CN110330279A - 一种pva纤维和钢纤维增强混凝土的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备方法，属于无机聚合材料领域，该方法包括：材料预处理：称取水、偏高岭土、粉煤灰、骨料、碱激发剂、PVA纤维、钢纤维、减水剂；PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备：将PVA纤维、粉煤灰、偏高岭土搅拌，混合均匀后加入骨料，搅拌，加入钢纤维，搅拌，加入碱激发剂和减水剂，搅拌，即得PVA纤维和钢纤维增强混凝土。本发明采用粉煤灰、偏高岭土、氢氧化钠、氢氧化钾、水玻璃和骨料制备GPC，具有良好的力学性能和优良的断裂特性，在建筑、路桥、水利、军事等领域具有十分广阔的应用前景。

Description

一种PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备方法

技术领域

本发明涉及无机聚合材料领域，特别是涉及一种PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备方法。

背景技术

地聚合物(Geopolymer)是指利用碱性激发剂对含有大量硅铝氧化物的天然矿物或固体废弃物进行催化激发，最终所有材料聚合形成以SiO₄与AlO₄为主要存在形式的三维网络凝胶体。其形成过程大致可分为四个部分：首先，负责提供硅铝氧化物的固体原材料在高碱环境中发生溶解反应；其次，这些溶解出的硅铝配合物从固体表面向溶液中扩散，同时形成聚合硅酸和硅铝低聚体；第三步，通过缩聚反应硅铝低聚体形成硅铝聚合物，并与聚合硅酸一起形成含水的凝胶相物质；最后，硅铝凝胶脱水再次缩聚，最终形成硬化的地聚合物固体。由地聚合物作为主要胶凝材料制备而成的混凝土称为地聚合物混凝土(GeopolymerConcrete)，简称GPC。

地聚合物中这种三维网状结构的存在使其表现出许多特有的性质特征：(1)由于分子间化学连接键是以共价键的形式存在，因此材料整体表现出很高的强度；(2)这种三维结构极其稳定，胶体与晶体结构之间的界面区域不会出现强度不够的情况；(3)稳定的结构也使得整体材料性能不会因内部胶体失水和晶体脱水而发生较大变化，表现出较低的收缩率特征；(4)由于SiO₄与AlO₄四面体单元相互间结合稳定，材料内部不存在易与介质起化学反应的水化物，因此其耐侵蚀耐腐蚀性能良好；(5)普通混凝土在凝结硬化过程中会产生水灰比较大的过渡环，降低了表面强度造成混凝土内外应力分布不均的现象。而在GPC中则不会产生这种情况，所以其界面环结构将优于普通混凝土。

同时地聚合物整体表现出许多外在的优异特征：(1)拥有非常好的耐久性能：硅铝酸盐矿物粉末可以吸收碱金属离子，而在地聚合物中残留有大量这种物质，整个吸收过程将持续到矿物粉末被消耗一空，显著弱化了碱骨料反应，与普通硅酸盐水泥相比耐久性良好；(2)生产过程污染低耗能小：在制备过程中不采用“两磨一烧”的煅烧工艺、无需消耗大量资源和能源、基本不排放CO₂，并且其原材料为价格低廉、来源广泛的低钙Si-Al质材料；(3)强度高、硬化速度快、力学性能突出：一般地聚合物1d强度可达20～30MPa，28d强度可达到40～60MPa。在一定养护条件下(如高温)，更能在凝结硬化的前几小时内达到最终硬化强度的70％～80％左右；(4)低收缩性：地聚合物7d和28d的收缩率仅分别为0.02％和0.05％，而硅酸盐水泥硬化浆体7d和28d的收缩率高达0.10％和0.33％；(5)渗透率低，能够用于固定核废料及有毒金属：地聚合物混凝土有类沸石的结构特点，对重金属离子的溶出有良好的阻止作用，能够很好地固定有毒金属还能够有效阻止核废料的侵蚀；(6)耐高温，隔热效果好：可轻易抵抗1000～1200℃高温的炽烤而不产生大的性能变化，其导热系数为0.24～0.38W/m·K，可与轻质耐火粘土砖相媲美。

综上所述，地聚合物及其混凝土所具有的特性使其在水利市政、道路桥梁、地下工程、海洋工程及相关军事领域等方面拥有相当广阔的应用前景，有望成为硅酸盐水泥的替代产品。然而，众所周知，混凝土材料的脆性越强其韧性就会相应地下降，地聚合物混凝土与普通混凝土类似，均为高脆性的材料，仍具有抗裂性小、脆性大的缺点。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备方法，通过试验研究不同种类纤维和不同纤维掺量对地聚合物混凝土基本力学性能和断裂性能的影响，期望找到改善地聚合物混凝土不足的有效措施，丰富国内此方面的研究成果，以便服务于工程实践。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备方法，包括以下步骤：

