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聚 乙烯醇纤维增强水泥基复合材料研究进展

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-01-13  浏览次数:258
核心提示:普通混凝土具有许多优点,但其脆性大、易产生开裂,这将导致外界化学介质向内部扩散的速度加快,使建筑结构的使用寿命大幅度降低
      普通混凝土具有许多优点,但其脆性大 、易产生开裂 ,这将导致外界化学介质向内部扩散的速度加快,使建筑结构的使用寿命大幅度降低。加入聚乙烯醇纤维是解决这一问题的一种有效途径,并且能够显著改善水泥基材料的性能。论文介绍了聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的国内外研究现状、动力学特性以及 自愈合情况,探讨了该材料的微观设计理论,介绍了其应用,并对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料研究进行了展望

引 言

混凝土是世界上用量最多和应用最广的一种工程材料,其具有原料易得、价格便宜、容易成型、容易制造成不同形状,且具有优异的力学性能及耐久性等优点。但该材料也具有脆性大、抗拉强度低、在载荷及环境作用下易产生开裂裂缝,这将导致外界化学介质向内部扩散的速度加快,使建筑结构的使用寿命大幅度降低 。因此,抑制裂纹产生及扩展、改变水泥混凝土材料的脆性破坏模式对延长建筑物的使用寿命具有重大意义。20 世纪90 年代美国密歇根大学 IJi_V.c 教授团队率先研制成功了聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(Polyvinyl AlcoholFiberReinforced Cementitious Com posites,PVA—FRCC ),它是一种具有高韧性、裂缝窄且裂缝具有自愈合能力的新型水泥基复合材料 J,该材料能够解决上述问题。PVA.FRCC 使}昆凝土结构的抗震性能得到改善,在抗震及抗冲击结构、耐损伤工程结构、裂缝控制等方面具有着广阔的发展前景。因此,研究在动态载荷作用下 PVA —FRCC 的响应,具有极其重要的军事国防意义以及社会经济价值。此外,研究该材料的动态力学性能也具有十分重要的学术价值和实际应用意义。经过近 20 年的发展,国VI~'b研究人员在其理论设计、力学、耐久性能及工程应用方面均取得了令人瞩目的研究成果。论文主要综述了 PVA.FRCC的国内外研究现状、动力学特性、自愈合情况,探讨了该材料的微观设计理论及其应用,并对 PVA .FRCC 研究进行了展望。

2 PVA —FRCC 国内外研 究现状

2.1 国内研究现状

国内对 ECC 的研究起步较晚,21 世纪初,才开始关注这种新型水泥基复合材料。经过近十几年的发展,现已取得许多可喜的研究成果,在 ECC 的力学性能研究方面,主要集中在抗弯特性、抗拉特性、抗压特性 、断裂特征以及强度 、韧性特性等。

(1)拉伸性能 ·

徐世娘等 研究表明,在拉伸和弯曲载荷作用下,ECC 具有多缝开裂及假应变硬化的特征,同时也具有高韧性、高延性及高能量吸收能力。极限拉伸应变大于3%,最大裂缝宽度约50 m ,平均裂缝间距约 1 mm 。

且对小切口不敏感,不易破碎。邓宗才等 研究发现,ECC 的极限抗拉应变和断裂能分别是聚丙烯纤维混凝土的2O ~50 倍及 2 —4 倍。高淑玲等 研究 PVA—FRCC 的拉伸行为,并利用双线模型 ]、三线模型 分析了拉伸应力应变曲线。庞超明等_9研究了粉煤灰掺量、胶砂比及养护条件等对 PVA.FRCC 拉伸应变能力的影响。结果表明,随粉煤灰掺量增加,PVA—FRCC 拉伸强度变化不大,但拉伸应变增加,且拉伸应变随砂用量的增加而降低,随养护温度的升高而增加。

(2)弯曲性能

王德松等¨。。研究发现,少量 PVA 对 PVA—FRCC 的弯曲模量影响不大,但使 PVA .FRCC 的抗弯强度、增强效果和柔韧性得到改善。詹炳根等 研究表明,随着 PVA 纤维掺量和纤维长径比的增加 PVA—FRCC 的抗弯强度增大,界面改性剂(凹土)能够显著提高材料的抗弯韧性。张帅等 纠研究了增稠剂对 PVA.FRCC弯曲性能的影响。结果表明,羟乙基纤维素和羟丙基甲基纤维素能够降低试件的弯拉强度及抗弯极限荷载。饶芳芬¨ 研究了粉煤灰的类型对 PVA.FRCC 弯曲性能的影响。研究发现,质量较差的粉煤灰不利于 PVA-FRCC 的弯曲性能,原因是其易使 PVA 纤维结团。

