泛应用，从近代开始，由水泥制备成的各类，多用途建筑材料已经成为主流使用的建设工程材料之一。我国“十四五”规划已明确大量的工程建设项目[1]，其中主要为交通、水利和能源项目，截止到2022年，各地披露的已开工重大项目投资规模超1.2万亿。但是传统混凝土自身延性差，在遭受极端荷载时，会发生脆性破坏，同时，也因其耐久性差等原因使其缺乏可持续性。

一些科研工作者在搅拌过程中加入或混入一定体积分数聚合物纤维，以此来提高混凝土的延性，由于这些纤维其自身属性并不具备较高的延性，经大量试验证明: 纤维混凝土的极限拉伸应变大约不会超过0.05%[2]，但相对普通混凝土来说，它的抗裂能力和韧性有了一定程度的提升，经反复试验及大量工程应用，其确实可提升基体韧性，但是在遭受到重荷载的条件下，基体开裂仍无法控制。为了更好解决此问题，20世纪中后期，科研人员开始对纤维增韧水泥基复合材料进行研究，一些学者在试验中发现合成纤维可有效提升水泥基复合材料的性能[3-4]，同时提出了纤维间距理论，但均未涉及增韧机理的分析，直至20世纪80年代，以聚丙烯和钢纤维为主要纤维的高性能纤维增强水泥基复合材料出现，此材料具备良好的应变硬化特性和明显多缝开裂特征，并且广泛应用于实际工程中[5-10]。然而，结合目前的研究现状来看，国内的纤维增韧水泥基复合材料起步较晚，经过了十几年的发展，一些科研人员相继制备出具有明显应变硬化特性的水泥基复合材料，并取得了一系列的进步和发展，但纤维增韧水泥基复合材料的研究仍处于初步阶段，还需要进行大量的研究。本研究主要采用聚乙烯纤维增强水泥基复合材料（PVA-FRCC），研究粉煤灰掺量、水胶比和纤维体积率对水泥基复合材料抗压强度的影响。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥采用沈阳冀东水泥有限公司生产的P·O 42.5R普通硅酸盐水泥；石英砂作为填充料，细度模数4.8，表观密度1 650 kg/m3；聚乙烯纤维直径0.039 mm，长度12 mm，密度1.3 g/cm3，抗拉强度1 620 MPa，弹性模量42.8 GPa；矿物掺合料采用沈阳沈海热电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，化学成分见表1。

表1 粉煤灰化学成分/%

2.2 配合比设计

本试验中粉煤灰替代硅酸盐水泥量分别为50%、60%和70%，水胶比为0.26，纤维体积掺量分别为0.5%、1%、1.5%和2%，砂率为0.35，具体配合比见表2。

表2 试验配合比

2.3 试验方法

抗压试件参照《JGJ/T 70—2009建筑砂浆基本性能试验方法标准》制备和养护，试件尺寸70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。将达到养护期的试件使用打磨机对试件的受浆面进行打磨，保证试件表面光滑无破损，采用YE—2000E型压力机对试件进行抗压强度试验。根据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T70—2009P71，PVA—FRCC立方体试件的抗压强度按下式计算立方体抗压强度按照式（1）计算：

—换算系数，取1.35；

N— 试件破坏荷载，N；

—试件承压面积，mm2。

3 结果与讨论

3.1 纤维体积率对PVA-FRCC抗压强度的影响

无论PVA-FRCC应用在何处，其抗压强度始终是重要参数之一，所以对PVA-FRCC抗压强度的研究是十分必要的，本小节研究了不同纤维掺量对PVA-FRCC抗压强度的影响。