(1)材料预处理：称取水、偏高岭土、粉煤灰、骨料、碱激发剂、PVA纤维、钢纤维、减水剂；

(2)PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备：将PVA纤维、粉煤灰、偏高岭土搅拌，混合均匀后加入骨料，搅拌，加入钢纤维，搅拌，加入碱激发剂和减水剂，搅拌，即得PVA纤维和钢纤维增强混凝土。

进一步地，所述材料包括以重量份计的偏高岭土20～30份、粉煤灰15～25份、骨料140～170份、碱激发剂300～400份、水50-70份、减水剂1～5份；

以及，体积掺量为0.1-1.0％的PVA纤维和体积掺量为0.1-5％的钢纤维。

进一步地，所述碱激发剂包括水玻璃和NaOH。

进一步地，所述碱激发剂中水玻璃和NaOH的质量比为5～6：1～1.5。

进一步地，所述PVA纤维和钢纤维增强混凝土中水胶比为0.4，所述水胶比为水料与胶料的比例，所述水料包括水玻璃溶剂和水，所述胶料包括水玻璃溶质、粉煤灰、偏高岭土。

进一步地，所述碱激发剂的模数为1.3，氧化钠的质量分数为16.8％。

进一步地，所述PVA纤维和钢纤维增强混凝土中骨胶比为3.0。

进一步地，所述骨料包括砂和石子，所述砂和石子的质量比为5～6:9～11。

进一步地，所述PVA纤维和钢纤维增强混凝土中砂率为0.35。

进一步地，还包括以下步骤：

碱激发剂配制：将片状NaOH加入水玻璃溶液中，搅拌至固体全部溶于溶液，密封静置12h后使用。

本发明公开了以下技术效果：

地聚合物是一种由SiO₄和AlO₄四面体单元形成的三维立体网状结构组成的无机非金属材料，拥有优良的耐久性、耐高温性能及早期强度，同时具有制备材料来源广泛、生产时耗能低污染小的优点。但地聚合物混凝土与普通水泥混凝土类似，同样具有脆性大、抗拉强度低等缺点，鉴于此，本发明通过在地聚合物混凝土中掺入PVA纤维和钢纤维，以期达到对地聚合物混凝土增韧改性的目的。本发明以碱激发剂(由NaOH和钠水玻璃制备)、偏高岭土、粉煤灰及粗细骨料为主要原材料，并掺入不同体积掺量的PVA纤维和钢纤维，最终制备出性能良好的纤维增强地聚合物混凝土。

本发明采用粉煤灰、偏高岭土、氢氧化钠、氢氧化钾、水玻璃和骨料制备GPC，并选用普通铣削型钢纤维和PVA纤维作为增强纤维材料，其中钢纤维弹性模量较大，与水泥基材料亲和性较好，掺入混凝土中能有效改善混凝土的力学性能和耐久性；PVA纤维抗拉强度较大，在水泥基材料中具有良好的分散性，与混凝土粘结性能较好，增强效果显著。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1PVA纤维和钢纤维增强混凝土原料

本发明中制备PVA纤维和钢纤维增强混凝土所用的原料主要有偏高岭土、粉煤灰、砂、石子、碱激发剂、PVA纤维、钢纤维、减水剂，所用原材料的性能指标届满足试验要求，具体如下：

