高延性水泥基复合材料用短切PVA纤维的长度优选研究_丁聪.pdf

2023，Vol.37，No.13wwwmater-repcom21080025-1基金项目:浙江省自然科学基金(LTGS23E090002);国家自然科学基金(51778133);华东勘测设计研究院有限公司 201 科技项目(KY2021-ZD-01)This work was financially supported by Zhejiang Natural Science Foundation Project(LTGS23E090002)，the National Natural Science Foundation of China(51778133)and the Technology Program of POWECHINA Huadong Engineering Corporation Limited(KY2021-ZD-01)guoliping691163com。DOI:10.11896/cldb.21080025高延性水泥基复合材料用短切 PVA 纤维的长度优选研究丁聪1，任金明1，王永明1，李新宇1，俞兵1，郭丽萍2，1中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 3100002东南大学材料科学与工程学院，南京 211189为优选高延性水泥基复合材料(HDCC)用短切聚乙烯醇(PVA)纤维的长度，采用 6 mm、9 mm、12 mm、18 mm 和 24 mm 五种长度的 PVA 纤维，在体积掺量为 10%的情况下制备 HDCC，研究 PVA 纤维长度对 HDCC 工作性能、力学性能和纤维桥联能力的影响。结果表明:随着纤维长度的增加，HDCC 新拌浆体流动性逐渐降低，当纤维长度从 6 mm 增加到 9 mm 时浆体流动性显著下降 39%;纤维的掺入提升了 HDCC 的抗压、抗折强度，但其增幅与纤维长度相关性不大;掺入 18 mm 纤维制备的 HDCC 展现出最高的弯曲强度，而掺入 9 mm 纤维制备的 HDCC 展现出最高的跨中挠度和弯曲耗能;随着纤维长度的增加，纤维桥联应力和桥联余能均增大，但由于纤维断裂效应越显著，纤维桥联应力和桥联余能增幅逐渐变缓。基于HDCC工作性能、力学性能以及纤维桥联能力的试验与计算结果，9 mm 长度的 PVA 纤维是较为合适的选择。关键词高延性水泥基复合材料(HDCC)纤维长度工作性能力学性能桥联能力中图分类号:TU528文献标识码:AStudy on PVA Fiber Length Optimization for High Ductility Cementitious CompositesDING Cong1，EN Jinming1，WANG Yongming1，LI Xinyu1，YU Bing1，GUO Liping2，1POWECHINA Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 310000，China2School of Materials Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，ChinaIn order to optimize the PVA fiber length for high ductility cementitious composites(HDCC)，the PVA fibers with 6 mm，9 mm，12 mm，18 mmand 24 mm were adopted in this study，then the effects of PVA fiber length on the workability，mechanical properties and bridging abilities ofHDCC were investigated esults showed that the fluidity of fresh HDCC decreased gradually with the increase of fiber length，and the fluidity sig-nificantly decreases 39%when the fiber length increases from 6 mm to 9 mm The compressive