聚乙烯醇纤维对改性脱硫石膏受力变形特征影响

赵峰娃,范红君,程占，高聪,张瀚文

（1.中国海螺环保控股有限公司研究院，安徽 芜湖 241003；
2.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001；
3.安徽理工大学环境友好材料与职业健康研究院，安徽 芜湖 241003）

脱硫石膏是一种将含硫物质燃烧后产生的烟气，再应用石灰湿法脱硫工艺得到的固体废弃物，其产量日益增多，如何对大量存贮堆放的脱硫石膏进行有效处理和资源化利用引起了学者们的密切关注[1]。

由于原状脱硫石膏强度低，耐水性差，近年来，许多学者将脱硫石膏在110℃～170℃下煅烧，再与矿物激发剂、化学激发剂混合搅拌最终形成改性脱硫石膏，改性后的脱硫石膏很大程度上能克服上述缺点[2]。饶岳成等[3]利用套筒致裂法对改性脱硫石膏的抗拉强度进行测定，结果表明改性脱硫石膏的抗拉强度比水泥砂浆要高，且随着养护龄期增加强度也会逐渐增强，然而仅针对抗拉强度开展研究，缺乏对其他力学性能的测试；
施鑫等[4]将改性脱硫石膏基混凝土与水泥基混凝土力学性能进行对比，结果表明改性脱硫石膏基混凝土抗压、抗折强度明显高于水泥基混凝土，抗拉强度则与水泥基混凝土相近，以此证明改性脱硫石膏替代水泥作为胶凝材料是可行的，然而缺乏对试件受力变形后破坏特征的分析；
李琳等[5]通过试验发现改性脱硫石膏基混凝土具有很高的承载力，抗压、抗折强度均优于普通混凝土，却未对改性脱硫石膏抗拉性能以及受力变形后的破坏特征开展研究。虽然改性后的脱硫石膏很大程度上改善了自身强度低的情况，但受力变形后的脆性问题依旧突出。参考在混凝土中添加纤维能够有效改善裂缝的发育扩展情况，提高混凝土材料自身韧性及承载抗变形能力[6-7]。因此本文考虑在改性脱硫石膏中掺入一定量的纤维，开展各类力学性能测试（抗压、抗拉、抗折），研究改性脱硫石膏掺加纤维后的受力变形特征。

1.1 实验原材料

改性脱硫石膏取自上海每天生态科技发展有限公司，为浅灰色粉末，它是由原状脱硫石膏改性处理后获得的水硬性材料。改性脱硫石膏实物图以及经X射线光电分析（XPS）得到的主要化学成分图如图1所示。

图1 X射线光电分析与实物图

聚乙烯醇纤维(PVA fiber)是一种新型的合成纤维，其抗拉强度高，弹性模量大，密度低，亲水性好，与石膏等基材有良好的亲和力和结合性。通过工程测试发现，在建筑材料中加入PVA纤维后能够有效增强抗裂强度，提高材料韧性及承载抗变形能力[8]。因此本文选用长度为18mm PVA纤维，其物理性能参数见下表。

聚乙烯醇纤维物理性能

1.2 试样制备与试验方法

本文按照水膏比0.33，PVA掺量分别为试件质量的0、0.5%、1%浇筑PVA纤维改性脱硫石膏试件。其中每组纤维掺量下开展三种力学强度（抗压、抗拉、抗折）测试，抗压试验采用直径50mm、高度100mm圆柱体试件，抗拉试验采用直径为50mm、高度25mm圆饼试件，抗折试验采用 40mm×40mm×100mm长方体试件，每种测试均采用三个试件，强度值按三个试件测值的平均值计算。其中抗压强度为试件破坏荷载与试件受力截面面积的比值，抗拉强度为2倍试件破坏荷载与π和试件高度、试件半径乘积的比值；
抗折强度为1.5倍试件破坏荷载和支座间跨度乘积与试件侧截面面积和侧截面高度乘积的比值。试验实时监测试件变形破坏形态并拍照记录。

本试验均采用微机控制电液伺服万能试验机，加载速率为0.3MPa/s，试验过程中通过计算机自动采集数据。其中抗压实验采取轴心抗压法，抗拉实验采取劈裂法，抗折实验采取三分点法，即将长方体试样平放于抗折夹具中，试件成型时侧面作为承压面，形成简支梁形式，支撑试样的两个下支撑点间的距离约为70mm，试件的三分点处为加载位置，且只有一个加载点。试件安装过程中所有间距尺寸偏差不超过1mm，支座及承压面与试件接触面应保持平稳、均匀。