(1)粉煤灰

本发明中采用的粉煤灰为洛阳电厂生产的I级粉煤灰，其主要成分及物理性能见表1和表2：

表1 I级粉煤灰主要化学成分

表2 I级粉煤灰主要物理性能

(2)偏高岭土

本发明中所用到的偏高岭土为石家庄辰兴实业有限公司生产的优质偏高岭土，活性较好易于被碱激发剂激活，其主要成分含量和物理性能见表3、表4。

表3 偏高岭土主要成分含量

表4 偏高岭土主要物理性能

(3)NaOH

本发明试验采用的固体片状NaOH是由宁夏金海鑫武精细化工有限公司生产，纯度达99.0％。

(4)钠水玻璃

本发明采用河南省郑州市龙祥陶瓷有限公司生产的钠水玻璃(硅酸钠)溶液，主要性能指标见表5。

表5 水玻璃主要指标

(5)砂

本发明中采用的细骨料为河南南阳采砂场生产的天然河砂，过2mm筛最终细度模数为2.7。

(6)石子

本发明中用到的粗骨料为河南南阳采石场生产的级配连续的碎石，粒径范围在5mm-20mm之间。

(7)水

本发明用水为郑州市自来水总公司生产，检测结果见表6。

表6 水主要指标

(8)PVA纤维

本发明采用可乐丽株式会社生产的PVA纤维，主要性能指标见表7。

表7 PVA纤维的性能指标

(9)钢纤维

本发明中采用的钢纤维为河南禹建钢纤维有限公司生产的铣削型钢纤维，其主要参数如见表8。

表8 钢纤维的性能指标

(10)减水剂

本发明中采用中亿化工生产的液体聚羧酸减水剂，主要参数见表9。

表9 高效减水剂主要性能指标

实施例2PVA纤维和钢纤维增强混凝土配合比设计

本发明主要研究PVA纤维和钢纤维不同掺量对纤维增强GPC的基本力学性能和断裂性能的影响，因此在进行配合比设计的过程中主要考虑两种纤维不同的掺量，试验中采用控制变量法，即固定水胶比、骨胶比、砂率、水玻璃模数和碱的含量而单一改变PVA纤维或钢纤维的用量。

由于GPC目前尚处于研究开发阶段，尚无完整统一的配合比设计规程，因此在设计基准GPC的配合比时，主要参照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)以及国内外学者对地聚合物混凝土配合比的研究进展，同时参考多次试配结果。最终结合实际情况选择了既能达到设计强度要求(C40)、耐久性要求、和易性要求，又能符合用料合理、节约材料等经济原则，同时兼顾纤维掺量影响的GPC基准配合比：水胶比[(水玻璃溶剂的质量+外加水)/(水玻璃溶质的质量+粉煤灰的质量+偏高岭土的质量)]为0.4，骨胶比为3.0，砂率为0.35。胶凝材料中使用粉煤灰等量替代40％的偏高岭土，以满足和易性的要求。碱激发溶液由NaOH和水玻璃搅拌而成，最终制备而得的激发剂的模数为1.3，氧化钠的质量分数为16.8％。试验中采用的PVA纤维和钢纤维的体积掺量分别为0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1.0％和0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％。所选掺量的PVA纤维由于质量较小，不考虑其质量的影响，因此直接掺加进混凝土中，而钢纤维质量较大，因此需要等量替代骨料。

1m³纤维增强地聚合物混凝土中各材料的用量见表10。

表10 1m³纤维增强地聚合物混凝土中各材料用量

表中M代表未掺加任何纤维的地聚合物基准混凝土，P代表掺加PVA纤维的GPC，P1-P5分别代表了PVA纤维五种掺量下的各组GPC，S代表掺加了钢纤维的混凝土，S1-S5分别代表了钢纤维的五种掺量下的各组GPC。

实施例3PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备工艺

在拌制纤维增强地聚合物混凝土的过程中，为了保证纤维在基体中能够均匀分布和自由分散，要考虑到两种纤维的不同性质。其中PVA纤维质轻、长度较短、易于吸附，因此首先将PVA纤维与胶凝材料搅拌2min，混合均匀后加入骨料再搅拌2min，最后加入配制好的碱激发剂和高效减水剂继续搅拌2min；而钢纤维自重较大、质坚、掺入量较大，因此可将钢纤维、胶凝材料和骨料共同混合搅拌2min，后加入激发剂与减水剂搅拌2min。配制碱激发剂时，将片状NaOH加入水玻璃溶液中，搅拌至固体全部溶于溶液，密封静置12h后使用。

根据上述方案，本发明PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)材料预处理：称取水、偏高岭土、粉煤灰、砂、石子、水玻璃、NaOH、PVA纤维、钢纤维、减水剂；

(2)碱激发剂配制：将片状NaOH加入水玻璃溶液中，搅拌至固体全部溶于溶液，密封静置12h后使用；

(3)PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备：将PVA纤维、粉煤灰、偏高岭土搅拌2min，混合均匀后加入砂和石子，搅拌2min，加入钢纤维，搅拌2min，加入碱激发剂和减水剂，搅拌2min，即得PVA纤维和钢纤维增强混凝土。

待混合物搅拌均匀后，将其装入准备好的试模中，移至振动台振动成型，抹平表面，即制成纤维增强地聚合物混凝土试件。地聚合物混凝土的凝结硬化速度极快，在短时间内就可达到较高的强度，因此浇筑好的试件在常温下24h后即可拆模，随后将其放置于标准养护室中养护28d。由于标准养护湿度并不是地聚合物混凝土的最佳养护湿度以及自由水的影响，因此当试件从养护室取出后，需放置室内常温低湿度养护3d后再进行各种试验。