strength and flexural strength of HDCC increasewith the addition of fiber，but it has little correlation with the fiber length HDCC with 18 mm fibers showed the highest bending strength，whileHDCC with 9 mm fibers showed the highest mid-span deflection and bending energy consumption Micromechanical analysis shows that with theincrease of fiber length，the fiber bridging abilities are stronger，the increase of fiber bridging stress and complementary energy gradually slowsdown due to seriously ruptured effect of fibers Based on the test and calculation results of HDCC working properties，mechanical properties andfiber bridging capacity，the more appropriate choice of 9 mm fibers is obtainedKey wordsHDCC，fiber length，working performance，mechanical property，bridging ability0引言高延性水泥基复合材料(High ductility cementitious com-posites，HDCC)因其稳定的应变硬化特征、超高的拉伸延性和优异的裂缝控制能力而在增强结构的安全性、耐久性及可持续性方面具有显著优势1-2。HDCC 优异的性能来源于裂缝扩展过程中纤维所发挥的桥联作用，纤维本身的物理力学性能则直接决定了纤维桥联能力的上限水平，因此可通过调整纤维的特性来获取更强的纤维桥联能力，以提高 HDCC 的力学性能3。纤维的物理力学性能参数包括拉伸强度 fu、弹性模量Ef、长度Lf和直径df，如纤维拉伸强度越高，理论上纤维可以实现的桥联能力就会越强。但是对于特定的纤维类型来说，如目前制备 HDCC 最常采用的 PVA 纤维，PVA 纤维的力学性能(拉伸强度和弹性模量)主要取决于纤维截面上大分子链数目、化学键能和链伸展的均匀性，纤维中分子链键能越大，理论上纤维的拉伸强度和弹性模量就越高，即聚乙烯醇高分子的聚合度和生产工艺是决定PVA纤维力学性能的主要因素4-5。因此，通过对PVA 纤维力学性能的调控来提升 HDCC 性能实际上是很困难的，纤维的生产技术和工艺取决于纤维制造商。而 PVA纤维的物理性能(长度和直径)由纤维加工工艺确定，如纤维直径是由初生纤维经过拉伸工艺确定，纤维长度则由纤维长丝经切断工艺确定。因此，对纤维尺寸(长度和直径)的调控更具有可行性和操作性6，美国密西根大学 Li 教授也指出纤维长度是较易调控的参数指标7。选择合适的纤维长度对 HDCC 的制备至关重要，合适的纤维长度可以实现 HDCC 性能的优化，不适合的纤维长度不仅会导致 HDCC 性能较差，还会造成纤维性能的浪费，特别是对于价格相对昂贵的高弹高模有机纤维，导致 HDCC 性能/成本比较低。目前，文献报道中 PVA 纤维长度最常采用12 mm 和 8 mm8-12，此外也有部分研究采用了较短的6 mm13-14 以及较长的 15 mm15，甚至最长 24 mm16 的 PVA纤维。关于纤维长度对 HDCC 性能影响的研究，谭明轮等17 探究了长度为 3 mm、6 mm、9 mm 和 12 mm 的 PVA 纤维对HDCC流动性、抗折及抗压强度的影响，结果表明，掺入 PVA21080025-2纤维后水泥浆体的流动性和坍落度均出现降低，但流动度的降低程度与纤维长度无关。较长的 PVA 纤维可以提高 HDCC的抗折强度，但其抗压强度与纤维长度并无相关性。余保英等18 采用长度为 6 mm、8 mm、12 mm 的PVA 纤维制备HDCC，研究了不同长度纤维对材料力学性能的影响。