(3)断裂特征

高淑玲等 研究了 PVA—FRCC 的断裂能,借助拉伸应力.裂缝宽度曲线,经计算得到了 PVA—FRCC 的断裂能,约为普通混凝土的50 倍。

(4)抗压强度

杜修力等¨ 研究表明PVA 纤维对高强混凝土的抗压强度影响不大,并且能够降低混凝土的轴心抗压强度。徐世煨等[1叫建立了立方体与棱柱体抗压强度之间的关系、不同尺寸立方体与抗压强度关系以及抗压强度与弹性模量之间的关系,该成果为实际工程应用提供了实践经验和理论基础。田艳华等 1 研究结果表明,减水剂和引气剂掺量对抗压强度的影响不大。王海波等¨副研究表明,国内PVA 纤维使 PVA —FRCC 的抗压强度降低。姜国庆等n 研究结果表明,受压破坏后 PVA.FRCC 试件仍然保持整体状态 ,应力-应变曲线表明,随着 PVA 纤维掺量增加,曲线下降段变得越来越平缓。

(5)耐久性能

耐久性的研究主要包括抗碳化、抗氯离子渗透、抗钢筋锈蚀、抗冻融以及收缩抗裂等。

①抗冻融性能

徐世煨等 研究表明,经过300 次冻融循环之后,ECC 质量损失小于 1%,动弹性模量损失小于5%,对薄板试件,其抗弯强度下降幅度较小,但是其应变硬化能力很强。

②抗碳化性能

徐世煨等 研究表明,在无缝状态时,ECC 与普通混凝土的抗碳化能力相当,但如果在相同载荷条件下,对预裂缝处理以后,在裂缝处 ,ECC 的碳化深度仅为参比混凝土的30% ~40%。

③抗钢筋锈蚀性能

蔡新华等 研究发现,ECC 能够推迟因锈蚀引起的钢筋与基体之间平均粘结强度的急剧下降,可以有效控制保护层锈蚀开裂 。

2.2 国外研究现状

PVA 纤维具有亲水性特性,抗拉强度低于 PE 纤维,在 1600 M Pa 以上,能够满足 ECC 的设计理论要求。价格是高模量 PE 纤维的八分之一,低于同体积量钢纤维的价格。PVA 纤维与水泥基体具有良好的化学粘结作用。¨.V.C 教授团队基于性能驱动设计方法(Performance Driven Design Approach,PDDA )[233成功制备了 PVA—FRCC。在最近十几年里 ,研究人员主要致力于 PVA —FRCC 的性能研究 。

(1)拉伸性能

PVA.FRCC 单轴拉伸测试表明其具有明显的假应变硬化特征。当纤维体积掺量为 2%时,极限拉伸应变大于3%,极限抗拉强度大于4.0 M Pa,且出现多缝稳态扩展现象,裂纹间距在 1.8 ~2.5 mm 之间,最大裂纹宽度不到 100 m [2 。水泥基体于 PvA 纤维之间产生了相当强的化学键合,在拉伸载荷作用下倾向于断裂,改善了材料的韧性。¨等 为了改善界面,用油剂涂覆纤维表面以降低纤维与基体之问的作用。结果表 明,当含油量为 1.2%时 ,使 PVA—FRCC 拉伸应变大于 4% ,且多缝开裂处于饱合状态。

(2)粘结性能

Lin 等 通过单根纤维拔出试验,测 出了界面参数,研究表明 PVA.FRCC 具有良好拉伸应变能力。Redon 等 ’也通过单根纤维拔出试验测定了PVA 。FRCC 基体中界面参数,同时考察了油剂对界面特性的影响,在PVA 纤维拔出过程中,发现存在明显的滑移.硬化效应。Li等 将PVA 纤维表面涂覆油剂,研究了油剂量对界面特性及性能的影响,经处理后的 PVA 纤维使拉伸应变大于4%。

(3)与粉煤灰复合改性

Yang 等 将大体积粉煤灰取代水泥,考察了粉煤灰取代水泥对 PVA—FRCC 性能的影响,结果表明降低了抗压强度,但改善了骨料与水化物之间的界面粘结性能,同时降低了基体的断裂韧性,实现了 PVA —FRCC 的高韧性 、多缝开裂及应变硬化。W ang 等 研究结果表明,掺有粉煤灰的 PVA.FRCC 养护90 d 时,拉伸应变仍为 2% ~3%。但抗压强度明显降低。当FA/C 为2.8 时,养护 28 d 时,抗压强度只有35 M Pa。

