有关复合材料专升本论文范文 和上浆处理对PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能的影响方面本科论文范文

《上浆处理对PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能的影响》

本文是关于复合材料方面专升本论文范文跟复合材料力学和上浆和纤维增强有关专升本毕业论文范文。

王贺a,Arain Muhammad FAHADa,张华鹏b

（浙江理工大学,a.先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室；b.生态染整技术教育部工程研究中心,杭州 310018）

摘 要: 为提高水泥基复合材料的韧性,通过在高强聚乙烯醇纤维表面上浆的方式,调控高强聚乙烯醇纤维与水泥之间的界面粘结状态,考察了上浆前后和上浆量对水泥基复合材料抗压和抗弯性能的影响.结果表明：高强聚乙烯醇纤维表面上浆后,2%体积掺量聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的抗压强度稍有增加,抗弯强度有一定程度下降,但抗弯断裂应变和抗弯断裂能大幅度提高,抗弯时受拉侧呈现多裂纹开裂模式；上浆率过高或过低,水泥基复合材料抗弯韧性均有下降.

关键词： 纤维增强水泥基复合材料；高强聚乙烯醇纤维；上浆处理；韧性；力学性能

中图分类号： TS03

文献标志码： A

文章编号： 1673\|3851 (2017) 06\|0790\|06

0引言

水泥材料是当代应用最为广泛的建筑材料,但水泥抗拉强度低、韧性差和开裂后裂缝宽度难以控制等缺点,大大影响了水泥建筑结构的耐久性和使用寿命［12］.为克服水泥的这些缺点,以高强高模聚乙烯醇（polyvinyl alcohol,PVA）纤维为典型代表的纤维增强水泥基复合材料应运而生.国内外学者根据断裂力学和微观力学原理,对纤维、水泥基体及其界面进行有效设计,从而实现对复合材料的断裂韧性和裂纹扩展特征的控制,通过应变硬化和多微细裂纹扩展来提高水泥基复合材料的韧性［35］.由于增强水泥基复合材料具有高韧性、低开裂、多微细裂纹开裂等特征,因此该材料在水泥结构工程修复、水泥面层设计、道路桥梁等多种领域具有广阔应用前景.

已有研究表明,纤维的几何特征（细度、长度、长径比）、纤维的力学性质、水泥基体的配方、纤维体积掺量以及纤维和水泥基体之间的界面结合等因素对纤维增强水泥基复合材料的加工性能和力学性能均有影响［6］.Li等［7］研究表明PVA纤维经过特殊油剂处理后PVA纤维和水泥基体之间的粘合力降低,PVA纤维增强水泥基复合材料（engineered fiber reinforced cementitious composites,ECC）的极限断裂应变增加,裂缝宽度减小.目前国内还没有关于PVA纤维经过特殊油剂表面处理的研究报道.当前大部分国内PVA纤维增强水泥基复合材料均采用日本可乐丽公司的高强高模PVA纤维.由于国产高强高模PVA纤维没有采用合理的表面处理和界面调控方案,导致国产高强高模PVA纤维对水泥基复合材料增韧效果不佳,大大限制了国产高强PVA纤维在水泥基复合材料上的产业化应用［810］.

纤维增强水泥基复合材料的界面调控包括基体改性、纤维表面处理和过渡层设计等多种方法.本文选用聚丙烯酸酯/聚氨酯水性乳液上浆剂,研究上浆处理后国产PVA纤维的表面性质及对PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能的影响,为国产高强PVA纤维在增强水泥基复合材料中的应用奠定基础.

1实验部分

1.1实验原料

主要原料：直径35 μm国产高强高模PVA纤维（安徽皖维集团）,AEO9表面活性剂（苏州天申化学有限公司）,NaOH（杭州高晶精细化工有限公司）,聚丙烯酸酯/聚氨酯水性乳液上浆剂（上海光易化工有限公司）,REC15（日本可乐丽公司）.

