使用PVA（聚乙烯醇）纤维的粉煤灰从脆性到韧性的性能转变.docx

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1、使用PVA（聚乙烯醇）纤维的粉煤灰从脆性到韧性的性能转变摘要：本文中，使用短聚乙烯醇纤维来增强脆性粉煤灰样品的力学性能，而这时靠少量NaOH凝固并依靠热压力热液过程。用来加固粉煤灰成分的PVA纤维其力学性能用劈拉实验来评估。研究了几个关键因素，例如纤维成分，过程温度，过程持续时间。研究了不同种类粉煤灰（C和F级）的影响。实验结果证明加入短聚乙烯醇纤维可以显著增强粉煤灰复合材料的延性。1、 说明1、1.粉煤灰的生产，利用和问题在美国，超过50%的电力是由燃烧煤炭供应，美国煤炭的90%都用来燃烧供电。粉煤灰是煤炭燃烧的主要的主要残渣。因此，每年生产了数以百万吨计的粉煤灰。然而，目前只有很少的部分（

2、少于35%）的粉煤灰得到再回收。图一显示了从1995年到2002年粉煤灰的生产和使用情况。粉煤灰的主要处理方式是填埋,而这将产生环境问题。此外，很多地区强制要求填埋附加费。因此，我们有必要确定一个新的回收循环策略：以粉煤灰生产附加价值产品而不是只将其当作是需处理的废物。目前，在粉煤灰有限的利用方式中，将粉煤灰应用于水泥和混凝土生产占了超过50%。其他的方式包括结构性填充，废物稳定化，矿业，土壤的改性和稳定性，以及人造骨料。除了这些传统的应用外，在许多国家，如澳大利亚、美国、西班牙、和南非，兴起了以粉煤灰制作高性能无机聚合物的研究。1、2.粉煤灰的激活粉煤灰有火山灰特性，但在获取的条件下，它的反

3、应很缓慢。为开始反应，使用了几种方法来激活，加速粉煤灰的火山灰反应。这些包括（1）机械（力学）处理（粉磨）（2）加速养护，热液和高压灭菌（3）化学激活。总的说来，从激活方法可以得到以下结论： 从发电厂获得的粉煤灰在自然条件下其反应非常缓慢 粉煤灰的反应速度随着养护温度和养护时间的增长而增长。 和粉磨以及高压灭菌相比，化学激发对反应速度的增加更有效 几种化学激发剂的组合使用比单独使用的效果更好。化学环境的PH值是激发粉煤灰活性的重要的决定因素 当使用相同化学激发剂时，C和F级粉煤灰表现出不同反应。总的说来，在相同条件下，C级比F级表现出更好的反应特性发现将化学激发和热液，热压配合使用制作出来的粉

4、煤灰样品比未激发的粉煤灰的强度大大增加。热液过程包括压力条件下的热水，用以溶解，浸出，沉淀反应。粉煤灰可以固化，在只有热液热压力条件下表现出劈裂抗拉强度为0.96-1.24MPao在加入少量化学激发剂（NaoH）的条件下，其抗拉强度可以达到5.4MPa然而，这些粉煤灰样品很脆性。1、3.脆性材料中的短纤维钢筋对诸如水泥、混凝土、粉煤灰等脆性材料，如何增强其韧性和延性已经成为近几年许多研究的动机。在抗拉强度相对较弱的脆性材料中使用短纤维是一种有效方法。增强纤维在复合脆性材料中主要发挥三种作用:（1）增加复合材料的韧性是通过提（2）靠允许多种开裂来增强复合材料的延性（3）通过跨越裂缝转移应力和荷载

5、来增强复合材料的强度当脆性复合材料在单轴拉伸荷载加载到它首次开裂的强度时，材料中形成了第一条宏观裂缝。接下来材料跨越裂缝处的荷载由桥接纤维承受。然后这些纤维通过它们内表面传递荷载。如果传递荷载己足够大，基质将再度开裂并重复上述过程知道基质由于一系列子平行裂缝而破坏。由于每条单独的裂缝的开展，以及大量的平行裂缝，复合材料的延性将显著增强。多缝开裂期间，材料上的荷载可以增加，并超过首次裂缝时的荷载。当宏观裂缝开始开展时，桥接应力随着纤维/基质界面失去连接以及拉伸纤维的连接的失去。最终当荷载加到材料失效的荷载时，纤维不是被拔出就是破裂了。使用的典型的纤维可以是金属、聚合物或者陶瓷。金属纤维有很高的弹

