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1、1-摘要混凝土是目前土木工程界使用最多的一种建筑材料，但是随着混凝土技术的不断发展，人们对材料复合技术认识不断提高，对混凝土的性能要求大大提高，不仅要保证混凝土的强度，更要保证混凝土的耐久性等一些其他性能。而利用纤维特性可以弥补这些缺陷。PVA（聚乙烯醇）纤维可以有效的提高混凝土的抗压强度、抗冻性，从而提高混凝土的耐久性以及抗变形性同时可以改善混凝土的和易性，对提高混凝土的使用寿命有很大的意义。本文对混凝土的纤维以及 PVA 改性混凝土的工作性能、力学性能、抗裂增韧性能等进行综述研究；并通过实验制备 PVA 纤维混凝土，研究 PVA 纤维对混凝土的坍落度、抗压强度的影响；最后对 PVA 纤维混
2、凝土的发展方向进行了预测。研究表明：（1）在混凝土中加入的 PVA 纤维具有良好的拉伸强度、高弹性模量，可以提高混凝土的各项性能。（2）PVA 纤维加入到混凝土中会导致其稠度增大进而引起混凝土坍落度的下降。（3）在一定范围内，掺加 PVA 纤维会提高混凝土的抗压强度。（3）低掺量的 PVA 纤维也会增强水泥基材料的韧性；实验表明：（1）PVA 纤维掺加到混凝土中会增加混凝土的单位用水量，导致混凝土的坍落度降低了 15%。（2）PVA 纤维掺量为0.2%时对混凝土的抗压强度影响最为显著，其 28d 强度提高了 31%。关键词：关键词：聚乙烯醇纤维；混凝土；抗压强度；耐久性；坍落度2-第一章绪论1
3、.1 PVA 纤维的概述德国化学家Herrmann和Haehnel于 1924 年合成了聚乙烯醇，之后，他们用水溶液通过干法纺丝技术制备聚乙烯醇纤维。干纺工艺相对复杂，所用的聚乙烯醇与普通湿法纺丝所用的相同，高浓度原液在从喷丝头喷出之前被连续加热、挤出、溶解、过滤和脱泡。纤维被凝固剂如热空气凝固，并被成形和拉伸以获得高强度纤维1。因为聚乙烯醇纤维在性能上与棉花非常相似，但是聚乙烯醇纤维在耐磨性、耐晒性、耐腐蚀性和力学性能上要比棉花好得多，而且其密度比棉花低，所以中日两国当时开始研发聚乙烯醇纤维的重要目的是将其应用于民用工业，在当时发展聚乙烯醇纤维的动力是解决国内服装问题。然而，由于聚酯理论，棉
4、纤维等性能更优异，随着时间的发展，聚乙烯醇纤维逐渐被取代经过不断的改进和新工艺的生产，聚乙烯醇纤维受到越来越多的关注，日本科拉公司利用新的纺纱技术成功研发了高强聚乙烯醇纤维。在 2000 年左右，聚乙烯醇纤维的总产量已经达到了 2.5 万吨。日本生产的K-高强高模聚乙烯醇纤维的强度较于之前的聚乙烯醇强度有了很大的提升。目前，它已成为第二大品种的有机高强度纤维。作为一种新型纤维，PVA 纤维具有很多优点：（1）良好的拉伸强度(一般为 1600-2500MPa)，高弹性模量和良好的机械性能，可提高基材的冲击强度和韧性；（2）亲水性好，可均匀分散在水泥基材料中；（3）耐酸碱性好，可与水泥相容；（4）
5、高强 PVA 纤维与水泥之间具有良好的界面结合力，因为 PVA 纤维的非圆形和不规则截面有利于增加纤维与水泥之间的结合面；PVA 的分子结构为(CH2-CHOH)n，其中的碳羟基能与水泥水化物中的羟基形成牢固的碱基结合；图图 1-11-1 PVAPVA分子式分子式（5）直径适中，达 39m2。1.2 PVA 纤维的应用3-PVA纤维在建筑材料、工业、渔业、运输和医用等方面的应用不断扩大。可利用PVA纤维强度好、耐冲击性好以及在成型加工时纤维分散性好的特点，进而生产出质量均匀并得到强化的增强塑料制品，具体可用于制造粘合剂、乳化剂和薄膜等产品。刘白玲3研究了高混机的预混过程对PVA薄膜性能的影响。
