张鹏，王磊，郑元勋

（郑州大学 水利与环境学院，河南 郑州 450001）

0 引 言

近年来，随着现代工程向大跨度、高耸、海洋结构方向发展，使施工便利且具有高抗拉、抗弯强度，同时保持较高韧性且有良好耐久性的水泥基复合材料成为当代社会用量最大、最广的建筑材料之一，在土木工程领域及社会发展方面做出了重要贡献[1]。水泥基复合材料改变了混凝土脆性大，拉伸强度低以及抗渗性、耐久性欠佳等缺点，也防止了在多种荷载和变形的作用下出现结构性能在其服役寿命期间终止[2]。但普通水泥基复合材料并不能很好的改善混凝土脆性大的缺点，而在水泥基复合材料中掺加纤维有效地改变了脆性大的缺陷，纤维的掺加一方面能大幅度增强基体材料抵抗变形的能力，另一方面也能很好地提高基体材料的极限拉应变[3]。在纤维增强水泥基复合材料中，纤维起到一定的桥连作用，可改善基体材料的韧性及控制裂缝的开展，得到国内外研究者的认可。聚乙烯醇（PVA）纤维是以聚乙烯醇为原料纺丝制得的新型合成纤维，凭借其高强度、高弹性模量等优良的性能在目前众多研究者在改性水泥基复合材料研究中应用较广泛。Amin Noushini 等[4]进行了不同龄期的PVA 纤维混凝土拉伸试验，研究结果表明，掺加PVA 纤维使混凝土的辟裂抗拉强度增强。美国密歇根大学的Victor Li 通过微观力学手段研究了纤维增强水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites）被称作ECC 材料[5-6]。ECC 材料是通过去除普通混凝土中的粗骨料，采用粒径较小的细砂，再掺加PVA 纤维实现的，具有优良的抗拉性能和对裂缝扩展的控制能力。徐世烺和蔡向荣[7]的研究发现，超高初性纤维增强水泥基复合材料具有与ECC 材料相似的高延性、假应变硬化及多缝开裂的性能。刘曙光等[8]的研究表明，PVA 纤维在水泥基复合材料中分散性较好，可提高基体的抗剥落能力，所以掺加适量PVA 纤维可使水泥基复合材料的抗冻性能有所提高。因此，可通过掺加PVA 纤维来改善水泥基材料韧性差、裂缝扩展、脆性大拉弯强度低的缺陷。

将纳米材料掺入水泥基复合材料中不仅可以促进水泥水化过程及增加水化产物，还可以填充在基体材料的细小空隙，使水泥基复合材料更加密实，从而有效地改善水泥基复合材料的结构性能和耐久性。王培铭等[9]的研究表明，纳米SiO2有助于改善水泥砂浆的抗压、抗折强度。王冲等[10]将纳米SiO2掺加到水泥基材料中改善了水泥基材料的强度及流动性。张鹏等[11-14]的研究表明，纳米SiO2和PVA 纤维提高了水泥基材料的力学性能和耐久性。针对目前有关PVA 纤维增强纳米水泥基复合材料弯曲性能方面的研究相对较少这一现状，因此，本文在系统试验的基础上对PVA 纤维增强纳米水泥基复合材料弯曲韧性进行深入研究，分析了不同PVA 纤维掺量的纳米水泥基材料小梁试件的初始弯曲韧度比、残余弯曲韧度比，并进行了对比分析及机理探讨。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5 水泥，河南新乡孟电集团生产，主要技术性能见表1；粉煤灰：Ⅰ级，洛阳电厂产，细度（45 μm 方孔筛筛余）为8%，主要物理性能见表2；细骨料：石英砂，巩义元亨净水材料厂生产，细度模数2.91，吸水率0.38%，相对密度2.65；纳米SiO2：杭州万景新材料有限公司生产，主要技术性能见表3；聚乙烯醇（PVA）纤维：日本可乐丽公司生产，主要技术性能见表4；减水剂：聚羧酸类高效减水剂，星辰化工生产，固含量为20%，减水率为22%；水：自来水。