与谭明轮等17 得出的结果不同，余保英等18 的研究结果表明，新拌浆体的流动度会随着纤维长度的增加而不断降低，试样28 d的抗压强度随着纤维长度的增加而不断增大，抗折强度则变化较小。Georgiou 等19 通过对掺入长度为8 mm 和12 mm PVA 纤维的 HDCC 的抗压性能、单轴拉伸性能和弯曲性能进行研究，得出纤维长度对抗压强度的影响较弱，不同纤维长度的HDCC 的抗压强度差异小于 20%。而掺入长度较长的 PVA纤维使得 HDCC 展现出更好的拉伸性能和弯曲性能，相较于8 mm PVA 纤维的 HDCC，12 mm PVA 纤维的 HDCC 拉伸性能的极限拉伸强度提高了 150%，拉伸延性提升了约 300%，在三点弯曲和薄板弯曲下，较长纤维的 HDCC 均实现了更高的弯曲强度。然而，Sasmal 等20 的研究结果与 Georgiou 等截然不同，Sasmal 等指出当纤维长度从 8 mm 增加到 12 mm 时，HDCC 试件的弯曲强度并未显著提升，甚至在 PVA 纤维体积分数为 20%时出现轻微下降。Lu 等21 基于建立的拉伸应力应变模型计算了长度为 10 mm、12 mm 和 14 mm PVA 纤维的 HDCC 拉伸应力-应变关系。结果显示 PVA 纤维长度越长，HDCC 的极限拉伸强度越高，但是长度过长会引起纤维的大量断裂，断裂的纤维无法继续发挥桥联作用，因此掺入12 mm PVA 纤维的 HDCC 表现出最好的拉伸延性，比掺入10 mm和 14 mm PVA 纤维的 HDCC 高 77%。从目前的研究可以看出，纤维长度对 HDCC 工作性能和力学性能的影响规律并无明确结论。基于此，本工作采用 6 mm、9 mm、12 mm、18 mm 和 24 mm五种长度的 PVA 纤维制备 HDCC，研究纤维长度对 HDCC 流动性、抗压、抗折性能和弯曲性能的影响，通过单根纤维拔出实验测试纤维/基体界面微观力学参数，并基于微观力学桥联理论，研究纤维长度对纤维桥联能力的影响，揭示纤维长度对 HDCC 力学性能影响的机理。1实验11原材料水泥采用南京海螺公司生产的 PII 425 硅酸盐水泥，比表面积为 370 m2/kg;粉煤灰采用南京热电厂生产的 级粉煤灰，比表面积为 454 m2/kg，密度为 2 240 kg/m3;细集料采用普通细河砂，其粒径范围为 015060 mm，细度模数为 14;减水剂采用粉体聚羧酸类高性能减水剂，减水率大于 20%;纤维采用高强高模短切聚乙烯醇(PVA)纤维，其表面经过质量分数 12%的油剂处理，选择 6 mm、9 mm、12 mm、18 mm 和 24 mm 五种长度的 PVA 纤维，PVA 纤维的物理力学性能如表 1 所示，PVA 纤维外观如图 1 所示。12HDCC 配合比与制备方法本研究采用相同 HDCC 基体配合比，掺入不同长度的PVA 纤维，研究纤维长度对 PVA-HDCC 性能的影响，HDCC配合比如表2所示。考虑到掺入长度较长的纤维时，HDCC表 1PVA 纤维物理力学性能指标Table 1Physical and mechanical properties of PVA fiber拉伸强度MPa弹性模量GPa伸长率%直径m长度mm密度gcm31 260308103962413表 2HDCC 配合比(质量比，%)Table 2Mix proportion(mass ratio，%)of HDCC水泥粉煤灰砂子水/胶凝材料减水剂/胶凝材料PVA 纤维(体积掺量)02008003003000810%图 1高强高模短切 PVA 纤维:(a)纤维外观;(b)不同长度的纤维Fig1High strength and high modulus short PVA fiber:(a)fiber appea-rance;(b)fibers with different lengths搅拌和纤维分散会变得困难，本研究将纤维体积掺量设置为1%。HDCC 制备工艺与养护制度为:(1)将水泥、粉煤灰、砂子和外加剂等干混料在 140 r/min速率下搅拌 1 min 至干混料混合均匀;(2)加水搅拌至干混料成浆体状态，并在 280 r/min 速率下继续搅拌 35 min 至浆体均匀;(3)缓慢加入 PVA 纤维，待 PVA 纤维完全加入后，快速搅拌 35 min 以确保纤维能够均匀分散在浆体中;(4)成型试件，在浇筑过程中需引导 HDCC 新拌浆体从模具的一侧缓慢流向模具的另一侧，以实现纤维取向尽可能沿着浇筑方向，最后在试件表面覆盖保鲜膜进行养护以防止水分蒸发;(5)试件成型后在标准养护条件下(温度 20，湿度不小于 95%)养护至 28 d 龄期后取出进行测试。