6、将PVA和淀粉的热熔液与添加剂混合在一起，用高混机搅拌均匀，然后流延成膜。在搅拌过程中可明显改善了PVA薄膜的透明性以及耐水性。结果分析表明，PVA中直链淀粉的含量越高PVA薄膜的耐水性越好。其次PVA纤维也能增强水泥、石棉板或陶瓷建筑材料方面。在建筑材料方面能体现出其抗拉强度和模量高，亲水性好，使PVA纤维能均匀地分散在水泥基质中4。机械性能良好，可提高建筑材料的韧性和抗冲击强度。抗弹、性抗疲劳性也可以提高且可以防止龟裂。分散性好，建筑材料表面可长时间保持光滑且无剥落现象。耐酸碱性好，适用于各种等级的水泥。通过在混凝土中掺与不掺改性PVA纤维性能对比室内试验及溪洛渡水电站工程应用表明：掺改性
7、PVA纤维能有效提高混凝土劈拉强度、极限拉伸值，减小混凝土干缩率，对提高大坝混凝土的抗裂性能非常有利5。1.3 混凝土的概述水泥混凝土技术从 19 世纪开始起步以来，因其生产工艺比较简单而成为建筑界最常用的建筑材料，但是混凝土的种种缺点影响了其使用范围。我国虽然是当前世界上最大的水泥生产国和混凝土消费国，但我国混凝土的制备工艺却远远不如其他一些国家。由于混凝土要承受各种压力，导致我国混凝土建筑物的平均寿命大大降低，远远西方资本主义国家。混凝土建筑物的耐久性过低导致了很大的环境污染。所以，提高混凝土的耐久性有一定的必要性。对于混凝土的过早劣化，一些国家考虑在混凝土结构设计规范中逐渐突出其耐久性的
8、设计，从之前的只重视强度设计向耐久性与强度共同发展，研究出了一些高性能混凝土。目前，高性能混凝土的发展有以下各种：（1）高强混凝土：高强混凝土密度大，抗变形能力强，抗压强度高，一般是普通混凝土的 46 倍，所以最适宜一些大型建筑。（2）轻混凝土：轻混凝土可分为轻集料混凝土、多孔混凝土、和大孔混凝土。发展轻混凝土是为了解决混凝土自重大的问题，使混凝土轻质、高强。轻混凝土比普通混凝土的保温性能更好，密度更低，质量更轻，可以有效的预防地震等自然灾害。（3）防冻混凝土：抗冻混凝土之所以能够在低温环境下生存是因为在混凝土中掺入了适量的引气剂以及严格控制混凝土的水灰比。虽然使用引气剂是提高混凝土抗冻性的有
9、效方法，但掺入过多的引气剂也会大幅度的降低混凝土的抗压强度，所以，在混凝土中引入的含气量以 4%5%为宜。4-（4）聚合物混凝土：聚合物混凝土是由有机聚合物，无机胶凝材料和骨料结合而成的一种新型混凝土。聚合物混凝土提高了混凝土混凝土的抗拉强度、耐磨、耐蚀、抗渗、抗冲击等性能，并改善了混凝土的和易性。可用于路面修补、地下管线工程等。（5）抗渗混凝土：在混凝土中掺入引气剂或者减水剂，可显著降低混凝土拌合物的泌水率，减少单位加水量，从而使 混凝土内部的孔数量大大减少，提高了混凝土的抗渗性。（6）泵送混凝土：在混凝土中掺入优质粉煤灰，能代替部分水泥，而且能有效降低混凝土中水泥的水化热，防止温度升高。粉
10、煤灰颗粒具有滚珠效应，能改善混凝土的流动性等，从而提高混凝土的可泵性。（7）大体积混凝土：大体积混凝土与普通混凝土的实质区别是混凝土中水泥水化会产生热量，大体积混凝土内部热量比表面热量散失快，使内外温差大，所形成的温度应力使混凝土开裂。所以大体积混凝土尽量采用水化热低的水泥和连续级配的粗骨料6。（8）纤维混凝土：在混凝土中掺入纤维，是为了提高混凝土的力学性能。常用纤维材料有：玻璃纤维、矿棉、钢纤维、碳纤维和各种有机纤维。纤维混凝土目前已逐渐的应用在飞机跑道，桥面，端面较薄的轻型结构和压力管道等处。1.4 PVA纤维改性混凝土的研究进展1.4.1 PVA纤维改性混凝土的工作性能就混凝土的坍落度而