1.2纤维表面处理

用2 g/L AEO9表面活性剂、1 g/L NaOH配置清洗液,浴比：1∶10,水温：85 ℃,时间：30 min,清洗4次,并烘干.预处理目的是除去PVA纤维表面纺丝油剂和杂质.

配制50 g/L的聚丙烯酸酯聚氨酯共聚型水性浆料,采用双辊轧车对纤维进行上浆处理,得到经过不同上浆处理的PVA纤维.处理条件：浴比：1∶5,浸渍时间10 min,浸轧压力：0.5 kg/cm2,采用一浸一轧和两浸两轧两种浸轧方式.未上浆PVA纤维表面清洗后烘干温度100 ℃,时间30 min.上浆时烘干温度：120 ℃,烘燥时间：10 min.上浆处理后分两组测定PVA纤维表面上浆率,每组有3个试样,测定PVA平均上浆率.

1.VA纤维增强水泥基复合材料试件的制备

将水、水泥、粉煤灰、硅灰、精细砂质量比为1.0∶2.0∶2.1∶0.1∶0.8的水泥中掺入2%体积含量的PVA纤维,采用NJ160A型水泥胶砂搅拌机（浙江省上虞市土工仪器有限公司）搅拌混合,制备PVA纤维增强水泥基复合材料试件,试件自然养护28 d后测试其力学性能.抗压试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm（高×厚×长）,三点弯曲试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm（高×厚×长）.

单纤维抽拔测试试块的制备：锯出脱模试样包含1根纤维的小样品,把脱模试样切割成5 mm×3 mm×10 mm（高×厚×长）的水泥试块,其中纤维埋入水泥的长度L≤4 mm,以确保完全脱粘.

1.4测试与表征

通过表面接触角仪（JY82B,承德鼎盛试验机检测设备有限公司）测试处理后纤维的浸润性,控制液体滴出体积为30 μL,接触角的范围为0~180°.用单纤维电子强力仪（LLY06A/B,莱州市电子仪器有限公司）分析处理后纤维力学性能,量程100 cN,隔距长度为10 mm,拉伸速度为10 mm/s.场发射扫描电子显微镜（S4800 FESEM,日本Hitachi公司）观察PVA纤维的表面形貌,选择加速电压为3.00 kV,放大倍数2000.根据 JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行抗压试验,GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行三点弯曲试验.用500 kN万能材料试验机（WE30,无锡建筑材料仪器机械厂）对试件进行压缩和三点弯曲试验.压缩试验测试条件：加荷速度为1.20 kN/s.三点弯曲试验测试条件：加载位移速率为0.05 kN/s.在单纤维抽拔试验测试中,使用10 N测力传感器测量纤维的抽拔力,加载速率为0.06 mm/s,将埋置纤维的水泥试块一段粘合在样品台上,将纤维自由端用强力胶水粘合到两块铝片之间,将铝片夹持到试验机夹头中,纤维自由纤维长度最大为1 mm.

2结果与讨论

2.1聚乙烯醇纤维的表面形貌

测定通过一浸一轧和二浸二轧后聚乙烯纤维的上浆率,其测试结果见表1.经过两道浸轧后,纤维上浆率增加.

表1聚乙烯醇纤维上浆率

聚乙烯醇纤维

上浆处理方式上浆前纤维

干重/g上浆后纤维

干重/g上浆率/%

一浸一轧25.0025.401.60

二浸二轧25.0025.602.40

为了观察上浆处理后PVA纤维表面的形貌,对改性前后PVA纤维纵向和横截面进行了扫描电镜测试试验,其扫描电镜照片如图1和图2所示.图1（a）是未上浆的PVA纤维表面形貌,有竖状条纹和沟槽,且附着一些形状各异的杂质颗粒,纤维表面比较粗糙.图1（b）、图1（c）分别是一浸一轧和二浸二轧上浆后的PVA纤维表面形貌,由图1可以看出,经过上浆剂的处理后,PVA纤维表面没有了竖状沟槽,表面附着了一层浆膜.从图2可以看出上浆剂处理对PVA纤维截面形貌影响不大.

