PVA混杂纤维增强水泥基复合材料流动性能实验研究

秦敬平 张 鹏 王 群

（1.枣庄学院 城市与建筑工程学院，山东 枣庄 277160）

（2.青岛新华友建工集团股份有限公司，山东 青岛 266101；3.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074）

0 引言

由美国密歇根(Michigan)大学工程学教授 Victor Li 研制的研制了 ECC（Engineered cementitious composites）材料，具有高韧性、高抗拉应变能力[1]。PVA-ECC 作为一种新型纤维增强水泥基复合材料，该材料具有较好的延性，表现在在硬化后具有显著的应变硬化特征、多重开裂形态。对于海洋环境中裂缝宽度要求较高的结构构件非常有利。

然而，国外进口的PVA 纤维和国产的PVA 纤维价格差距很大，国外PVA 纤维，价格在220 元/kg，但国内PVA 纤维，市场价格仅30～40 元/kg。若想将超高性能水泥基复合材料在工程中大量应用，就需要此类PVA 纤维的国产化，改变从发达国家购买大量的昂贵的PVA 纤维。

本文首次采用国产PVA 纤维与进口PVA 纤维混杂使用的方法，在不降低力学性能和耐久性能的前提下，利用国内PVA 纤维造价低的优势，部分代替超高性能水泥基复合材料中的进口PVA 纤维，使得此种复合材料具有最好的增韧效果，达到这种复合材料国产化、本地化的目的。因此本文也是对混杂纤维混凝土复合使用理论的进一步拓展研究。

1 原材料和试验方法

PVA 纤维：本实验采用的是国产某公司生产的PVA 纤维和日本Kuraray Co.生产的PVA-K-II 纤维，性能指标见表1。

水泥：采用榴园42.5 级普通硅酸盐水泥

粉煤灰：粉煤灰是山东省青岛市正友公司生产的Ⅰ级粉煤灰，物理性能指标如表2所示。

表2 粉煤灰的物理性能指标

石英砂：石英砂作为细骨料由山东省日照市生产，它的粒径范围在75～47μ m。

减水剂：减水剂是辽宁省大连市某公司生产的，是一种聚羧酸高效减水剂，基体为改性聚羧酸盐溶液，液体呈现为淡棕色。

1.1 实验设计

在本次混杂纤维混凝土试验中，参考已有的研究成果，选择PVA 进口纤维与PVA 国产纤维的比值作为试验的影响因素。

本实验设计为6 组配合比，每组配合比设计为三个试件。试验中，粉煤灰与水泥的单位体积的质量比值为2.893，水泥和粉煤灰的质量之和与石英砂的单位体积的质量比值为1.5。对于PVA 纤维体积的掺量，六组试验的国产纤维和进口纤维总的体积掺量为2.0%，这其中，国产纤维的体积掺量有：0%、0.4%、0.5%、0.6%、0.8%、1.0%。

不论是国产的PVA 纤维还是进口的PVA 纤维的造价都稍高，尤其是进口的PVA 纤维造价更高，最优的PVA 纤维体积掺量对于改善PVA 纤维增强水泥基复合材料的韧性和强度都至关重要。Victor Li[2]等通过试验研究表明：ECC 在使用体积率约为2%，PVA 的纤维情况下得到的复合材料PVA-ECC 材料，该材料在硬化后具有显著的应变硬化特征。所以本实验中，PVA 纤维体积掺量最大值为2.0%。

本实验中，国产PVA 纤维的体积掺量之所以最大值取到1.0%，是因为大连理工大学高淑玲博士[2]对国内PVA 纤维在水泥基复合材料中应用的试验研究时发现，一般情况下PVA 纤维的体积掺量达到1.2%以后，就开始容易出现结团问题，并且明显影响PVA 纤维的增韧效果与分散效果。

1.2 坍落度实验

PVA-ECC 复合材料拌合物的和易性是一项综合性的指标，它包括流动性、黏聚性和保水性等方面的性能。依据我国现行的标准GB50080-2001《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，本实验采用“坍落度”来测定PVA-ECC 拌合物的流动性能。

1.3 试验结果与分析

在坍落度试验中，坍落度径向长度的均值随着进口PVA 纤维的掺入比例的变化情况如图3所示。坍落度径向长度的均值随着国产PVA 纤维的掺入比例的变化情况如图4所示。

图1 进口PVA 纤维掺入比例对坍落度的影响对坍落度的影响

图2 国产PVA 纤维掺入比例

实验表明：PVA-ECC 复合材料的坍落扩展度径向长度在440mm 至675mm 之间。配合比7-22-3 的流动性最优，最大的坍落度长度是最小的坍落度长度的1.53倍。

1.4 结论

从图1、图2中可以看出PVA-ECC复合材料的坍落扩展度径向长度在440mm至675mm之间。其中，坍落度长度最大值是最小值的1.53倍。试验发现：随着纤维总掺量的增加，扩展度越来越小，即流动性越来越小；在纤维总量不变的情况下，国产纤维和进口纤维相比，进口纤维的掺入之后的流动性明显比国产纤维要好。