高延性水泥基复合材料用短切PVA纤维的长度优选研究_丁聪.pdf

2023，Vol.37，No.13wwwmater-repcom21080025-1基金项目:浙江省自然科学基金(LTGS23E090002);国家自然科学基金(51778133);华东勘测设计研究院有限公司 201 科技项目(KY2021-ZD-01)This work was financially supported by Zhejiang Natural Science Foundation Project(LTGS23E090002)，the National Natural Science Foundation of China(51778133)and the Technology Program of POWECHINA Huadong Engineering Corporation Limited(KY2021-ZD-01)guoliping691163com。DOI:10.11896/cldb.21080025高延性水泥基复合材料用短切 PVA 纤维的长度优选研究丁聪1，任金明1，王永明1，李新宇1，俞兵1，郭丽萍2，1中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 3100002东南大学材料科学与工程学院，南京 211189为优选高延性水泥基复合材料(HDCC)用短切聚乙烯醇(PVA)纤维的长度，采用 6 mm、9 mm、12 mm、18 mm 和 24 mm 五种长度的 PVA 纤维，在体积掺量为 10%的情况下制备 HDCC，研究 PVA 纤维长度对 HDCC 工作性能、力学性能和纤维桥联能力的影响。结果表明:随着纤维长度的增加，HDCC 新拌浆体流动性逐渐降低，当纤维长度从 6 mm 增加到 9 mm 时浆体流动性显著下降 39%;纤维的掺入提升了 HDCC 的抗压、抗折强度，但其增幅与纤维长度相关性不大;掺入 18 mm 纤维制备的 HDCC 展现出最高的弯曲强度，而掺入 9 mm 纤维制备的 HDCC 展现出最高的跨中挠度和弯曲耗能;随着纤维长度的增加，纤维桥联应力和桥联余能均增大，但由于纤维断裂效应越显著，纤维桥联应力和桥联余能增幅逐渐变缓。基于HDCC工作性能、力学性能以及纤维桥联能力的试验与计算结果，9 mm 长度的 PVA 纤维是较为合适的选择。关键词高延性水泥基复合材料(HDCC)纤维长度工作性能力学性能桥联能力中图分类号:TU528文献标识码:AStudy on PVA Fiber Length Optimization for High Ductility Cementitious CompositesDING Cong1，EN Jinming1，WANG Yongming1，LI Xinyu1，YU Bing1，GUO Liping2，1POWECHINA Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 310000，China2School of Materials Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，ChinaIn order to optimize the PVA fiber length for high ductility cementitious composites(HDCC)，the PVA fibers with 6 mm，9 mm，12 mm，18 mmand 24 mm were adopted in this study，then the effects of PVA fiber length on the workability，mechanical properties and bridging abilities ofHDCC were investigated esults showed that the fluidity of fresh HDCC decreased gradually with the increase of fiber length，and the fluidity sig-nificantly decreases 39%when the fiber length increases from 6 mm to 9 mm The compressive strength and flexural strength of HDCC increasewith the addition of fiber，but it has little correlation with the fiber length HDCC with 18 mm fibers showed the highest bending strength，whileHDCC with 9 mm fibers showed the highest mid-span deflection and bending energy consumption Micromechanical analysis shows that with theincrease of fiber length，the fiber bridging abilities are stronger，the increase of fiber bridging stress and complementary energy gradually slowsdown due to seriously ruptured effect of fibers Based on the test and calculation results of HDCC working properties，mechanical properties andfiber bridging capacity，the more appropriate choice of 9 mm fibers is obtainedKey wordsHDCC，fiber length，working performance，mechanical property，bridging ability0引言高延性水泥基复合材料(High ductility cementitious com-posites，HDCC)因其稳定的应变硬化特征、超高的拉伸延性和优异的裂缝控制能力而在增强结构的安全性、耐久性及可持续性方面具有显著优势1-2。