表1 水泥的主要技术性能

表2 粉煤灰的主要物理性能

表3 纳米SiO2 的主要技术性能

表4 PVA 纤维的主要技术性能

1.2 试验配合比设计

本试验探究了对未掺纳米SiO2及纳米SiO2掺量（等质量取代水泥）为2%条件下，PVA 纤维体积掺量对水泥基复合材料弯曲韧性的影响，试验中固定水胶比为0.38、胶砂比为2、减水剂掺量（按占胶凝材料质量计，不折固）为0.3%，具体配合比如表5 所示。

表5 PVA 纤维增强纳米水泥基复合材料的配合比

1.3 试件准备及试验方法

本试验在拌制PVA 纤维增强纳米SiO2水泥基复合材料时采用强制式搅拌机以保证PVA 纤维和纳米SiO2在基体材料中分散均匀，为得到满足试验要求的、力学性能优良的PVA纤维纳米SiO2水泥基材料，其成型工艺是先将干粉包括粉煤灰、水泥、砂及纳米SiO2等材料加入搅拌机中干拌2 min，随后将预先配制称量好的减水剂等分成2 份，先把少量水和其中一份减水剂加入并搅拌1 min，再把部分水及另一份减水剂加入搅拌1 min，然后加入全部剩余的水搅拌1 min，PVA 纤维的掺入方法是分2 次进行，每次搅拌2.5 min，最终得到PVA纤维纳米SiO2水泥基复合材料。为保证材料的均匀性可适当延长搅拌时间。根据JG/T 472—2015《钢纤维混凝土》中弯曲韧性的评价方法，测试弯曲韧性的试验采用100 mm×100 mm×400 mm 的小梁试件，本试验中的每个配合比都成型3 个小梁试件，将成型试件置于室内阴凉处，经振捣后将试件置于常温处，24 h 后脱模，然后放入标准养护室[温度（20±2）℃、相对湿度≥95%]进行养护，到规定龄期后取出进行性能测试。三分点弯曲韧性试验在200 t 液压试验机上进行，加载速率约为30 N/s。

1.4 弯曲韧性评价方法

本试验采用文献[15]中对弯曲韧性的评价方法，采用初始弯曲韧度比Re，p、残余弯曲韧度比Re，k分别来表征试件在加载至最大荷载前后的弯曲韧性，参照文献[16]计算初始弯曲韧度比Re，p、残余弯曲韧度比Re，k。分别计算每个配合比3 个试件所对应Re，p和Re，k并取平均值，将计算结果与弯曲韧度比Re=1 比较。其值越接近1，弯曲韧性越好。考虑到掺加PVA 纤维时所测的弯曲试验曲线差异，仅选取初始弯曲韧度比Re，p以及k=500、k=300 时所对应的残余弯曲韧度比Re，500、Re，300进行分析。

2 试验结果及分析

2.1 PVA 纤维对普通水泥基复合材料弯曲韧性的影响

未掺纳米SiO2时，PVA 纤维掺量对普通水泥基复合材料弯曲韧性指标的影响见表6，不同PVA 纤维掺量下普通水泥基复合材料的荷载-挠度曲线见图1。

表6 PVA 纤维掺量对水泥基复合材料弯曲韧性指标的影响

由表6 可以看出，随着PVA 纤维掺量的增加，PVA 纤维增强普通水泥基复合材料的初始弯曲韧度比、残余弯曲韧度比均呈现先增大后减小的趋势，当PVA 纤维掺量为1.2%时均达到最大值，Re，p、Re，500、Re，300分别为0.85、0.78、0.38，较PVA纤维掺量为0.3%的分别提高了18.1%、39.3%、111.0%。由图1 可以看出，PVA 纤维掺量对试件的荷载-挠度曲线影响较大。随着PVA 纤维掺量从0.3%增加到1.2%，试件的荷载-挠度曲线愈加饱满；但当PVA 纤维掺量从1.2%增加到1.5%时，荷载-挠度曲线变得扁平。当PVA 纤维掺量为1.2%时，荷载-挠度曲线最饱满，与坐标轴围成的面积最大。