实施例4PVA纤维和钢纤维增强混凝土试验

本发明试验在保证地聚合物混凝土的水胶比、骨胶比、砂率、碱激发剂模数、碱含量等不变的情况下，单一改变PVA纤维和钢纤维的体积掺量(分别是0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1.0％和0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％)，通过开展混凝土标准立方体抗压强度试验、劈裂抗拉试验、抗折试验、静力受压弹性模量试验及非标小梁三点弯曲试验来研究两种纤维对地聚合物混凝土基本力学性能及断裂性能的影响，并结合《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB50081-2002)和《水工混凝土断裂试验规程》(DL/T 5332-2005)确定了试件尺寸及数量。具体试验内容见表11。

表11 纤维增强地聚合物混凝土具体试验内容

关于本发明的技术指标的测定方法均为本领域内使用标准方法，具体可参见最新的国家标准，除非另外说明。

1、抗压性能试验

在本发明的试验中，混凝土的立方体抗压强度的试件尺寸和试验方法与普通混凝土的有关规定基本相同，参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB50081-2002)及《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13-2009)进行试验。

试验结果如表12：

表12 PVA纤维和钢纤维增强地聚合物混凝土抗压强度测试结果

从表12可以看出：

(1)PVA纤维掺量对标准立方体抗压强度的影响规律：从整体来看，少量PVA纤维的掺入对地聚合物混凝土的抗压强度有一定提升作用，但随着纤维掺量的增加强度逐渐下降，甚至出现低于基准GPC强度的现象。具体表现为，基准GPC的抗压强度为43.4MPa，当PVA纤维的掺量为0.2％时，纤维增强GPC抗压强度达到最大值52.2MPa，比基准强度高8.8MPa，增幅达20.3％。随着PVA纤维掺量的继续增加，抗压强度持续下降，在0.6％体积掺量时强度基本与基准强度持平，最终在PVA纤维最大体积掺量1.0％时，混凝土强度达到最低值38.6MPa，降低了4.8MPa，降幅为11.1％。PVA纤维体积掺量在0.2％到0.8％之间，抗压强度呈稳定下降趋势，且下降幅度比0％到0.2％之间的增幅小，因此可预测PVA纤维最佳掺量应在0％-0.2％之间(含0.2％)。

(2)钢纤维掺量对标准立方体抗压强度的影响规律：从整体来看，钢纤维的掺入增大了GPC的抗压强度，且随着纤维体积掺量的增加强度呈现出先稳定增长后下降的规律。具体表现为，当钢纤维的体积掺量由0％逐渐增大到2.0％时，纤维增强GPC的抗压强度逐渐增大，在2.0％时表现出最佳值，其强度由43.4MPa增加到55.4MPa，增量为12MPa，增幅达27.6％。随着纤维掺量逐渐增加到2.5％，抗压强度降低至53.6MPa，但仍较基准强度高出10.2MPa，其增幅仍能达到23.5％。

纤维增强机理分析：PVA纤维是一种亲水性很强的短纤维，当试块脱模放入标准养护室养护时，大量自由水被吸附在纤维周围，不利于纤维与地聚合物间的粘结作用，因此当试块从标准养护室取出后，应放置室内静置3d，使纤维四周的自由水减少到一定程度。而钢纤维是一种尺寸较大的长纤维，且本试验中使用铣削型钢纤维，表面积大于一般钢纤维，吸水性也较强。根据上述两种纤维增强地聚合物混凝土标准立方体抗压强度试验现象及结果分析可知：PVA纤维和钢纤维均能在一定程度上增强地聚合物混凝土的抗压强度，且存在着最佳掺量，对PVA纤维而言最佳体积掺量在0％-0.2％之间，而钢纤维的最佳体积掺量为2.0％。

复合材料理论认为，纤维混凝土是一个统一的整体，混凝土各材料与纤维分布均匀，材料间相互耦合较为理想，在这种条件下，不同的材料之间的粘结状况将直接影响纤维混凝土的整体强度，粘结区越多，强度越高，则纤维混凝土的整体性能越好。纤维的加入能够在一定程度上填充混凝土基体内的微裂缝，产生额外的粘结力，当试块受压时其横向变形及裂缝的扩展受到限制。此外，纤维自身强度也在一定程度上影响了混凝土的强度：PVA纤维强度较低，对混凝土强度产生负向影响，但在掺量较小时，负向影响小于其对混凝土的增强作用；而钢纤维与之相反，一直呈现出正向增强作用。因此，纤维的加入在一定范围内能够增加混凝土的抗压强度。PVA纤维体积掺量在0％-0.2％之间、钢纤维体积掺量在2.0％时，混凝土的整体强度呈现出最佳值，随着纤维量的增加，强度不增反降。分析其原因可能是由于随着纤维掺量的增大，过量的纤维自身分散困难，团聚现象严重，浇筑过程中振捣难以充分，易于产生较多的气泡和内部缺陷。团聚的纤维和内部缺陷造成试件内粘结应力分布不均匀，受压过程中较易产生应力集中现象，造成整体抗压强度的降低。