13实验方法新拌浆体流动扩展度实验依据标准 GB/T 2419-2005 水泥胶砂流动度测定方法 进行测试;HDCC 抗压、抗折强度实验依据标准 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 进行测试。HDCC 弯曲性能试验参照标准 ASTM C1609Standardtest method for flexural performance of fiber-reinforced concrete进行测试。试件采用长度为 300 mm、宽度为 75 mm、厚度为15 mm 的薄板。试验采用薄板弯曲的方式在 MTS 810 伺服液压试验机上按位移控制方式加载，试件跨距为 240 mm，加载速率为 05 mm/min，中间纯弯段的跨中挠度由线性位移传感器 LVDT 实时记录，弯曲测试加载图如图 2 所示。单根 PVA 纤维从水泥基体中的拔出试验参照发明专利一种短切超细有机纤维与水泥基复合材料界面粘结强度的测试方法 进行测试，样品尺寸为 5 mm10 mm25 mm。测试仪器采用高精度短切纤维力学性能测试仪，如图 3 所示，该设备的特点在于精度高，拉伸速率可以精确到 025 m/s，材料导报，2023，37(13):2108002521080025-3图 2HDCC 薄板四点弯曲测试图Fig2Four point bending test of HDCC sheet specimen图 3单根纤维拔出测试:(a)测试仪器;(b)加载示意图Fig3Single fiber pull-out test:(a)test instrument;(b)loading diagram载荷精确到 0001 N。设备在水平和垂直两个方向分别配备有摄像头高清监控装置，可以实时监测纤维状态，同时载物台可以在水平和垂直方向调节纤维的水平状态，单丝拉拔测试加载速率为 200 m/s。2结果与讨论21新拌浆体流动性掺入不同长度的 PVA 纤维，新拌 HDCC 浆体表现出不同的流动性状态，如图 4 所示。图 5 展示了未掺入纤维及掺入不同长度纤维的 HDCC 新拌浆体的流动扩展度。掺入纤维对新拌 HDCC 浆体流动性产生影响的原因可解释为:一方面，PVA 纤维因其表面含有大量的羟基而表现出亲水性，亲水性表面吸收大量的拌合水，使得新拌浆体的流动性降低;另一方面，新拌水泥浆体会被锚固在 PVA 纤维表面，纤维越长，这种“锚固效应”就会越强，并限制周围浆体的流动。上述两个原因共同限制了新拌 HDCC 浆体的流动，导致其流动性变差。从图 5 可知，纤维的掺入会导致新拌浆体流动性的降低，当纤维长度为 6 mm 时，新拌 HDCC 流动扩展度可达 295 mm;当纤维长度为 9 mm，HDCC 新拌浆体流动性损失较大，新拌HDCC 流动扩展度下降了 39%，仅有 221 mm，此后随着纤维长度继续增加，新拌浆体的流动扩展度缓慢下降。这是因为当纤维长度过长时，浆体中的纤维相互搭接，“锚固效应”图 4掺入不同长度纤维的 HDCC 新拌浆体状态:(a)Lf=6 mm;(b)Lf=9 mm;(c)Lf=12 mm;(d)Lf=18 mm;(e)Lf=24 mmFig4Fresh paste state of HDCC with different length fibers:(a)Lf=6 mm;(b)Lf=9 mm;(c)Lf=12 mm;(d)Lf=18 mm;(e)Lf=24 mm图 5掺入不同长度纤维的 HDCC 流动扩展度Fig5Fluidity of HDCC with different length fibers也就相对稳定。因此在选择纤维长度时，需结合实际工程施工环境对 HDCC 工作性能的要求，当需要 HDCC 具有较高的流动性时，在 HDCC 力学性能满足要求的情况下尽量选择较短的纤维，较短的纤维在搅拌过程中更容易分散，同时制备的 HDCC 流动性更好。22抗压、抗折强度一般来说，添加纤维会对 HDCC 的抗压性能产生两种相反(正相关和负相关)的影响。