11、言，其影响因素主要有含水量、级配变化、天平的称量偏差、外加剂的用量，还有容易被忽视的水泥的温度等。除此之外，还可以在混凝土中掺加 PVA纤维，加入 PVA 纤维后会增加混凝土砂率和单位用水量，同时混凝土保水性提高，黏聚性好，混凝土的和易性明显增加7。改性原理：PVA纤维混凝土的工作原理与一般的复合材料机理相似，在混凝土中掺入适量的PVA纤维后，水泥作为主要的胶凝材料，在包裹住砂、石等骨料的同时，也包裹住大量的PVA纤维。PVA纤维相互搭接形成了大量散乱分布的网状结构，衬托了骨料，减少了骨料的离析和水分的析出，提高了混凝土的粘结性与保水性，从某种程度上提高了混凝土的抗拉强度和韧性8。改性效果：武
12、铁明等9人的研究表明，当PVA纤维掺入到混凝土中并且充分拌和后，PVA纤维在新拌混凝土中均匀分布并且在其内部构成一种网状的承托体系，这种网状体系就是为了承托骨料，从而有效减少混凝土的内部分层，减少内部空腔的产生：硬化过程中由于PVA纤维以单位体积内比较大的数量均匀分布在混凝土的内部，微裂缝在扩大过程中必然会遭到PVA纤维的阻挡，使其难以进一步发展，增加了混凝土的黏聚性和保水性，从而引起混凝土坍落度的下降。Evans和McMeeking9研究表明：PVA纤维在混凝土拌合物内施加桥联应力，可降低应力强度因子，使PVA纤维在混凝土内部形成桥联关系，从而防止混凝土的泌水离析现象。1.4.2 PVA纤维
13、改性混凝土的力学性能5-诸多因素影响混凝土的各方面性能。在一定范围内，混凝土水灰比越小，混凝土的强度越高，骨料级配也是影响混凝土抗渗性的重要因素。当然，PVA 纤维也是影响混凝土强度的一种因素，在掺量在一定范围内，混凝土的强度会随着纤维的增加而增加，在混凝土强度增加的同时，随之提高的还有混凝土的抗折强度、弹性模量等。改性原理：PVA 纤维掺入到混凝土内，会参与到混凝土结构的受力作用中，其中 PVA纤维的受力是通过混凝土与纤维之间的界面传递。PVA 纤维主要在混凝土中起桥联作用阻止微裂纹的扩展，以此来提高混凝土的韧性、抗裂等性能。可乐丽公司10的试验结果表明：PVA纤维与水泥有较好的相容性，与水
14、泥的粘结程度比钢筋还要强。PVA纤维有很强的耐碱性，能在混凝土的碱性环境中有很高的稳定性。小泉澈比较全面地研究了用PVA纤维增强混凝土。得出结论：砂浆混凝土的强度增加，抗冻性、抗冲击性都有明显增加。2008年郑州大学张鹏、李清富团队11研究了聚乙烯醇纤维对混凝土的抗压强度的影响规律并且做了很多的实验，此团队经过研究发现在一定的纤维掺量范围内，混凝土的抗压强度会随着纤维掺量的增加而增加。除此之外，PVA纤维对混凝土的其他力学性能方面也有很大的改善。PVA纤维对水泥基材料有抗裂增韧性能，主要是因为PVA纤维有高抗拉、高弹性模量以及亲水性好等特点，能与水泥有良好的相容性，所以在一些建筑工程上，可以有
15、效地提高砂浆和混凝土的抗裂、抗变形性能。詹炳根等12采用低掺量（纤维掺量为1%2%）的高强度高模量PVA纤维进行纤维基材韧性的研究。结果表明，随着纤维掺量增大以及砂灰比的减少，高强高模PVA纤维增强了水泥基材料的韧性。王有凯等13对PVA纤维增强水泥基复合材料进行了四点弯曲试验，得到荷载曲线，结果表明，PVA对基准混凝土的变形能力有了很大的改善。1.6 课题研究的目的及意义当今世界上混凝土正在向高性能等方面发展，这就意味着当前混凝土暴露的一些问题需要解决，一般的解决方法是在混凝土中加入活性矿物粉料、高效减水剂或者化学纤维等。其作用是在提高混凝土抗压强度的同时提高混凝土的其他性能。为了提高混凝土