2、抗拉性能试验

本试验中采用劈裂抗拉试验测试GPC的抗拉性能，参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB50081-2002)及《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13-2009)进行试验。

试验结果如表13所示。

表13 PVA纤维和钢纤维增强地聚合物混凝土抗拉强度测试结果

从表13可以看出：GPC劈拉强度随着PVA纤维体积掺量的增加逐渐升高。基准配合比GPC的劈拉强度为2.64MPa，随着PVA纤维掺量的增加，整体呈现出升高趋势，最终在1％掺量时达到最大劈拉强度3.11MPa，比基准劈拉强度增加0.47MPa，增大了17.8％。在纤维体积掺量低于0.4％时，随着PVA纤维掺量的增加，GPC劈拉强度持续增大的趋势不明显。随着钢纤维体积掺量的增加劈拉强度稳定升高，当掺量由0.5％增加到2.5％时，劈拉强度分别为2.79MPa、2.93MPa、3.03MPa、3.25MPa、3.69MPa，增幅分别为5.7％、11.0％、14.8％、23.1％、39.8％。当钢纤维掺量为2.5％时劈拉强度达到最大值。

两种纤维均对地聚合物混凝土的抗拉性能有增强作用，并随着掺量的增加抗拉性能逐渐增加。PVA纤维和钢纤维在混凝土基体内相互交织，形成错综复杂的三维网络，能够对试件起到“环箍效应”的约束作用，限制试件的横向膨胀。试验过程中，随着荷载的增加，混凝土基体内部的拉应力变大，当其内部应变达到混凝土的峰值应变时，开始有裂缝产生，此阶段纤维仅能提供轻微的粘结应力。裂缝产生后，错杂分布的纤维部分横跨裂缝两侧，此时裂缝处的拉应力完全由纤维来承担，随着纤维体积率的增加，承担拉应力的纤维数量也不断增加，试件整体的劈裂抗拉强度也随之增加。当荷载进一步增加时，没有纤维约束作用的部分继续生成裂缝，且不断扩展范围逐渐增加，承拉纤维所受的拉应力也会变大。当纤维与基体的粘结强度大于纤维的抗拉强度时，纤维就会断裂，反之纤维被拔出。PVA纤维与钢纤维的抗拉强度都较大，试件破坏时大都是被拔出。从纤维的外形来看，本试验中采用的PVA纤维尺寸较短、表面积较小且表面光滑，而钢纤维较长、较大的表面积，两者相比钢纤维与基体的粘结应力更大，并且铣削型钢纤维与基体结合处同时产生一定的机械咬合力，因此试件破坏时表面裂缝更不明显，这表明钢纤维对基体混凝土抗拉性能的增强效应大于PVA纤维。

拉压比：

混凝土的拉压强度比同样是反映其脆性特征的指标，因此本试验对两种纤维增强GPC的拉压比进行了计算。可以看出，GPC拉压比随着体积掺量的增加呈现出先降低后增加的趋势。在体积掺量为0.2％及0.4％时，PVA纤维对GPC抗压强度的增强效率明显高于抗拉强度，拉压比较基准GPC有所降低，试块破坏表现出明显的脆性，其破坏形态类似于基准GPC；随着纤维掺量的继续增加，混凝土的抗压强度逐渐下降，而抗拉强度逐渐上升，拉压比呈增大趋势，试件逐渐表现出一定的塑性。当PVA纤维掺量为1％时，拉压比达到最大0.0804，较基准GPC增大了32.5％。钢纤维体积掺量低于2％时，GPC拉压比的变化幅度不大，钢纤维对GPC的抗拉强度增强效率与抗压强度相当，同时又由于钢纤维在试件产生裂缝后可继续承受拉应力阻止裂缝的扩展，因此试件破坏时表现出一定的塑性，不会产生明显的开裂现象。当纤维掺量增大到2.5％时，拉压比相对于基准GPC增大了13.5％，试块表现出明显的塑性特征。

3、抗折性能试验

抗折强度也被称为弯曲抗拉强度，是反映混凝土抗拉性能的间接指标之一，更能反应出混凝土的抗弯性能、变形能力及韧性等特征。本发明试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB50081-2002)及《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13-2009)进行。