2.2 PVA 纤维对纳米SiO2 水泥基复合材料弯曲韧性的影响

纳米SiO2掺量为2%时，PVA 纤维掺量对纳米SiO2水泥基复合材料弯曲韧性指标的影响见表7，不同PVA 纤维掺量下纳米SiO2水泥基复合材料的荷载-挠度曲线见图2。

表7 PVA 纤维掺量对纳米SiO2 水泥基复合材料弯曲韧性指标的影响

由表7 可见，当纳米SiO2掺量为2%，PVA 纤维掺量对纳米SiO2水泥基复合材料初始弯曲韧度比、残余弯曲韧度比的影响与未掺纳米SiO2时一样，Re，p、Re，500、Re，300均随PVA 纤维掺量的增加先增大后减小，当PVA 纤维掺量为1.2%时均达到最大值，Re，p、Re，500、Re，300分别为0.81、0.77 及0.44。纳米SiO2的掺加使水泥基材料的脆性增加，在PVA 纤维掺量为0.3%时，试件在峰值荷载后直接破坏。因此相比于PVA 纤维掺量为0.6%时的弯曲韧性指数分别提高了15.7%、10.0%、57.1%。由图2 可见，随PVA 纤维掺量从0.6%增加到1.2%，试件的荷载-挠度曲线愈加饱满；在纤维掺量为1.2%时，曲线最饱满；继续增加PVA 纤维掺量至1.5%时，曲线的饱满度下降。

随着PVA 纤维掺量的增加，水泥基复合材料的弯曲韧性指标不断增大，荷载-挠度曲线越饱满，这说明PVA 纤维对提高水泥基复合材料弯曲韧性有很好的效果。PVA 纤维增强水泥基复合材料的弯曲韧性体现在2 个方面：一方面，与水泥基材料有很好黏结性且具有高强度、高弹性模量的PVA 纤维将使水泥基材料获得稳定结构性能，抑制水泥基材料的裂缝产生，具有阻裂作用。掺入PVA 纤维后，纤维可以跨越裂缝传递应力，将改变水泥基体材料内部的应力分布，限制了水泥基材料内部裂缝的产生及扩展，出现多裂缝开裂现象并有效地抑制细小裂缝的扩展。另一方面，PVA 纤维可使水泥基材料具有很好的韧性，裂缝在开裂过程中得要克服一部分纤维和基体材料间摩阻力，水泥基复合材料基体可将荷载通过粘结力传递给PVA 纤维，使PVA 纤维和基体共同承担应力，起到了增韧的效果。正是这种作用，使荷载-挠度曲线从线性变成非线性，当纤维在一定掺量范围内，曲线愈饱满。但当PVA 纤维掺量过大时，试件的初始弯曲韧度比、残余弯曲韧度比变小，荷载-挠度曲线饱满度变小。过量的PVA 纤维会使基体材料密实度下降、孔隙变多，结构整体性能降低，抗裂能力变弱[15]。

3 结 论

（1）通过小梁试件的三分点弯曲试验可以得出，在普通水泥基复合材料和纳米SiO2增强水泥基复合材料中掺加PVA纤维对弯曲韧性评价指标的影响是一致的，即随着PVA 纤维掺量的增加，试件的初始弯曲韧度比、残余弯曲韧度比皆表现出先增大后减小的趋势，该指标取得最大值时的PVA 纤维掺量均为1.2%。掺入纤维后，纤维可以跨越裂缝传递应力，从而使材料表现出较好的韧性。过量的纤维掺量对水泥基复合材料的弯曲韧性是不利的。

（2）未掺加纳米SiO2和掺2%纳米SiO2的水泥基复合材料的荷载-挠度曲线的饱满程度均随PVA 纤维掺量的增加而先逐渐变得愈加饱满，PVA 纤维掺量为1.2%时曲线最饱满，这时曲线与坐标轴包络面积最大，当PVA 纤维掺量继续增大到1.5%时，荷载-挠度曲线的饱满度有略微降低。