2.1 强度特征

2.1.1 抗压强度

图2的变化趋势表示随着PVA纤维掺量的增加，改性脱硫石膏的抗压强度呈现大幅度降低，质量分数为0.5%、1%PVA纤维改性脱硫石膏较没有掺纤维试件的抗压强度分别降低了47.7%、61.2%。分析该现象的原因发现本试验在改性脱硫石膏试件搅拌浇筑过程中，过高掺量PVA纤维无法在改性脱硫石膏拌和物中均匀散开，反而互相成团地拉结在一起，而石膏浆液也无法很好地进入其中，在受到压荷载时试件内部出现了应力集中破坏点，使得试件强度不但没有升高，反而降低了。此外高掺量纤维与改性脱硫石膏之间形成大量薄弱界面，因而在纤维黏结区域改性脱硫石膏压实度降低，且随着纤维掺入量的提高，对其表面包裹所需的改性脱硫石膏需求也更多导致结构不够致密，增加了试件破坏的概率，最终导致试件抗压强度显著降低。

图2 PVA纤维掺量对改性脱硫石膏抗压强度影响

2.1.2 抗拉强度

图3反映了PVA纤维质量分数对改性脱硫石膏抗拉强度的影响，PVA纤维质量分数越大，抗拉强度增长越明显，质量分数为0.5%、1%PVA纤维改性脱硫石膏抗拉强度比未加纤维试件分别增加了0.51倍、1.12倍，最高抗拉强度达到1.56MPa，由此可以看出本试验加入的PVA纤维掺量均处于提高试件抗拉强度的合理范围内。由于掺加PVA纤维的改性脱硫石膏在承受拉力时，乱向分布的PVA纤维发挥桥接作用，纤维越多，发挥的作用越大，故试件的劈裂抗拉强度随着PVA纤维掺量增加呈现明显的增长趋势。由于改性脱硫石膏与PVA纤维之间形成了较为致密的结构，降低了改性脱硫石膏硬化阶段的裂缝诱发率，显著降低掺纤维试件破坏前形成的裂缝数量，当纤维受到极限劈拉荷载时，该种致密结构又在试件破坏之际对裂缝的大程度扩张起到了抑制作用，增强了改性脱硫石膏延性，使其最终获得更优的劈裂抗拉强度。此外PVA纤维自身抗拉强度高，加入改性脱硫石膏中进一步提高了试件整体抗拉强度。

图3 PVA纤维掺量对改性脱硫石膏抗拉强度影响

2.1.3 抗折强度

从图4可以看出随着PVA纤维掺量的增加，改性脱硫石膏的抗折强度出现先增加后降低现象，在PVA纤维质量分数为0.5%时抗折强度达到最大值4.90MPa，但当质量分数为1%时，改性脱硫石膏抗折强度迅速下降，只有2.7MPa，甚至小于未掺纤维时试件抗折强度(4.50MPa)。由此可以看出，对于提高改性脱硫石膏抗折强度的最佳PVA纤维掺量在0.5%～1%之间。对此分析在改性脱硫石膏中掺入适量的PVA纤维，在试件产生一定裂缝时纤维可与其产生桥接作用，在裂缝扩张过程中PVA纤维承受一定的拉应力，抗折荷载不断增加，最终纤维由于发生拉破坏被拔出或出现拉断的情况时可以有效吸收能量，由此增强了改性脱硫石膏的塑性，显著提升了试件抗折破坏强度。而当改性脱硫石膏内部含有过高比例的纤维时，纤维分散不均匀发生结团现象导致纤维难以发挥桥接作用反而使试件产生结构缺陷，最终使抗折强度降低。