结果如表14所示。

表14 PVA纤维和钢纤维增强地聚合物混凝土抗折强度测试结果

从表中可以看出，

抗折强度随着纤维掺量的增加整体呈现出先增大后减小的趋势。当PVA纤维体积掺量为0.2％时，抗折强度值由基准GPC的4.2MPa增加到5.2MPa，增幅为24.3％。而在纤维体积掺量为0.4％和0.6％时抗折强度分别为5.4MPa和5.6MPa，较基准GPC分别增长了29.2％和33.5％。最终当PVA纤维掺量为0.8％时，抗折强度达到最大值6.1MPa，比基准抗折强度上涨了45％。随着PVA掺量的继续增加，GPC的抗折强度呈现出下降趋势。

随着钢纤维体积掺量的增大，GPC的抗折强度整体呈上升趋势，且上升速率较为稳定。在钢纤维掺量为2.5％时，抗折强度达到最大值9.8MPa，比基准GPC抗折强度升高了134.6％，增韧效果较为显著。

纤维增强机理分析：

整体来看，PVA纤维和钢纤维的加入均提高了地聚合物混凝土的抗折强度。PVA纤维在较低体积掺量时(<0.4％)，GPC表现出与基准GPC相似的脆性特征，掺量较高时其增韧效果整体仍不如钢纤维。

混凝土硬化过程中产生了大量的微裂缝，承受外向拉力时微裂缝附近产生了较大的应力集中，使得混凝土表现出较差的抗拉性能，地聚合物混凝土亦是如此。而根据“纤维间距理论”，适量纤维的加入改善了混凝土内部的应力分布状况，使其抗压性能和抗拉性能都大大增加，同时纤维对混凝土还存在“增韧”效应和“剩余弯曲强度”，即试件在初裂后不会马上破坏，还能在一段时间内继续承受荷载，从而提高混凝土的抗折强度。因此PVA纤维和钢纤维GPC都表现出比基体GPC更高的抗折强度。

抗折试验中试件承受弯矩的影响，是下部受拉上部受压的受弯构件。当PVA纤维掺量较小时，从拉压比可以看出其抗压强度的增长效率远大于其抗拉强度，抗折强度的提高可认为是试件上部受压区起到决定作用。在试件破坏时，由于受拉区的纤维数量较少，裂缝产生后并不能起到很好的侨联作用，因此表现出类似基准GPC的脆性破坏，例如P1组和P2组。随着PVA纤维掺量逐渐增加，混凝土试件开裂后，联接裂缝表面的PVA纤维数量增多，有效地阻止了裂缝的迅速发展，达到峰值荷载时，PVA纤维GPC仍具有一定的承载能力，从而使混凝土的破坏形态由脆性破坏变为有一定塑性的破坏形态。但当PVA纤维掺量过多时，纤维间会发生缠结团聚现象，从而导致分散不均匀，其与地质聚合物的结合变差，不能形成有效的桥联搭接，使纤维的增强效果反而降低，因此在掺量为1.0％时，GPC抗折强度有所下降。

对于钢纤维而言，GPC产生初始裂缝后，钢纤维的侨联作用十分明显，甚至有些试块在达到第一峰值荷载后，试块不会立即破坏，而是随着荷载继续增大最终形成第二峰值荷载，且远大于第一峰值荷载。而且由于钢纤维自身的形状特征和抗拉性能，试件破坏时断面处纤维几乎全为拔出破坏，此过程中消耗了更多的能量，不会产生类似基准GPC的突然破坏。因此几乎所有钢纤维GPC试块的抗折强度均大于PVA纤维GPC，钢纤维表现出对GPC的弯曲性能更强的提升作用。

4、静力受压弹性模量研究

弹性模量是衡量材料变形性能的一项重要参数。从宏观角度来讲，弹性模量的大小反映了材料的形变能力，从微观角度来讲，是反映材料各成分各分子间的键合强度的指标。混凝土是一种复合材料，存在多种因素影响其弹性模量。本试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB50081-2002)进行试验，共分两步：第一步进行GPC轴心抗压强度的测定，第二步测定纤维增强GPC的弹性模量。

结果如表15所示。

表15 PVA纤维和钢纤维增强地聚合物混凝土弹性模量测试结果

从表中可以发现，PVA纤维增强GPC的静力受压弹性模量随着纤维掺量的增加整体呈现出先增大后减小的趋势，最佳掺量为0.2％，最大弹性模量为23.3GPa，比基体GPC弹模增大了27.4％。随着PVA纤维体积掺量的继续增加，弹性模量不断下降，在掺量达到0.8％时，弹性模量下降至低于基准GPC，为17.5GPa，下降了4.4％；掺量达到最大1.0％时，弹性模量为16.1GPa，下降了11.9％。随着钢纤维掺量的增加，GPC的弹性模量同样呈现出先增大后减小的趋势。在掺量为2.0％时弹性模量达到最大值27.0GPa，相比于基准GPC提升了47.7％。其余各掺量的弹性模量依次为23.0GPa、22.8GPa、23.9GPa、26.0GPa，可以看出均高于基准GPC，分别提升了25.9％、25.0％、30.9％、42.1％。