在压应力作用下，一方面，随机分布的纤维在 HDCC 内部会形成横向扩展的约束，有效延缓、限制了裂缝的形成和扩展，提高了 HDCC 的抗压性能;另一方面，在水泥基复合材料中加入的纤维可以看作是一种缺陷，亲水性的 PVA 纤维表面吸附水，导致界面区强度下降，同时由于新拌浆体流动性的减小，也更容易引入一些人工缺高延性水泥基复合材料用短切 PVA 纤维的长度优选研究/丁聪等21080025-4陷，从而对 HDCC 的抗压性能产生负面影响。因此，HDCC 的抗压强度取决于这两个方面的综合作用。对本研究采用的HDCC 来说，纤维对 HDCC 抗压强度影响的正效应超过负效应，PVA 纤维的加入提高了 HDCC 抗压强度，不同纤维长度的 HDCC 抗压强度如图 6 所示。HDCC 基体基准组抗压强度为 302 MPa，掺入 6 mm、9 mm、12 mm、18 mm 和 24 mm 五种长度纤维后，HDCC 抗压强度分别为 384 MPa、344 MPa、356 MPa、346 MPa 和 345 MPa，与基准组相比，抗压强度分别增长 272%、139%、179%、146%和 145%。图 7 展示了PVA 纤维与水泥基体粘结情况，从图中可以看出水泥水化产物附着在亲水性的 PVA 纤维表面，使得 PVA 纤维与基体界面粘结较为紧密，同时 PVA 纤维在拔出时表面出现的切削现象也增加了裂缝扩展时的约束作用，导致 PVA 纤维的掺入提高了 HDCC 抗压强度。图 6纤维长度对 HDCC 抗压强度的影响Fig6Influence of fiber length on HDCC compressive strength图 7PVA 纤维与水泥基体界面粘结情况Fig7Interfacial binding between PVA fiber and cement matrix此外，据文献 17报道，与长纤维相比，掺入短纤维的HDCC 具有稍高的抗压强度。由图 6 可以看出，与其他四种纤维长度的 HDCC 相比，掺入 6 mm 纤维的 HDCC 的确展现出更高的抗压强度。然而，抗压强度的最大差异不超过10%，且 9 mm、12 mm、18 mm 和 24 mm 纤维制备的 HDCC 抗压强度差异小于 5%，因此可以得出 HDCC 抗压性能受纤维长度的影响较小，HDCC 抗压强度主要取决于基体性能。从掺入不同长度纤维的 HDCC 的抗折强度测试结果可以看出(见图 8)，由于纤维在裂缝扩展过程中的桥联作用，纤维的掺加显著改善了基准组试样的抗折强度。HDCC 基体抗折强度为 35 MPa，掺入 6 mm、9 mm、12 mm、18 mm 和24 mm五种长度纤维后，HDCC 抗折强度分别为 63 MPa、62 MPa、64 MPa、66 MPa 和 62 MPa。掺入纤维后 HDCC 抗折强度分别增长了 800%、771%、829%、886%和 771%。与抗压强度变化相比，纤维的掺入对 HDCC 抗折强度的提升更为显著。当纤维长度为 624 mm 时，纤维长度对 HDCC 抗折强度的影响则较小，这与文献 18结果相同。HDCC 抗折试件破坏形态如图 9 所示，基体在破坏时呈现出脆性断裂，掺入纤维后 HDCC 破坏形态发生改变，在主裂缝附近出现多条细小微裂缝，掺入 9 mm 和 12 mm 纤维的 HDCC 多缝开裂效果较为显著。图 8纤维长度对 HDCC 抗折强度的影响Fig8Influence of fiber length on HDCC flexural strength图 9HDCC 试件抗折试验后的裂缝形态Fig9Crack pattern of HDCC specimens after flexural test23薄板弯曲性能薄板弯曲试验获得的弯曲应力与跨中挠度曲线如图 10所示。从图 10 中可以看出，掺入不同长度纤维的 HDCC 试件在弯曲荷载作用下均展现出应变硬化特性。在弯曲应力作用下，纤维桥联裂缝稳态扩展的过程可描述为:HDCC 在纯弯段区域基体首先发生开裂，此时横跨在裂缝平面两端的纤维将承担由基体开裂所释放的应力，并通过纤维/基体界面粘结将纤维桥联应力传递回周围基体，当传递的应力超过水泥基体拉伸强度时，周围的水泥基体将会再次发生开裂，应力传递过程持续进行，最终实现应变硬化和多缝开裂效果。HDCC 纯弯段区域的多缝开裂模式如图 11 所示。此外，由于不同长度的纤维展现出不同的桥联能力，HDCC 试件展现出不同的弯曲性能及变形能力(见图 10)。与 HDCC 抗折试件开裂模式类似，掺入 9 mm 和 12 mm 纤维的 HDCC 薄板弯曲试件同样展现出更好的多缝开裂效果。