图4 PVA纤维掺量对改性脱硫石膏抗折强度影响

2.2 变形破坏特征

2.2.1 轴心抗压

图5是对不同质量分数PVA纤维改性脱硫石膏进行单轴抗压测试得到的力学性能曲线，可以看出未掺纤维的改性脱硫石膏试件应力-应变曲线明显区别于掺纤维试件，具体表现为未掺纤维试件峰前曲线上升迅速且斜率大于掺纤维试件，峰后曲线骤然下降，表现出很大的脆性，这点在抗压破坏形态中很好的体现，未掺纤维的改性脱硫石膏试件受压破坏过程中一旦出现裂缝便迅速扩展并失去承载力，破坏时整体呈崩塌型破坏，整个破坏过程为典型脆性破坏。此外由于PVA纤维促使改性脱硫石膏内形成较多孔隙，引起试件密实度降低，故不掺纤维试件曲线峰前斜率大于掺纤维曲线斜率。而掺纤维改性脱硫石膏试件由于纤维对改性脱硫石膏的约束作用在应力-应变曲线达到峰值应力后，曲线下降缓慢，表现出很好的延性，具体表现在掺PVA纤维改性脱硫石膏初裂后，试件不会马上破坏，而是随着荷载的继续增加，挠度逐渐加大，裂缝也逐渐加宽，直到荷载开始下降时，试件的挠度迅速增大，试件被破坏，这样的破坏属于延性破坏。此外破坏后的试件周身仅出现部分裂纹，纤维掺量越多，裂纹越细越小，形态相比破坏前变化不大整体良好。

图5 不同质量分数PVA纤维改性脱硫石膏单轴抗压应力-应变曲线

图6 不同质量分数PVA纤维改性脱硫石膏单轴抗压破坏形态

2.2.2 劈裂抗拉图7分别为不同质量分数PVA纤维改性脱硫石膏劈裂抗拉的破坏形态。从图中破坏特征可以看出，不掺纤维改性脱硫石膏试件受到劈裂破坏时，在劈裂面处形成一条较为整齐的贯穿裂缝，且裂缝一旦展开整个试件立即失去承载力，最终试件沿断口裂成两块。而质量分数为0.5%纤维改性脱硫石膏在受到劈裂破坏时仅沿着劈裂面形成一些非贯穿裂缝，且试件在开裂后仍能承受一定的荷载，这是因为PVA纤维特有的抗拉性能，在改性脱硫石膏产生裂缝时横跨在裂缝之间起到连接作用，因此使试件达到峰值时仍没有劈裂断开，且纤维含量越大，越易与改性脱硫石膏之间形成紧密结合，在发生劈拉破坏时对裂缝扩展过程约束作用越大，试件破坏时劈裂面裂缝越小，改性脱硫石膏试件延性越好。

图7 同质量分数PVA纤维改性脱硫石膏劈裂抗拉破坏形态

2.2.3 三点抗折

由图8可见不同质量分数PVA纤维改性脱硫石膏三点抗折破坏时形态，不掺纤维的改性脱硫石膏试件受到抗折荷载时，试件下端受拉，上端受压，所以试件首先在底部出现裂缝随即扩展到试件顶部后失去承载力，试件开始沿中线破坏，破坏后的试件直接折断为两部分，表现出极明显的脆性特征。而掺纤维的改性脱硫石膏试件开裂后，分布于中底部的PVA纤维层与改性脱硫石膏之间的黏结力将承担一部分弯拉应力，因此PVA纤维改性脱硫石膏试件不会在出现裂纹初始时就发生破坏，试件在底部先出现细微裂缝后随荷载不断增加，纤维层与改性脱硫石膏之间的黏结力达到临界值时改性脱硫石膏试件完全破坏，破坏后的试件依然保持整体性，属于典型的延性破坏。由图中可以看出纤维掺量越多，试件破坏时出现在底部的裂缝越小、越短，说明PVA纤维增强改性脱硫石膏延性效果十分明显。

图8 不同质量分数PVA纤维改性脱硫石膏抗折破坏形态

本试验对不同质量分数PVA纤维改性脱硫石膏试样开展各类力学性能测试，详细分析了改性脱硫石膏掺纤维后受力变形特征，得到如下结论。

①由于加入PVA纤维后产生大量成团黏结现象导致改性脱硫石膏试件抗压强度的显著降低；
改性脱硫石膏的抗拉强度随PVA纤维质量分数的增加而增加，表明本实验所掺纤维含量提高抗拉性能的合理性；
随着PVA掺量的增加，抗折强度呈现先增加后降低趋势，当纤维质量分数为0.5%时，抗折强度最大值为4.9MPa。

②PVA纤维质量分数为0%时试件单轴抗压应力-应变曲线明显区别于掺纤维试件，具体表现为前者曲线峰前上升迅速，斜率大于后者，峰后曲线骤然下降较后者无明显延性变形段；
此外PVA纤维的掺入可改变改性脱硫石膏破坏形态，由原状脱硫石膏的脆裂到掺纤维试件的裂而不散，且纤维含量越多，试件延性提高的越明显。