图1上浆前后PVA纤维表面SEM照片

图2上浆前后PVA纤维截面SEM照片

测试上浆前后PVA纤维的FTIR图,如图3所示.由图3（b）可以看出上浆后的PVA纤维在波长1728.5 cm-1处出现了C等于O的特征峰,在波长1281.3 cm-1和1189.5 cm-1处出现了C－O吸收特征峰,说明改性PVA纤维表面引入了一定量的羰基.

a.未改性PVA纤维；b.改性PVA纤维

图3上浆前后PVA纤维的FTIR图

测试未上浆和经过上浆处理后PVA纤维表面接触角变化情况,其结果如图4所示.由图4可看出随着上浆率的增加,PVA纤维的接触角总体呈上升的趋势,且二浸二轧比一浸一轧上升趋势更明显,接触角越大,纤维越疏水,且均小于90°,纤维上浆处理后均表现出一定亲水性［11］,因此PVA纤维经过改性,可以适当降低纤维亲水性.

图4PVA纤维接触角测试

2.2聚乙烯醇纤维的力学性能

测试上浆前后聚乙烯醇纤维力学性能,其结果见表2.由表2分析可知,上浆后高温（120 ℃、10 min）烘干时,通过一浸一轧和二浸二轧上浆处理对聚乙烯醇纤维力学性能影响不大,与未上浆处理（100 ℃、10 min）相比,上浆后纤维拉伸强度稍有下降,模量稍有下降,断裂伸长率稍有增加,这主要与PVA纤维的上浆烘干条件有关,在保证上浆剂在纤维表面成膜良好的情况下,尽可能降低烘干温度,可以保证纤维的力学性能,尤其是模量的下降.国产未上浆PVA纤维和日本可乐丽增强水泥用PVA纤维（REC15）相比力学性能还有一定差距.

表2上浆前后聚乙烯醇纤维力学性能变化

纤维样品密度/

(g·cm-3)拉伸强度

/MPa弹性模量

/GPa断裂伸

长率/％

未上浆1.301200.131.55.65

上浆后

（一浸一轧）1.311191.630.75.85

上浆后

（二浸二轧）1.311190.530.85.91

REC15

（日本可乐丽）1.321600.341.16.00

2.3聚乙烯醇纤维增强水泥的抗压强度

为了测试聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的抗压强度,其结果见表3.表3表明,经过上浆处理的PVA纤维增强水泥基复合材料的抗压强度均较未上浆处理的稍高,一浸一压方式处理的PVA纤维增强水泥基复合材料较二浸二轧方式的稍高.其原因主要在于,经过上浆处理后,PVA纤维与水泥之间的粘结力发生变化,比未上浆处理的界面粘结力稍低一些,从而一定程度上遏制了压缩裂纹的扩展,提高了PVA纤维增强水泥基复合材料的抗压强度.