HDCC 弯曲初裂强度与弯曲极限强度如图 12 所示。对于弯曲初裂强度，掺入 6 mm 纤维制备的 HDCC 初裂强度较低，为 38 MPa;而 9 mm、12 mm、18 mm 和 24 mm 纤维制备的HDCC 初裂强度则基本相同，分别为 4 8 MPa、4 8 MPa、49 MPa、47 MPa，表明弯曲初裂强度主要取决于基体性质，材料导报，2023，37(13):2108002521080025-5图 10掺入不同长度纤维的 HDCC 试件弯曲应力-跨中挠度曲线(电子版为彩图)Fig10Flexural stress versus mid-span deflection curves of HDCC with different length fiber图 11掺入不同长度纤维的 HDCC 试件在纯弯段的多缝开裂效果Fig11Cracking pattern of HDCC with different length fiber in the purebending region图 12纤维长度对 HDCC 弯曲初裂强度和极限强度的影响Fig12Influence of fiber length on flexural first crack strength and flexuralultimate strength不同长度的纤维因为缺陷效应以及纤维桥联能力的差异也会对初裂强度产生微弱影响。纤维桥联能力对 HDCC 弯曲性能的影响主要体现在基体初裂后的应变硬化阶段，掺入五种纤维长度的 HDCC 的极限弯曲强度分别为 4 8 MPa、67 MPa、68 MPa、82 MPa 和 74 MPa。一般来说纤维越长，纤维桥联能力则越强，因此随着纤维长度的增加，极限弯曲强度总体呈现出增加的趋势。但是 24 mm 纤维制备的 HD-CC 的极限弯曲强度低于 18 mm 纤维，造成这一现象的原因可能为纤维长度过长，纤维均匀分散越困难，同时由于新拌浆体流动性的降低，HDCC 在浇筑时容易引入人为孔隙缺陷，导致极限弯曲强度出现下降。弯曲应力-跨中挠度曲线中由初裂点到极限点所围成区域的面积代表了弯曲下纤维桥联耗能，HDCC 弯曲跨中挠度与弯曲耗能如图 13 所示。掺入 9 mm 纤维制备的 HDCC 展现出最高的跨中挠度(69 mm)，同时表现出最强的弯曲耗能(389 J/m2)，掺入18 mm 纤维制备的 HDCC 虽然跨中挠度稍低于 9 mm 纤维，但是由于其弯曲极限强度较高，HDCC 弯曲耗能也达到了382 J/m2。掺入6 mm 纤维制备的 HDCC 因为弯曲 强 度 和 跨 中 挠 度 最 低，所 以 弯 曲 耗 能 最 弱，仅 为164 J/m2。需要注意的是，在本研究中纤维掺量为 10%，随着纤维掺量的提高，越长纤维的分散会变得越困难22，因此，9 mm 纤维就会是更加合适的选择。图 13纤维长度对 HDCC 跨中挠度和弯曲耗能的影响Fig13Influence of fiber length on mid-span deflection and flexural energydissipation24微观力学机理分析由单根纤维拔出实验获取的纤维/基体界面微观力学参高延性水泥基复合材料用短切 PVA 纤维的长度优选研究/丁聪等21080025-6数如图 14 所示。纤维/基体界面粘结强度 0平均值为19 MPa，化学粘结强度 Gd平均值为 01 J/m2，滑移硬化系数 平均值为 012。采用大掺量粉煤灰(取代 80%水泥)大大降低了纤维/基体化学粘结，由于粉煤灰的滚珠效应，纤维拔出时的滑移硬化现象得到有效限制。根据获得的纤维/基体微观力学参数，通过 HDCC 微观力学桥联模型，计算纤维长度对纤维桥联能力的影响。图 14纤维/基体界面微观力学参数Fig14Fiber/matrix interfacial bonding micromechanical parameters基于 Li 教授建立的微观力学桥联模型13，结合单根纤维拔出测试的纤维/基体界面微观力学参数，绘制 624 mm长度下纤维桥联应力 与裂缝宽度 关系曲线，如图 15 所示。从图 15 中可以看出，当纤维长度为 6 mm 时，纤维桥联应力曲线在达到峰值后平缓下降，随着纤维长度的逐渐增加，纤维桥联应力曲线在达到峰值后呈现出快速下降的趋势。