摘要：为了研究PVA纤维长度对水泥基复合材料抗拉强度的影响，采用6 mm、9 mm和18 mm的PVA纤维结合新疆本地沙漠砂与粉煤灰制备PVA-沙漠砂水泥基复合材料，于恒温条件养护28 d后测试其抗拉强度并与普通混凝土试件进行对比。由试验得出：添加PVA纤维的水泥基复合材料相比于普通混凝土试件其抗拉强度显著提高；随着纤维长度的增加，PVA-沙漠砂水泥基复合材料的流动度和抗拉强度逐渐降低。

　　关键词：PVA纤维长度；水泥基复合材料；沙漠砂；流动度；抗拉强度

　　0引言

　　混凝土材料作为应用最广泛的建筑材料之一，为了提高其力学性能，20世纪起便已利用纤维制备各种纤维增强水泥基复合材料。20世纪60年代国内外开始在桥梁工程中应用钢纤维增强混凝土[1]；此后研究人员使用碳纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维等合成纤维[2]制备水泥基复合材料。90年代初美国密歇根大学的Victor CLi[3]提出了一种高韧性水泥基复合材料（engineered cementitious composites，ECC），主要由聚乙烯醇（PVA）纤维、水泥、粉煤灰、骨料及外加成分组成，克服了传统混凝土抗拉强度低、韧性差、抗裂能力较弱的缺点，具有良好的应变硬化能力以及断裂韧性。ECC的制备原理以断裂力学和微观力学为指导[3]，在轴向拉力作用下能够产生大量细小裂缝，裂缝之间由PVA纤维桥接[4]，使得其具有超高的拉应力，此外，聚乙烯醇本身具有亲水性，其纤维基体表面的化学黏结[5]也能提高ECC延性、抗裂性能和断裂韧性指标。

　　本文采用新疆本地沙漠砂（图1）作为细骨料[6]，结合粉煤灰等材料制备了一种PVA-沙漠砂水泥基复合材料，利用跳桌试验分析材料流动性，探究了PVA纤维长度对水泥基复合材料抗拉强度的影响。

　　1实验部分

　　1.1原材料及配合比

　　试件采用水胶比0.35，砂胶比0.46，纤维体积分数2%制备[7]；水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，细度（0.045 mm方孔筛）9.0%，含水质量分数0.7%；骨料为新疆本地沙漠砂；PVA纤维长度分别为6、9、18 mm，外加上海臣启化工科技有限公司生产的聚羧酸高效减水剂。PVA沙漠砂组分见表1，原材料及性能参数见表2、表3及图2。

　　1.2试件制备

　　按照配合比（表4）把水泥、粉煤灰和沙漠砂放入搅拌机中混匀，首先倒入一半的水和减水剂缓慢搅拌3 min，随后从旋转方向均匀倒入PVA纤维，加入剩下的水和减水剂快速搅拌3 min，待跳桌试验完成后将水泥基体装入模具中，静置24 h后拆模并于恒温条件养护28 d。

　　1.3拉伸试验

　　对本实验单轴拉伸试件尺寸和试验方法参照JC/T 2461—2018《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》[8]。单轴拉伸试验在电液伺服试验机上完成，加载速率为0.5 mm/min。具体见图3、图4。

　　2试验结果分析

　　2.1跳桌试验与流动度分析

　　流动度参照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》[9]进行测定。如图5所示，6、9、18 mm的PVA纤维均会降低水泥基复合材料的流动度，随着PVA纤维长度的增大，对流动度的影响结果越弱。PVA纤维在水泥基体中拌合会乱向分布[10]形成一种空间网格结构，导致砂浆体流动度降低。由于添加的PVA纤维密度相同，体积分数均为2%，则长度越短的纤维根数越多，表面积越大，对砂浆的吸附越强，使得水泥基基体流动度越低。

　　2.2单轴拉伸试验分析

　　如图6、表5所示，对于单轴拉伸试验的结果取平均数值，在养护第28 d时，6、9、18 mm的PVA-沙漠砂水泥基复合材料的平均初裂抗拉强度依次为2.04、1.86、1.81 MPa，平均极限抗拉强度依次为3.74、3.36、3.02 MPa；相比于普通混凝土试件的平均初裂抗拉强度1.33 MPa、平均极限抗拉强度1.63 MPa具有显著提升。

　　PVA纤维的掺入能够提高水泥基复合材料的拉伸性能，且随着纤维长度的增大，PVA-沙漠砂水泥基复合材料的抗拉强度逐渐减低。如图4所示，试件表面在拉伸过程中会出现许多裂纹，这时连接裂纹两端的纤维并未断裂，而是在裂纹表面产生一个压应力[11]，以抵消外加应力的作用，从而使裂纹难以进一步扩展，提高了试件的延展性与抗拉强度；当纤维长度较长时，纤维在拌合过程中更容易结块，则会导致分散性不良，抗拉强度降低。

　　3结论

　　本文在水胶比为0.35，砂胶比为0.46，纤维体积分数为2%的前提下采用6、9、18 mm的PVA纤维结合新疆本地沙漠砂与粉煤灰制备PVA-沙漠砂水泥基复合材料，探究了纤维长度对水泥基复合材料流动度与抗拉强度的影响，所得结论如下：

　　6、9、18 mm的PVA纤维均会降低水泥基复合材料的流动度，随着PVA纤维长度的增大，对流动度的影响结果越弱。密度与体积分数一定时，长度越短的纤维根数越多，表面积越大，对砂浆的吸附越强，从而纤维长度越短，水泥基基体流动度越低。

　　6、9、18 mm的PVA-沙漠砂水泥基复合材料的平均初裂抗拉强度分别为2.04、1.86、1.81 MPa，平均极限抗拉强度分别为3.74、3.36、3.02 MPa，相比于普通混凝土试件其抗拉强度提高超过60%，且随着纤维长度的增大，PVA-沙漠砂水泥基复合材料的抗拉强度逐渐减低。

　　参考文献

　　[1]卢瑞珍.钢纤维增强砂浆试验研究[J].华东水利学院学报，1978（1）：135-144.

　　[2]陈润锋，张国防，顾国芳.我国合成纤维混凝土研究与应用现状[J].建筑材料学报，2001（2）：167-173.

　　[3]Victor CLi,Christopher KY.Leung.Steady state and multiple crack-ing of short random fiber composites[J].Journal of Engineering Me-chanics,1992,118(11):2246-2264..

　　[4]Xiaoyan Huang,Ravi Ranade,Wen Ni,et al.Development of greenengineered cementitious composites using iron ore tailings as aggre-gates[J].Construction and Building Materials,2013(44):757-764.

　　[5]徐世烺，李贺东.超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用[J].土木工程学报，2008（6）：45-60.

　　[6]生兆亮，夏多田，程建军，等.纤维增强沙漠砂混凝土配合比试验研究[J].混凝土与水泥制品，2020（7）：47-50.

　　[7]张艺馨.沙漠砂制备高韧性纤维增强水泥基复合材料单轴拉/压力学性能分析[D].银川：宁夏大学，2019.

　　[8]隋同波，周健，张利俊，等.高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法：JC/T 2461—2018[S].北京：中国建材工业出版社，2018.

　　[9]中国建筑材料科学研究院.水泥胶砂流动度测定方法：GB/T 2419—2005[S].北京：中国标准出版社，2005.

　　[10]乔治.ECC/RC组合框架结构抗震性能试验与理论研究[D].南京：东南大学，2019.

　　[11]蔡向荣.超高韧性水泥基复合材料基本力学性能和应变硬化过程理论分析[D].大连：大连理工大学，2010.