表3聚乙烯醇纤维增强水泥基

复合材料试样抗压强度

纤维样品抗压强度/MPa

平均值标准差

未上浆49.31.17

上浆后（一浸一轧）52.11.95

上浆后（二浸二轧）50.51.55

2.4聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的抗弯性能

为了分析聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的弯曲力学性能,测试结果如图5所示.由图5可知,曲线c与曲线b的断裂应变相近且都大于曲线a,曲线c的极限应变最大.曲线a的抗弯强度大于曲线b和曲线c.图5表明PVA纤维通过二浸二轧上浆处理,其纤维增强水泥基复合材料试样的抗弯强度有所降低,但其极限断裂应变明显提高.图5中曲线的纵横坐标所围面积大小可表征纤维增强水泥基复合材料的弯曲断裂能的大小,由图5可知：上浆处理后PVA纤维增强水泥基复合材料的抗弯断裂能增加,韧性变好.由于水泥抗压强度远大于抗拉强度,因此弯曲时受拉侧首先出现裂纹,裂纹进一步扩展至受压侧,造成水泥的弯曲破坏.为了观察聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的弯曲断裂形态,用相机拍摄其裂纹扩展特征,如图6所示.从图6中可看出经上浆处理后,试样弯曲时受拉侧裂纹数增加,主裂纹也从一条提高到三条以上,裂纹变细变密.这种均匀分布的微裂纹可以缓和主裂纹尖端的应力集中或者使主裂纹分岔、偏转,从而增加裂纹扩展单位长度所产生的表面积,释放主裂纹的部分应变能,有效的抑制裂纹扩展,提高材料韧性,部分材料的弹性应变能转换为微裂纹的新生表面能［1213］.微裂纹的存在,降低了材料的弹性模量,故一般情况下,宏观裂缝与微裂纹作用,在一定程度上改善韧性的同时往往也造成了材料强度的略微下降.

a.PVA原样；b.PVA纤维一浸一轧；c.PVA纤维二浸二轧

图5聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的

弯曲力学性能曲线

图6聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的弯曲断裂形态

2.5PVA单纤维抽拔试验结果分析

为了测试PVA纤维与水泥基体的粘结力,对PVA纤维进行了抽拔测试试验,其结果如图7所示.测试PVA纤维抽拔力学性能,其结果见表4.结合图7和表4可知,未处理的PVA原样具有很强的化学粘结和摩擦粘结,界面强度将近达到3 MPa,且纤维脱粘需要的能量为2.8 J/m2,达到最大值.其原因为PVA纤维具有很强的亲水性,纤维与水泥基体周围发生强的水化反应,形成了很强的界面强度,纤维与水泥基体之间有很强的粘结力,纤维脱粘所消耗的能量也很大.PVA纤维经过一浸一轧和二浸二轧的浸轧方式处理,上浆率不断地提高,纤维的界面强度和脱粘能量也不断地降低,降低了20%~40%.原因为上浆剂可以降低PVA纤维表面的亲水性,使纤维与水泥基体之间的化学粘结降低,降低了纤维的粘合能力,导致了界面强度的降低.

a.PVA原样；b.PVA纤维一浸一轧；c.PVA纤维二浸二轧

图7聚乙烯醇纤维的抽拔测试曲线

表4聚乙烯醇纤维抽拔力学参数

PVA纤维样品界面强度

τ0/MPa脱粘能量

Gd/(J·m-2)滑移硬化

系数β

原样2.92.80.7

一浸一轧处理样2.32.50.6

二浸二轧处理样1.71.80.5

由图7和表4可知,未处理的PVA纤维在脱粘后,发生了很强的滑移硬化效应,但是在PVA纤维通过一浸一轧和二浸二轧的上浆剂处理后,上浆率也不断的提高,滑移硬化系数不断减少,使得在抽拔纤维过程中,纤维的负载不断地减少,直到纤维断裂.经过二浸二轧上浆剂处理后,在纤维脱粘后,发生较弱滑移硬化效用,由于纤维与水泥基体的滑移摩擦未超过PVA纤维的拉伸强度,导致纤维完全被抽拔出来.

3结论

a） 高强PVA纤维经过上浆后表面包覆一层浆膜,该浆膜一定程度降低了高强PVA纤维的表面亲水性.120 ℃、10 min上浆烘干处理对纤维力学性能影响不大.

b） 上浆处理后,2%体积掺量的高强PVA纤维增强水泥基复合材料的压缩强度稍有上升,弯曲断裂极限应变和弯曲断裂能明显增加,但弯曲强度有一定程度的下降,上浆处理可以明显增加高强PVA纤维增强水泥基复合材料的抗弯韧性,改善水泥的裂纹扩展特征.

c） 上浆处理后,纤维增强水泥基复合材料在保证一定的抗弯强度时,纤维与水泥基体有较低的界面强度和脱粘能量,纤维与水泥之间容易脱粘,并得到滑移摩擦较大的互补能量,提高了纤维增强水泥基复合材料的韧性.