(4)与矿渣粉复合改性

除了用粉煤灰取代水泥之外,有的研究人员采用矿渣粉来制备 PVA —FRCC。韩国 Kim 等 。。研究结果表明,掺有矿渣的 PVA.FRCC 即具有较高的基体强度同时又具有较好的拉伸应变 。

(5)耐久性能

① 自愈合能力

PVA-FRCC 具有良好的裂缝 自愈合能力、裂缝宽度控制能力及耐久性能。Yang 和~ahmaran 等 研究结果表明,在干-湿循环条件下,PVA —FRECC 更容易 自愈合,预加应变小于 1.5%时,自愈合程度可实现100%,当预加应增加到 3%时,自愈合程度也高达76%。在盐溶液或碱溶液浸润的环境及荷载双重作用下,PVA—FRECC 也具有极强的自愈合能力,只是韧性略有下降,但仍大于 2%,裂纹宽度有些增加,但仍能满足混凝土结构耐久性对裂缝宽度的阈值要求 。

②抗冻性能

在经历 300 次冻融循环后,PVA—FRCC 无明显损伤,弯曲韧性及强度与冻融前几乎不变 。在拉伸载荷作用下,PVA .FRCC 与钢筋具有良好的变形协调性,亦使得钢筋 PVA.FRCC 在耐蚀性方面也具有很大优势。综上所述,在加载环境下 PVA—FRCC 材料具有优越的裂纹宽度自控能力,在抗冻融循环、冷热温度老化 、抗钢筋锈蚀等条件下 ,PVA—FRCC 材料具有 良好的耐久性能 ,解决了普通混凝土长期耐久性 差的问题。

与 PVA —FRCC 的耐久性相比,钢筋混凝土的耐久性略差一些。茅华等 研究了钢筋混凝土盐卤侵蚀下的耐久性试验,通过研究发现:经长期盐卤侵蚀试验后,钢筋混凝土性能未出现明显劣化;抗腐蚀性能优越,只是钢筋均存在一定程度的腐蚀。

3 PVA —FRCC 动力学特性研究现状

随着军事、造船、航空航天、核能和石油工业的发展,在高能量荷载作用下,研究结构和材料的动力学具有十分重要的意义。重要建筑物如军事掩体、长跨桥、防洪大坝、水电站等,经常承受变化速率剧烈的冲击、冲刷、爆炸等荷载,因此,在高速动载条件下,研究水泥基材料的力学性能具有一定的实际意义。水泥基材料具有分布不均匀且组成复杂的特点,要建立泥基材料动态力学性能的本构关系十分困难。主要有理论研究和试验研究两方面。

(1)理论研究

理论研究方面主要有本构方程理论、抗冲击和抗爆理论及冲击波理论。

(2)试验研究

在动态荷载作用下水泥基材料的力学行为与静态相比差别很大,主要采用应变率来表示材料动态力学特性的变化规律。早期研究所有的试验装置主要有落锤或摆锤装置 、液压试验机及分离式 H opkinson 压杆装置(SplitHopkinson Pressure Bar,SHPB 装置)。

①落锤或摆锤装置。

Nia_3 对圆柱体水泥基材料利用落锤装置进行冲击试验,研究发现掺入纤维后试件的破坏冲击次数明显比普通混凝土高许多。M illard 等 利用落锤对梁结构进行冲击试验研究,结果表明,随着应变率提高弯拉强度明显增加,掺人纤维可以明显提高梁构件的抗冲击性能。李庆华等 引对超高韧性纤维增强水泥基复合材料采用落锤试验方法进行了抗冲击力学性能研究,结果发现试件破坏冲击次数是钢纤维混凝土的9 倍,已达 1万次以上,抗冲击吸收能量是普通混凝土的48 倍,具有优异的吸收能量能力。

②液压试验机

Yan利用 MTS 试验机考察混凝土动态拉伸性能,结果发现,当应变率在 10 ~0.3 时,抗拉强度提高70%。采用相同的方法,实现应变率 10 —20 s一,认为纤维种类对强度及拉伸韧性具有相当大的影响。

