PVA纤维与多元水泥基材料间界面作用行为及机理研究

Due to their high toughness and ductility, high performance fiber reinforced cementitious composites are able to enhance the safety and durability of concrete structures. The key of producing high performance fiber reinforced cementitious composites with polyvinyl alcohol (PVA) fibers lies in the control of the interface between PVA fibers and the matrix. This project will use PVA powders of local source as raw materials to fabricate PVA fibers by gel spinning method, and investigate the effect of degree of polymerization and alcoholysis on the physical properties and micro-morphology of PVA fibres. Further, the effect of the molecular structure of PVA fiber on the interaction between fibers and blended cementitious matrices and the properties of the corresponding composite materials will be studied. As a result, the mechanism of the interfacial interaction between PVA fibers and blended cementitious matrices will be unveiled on molecular level, and the relationship between the material properties of the composites and the interfacial interaction will be established, which will provide theoretical guidance for the production of high performance cementitious composites reinforced with local PVA fibers, meanwhile, will be of great practical importance in reducing the economic costs and environmental impact of their production.

高性能纤维增强水泥基复合材料具有高韧性和高延性的特征，可以提高混凝土结构的安全性和耐久性。制备高性能聚乙烯醇（PVA）纤维增强水泥基复合材料关键在于对PVA纤维/基体界面的控制。本项目拟以不同聚合度和醇解度的国产PVA粉末为原料，采用凝胶纺丝法制备PVA纤维，研究聚合度和醇解度对PVA纤维物理性能和微观形貌的影响。进而探究PVA纤维分子结构对纤维与多元水泥基体界面作用行为以及相应复合材料性能的影响。从而从分子水平上揭示PVA纤维与多元水泥基体间界面的作用机理，确定复合材料性能与界面作用之间的关联，为指导高性能国产PVA纤维增强水泥基复合材料的制备提供理论依据，同时在降低其生产经济成本和环境负荷方面具有重要的现实意义。

项目旨在探究PVA纤维与多元水泥基材间界面作用机理，寻求利用国产PVA纤维制备高性能纤维增强水泥基复合材料的有效途径。在项目执行过程中，一方面，以不同聚合度和醇解度的国产PVA为原料，采用凝胶纺丝法，经过工艺优化，制备了具有不同性能的PVA纤维，研究PVA纤维的自身性能对纤维/基体界面作用以及复合材料性能的影响；研究结果表明，通过控制PVA纤维的聚合度和醇解度以及掺合粉煤灰、矿渣微粉等，可以实现对基体/纤维界面作用的调节，开发了优化PVA纤维与水泥基材料间界面作用的简便易行的新方法。另一方面，研究了几种国产PVA纤维和进口PVA纤维在不同的多元水泥基材中的增强增韧作用，分析了纤维与粉煤灰、矿粉等矿物掺合料的协同作用，成功利用国产PVA纤维配制了单轴拉伸极限应变高达4%的高性能纤维增强水泥基复合材料，降低了材料生产成本，有利于扩大这种材料应用范围。最后，通过纤维拔出试验和粘结性能测试等方法，探究了PVA纤维与多元水泥基体间界面的作用机理，明确及其对材料性能的影响规律，建立了多元水泥基复合材料的组成、微观结构和材料性能的关联，从而可以指导PVA纤维高性能应变硬化水泥基复合材料的进一步优化设计。