弹性模量随纤维体积掺量变化规律表明，在纤维掺量较少时，PVA纤维和钢纤维均能提升GPC的弹性模量，但较多纤维的掺入反而对GPC产生不利影响。复合材料理论认为，混凝土是其内部材料多相结合的产物，各种成分均能对混凝土本身产生影响。PVA纤维是一种高弹性模量的人工合成纤维，钢纤维的弹性模量更在200GPa之上，同时又由于纤维减少了GPC水化过程中产生的微裂缝，提升了各材料间的粘结作用，因此在掺入纤维后GPC的弹性模量整体呈增强趋势。但纤维的加入不可避免增加了GPC中气泡的含量，同时过多纤维团聚在一块也造成了GPC内部应力分布不均，当气泡和成团纤维对GPC的弹性模量造成的负面效应大于纤维对其的正面效应时，纤维增强GPC弹性模量整体呈现出减小趋势。

本发明尝试对两种纤维增强GPC的标准立方体抗压强度和弹性模量通过散点图进行拟合，发现PVA纤维和钢纤维GPC的弹性模量与抗压强度均线性相关，相关系数分别为0.983和0.967，相关性良好。

5、纤维增强地聚合物混凝土断裂性能

本试验参照《水工混凝土断裂试验规程》(DL/T 5332-2005)和《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13-2009)，通过三点弯曲断裂试验和双K断裂模型，对PVA纤维和钢纤维不同掺量情况下GPC试件的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度、有效裂缝长度等参数进行测定，探究纤维掺量对GPC断裂韧性的影响规律。

整理分析得出PVA纤维和钢纤维增强GPC各配合比试块的起裂荷载F_Q、失稳荷载F_S、等效裂缝长度a_c、起裂断裂韧度和失稳断裂韧度见下表16。

表16 PVA纤维与钢纤维增强GPC断裂参数

可以发现，随着PVA纤维体积掺量的增加，GPC的起裂荷载F_Q、失稳荷载F_S、等效裂缝长度a_c、起裂断裂韧度和失稳断裂韧度均呈现出先增大后减小的趋势，且相互之间升降趋势相同。当纤维掺量由0％增大到0.8％时，GPC的起裂断裂韧度和失稳断裂韧度分别由0.349MPa·m^1/2、0.690MPa·m^1/2增加到0.471MPa·m^1/2、1.577MPa·m^1/2，相对于基准GPC增长了35.0％、128.6％。最佳掺量0.8％时的起裂荷载F_Q、失稳荷载F_S、等效裂缝长度a_c分别为3.16kN、4.92kN、57.94mm。随着纤维掺量增大到1.0％时，所有参数均呈现下降趋势，起裂断裂韧度与失稳断裂韧度分别为0.432MPa·m^1/2、1.336MPa·m^1/2，相对于0.8％掺量时分别下降了11.3％和34.9％。

随着钢纤维体积掺量的增加，GPC的起裂荷载F_Q、失稳荷载F_S、等效裂缝长度a_c、起裂断裂韧度和失稳断裂韧度均整体呈现出一直增大趋势。其中掺量为0.5％时GPC的起裂荷载与起裂断裂韧度较基准GPC的稍微降低，分别为2.03kN和0.332MPa·m^1/2，降低幅度分别为6.5％、4.9％，失稳荷载、等效裂缝长度、失稳断裂韧度分别为3.64kN、64.37mm和1.567MPa·m^1/2，较基准GPC增长了29.7％、35.7％、127.1％。随着纤维掺量继续增加，各参数均一直增大，在2.5％时达到最大，分别为2.96kN、9.69kN、79.62mm、0.446MPa·m^1/2和8.794MPa·m^1/2，其中起裂断裂韧度与失稳断裂韧度的涨幅分别为27.8％与1174.5％。钢纤维GPC的失稳断裂韧度增长十分明显，远远大于起裂断裂韧度的增长速率。

由上述纤维体积掺量对GPC断裂韧度的影响规律可知，两种纤维均能增强GPC的断裂韧性，随着纤维体积掺量的增加，PVA纤维增强GPC断裂韧性呈现出先增强后降低的趋势，而钢纤维增强GPC呈现出一直增强的趋势。