由图1可知：试件置于受压板中心后即刻开始加载，在加载的过程中，试件随着受压荷载的增加不断出现“嗞嗞”声，这是基体内部纤维被拉断的声音。4组试件中只有U2和U7保持了良好的完整性，U5和U6在受压过程中，横向裂缝较大，而且贯穿整个试件，由此可知，纤维体积率为1.0%和0.5%时基体内部的纤维不足以发挥其本身的桥接作用，在受到荷载时，基体内纤维直接断裂，只有少数纤维承担压力，随着荷载增大微裂缝未向两侧拓展，而是直接贯穿试件。U5和U6的破坏模式为脆性破坏，整体性略差。相比于U5和U6，U2和U7未出现较大裂纹和明显的脆性破坏，当纤维体积率提升至1.5%时，试件的抗压韧性得到了很好的改善，由贯穿裂缝转变为多数细小裂纹，随着荷载增加，在试件表面产生第一条微裂缝时，由于纤维在内部发挥桥接作用，微裂纹得以控制。纤维体积率提升至2.0%时，相比于U7，U2的裂纹更加细小，细小的纤维在基体中犹如短钢筋一样承接着力的传导，试件破坏后仍保持着良好的完整性。U2的裂缝更加细密，无序分布的纤维产生的三维网状结构使得PVA-FRCC内部裂缝得到约束，试件具有良好的受压韧性。

图2 纤维体积率对PVA-FRCC抗压强度的影响

由图2可知，随着PVA纤维体积率的增加，试件的抗压强度呈现逐渐增加的趋势，相比于U5，U6和U7试件的抗压强度分别提升了13.9%和40.3%，而相比U7的试件，U2的抗压强度提高了14.4%，当纤维体积率由1.0%提升至1.5%时，试件的抗压强度提升速率最快，相比于U6的抗压强度，U7的抗压强度提升了23.2%，可见，纤维体积率在1.5%以上时，纤维对基体的增韧效果较好，由此分析，在基体与纤维特性合适的情况下，PVA纤维体积率小，其桥联力小于开裂力，纤维无法承担开裂应力，最终导致纤维被提前拉断，横向裂缝贯穿整个试件，从实测数据来看，U2和U7的平均抗压均强度超过40 MPa, PVA纤维体积率高，基体可发挥的桥联力就大，试件表面仅有少许细微裂缝且裂缝长度和宽度也小于U5和U6组。

3.2 粉煤灰掺量对PVA-FRCC抗压强度的影响

粉煤灰是一种绿色材料，其为火电厂燃烧煤粉的副产物，现已被广泛应用到建筑材料中，采用粉煤灰替代水泥来制备PVA-FRCC可以使试件更好的发挥应变硬化特性。本小节采用粉煤灰替代水泥，替代量为50%、60%和70%，每组替代量制作三个试件，测试其抗压强度。

图3 不同粉煤灰掺量下试件的破坏形态

从图3中可以看出，除粉煤灰掺量为50%（U3）外，粉煤灰掺量为60%（U1）和70%（U2）试件的完整性较好，随着荷载的增大，U1和U2表面产生了一定数量的微裂纹，试验结束时，二者并无贯穿性的裂缝，而U3在即将达到峰值强度时，随着荷载的增大，主裂缝拓展并贯通试件，由此可见粉煤灰掺量的提高可以提高复合材料的延展性，使得试件在荷载下保持一定的完整性。

图4 粉煤灰掺量对PVA-FRCC抗压强度的影响

由图4可知，随着粉煤灰掺量的增加，试件的抗压强度逐渐下降，与U3的试件相比，U2试件的抗压强度下降约12.0%，而U1试件相比于U2试件，抗压强度下降23.5%，粉煤灰掺量由60%提升至70%时，试件的抗压强度下降速率最快，由此可见粉煤灰掺量增加会引起基体抗压强度的下降，粉煤灰的“微集料”效应可以充填基体内部空隙，提高密实度，其次粉煤灰颗粒呈现微珠状，可使纤维-基体间粘结力下降，这有利于纤维的桥接作用，本次试验未设置更小掺量的粉煤灰替代率，但从实测结果看，粉煤灰掺量高于50%后基体的抗压强度降低，由此推出过量的粉煤灰并不利于提高基体强度，这是由于水泥的掺入量减小，没有多余的水泥再与粉煤灰发生二次水化反应，这也意味着基体内不再发生活性胶凝作用，其次水化产物中的C-S-H和钙帆石的量减小，二者皆是影响强度的主要因素。从破坏形态上来看，U2和U3在荷载作用下，试块的完整性要优于U1，前者表面无明显贯穿裂纹，无脱落，而后者则出现了贯穿整个试件的裂缝，其整体性相对差。综上所述，为了能使试块达到C40级以上且保持良好的抗压韧性，粉煤灰掺量在60%为宜。