HDCC 优异的性能来源于裂缝扩展过程中纤维所发挥的桥联作用，纤维本身的物理力学性能则直接决定了纤维桥联能力的上限水平，因此可通过调整纤维的特性来获取更强的纤维桥联能力，以提高 HDCC 的力学性能3。纤维的物理力学性能参数包括拉伸强度 fu、弹性模量Ef、长度Lf和直径df，如纤维拉伸强度越高，理论上纤维可以实现的桥联能力就会越强。但是对于特定的纤维类型来说，如目前制备 HDCC 最常采用的 PVA 纤维，PVA 纤维的力学性能(拉伸强度和弹性模量)主要取决于纤维截面上大分子链数目、化学键能和链伸展的均匀性，纤维中分子链键能越大，理论上纤维的拉伸强度和弹性模量就越高，即聚乙烯醇高分子的聚合度和生产工艺是决定PVA纤维力学性能的主要因素4-5。因此，通过对PVA 纤维力学性能的调控来提升 HDCC 性能实际上是很困难的，纤维的生产技术和工艺取决于纤维制造商。而 PVA纤维的物理性能(长度和直径)由纤维加工工艺确定，如纤维直径是由初生纤维经过拉伸工艺确定，纤维长度则由纤维长丝经切断工艺确定。因此，对纤维尺寸(长度和直径)的调控更具有可行性和操作性6，美国密西根大学 Li 教授也指出纤维长度是较易调控的参数指标7。选择合适的纤维长度对 HDCC 的制备至关重要，合适的纤维长度可以实现 HDCC 性能的优化，不适合的纤维长度不仅会导致 HDCC 性能较差，还会造成纤维性能的浪费，特别是对于价格相对昂贵的高弹高模有机纤维，导致 HDCC 性能/成本比较低。目前，文献报道中 PVA 纤维长度最常采用12 mm 和 8 mm8-12，此外也有部分研究采用了较短的6 mm13-14 以及较长的 15 mm15，甚至最长 24 mm16 的 PVA纤维。关于纤维长度对 HDCC 性能影响的研究，谭明轮等17 探究了长度为 3 mm、6 mm、9 mm 和 12 mm 的 PVA 纤维对HDCC流动性、抗折及抗压强度的影响，结果表明，掺入 PVA21080025-2纤维后水泥浆体的流动性和坍落度均出现降低，但流动度的降低程度与纤维长度无关。较长的 PVA 纤维可以提高 HDCC的抗折强度，但其抗压强度与纤维长度并无相关性。余保英等18 采用长度为 6 mm、8 mm、12 mm 的PVA 纤维制备HDCC，研究了不同长度纤维对材料力学性能的影响。与谭明轮等17 得出的结果不同，余保英等18 的研究结果表明，新拌浆体的流动度会随着纤维长度的增加而不断降低，试样28 d的抗压强度随着纤维长度的增加而不断增大，抗折强度则变化较小。Georgiou 等19 通过对掺入长度为8 mm 和12 mm PVA 纤维的 HDCC 的抗压性能、单轴拉伸性能和弯曲性能进行研究，得出纤维长度对抗压强度的影响较弱，不同纤维长度的HDCC 的抗压强度差异小于 20%。而掺入长度较长的 PVA纤维使得 HDCC 展现出更好的拉伸性能和弯曲性能，相较于8 mm PVA 纤维的 HDCC，12 mm PVA 纤维的 HDCC 拉伸性能的极限拉伸强度提高了 150%，拉伸延性提升了约 300%，在三点弯曲和薄板弯曲下，较长纤维的 HDCC 均实现了更高的弯曲强度。然而，Sasmal 等20 的研究结果与 Georgiou 等截然不同，Sasmal 等指出当纤维长度从 8 mm 增加到 12 mm 时，HDCC 试件的弯曲强度并未显著提升，甚至在 PVA 纤维体积分数为 20%时出现轻微下降。Lu 等21 基于建立的拉伸应力应变模型计算了长度为 10 mm、12 mm 和 14 mm PVA 纤维的 HDCC 拉伸应力-应变关系。结果显示 PVA 纤维长度越长，HDCC 的极限拉伸强度越高，但是长度过长会引起纤维的大量断裂，断裂的纤维无法继续发挥桥联作用，因此掺入12 mm PVA 纤维的 HDCC 表现出最好的拉伸延性，比掺入10 mm和 14 mm PVA 纤维的 HDCC 高 77%。从目前的研究可以看出，纤维长度对 HDCC 工作性能和力学性能的影响规律并无明确结论。基于此，本工作采用 6 mm、9 mm、12 mm、18 mm 和 24 mm五种长度的 PVA 纤维制备 HDCC，研究纤维长度对 HDCC 流动性、抗压、抗折性能和弯曲性能的影响，通过单根纤维拔出实验测试纤维/基体界面微观力学参数，并基于微观力学桥联理论，研究纤维长度对纤维桥联能力的影响，揭示纤维长度对 HDCC 力学性能影响的机理。1实验11原材料水泥采用南京海螺公司生产的 PII 425 硅酸盐水泥，比表面积为 370 m2/kg;粉煤灰采用南京热电厂生产的 级粉煤灰，比表面积为 454 m2/kg，密度为 2 240 kg/m3;细集料采用普通细河砂，其粒径范围为 015060 mm，细度模数为 14;减水剂采用粉体聚羧酸类高性能减水剂，减水率大于 20%;纤维采用高强高模短切聚乙烯醇(PVA)纤维，其表面经过质量分数 12%的油剂处理，选择 6 mm、9 mm、12 mm、18 mm 和 24 mm 五种长度的 PVA 纤维，PVA 纤维的物理力学性能如表 1 所示，PVA 纤维外观如图 1 所示。12HDCC 配合比与制备方法本研究采用相同 HDCC 基体配合比，掺入不同长度的PVA 纤维，研究纤维长度对 PVA-HDCC 性能的影响，HDCC配合比如表2所示。考虑到掺入长度较长的纤维时，HDCC表 1PVA 纤维物理力学性能指标Table 1Ph