6、性模量和强度。它们是延性材料，但是极易腐蚀。聚合物纤维强度高，延性好，但其弹性模量相对较低。陶瓷纤维总的说来强度高，硬度高，但很脆。除了以上所述常用纤维，因为工程目的也可以使用一些回收纤维。1、4.研究方法在早先的研究中，对由化学激发和热液、热压力协同作用制作而成的粉煤灰（C、F级）样品进行了评估，得出了以下结论：热液条件对粉煤灰样品的劈裂抗拉强度有积极影响。但当使用化学激发剂（NaOH）时，其影响不明显。换言之，氢氧化钠对强度的增益占主要作用。在热液过程中使用机械压力可以提高NaOH和粉煤灰的反应速度，并获得更加紧凑的微观结构。机械压力作用下材料的劈裂抗拉强度显著增强。高温和NaOH的大量使

7、用可以增加粉煤灰反应速度，此后达到更高的劈裂抗拉强度。在相同热液、热压条件下，F级粉煤灰比C级粉煤灰在强度方面表现出更慢的增长。在研窕的第二个阶段，短钢筋纤维用以进一步改善粉煤灰样品的脆性特性，尤其是样品的延性。本文中对该发现进行了阐述。2、 实验过程2、L材料粉煤灰（C、F级）（由美国电力提供），表一列出了他们的化学成分，氢氧化钠作为激发剂。短PVA纤维（图二）的特性列于表二。2、2.样品制备该研究最初使用的材料包括粉煤灰（C、F级），水，少量的NaOH作为化学激发剂，以及短PvA纤维，如果需要的话。NaOH的含量用NaOH溶液的浓度（摩尔浓度）和NaoH溶液与原粉煤灰的的重量比（L/sra

8、ti。）。纤维的含量用复合材料中的纤维的体积分数表示。首先准备NaOH溶液并在使用前将其冷却到室温。开始将材料混合5分钟然后将其填充在一个专门设计的模具中，其中可以获得热液和热压条件，同时安装在MTS机器上。模具的详细结构在别处己经描述。模具安装在MTS810机上。用MTS液压活塞压缩模具，允许压力以IMPamin的速度加载到指定值（这项研究使用了20MPa）o当压力加载到设定值后，AVS系类3210分炉管（外径305mm,高406mm）也安装在在MTS机上，然后关闭并将样品加热到特定温度。而封闭的模具中保持压力和高温条件，实现了水热和热压条件。当指定加热时间到了的时候，关掉热炉的开关。随着温

9、度的降低，由于样品的收缩，样品上的压力降低。在压力完全消除后，将模具从MTS机上取出，并置于空气中进一步冷却。图三显示了加载历史曲线。当模具完全冷却后，将直径为25.4mm的圆柱形样品拆模，并切成50.8IIm长的样品。所有样品都置于空气中进一步干燥直到测试特定龄期2天的强度。2、3.劈裂拉伸实验劈裂拉伸实验（图四）是用来评估如上所述的每个样品的性能的，每个样品的劈裂抗拉强度用以下公式计算：r2尸二说其中的T代表劈裂抗拉强度，P是最大加载荷载，D是样品的直径，L是样品长度。虽然上述公式仅仅针对开裂强度以前是准确的，本研究中它也可以用来描述超过首条裂缝的强度的拉伸反应（也就是说，超过了首条裂缝强

10、度后，T可以解释为有效拉应力）。3.结果与讨论研究了几个显著的影响因素，如纤维含量、过程温度、过程时间。此外，研究了掺加纤维的C和F级粉煤灰的不同行为。样品的混合成分和工艺参数列于表三。3、1.添加纤维后从脆性向韧性的转变表三列出了两个系列样品，系列一和系列二。当使用短纤维用来强化粉煤灰基体时，几个性质，尤其是材料的延性显著增强。增强纤维对C级粉煤灰样品的影响列于图五-七。图五和六显示当掺加纤维时，样品的强度和延性都提高。在系列一中，纯粉煤灰样品是脆性的，且首条裂缝强度，也是最终强度，为5.44MPa（本文中所述的所有强度值均为三次测试的平均值）。当添加了1%的PVA纤维时，样品表现出很好的延

11、性和最终强度（最高荷载记录）为7.68MPa,与5.44MPa相比几乎增长了50%。虽然添加纤维的粉煤灰试样的首条裂缝强度为5.03MPa,略少于没有添加纤维的。原因仍需研究，但可能是由于样品添加了纤维造成了较差的工作性导致的额外孔隙造成的。类似结果也出现在系列二样品中。掺加1%PVA纤维和不掺加纤维的首条裂缝强度分别为5.16MPa和5.03MPa当使用纤维时，两种的最终强度和延性都显著增加。图7a和b给出了在劈裂拉伸实验过程中和结束后两种样品的失效模式的直接对比，其中一种掺1%PVA纤维，另一种不掺纤维。可以明显看出纯样品的脆性破坏以及掺纤维样品的延性破坏。3、2.纤维含量的影响为了进一步