3.3 水胶比对PVA-FRCC抗压强度的影响

在工程建设中，不同的工程项目对强度的要求也不同，水胶比是影响强度的重要因素之一，所以确定一个合适的水胶比尤为重要，有研究表明：水胶比增大，基体的强度降低，但是引入多余的水分可以使纤维-基体粘结力降低，这将导致纤维过早的拔出破坏。在实际试配中，发现0.24水胶比在搅拌过程中出现搅拌困难的现象，所以本小节采用0.26和0.28两种水胶比，每组水胶比三个试件，测试抗压强度。

图5 不同水胶比下试件破坏形态

图6 不同水胶比下试件抗压强度

从图6中可以看出，二者的破坏形态无太大差异，随着水胶比的增大，试件的抗压强度呈现下降的趋势，相比与水胶比0.26的试件，水胶比为0.28的试件抗压强度下降了11.1%。在制备试件过程中发现高水胶比更有利于搅拌，多余的水分可减小纤维与拌合料的摩擦力，起到润滑作用。PVA纤维是亲水性材料，在搅拌过程中纤维会吸收一部分水分，水胶比过低会导致搅拌困难，损坏机器，但增加水胶比也意味着引入多余的水份，这会使基体内部孔隙增加，反而对试件的工作性能不利。

4 结论

本文主要采用聚乙烯纤维（PVA）改善水泥基复合材料力学性能，研究了粉煤灰掺量、纤维体积率和水胶比对聚乙烯纤维增韧水泥基复合材料抗压强度的影响，主要结论如下：

1）随着PVA纤维体积率的增加，试件的抗压强度呈现逐渐增加的趋势，当纤维体积率由1.0%提升至1.5%时，试件的抗压强度提升速率最快。

2）粉煤灰掺量的提高可以提高复合材料的延展性，使得试件在荷载下保持一定的完整性，但随着粉煤灰掺量的增加，试件的抗压强度逐渐下降，煤灰掺量由60%提升至70%时，试件的抗压强度下降速率最快。

3）高水胶比可以增加水泥基复合材料工作性能，但同时会降低水泥基复合材料力学性能。

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Effect of Polyethylene Fiber Toughening on Compressive Strength of Cement-Based Composites Materials

1,2,2

（1. Liaoning Petrochemical Planning and Design Institute Co., Ltd., Shenyang Liaoning 110000, China;2. School of Materials Science and Engineering, Shenyang Ligong Universtiy, Shenyang Liaoning 110158, China）

Due to the shortcomings of high brittleness, poor toughness and easy cracking of concrete, its application in engineering is limited. In this paper, polyethylene fiber (PVA) was mainly used to improve the mechanical properties of cement-based composites, and the effects of fly ash content, fiber volume ratio and water-binder ratio on the compressive strength of cement-based composites toughened by polyethylene fiber were studied. The results showed that with the increase of PVA fiber volume fraction, the compressive strength of the specimen showed a gradual increase trend. When the fiber volume fraction increased from 1.0% to 1.5%, the compressive strength of the specimen increased the fastest. With the increase of fly ash content, the compressive strength of the specimen decreased gradually. High water-binder ratio could increase the working performance of cement-based composites, but at the same time it would reduce the mechanical properties of cement-based composites. Compared with the specimens with the water-binder ratio of 0.26, the compressive strength of the specimens with the water-binder ratio of 0.28 decreased by 11.1%.

Polyethylene fiber; Fly ash; Fiber volume ratio; Water-binder ratio; Compressive strength

TQ050.4

A

1004-0935（2023）09-1310-05

2023-02-28

邱丰实（1989-），男，工程师，硕士，研究方向：建筑结构设计。

杨元全（1986-），男，副教授，研究方向：水泥混凝土研究。