1949 年,Kolsky_4¨对 H opkinson.Davies 压 杆进行 改装,发 明 了分 离式 Hopkinson 压 杆装 置 (Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB),在经历几十年的发展后,形成了比较完备的 Hopkinson 压杆测试技术,以至于极大的提高了材料动态力学性能测试的精确度和应变率范围。Rong[4 等也利用该装置考察了纤维增强混凝土的动态拉伸性能,认为纤维能够显著提高材料的动态拉伸强度。

4 PV A—FRCC 自愈合研究现状

PVA.FRCC 具有极好的拉伸应变能力(是普通混凝土的300 ~500 倍)及多缝开裂的能力。裂缝有助于结构的耐久性,许多研究人员研究了PVA-FRCC 裂缝的自愈合能力。

在带有除冰盐的环境中,冻融 25 次和 50 次后,~ahm aran 等 研究了的预拉伸 PVA —FRCC 的自愈合情况。研究表明,当预拉伸应变为 2.O%时,PVA—FRCC 经 50 次冻融循环 自愈合后,当再次拉伸时其仍具有多缝开裂的能力,刚度几乎完全恢复,拉伸应变能力基本不变,只是极限拉伸强度损失了6%,裂缝宽度增加到了 100 p,m 。

Sahm aran 等… 又研究了在碱性环境下放置62 d 后,预拉伸 PVA—FRCC(裂缝宽度约为50 Ixm )的自愈合情况。结果发现,拉伸应变能力下降20%,拉伸强度下降4%,裂缝宽度增加2 倍多。 

Y g 等 考察了干湿循环和温度对预拉伸 PVA .FRCC 自愈合的影响,同时利用超声波测试 、拉伸试验和渗透性试验来检测 自愈合试件的性质。结果发现,自愈合试件的超声频率可以恢复至初始时的 76% ~100%,主要取决于试件的开裂程度,也就是预拉伸应变水平。如果自愈合环境的温度较高,则可以提高试件的极限应力,但使拉伸应变降低;温度越高,自愈合程度越高。

Qian 研究表明,在水及空气中自愈合 28 d 后试件挠度分别恢复 65% ~105%和40% ~60%,且水中自愈合试件的刚度明显高于空气;经 ESEM 和 XEDS 分析可知,裂缝自愈合产物主要是碳酸钙,其存在于裂缝两侧;另外,纳米粘土有助于试件的自愈合。Kan 等 钾研究表明,PVA .FRCC 试件的裂缝宽度小于50 m 时,自愈合程度较高;PVA —FRCC 试件的预拉伸应变大于2%时,超声频率可恢复 90%;如果裂缝宽度小于 15 p.m ,自愈合产物主要是 c—s—H 凝胶,裂缝宽度是30 txm ,自愈合产物主要是 c—s—H 凝胶和 CaCO ,如果宽度为50 m ,其 自愈合产物较少。

5 PVA .FRCC 微观设计理论

对 PVA—FRCC 国内外已进行了许多理论及试验研究。经历十几年的发展,已经从最初的微观力学和断裂力学的理论设计,发展到各种类型PVA.FRCC 用于工程实际。关于纤维增强脆性基体复合材料具有准应变.硬化特征的研究中,IJi等 4 运用 M arshall研究连续纤维时的分析方法,以J积分的形式建立了短纤维增强脆性基体复合材料的关系式。目前,PVA .FRCC 微观设计理论准应变一硬化模型为基础,在具体设计过程时,考虑了纤维可加工性和水泥基复合材料可搅拌性的限制,同时也考虑了如何控制材料的收缩 。在直接拉伸荷载作用下 ,PVA—FRCC 可以产生多条细密裂缝,这是准应变一硬化特性的典型特征。纤维增强脆性基体材料产生多条裂缝的基本条件是:必须同时满足稳态开裂及开裂强度准则。否则,当材料受力开裂后,因裂缝局部扩展而瞬间进入软化阶段,则不能产生多条裂缝。比较 PVA—FRCC 和钢筋混凝土的设计原理可知,前者是产生多条裂缝,而后者是控制裂缝的宽度。

(1)稳态开裂准则

根据 M arshall和 Cox 的研究成果 ,利用 J 积分能够建立裂缝推动力表达式。在稳态开裂过程中裂缝推动力与裂缝尖端韧度相等。当纤维掺量较低时,裂缝尖端韧度与基体韧度相差不多。纤维桥接区的能量消耗一定要大于裂缝尖端断裂韧度 。如果最大桥接应力大于稳态开裂应力 ,则满足稳态开裂准则 。否则 ,Griffith 裂缝就是主导破坏模式。