12、理解纤维的作用，研究了纤维含量的影响，图八和九给出了纤维含量的影响。表三给出了四批掺加了不同体积分数(0.0%,0.5%,1.0%,1.5%)纤维的C级粉煤灰样品。不掺纤维的样品是脆性的而且它的开裂强度也是最终强度，为5.03MPa。其他样品掺加了纤维，范围从0.5%到1.5%。它们显示了很好的延性并且其破坏模式也是延性的。开裂强度从5.2MPa至j5.4MPa,比纯样品的5.03MPa稍微提高。可以明显看出掺纤维的样品其最终强度比纯样品大大提高。当纤维掺量为1.0%时，最终强度达到6.90MPa(图八)，且其延性是样品中最好的。当纤维含量达到1.5%时，并没有性能的进一步提高，这是由于掺加纤

13、维增加了拌合难度，导致工作性变差。换言之，在目前的研究下，C级粉煤灰的最佳纤维掺量为1.0%。需指出的是纤维的最佳含量取决于复合材料的成分。为确保好的延性，最佳纤维含量必须超过临界纤维含量耳临界纤维含量定义为表现出准应变硬化特性的复合材料的最低纤维数量。例如，基于微观力学理论通过随机不连续纤维处理基体裂纹扩展，对裂纹进行桥接，临界纤维含量用以体现纤维、基体及纤维-基体的连接。因此通过优化确定最佳粉煤灰成分来减少临界纤维含量从而进一步降低纤维含量。这方面目前正在研究中。3、3.过程温度的影响因为聚合物纤维的温度抗性很低，故研究温度对掺加PVA短增强纤维的粉煤灰样品的性能的影响就很重要。研究的过程

14、温度为室温(20,130)以及200oCo在130和200条件下PVA纤维的体积掺量为1.0%。室温下的样品作为控制组，未掺加纤维。样品的混合组分及过程参数作为系列四和五列于表三。实验结果见图十和十一。室温(20)下的纯样品其劈裂抗拉强度很低(1.OlMPa)且为脆性的。在130条件下掺加1.0%的PVA纤维的样品其抗拉强度大大提高。样品表现出延性特性，开裂强度为5.03MPa且其极限强度为7.68MPa0然而，随着过程温度提高到200C时，含增强纤维的样品变得很脆，强度很高dl.7MPa)o发现在20(TC条件下养护5小时后在断裂表面没有PvA纤维，表明由于热养护，PVA纤维已经分解。虽然如

15、此，由于高温养护，还是获得了很高的强度。3、4.过程持续时间的影响本文也研究了持续加热时间对掺加纤维的C级粉煤灰样品的拉伸特性的影响。研究的加热持续时间分别为0.5,1.0,2.5和5.5小时,而温度保持在150,记为系列六列于表三。图十二和十三说明了实验结果。可以确认的是所有图十二的样品表现出了延性，加热一小时的样品表现出最好的延性。随着加热时间从0.5小时增加到1小时，开裂强度从4.15MPa增加到5.40MPa(图十三)。继续加热到2小时，开裂强度为5.43MPa,几乎与1小时的一致。长期加热(5.5h)导致开裂强度减小。极限强度也有类似趋势。在150条件下过度养护造成的削弱效应是由于在

16、这种加热环境下纤维的退化造成的。因此，就过程成本，延性，极限强度而言，加热Ih是最佳选择。在早先研究中，已经发现：在最佳水热，加压(130)条件下掺加NaOH的C级粉煤灰的最佳加热时间也是1.Oh3、5.C和F级粉煤灰的比较在先前研究中已经发现，不掺增强纤维的C和F级粉煤灰在力学性能、体积变化和在特定养护条件下的设定的性能表现出不同，这主要是由于粉煤灰的反应不同。为了研究PVA纤维对F级粉煤灰的强度增益效果以及掺增强纤维的C级和掺增强纤维的F级粉煤灰的样品之间的不同，C级和F级粉煤灰样品都掺加1.5%的PVA纤维，记作系列七列于表三。结果见图十四和十五。当使用短PVA纤维来加固基体时，F级粉煤灰样品的中期强度和延性都得到了提高。和采用相同参数的C级粉煤灰样品相比，F级粉煤灰样品的开裂强度下降23