无论是PVA纤维还是钢纤维对GPC的起裂断裂韧度的提高作用并不明显，但对失稳断裂韧度的提高效果显著。分析产生此现象的原因，可能是由于适量纤维的加入减少了混凝土中的微裂缝数量，增强GPC内部的粘结力，同时抑制了微小裂缝向宏观裂缝的扩展，因此提高了试件的起裂荷载，进而增强试件的起裂断裂韧度。但对于具有初始损伤的构件来说，裂缝尖端的应力因子发展十分迅速，很快就能超过GPC的起裂断裂韧度，纤维的加入仅能稍微延缓这一过程，因此对起裂断裂韧度的影响不大。

当裂缝进入稳定扩展阶段时，纤维的侨联作用起到了决定作用：当裂缝扩展到纤维处，纤维代替基体承受拉应力，直到被拉出拉断或者使裂缝产生偏移时，裂缝开展过程才会继续。本试验中两种纤维的抗拉性能及其与基体的粘结性能均表现突出，因此对GPC的失稳断裂韧度有较大的提升。本试验中钢纤维由于其形状特征和长度较大，表现出更好的粘结力，且其抗拉强度大于PVA纤维，更难被拉出或拉断，钢纤维GPC的失稳断裂韧度远超PVA纤维GPC。

在PVA纤维体积掺量增加到1.0％时，试件的断裂韧性有所下降，造成这一现象的原因可能是，随着纤维量的增多，产生团聚现象的纤维数量增多，同时产生更多的气泡，造成基体内部应力分布不均及在裂缝开展面上起到侨联作用的纤维数量反而减少，最终造成了起裂断裂韧度和失稳断裂韧度的降低。在钢纤维体积掺量为0.5％时，起裂荷载及起裂断裂韧度较基准GPC稍有下降，可能是由于钢纤维尺寸较大，在掺量较少时，其所引入的微裂缝造成的负向影响大于钢纤维在GPC中的粘结阻裂作用。

钢纤维在试件开裂之后的侨联作用强于PVA纤维，显著改善了试件的延性特征。而对于PVA纤维而言，其增韧效果主要表现在失稳之前的上升段。在PVA纤维掺量较低时，试件在达到失稳荷载之后迅速破坏；当纤维掺量较高时，下降段呈现出先迅速下降，然后到某个阶段时曲线变得平缓，这说明PVA纤维在开裂之后也能在一定程度上改善试件的延性。但综合比较而言，钢纤维GPC表现出更为优异的延性特征和断裂性能。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)材料预处理：称取水、偏高岭土、粉煤灰、骨料、碱激发剂、PVA纤维、钢纤维、减水剂；

(2)PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备：将PVA纤维、粉煤灰、偏高岭土搅拌，混合均匀后加入骨料，搅拌，加入钢纤维，搅拌，加入碱激发剂和减水剂，搅拌，即得PVA纤维和钢纤维增强混凝土。

2.根据权利要求1所述的PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备方法，其特征在于，所述材料包括以重量份计的偏高岭土20～30份、粉煤灰15～25份、骨料140～170份、碱激发剂300～400份、水50-70份、减水剂1～5份；

以及，体积掺量为0.1-1.0％的PVA纤维和体积掺量为0.1-5％的钢纤维。

3.根据权利要求1所述的PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备方法，其特征在于，所述碱激发剂包括水玻璃和NaOH。

4.根据权利要求3所述的PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备方法，其特征在于，所述碱激发剂中水玻璃和NaOH的质量比为5～6：1～1.5。

5.根据权利要求3所述的PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备方法，其特征在于，所述PVA纤维和钢纤维增强混凝土中水胶比为0.4，所述水胶比为水料与胶料的比例，所述水料包括水玻璃溶剂和水，所述胶料包括水玻璃溶质、粉煤灰、偏高岭土。

6.根据权利要求3所述的PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备方法，其特征在于，所述碱激发剂的模数为1.3，氧化钠的质量分数为16.8％。

7.根据权利要求3所述的PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备方法，其特征在于，所述PVA纤维和钢纤维增强混凝土中骨胶比为3.0。

8.根据权利要求7所述的PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备方法，其特征在于，所述骨料包括砂和石子，所述砂和石子的质量比为5～6:9～11。

9.根据权利要求8所述的PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备方法，其特征在于，所述PVA纤维和钢纤维增强混凝土中砂率为0.35。

10.根据权利要求3所述的PVA纤维和钢纤维增强混凝土的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：

碱激发剂配制：将片状NaOH加入水玻璃溶液中，搅拌至固体全部溶于溶液，密封静置12h后使用。