(2)初始开裂应力准则

该准则是指初始开裂应力一定小于最大桥接应力,也就是指材料所承受的荷载不能超过最大桥接应力,否则因纤维的断裂或者拔出导致纤维承载力突然下降,荷载就不能通过纤维传递给基体,也就不能产生新的裂缝 。

初始缺陷尺寸过小或者基体断裂韧度过高会使初始开裂强度过高而不能满足该准则。为了使水泥基复合材料产生多缝开裂 ,稳态开裂准则要求裂缝尖端韧度一定小于补充能量,补充能量要于基体韧度相关,基体韧度又决定于基体本身的特性,象水灰比、骨料的粒径及质量、细颗粒还有化学添加剂。如果降低水灰比、使粒径大于 250 m 的粗砂用量增加都能增加基体的韧性 。过低的基体韧性会影响复合材料的性质,例如初始开裂强度过低、孔隙率增加都使基体的弹性模量降低 。

缺陷尺寸的大小和分布即能够改变孔隙率,也能影响多裂缝的开裂模式。根据应力准则可知,初始开裂强度应小于最大桥接应力,否则,复合材料只能产生一条裂缝而失效。由多缝开裂所需条件可知,要限制缺陷尺寸的大小 。缺陷尺寸分布会影响到多缝开裂的过程,缺陷尺寸中等时有利于裂缝的形成。适当增加含气量有利于尺寸大小合适的缺陷形成,降低初始开裂强度。增大最大桥接应力(最大拉伸强度)和初始裂缝的比值范围,也有利于多缝开裂 。

6 PVA —FRCC 的应用

PVA—FRCC 不仅具有良好的多缝开裂能力及拉伸应变,而且施工及其便利,既能够现场浇注、又可以工
厂预制、自密实、喷射及挤压成型 。正是由于其具有上述的优异性能及便利的施工,使其具有十分广阔的应用前景。PVA —FRCC 主要用于以下4 个方面:

(1)做为保护层:能够提高钢筋混凝土结构的耐久性,抑制侵蚀性物质侵人,推迟建筑物的使用寿命;

(2)做为无伸缩缝连结板 :即能够提高桥梁结构的耐久性,又能够减少结构的自重;

(3)做为抗震结点:能够提高结构抗震能力;

(4)做为钢/混凝土结构结点以及锚杆等位置:能够降低因局部应力集中而产生的结构破坏。

目前 ,在 日本北海道美原大桥的建设中使用了 PVA .FRCC(但效果不是很好,两年后就破损了),另外 ,在大坝的修补及高架桥维修等方面PVA.FRCC 也获得应用。

7 结 语

PVA—FRCC 具有变形能力强、自愈合及多缝开裂等优点,拥有巨大的应用空间及广阔的发展前景。PVA—FRCC 研究时间还不够长,因此,仍需投入大量的人力、物力、财力,来加快 PVA—FRCC 在实际工程中的应用。随着社会的发展与进步,对材料性能的要求变得更高。材料即要有较高的强度,又要有较好的变形能力。为了进一步拓宽其应用领域 ,下面一些课题有待人们去深入研究:

(1)制备高强高韧 PVA .FRCC。将微观力学理论与材料设计、优化有机地结合在一起 ,采用必要的方法,使制备的 PVA.FRCC 满足高强高韧的要求;

(2)制备低成本高韧性的 PVA—FRCC 。PVA 纤维的价格昂贵,使其在工程中的大规模应用受到限制。降低成本是 PVA —FRCC 应用亟待解决的问题;

(3)复杂环境下预拉伸 PVA.FRCC 自愈合问题。在各种受力状态下,研究 PVA—FRCC 的自愈合情况;

(4)预拉 PVA—FRCC 耐久性问题。已开裂与未开裂 PVA—FRCC 之间的抗渗、抗冻及抗侵蚀能力的区别;

(5)PVA.FRCC 材料强韧化机理。从材料学、微观力学等多角度,探讨聚合物对 PVA—FRCC 材料长期力 学性能、耐久性能(耐老化、抗渗性、耐磨性等)的影响,探明机理;

(6)高应变率条件下 PVA —FRCC 材料的拉伸行为。要深入研究 PVA—FRCC 材料的动态拉伸性能以及高温特性、抗爆抗侵蚀性能等方面。以拓宽 PVA—FRCC 材料在军事防护领域的应用。

 
 
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