参考文献：

［1］ LI V C, WANG S, WU C. Tensile strainhardening behior of polyvinyl alcohol engineered cementitious composite (PVAECC)［J］. ACI Material Journal,2001,98(6):483492.

［2］ KANDA T, LI V C. Interface property and apparent strength of highstrength hydrophilic fiber in cement matrix［J］. Journal of Materials in Civil Engineering,ASCE,1998,10(1):513.

［3］ YANG E H, LI V C. Tailoring engineered cementitious composites for impact resistance［J］. Cement and Concrete Research,2012,42(8):10661071.

［4］ 李艳,程格格,刘泽军.聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料单轴受压强度与变形特性分析［J］.工业建筑,2017,47(4):122126.

［5］ 王浩宇,田稳苓.聚乙烯醇纤维水泥基复合材料的力学性能及抗冻性能试验研究［J］.工业建筑,2017,47(1):123125.

［6］ 曹明莉,许玲,张聪.高延性纤维增强水泥基复合材料的微观力学设计、性能及发展趋势［J］.硅酸盐学报,2015,43(5):632642.

［7］ LI V C, WU C, WANG S, et al. Interface tailoring for strainhardening polyvinyl alcoholengineered cementitious composite (PVAECC)［J］. ACI Material Journal,2002,99(5):463472.

［8］ 郑雎宁,张建雷,李立顶,等.聚乙烯醇纤维水泥基复合材料研究进展［J］.青海交通科技,2016(2):2224.

［9］ 彭明强,李国友,范磊,等.国产PVA纤维用于高韧性纤维增强水泥基复合材料的试验研究［J］.混凝土与水泥制品,2016(2):5862.

［10］ 赵颖,王悦.基体组成对PVA纤维增强水泥砂浆弯曲性能的影响［J］.北方交通,2015(7):9396.

［11］ 杨忠.聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料力学性能试验研究［J］.混凝土与水泥制品,2015(4):4548.

［12］ 田砾,史建丽,赵铁军,等.应变硬化水泥基复合材料高温后弯曲韧性研究［J］.硅酸盐通报,2015,34(4):111114.

［13］ 潘钻峰,汪卫,孟少平,等.混杂聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料力学性能［J］.同济大学学报(自然科学版),2015,43(1):3340.

Effect of Sizing Treatment on the Mechanical Properties of PVA

Fiber Reinforced Cementbased Composite Material

WANG Hea, Arain Muhammad FAHADa, ZHANG Huapengb

(a.Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology, Ministry of Education;

b.Engineering Research Center for EcoDyeing & Finishing of Textiles, Ministry of

Education, Zhejiang SciTech University, Hangzhou 310018, China）

Abstract： To enhance the toughness of cementbased composite materials, the bonding strength of interface between highstrength polyvinyl alcohol and cement is adjusted and controlled by means of surface sizing with highstrength polyvinyl alcohol fiber. On this basis, comparison of the compressive property and flexural property of cementbased composite material is made before and after sizing, and the influence of sizing amount on the compressive and flexural properties is analyzed. The results show that, by surface sizing with highstrength polyvinyl alcohol fiber, the compressive strength of cementbased composite material reinforced with 2% volume fraction polyvinyl alcohol fiber is slightly enhanced, the flexure strength is reduced considerably, but the bending failure strain and bending fracture energy are largely improved, and the tensile side cracks; both excessively high and low sizing percentages will lead to reduction in the flexural toughness of cementbased composite material.

Key words： fiber reinforced cementbased composite material; highstrength polyvinyl alcohol fiber; sizing treatment; toughness; mechanical properties

(责任编辑： 唐志荣)

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