16、各方面的性能，掺加纤维是工程中常常采取的措施之一。从纤维的特点分析改善混凝土的性能，通过实验分析掺加纤维前后混凝土性能的变化情况。通过在混凝土中加入PVA纤维，使PVA纤维与水泥基材混合后能够提升混凝土的工作性能以及力学性能。以PVA纤维作为增强材料的水泥混凝土材料，比普通混凝土的工作性能和力学性能等方面更优。PVA纤维在建筑领域有着广阔的应用前景，合理的应用对提高混凝土结构的耐久性和安全性具有深远的意义。因此PVA纤维改性混凝土的制备方法以及性能研究有一定的6-必要性。7-第二章实验部分2.1 实验所用的原料和仪器2.1.1 实验所用的原料本实验所用原料如表 2-1 所示。表表 2-12-1
17、 实验所用原料一览表实验所用原料一览表原料名称规格生产厂商水泥42.5R南京江南水泥有限公司粗骨料（石子）粒径 5-30mm实验室砂中砂实验室PVA 纤维-常州市天怡工程纤维有限公司聚羧酸减水剂-实验室自来水-常州市自来水2.1.2 实验所用的仪器本实验所用实验设备如表 2-2 所示。表表 2-22-2 实验所用的制备仪器一览表实验所用的制备仪器一览表仪器名称型号生产厂商混凝土抗压试验机TYE-2000无锡建仪仪器机械有限公司混凝土坍落度筒-沧州鑫科建筑仪器有限公司混凝土抗压试模-常州安尔泰仪器制造有限公司鼓风干燥箱101-3A无锡华南仪器有限公司制造电子天平BT-6000上海友声衡器有限公司
18、2.2 实验过程2.2.1 PVA纤维改性混凝土的制备本次实验制备 PVA 纤维改性混凝土选用 42.5R 水泥，混凝土设计强度为 C30,水灰比为 0.39，中砂，砂子含水率为 2.8%，聚羧酸减水剂含量为胶凝材料的 0.3%,在保持配合比不变的情况下改变 PVA 纤维的掺量。设计以下 6 组实验，实验表格见表 2-3。表表 2-32-3 PVAPVA 纤维改性混凝土制备试验表纤维改性混凝土制备试验表水泥/g砂/g水/g减水剂/gPVA 纤维/%1234525742574257425742574454045404540454045408008008008008007.7227.7227.72
19、27.7227.72200.20.40.60.88-6257445408007.7221.0在制备纤维混凝土时采用人工搅拌。实验开始之前应先将所需材料称量完成放置在一旁，其次将所需仪器和将要制备混凝土的地面清洁干净，然后开始试验。首先将水泥和砂倒在已经清洁过后的制备场地上，用刮刀将其拌和至颜色一致；加入粗集料继续拌和，使粗集料在整个干拌合物中分配均匀为止。在拌和过程中用手将成团的 PVA 纤维分散加入至干拌合物中拌合均匀；将拌合物堆成锥形，中心扒成槽型加水继续拌和，来回细拌至少 6 遍，使拌和物充分融合。拌和后应先做混凝土的坍落度性能测试，结束后将混凝土装入成型模具内养护至28d。2.2.2
20、PVA纤维改性混凝土的坍落度性能测试混凝土抗压强度性能测试应符合纤维混凝土应用技术规程（JGJ/T221-2010）（1）首先湿润坍落度筒，将坍落度筒放在地面上,用脚固定住筒的两边,保证在装料时坍落度筒在固定的位置。（2）在装料时应分三层均匀地装入筒内，每层为筒高的三分之一，然后由四周向中心均匀插捣 25 次。装料即将到顶层时,混凝土应装到高出筒口。顶口部分插捣完毕后，用刮刀刮去坍落度筒顶部多余的混凝土。（3）将坍落度筒周围的混凝土清除干净后，迅速垂直提起坍落度筒。（4）量出坍落度筒的高度与混凝土坍落后的最高点之间的差，为改组混凝土的坍落度值；（5）观察坍落后的混凝土试验体的黏聚性和保水性。2