这是因为越长的纤维可提供的埋入长度越大(见图 16)，使得纤维在从硬化水泥基体拔出时承担更大的拔出荷载，纤维更容易被拔断，大量断裂的纤维导致的应力损失使得桥联应力曲线在达到峰值后快速下降。此外，在纤维掺量一定的情况下，纤维长度的增加会导致纤维根数减少，如图 17 所示，纤维的断裂效应对纤维桥联应力的影响会更加显著。图 15不同纤维长度下 HDCC 纤维桥联应力与裂缝宽度关系(电子版为彩图)Fig15Fiber bridging stress versus crack width curves of HDCC with diffe-rent length fibers图 16 展示了不同长度的纤维在裂缝平面上的埋入长度Le的累积分布。纤维的最大埋入长度为 Lf/2，纤维长度 Lf越大，可提供的埋入长度 Le则越大。从图 16 中可以看出，长度为 6 mm 的纤维可提供的最大埋入长度 Lf/2 仅为 3 mm，而对于长度为 24 mm 的纤维，其埋入长度 Le大于 3 mm 的比例达到 75%。理想情况下，长度越长的纤维拔出的荷载就会越图 16不同纤维长度下纤维埋入长度的累积分布(电子版为彩图)Fig16Cumulative distribution of fiber embedded length under different fi-ber lengths图 17纤维掺量为 10%时纤维长度与纤维根数的关系Fig17elationship between fiber length and fiber number when Vf=10%大，从而可以产生更强的纤维桥联应力。然而，在纤维拔出过程中，当纤维拔出时的应力超过纤维拉伸强度时，纤维会发生断裂，且长度越长的纤维其断裂效应越显著，断裂的纤维无法再发挥桥联作用，因此其桥联能力会受到限制。Li等13 通过理论计算(当单根纤维拔出应力超过纤维拉伸强度时)提出了纤维临界纤维断裂长度 Ld()，如式(1)所示，纤维拔出时的临界断裂长度 Ld()取决于纤维本身的特性和纤维/基体界面粘结性能，而与纤维长度无关。因此，当纤维力学性能与纤维/基体界面粘结性能确定时，纤维长度越长，纤维埋入长度 Le超过临界断裂长度 Ld()(见式(1)的比例就会越大，发生断裂的纤维就会越多。Ld()=fudf40e(f+f)2GdEfdf20(1)式中:fu为纤维拉伸强度(MPa);df为纤维直径(m);0为纤维/基 体 界 面 粘 结 强 度(MPa);Gd为 化 学 粘 结 强 度(J/m2);f 为由倾斜角度 导致的纤维拔出应力放大系数，又称拔出制动系数;f为由倾斜角度 导致的纤维拉伸强度衰减系数。图 18 展示了随着裂缝宽度扩展过程中不同长度纤维的拔出状态(脱粘、滑移、拔出、断裂)的发展过程。由图 18a 可知，当纤维长度为 6 mm 时，纤维拔出过程中不会发生断裂，拔出过程从脱粘阶段到滑移阶段最后至完全被拔出;由图 18f可知，纤维长度为 24 mm，随着裂缝宽度不断扩展到54 m时，埋入较长且倾斜程度较大的纤维开始出现断裂，随后断裂纤维的比例不断增加，导致图 18 中桥联应力曲线快速下降。当裂缝宽度达到 270 m 时，断裂纤维的比例基本保持不变，因此图18中纤维桥联应力曲线平缓下降，纤维材料导报，2023，37(13):2108002521080025-7图 18不同长度的纤维在拔出时的状态变化:(a)Lf=6 mm;(b)Lf=9 mm;(c)Lf=12 mm;(d)Lf=15 mm;(e)Lf=18 mm;(f)Lf=21 mm(电子版为彩图)Fig18Pull-out state development of fibers with different lengths:(a)Lf=6 mm;(b)Lf=9 mm;(c)Lf=12 mm;(d)Lf=15 mm;(e)Lf=18 mm;(f)Lf=21 mm拔出时的断裂分析与纤维桥联应力曲线变化一致。纤维长度的增加一方面会实现更大的埋入长度，另一方面会使得纤维根数减少，如图 17 所示。当纤维体积掺量 Vf确定后，纤维长度越长，纤维根数则会越少，纤维根数 Nf=4Vf/(d2fLf)。例如，对于 10 m3的 HDCC 材料，纤维体积掺量为 10%时，6 mm 长度的纤维有 14109根;当纤维长度增加到 12 mm 时纤维根数减少了 1/2，为 07109根。但是较长的纤维可以提供更长的埋入长度，从而产生更强的拔出应力，导致纤维桥联应力总体呈现出增长趋势。