21、.2.3 PVA纤维改性混凝土的抗压强度性能测试混凝土的抗压强度性能测试应符合纤维混凝土应用技术规程（JGJ/T221-2010）（1）按标准方法养护成型试件，成型试模的规格为 100mm*100mm*100mm，放入养护室并养护 28d。（2）取出试件，取相对两面较为平整且气泡小作为试件的受力面。（3）将试件平放在压力机压板中心。（4）在试验过程中应连续均匀地加荷。因为混凝土的强度等级为为 C30，所以加荷速度应该为每秒钟 0.50.8MPa。（5）当试件即将被破坏时,应关闭试验机油门,直到该试件被破坏。随后记录数据。9-第三章实验数据分析及结果3.1 PVA 纤维改性混凝土的工作性能取掺加
22、不同百分比质量的 PVA 纤维（0.2%1.0%）制备的改性混凝土的坍落度测试的值，绘制成如下所示：表 3-1，图 3-1。图 3-2，图 3-3 和图 3-4，图 3-5 是在制备纤维混凝土时的坍落度图以及不同掺量纤维的混凝土对比图。表表 3-1P3-1PVAVA 纤维混凝土的坍落度性能测试纤维混凝土的坍落度性能测试实验组数PVA 纤维的掺量不同质量下的纤维混凝土坍落度不同质量纤维混凝土保水性不同质量纤维混凝土粘聚性1 组0.0%17.3cm轻微泌水一般2 组0.2%16.2cm一般良好3 组0.4%14.7cm良好良好4 组0.6%14.5cm良好良好5 组0.8%13.8cm良好良好6
23、组1.0%14.4cm良好良好图图 3-13-1 P PVAVA 纤维混凝土的坍落度性能测试柱状图纤维混凝土的坍落度性能测试柱状图10-图图 3-23-2 PVAPVA 纤维混凝土的坍落度图纤维混凝土的坍落度图图图 3-33-3 基准混凝土基准混凝土图图 3-3-4 4 掺量掺量 0.2%0.2%PVAPVA 纤维混凝土纤维混凝土图图 3-53-5 掺量掺量 0.4%0.4%纤维混凝土纤维混凝土根据表 3-1 和图 3-1 分析可以观察出混凝土在掺加 PVA 纤维后的坍落度平均值大概在 140mm 左右，较于基准混凝土的坍落度下降了 15%。无论 PVA 纤维掺量怎么改变，PVA纤维混凝土拌合
24、物的坍落度始终小于基准混凝土。经过实验分析可能是由于 PVA 纤维增大了单位用水量，使混凝土拌合物的稠度增大，从而引起混凝土拌合物坍落度的下降。根据图 3-2 可以观察出混凝土在掺加 PVA 纤维后，粘聚性会有所改善，其坍落部分并没有分散过开，而是粘结在一起。图 3-3、3-4、3-5 经过对比可以观察到基准混凝土在拌和的过程中会有轻微泌水现象，而经过掺加一定量的 PVA 纤维后，混凝土的保水性会提高，且在一定掺量下，混凝土的保水性会随着 PVA 纤维的增加而增加。在掺加 PVA 纤维后，混凝土的和易性明显增加。针对掺加 PVA 纤维会导致混凝土坍落度降低这个问题进行研究，可以通过以下几个方法
25、可以解决这个问题：（1）减水剂后掺法。在砂、石、水泥、水拌和之后再加减水剂，能够有效的阻止11-坍落度的损失。（2）掺加混凝土外加剂，使用高效减水剂。（3）掺加缓凝剂，缓凝剂能够有效的阻止坍落度的下降。3.2 PVA 纤维改性混凝土的力学性能混凝土的立方体经过 28d 养护成型，做混凝土立方体的抗压强度测试，得出 PVA 纤维改性混凝土的抗压强度平均值并绘制成如下所示：表 3-2、图 3-6。表表 3-1P3-1PVAVA 纤维的抗压强度性能测试纤维的抗压强度性能测试实验组数PVA 纤维掺量立方体抗压强度平均值/MPa10.0%43.920.2%57.430.4%54.240.6%53.450