根据纤维桥联应力 与裂缝宽度 关系曲线，计算不同纤维长度下的纤维桥联应力 0和桥联余能 Jb，结果如图 19 所示。由图 19 可知，随着纤维长度的增加，纤维桥联应力 0和桥联余能 Jb均不断增大，但是由于纤维断裂比例的增加，其增加变得缓慢并逐渐趋于稳定。例如长度 9 mm 的纤维桥联应力 0为 22 MPa，桥联余能 Jb为 330 J/m2，与 6 mm 纤维相比，分别增加了 317%和1115%;长度 12 mm 的纤维桥联应力 0为 25 MPa，桥联余能 Jb为 419 J/m2，与 9 mm 纤维相比，分别增加了 87%和270%。因此，理论上来说越长的纤维可以实现更强的纤维桥联能力，但是当纤维过长时，桥联能力增长幅度有限，且实际制备中过长的纤维不可避免地会遇到难以分散的问题，从不同纤维长度下 HDCC 弯曲性能结果可以看出，24 mm 纤维制备的 HDCC 并未展现出最强的弯曲极限强度和弯曲变形能力，因此纤维长度应保持在合理范围内，综合考虑 HDCC的工作性能、力学性能以及纤维桥联能力，优选出 PVA 纤维的长度为 9 mm。图 19纤维长度对纤维桥联应力 0和桥联余能 Jb的影响Fig19Influence of fiber length on fiber bridging stress 0and complemen-tary energy Jb3结论(1)随着纤维长度的增加，HDCC 新拌浆体流动性逐渐降低。纤维长度从 6 mm 增加到 9 mm 时 HDCC 流动扩展度显著下降 39%，此后随着纤维长度继续增加，新拌浆体的流动性缓慢下降。在 HDCC 力学性能满足要求的情况下尽量选择长度较短的纤维，较短的纤维在搅拌过程中更容易分散，同时制备的 HDCC 流动性更好。(2)纤维长度在 624 mm 时，纤维的掺入使得基准组抗压强度和抗折强度均得到提高，抗压强度增长 13 9%272%，抗折强度增长 771%886%，但是 HDCC 抗压强度和抗折强度受纤维长度的影响则较小。HDCC 弯曲初裂强度主要取决于基体性质，掺入 18 mm 纤维制备的 HDCC 展现出最高的弯曲强度，而掺入 9 mm 纤维制备的 HDCC 则展现出最大的弯曲跨中挠度和弯曲耗能。高延性水泥基复合材料用短切 PVA 纤维的长度优选研究/丁聪等21080025-8(3)随着纤维长度的增加，纤维桥联应力和桥联余能逐渐增大，但是过长的纤维使得纤维断裂效应较为显著，导致纤维桥联应力和桥联余能增幅逐渐变小，桥联能力增长幅度有限。综合考虑 HDCC 的工作性能、力学性能以及纤维桥联能力，优选出 PVA 纤维的长度为 9 mm。参考文献1Li V C Journal of the Chinese Ceramic Society，2007，35(4)，531(inChinese)Li V C硅酸盐学报，2007，35(4)，532Li Q H，Xu S L Engineering Mechanics，2009，41(6)，23(in Chi-nese)李庆华，徐世烺工程力学，2009，41(6)，233Cao M L，Xu L，Zhang C Journal of the Chinese Ceramic Society，2015，43(5)，632(in Chinese)曹明莉，许玲，张聪硅酸盐学报，2015，43(5)，6324Gao Y N Synthetic fiber in China，2011，40(6)，22(in Chinese)高亚宁合成纤维，2011，40(6)，225Jia G Synthesis of polyvinyl alcohol with low degree of polymerizationand ultra-low degree of polymerization Master s Thesis，Inner MongoliaUniversity，China，2018(in Chinese)贾瑞钢 低聚合度和超低聚合度聚乙烯醇的合成 硕士学位论文，内蒙古大学，20186Ding C，Guo L P，Chen B Construction and Building Materials，2020，259，1198247Maalej M，Li V C，Kanda T Journal of Engineering Mechanics，1995，121(8)，9038Li V C，Wu C，Wang S，et al ACI Materi