26、.8%53.261.0%54.8图图 3-63-6 PVAPVA 纤维混凝土的抗压强度性能测试柱状图纤维混凝土的抗压强度性能测试柱状图根据表 3-1 和图 3-6 分析可以观察出混凝土在掺加 PVA 纤维后的立方体抗压强度确实比基准混凝土的立方体抗压强度要高，但是在图表中可以清楚的看到混凝土的立方体抗压强度在 PVA 纤维掺量为 0.2%时最高，随着 PVA 纤维的增加，混凝土的立方体抗压强度值反而在减少，并不会随着 PVA 纤维的增加而增加。根据图表分析可以得出 PVA 纤维的掺量建议在 0.2%左右，继续掺加 PVA 纤维不会增12-加混凝土的抗压强度值。针对掺加 PVA 纤维会导致混凝土
27、坍落度降低这个问题进行研究，可以通过以下几个方法可以解决这个问题：（1）采用较小的水灰比。尽可能降低水灰比使混凝土拌合物中的游离水分减少。（2）粗细骨料的粒径大小要均匀。采用良好的颗粒级配能够有效的减少孔隙率，孔隙率的减少能够提高混凝土的密实度以及强度。（3）掺外加剂。外加剂对提高混凝土的性能有很大的影响。13-第四章结论与展望4.1 结论本文研究了 PVA 纤维加入到混凝土中对混凝土性能的改变情况，主要分析了 PVA 纤维改性混凝土的工作性能测试和力学性能测试。不掺加任何纤维的混凝土的坍落度与加了不同掺量纤维的混凝土的对比情况以及抗压情况比较。通过以上性能对比，可以得出以下结论：（1）掺入
28、PVA 纤维，会增加混凝土的砂率和单位用水量，导致混凝土的稠度增大，从而引起混凝土的坍落度下降 15%。但是混凝土保水性、黏聚性会有一定的提高，混凝土的和易性也明显增加。（2）当 PVA 纤维掺量在一定范围内，混凝土的抗压强度会随着 PVA 纤维的增加而增加。在 PVA 掺量为 0.2%的时候对混凝土的抗压强度影响最为显著，其 28d 强度提高了31%。但是当 PVA 纤维的掺量超过 0.2%，混凝土的抗压强度会逐渐下降。4.2 展望PVA 纤维和聚丙烯纤维一样，具有改善混凝土性能的特点，PVA 纤维还具有抗拉强度与钢纤维相当、初始模量与混凝土接近、在混凝土中分散均匀、与水泥基体的握裹力强的特
29、点，对混凝土的性能有很大的提高，本文主要研究了 PVA 纤维对混凝土拌和物的工作性能和力学性能的影响，并与基准混凝土进行了对比，最终得出结论。虽然本文本次的课题研究取得了初步成功，由于时间紧张的关系，实验当中仍然有许多不足的地方，希望在今后有所改进。（1）在实验前期我们针对混凝土的制备进行了砂的含水率，砂的细度模数等材料准备初期上的实验，希望能够进一步优化其制备的条件参数和改进其预处理方法，制备更加优质性能的 PVA 纤维改性混凝土。（2）本次实验主要对 PVA 纤维改性混凝土的制备以及坍落度和抗压强度性能上的探索研究，通过资料了解 PVA 纤维对混凝土的改性不仅仅在这两个方面，还能提高混凝土
30、的劈裂抗拉强度、极限拉伸强度以及减小混凝土的弹性模量，在今后有机会探索下 PVA纤维改性混凝土在其他性能方面上的应用前景。（3）本次课题以 PVA 纤维对混凝土的改性做了具体的研究，下次想要尝试 PVA 纤维对砂浆进行改性的实验摸索。14-参考文献1李盛林，秦峰.水溶性聚乙烯醇纤维和聚乙烯醇干法纺丝J.维纶通讯.2004：7-112贾哲，姜波等.纤维增强水泥基复合材料研究进展J.混凝土,2007,8:65-68.3曾祥成，刘白玲等.高速搅拌对淀粉/聚乙烯醇共混物溶液成膜性能的影响期刊论文-高分子学报，1999，（01）4王经纬,欧忠文等.PVA 纤维改性混凝土的研究应用进展J.粉煤灰综合利用,
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