基于高强高模熔纺PVA纤维制备和界面特性的ECC材料优化设计

The project aims to achieve the strain strengthening characteristics of fiber reinforced cementitious composites. According to the ECC (Engineering Cementitious Composites) requirements for PVA fiber, the traditional wet spinning process is abandoned, and typical scientific problems such as the interaction of PVA and plasticizer, PVA melt crystallization mechanism and fiber microporous surface during PVA macro fiber melt spinning process were focused. A serial of reasonable testing and characterization methods were applied to optimize the spinning parameters and improve the properties of fibers. On the basis of above mentioned research, in addition, the fiber-matrix interfacial property was optimized by coating technology. Finally, it is necessary to gain as much information as possible about the microstructure of the fiber at main stages of spinning and hence accurately define structure/property relationships, clarify essential connection between the characteristics of fiber itself, fiber-matrix interfacial properties and the ECC ductility, and improve the design technology of ECC considering the high strength of ECC matrix and load mode. This project has great significance in optimizing the development of PVA fiber industry and enriching fiber reinforced cementitious composites types as well as promoting the engineering application of ECC in China.

本项目以实现纤维增强水泥基复合材料（FRC）的应变硬化特征为目标，针对工程水泥基复合材料（ECC，Engineering Cementitious Composites）对聚乙烯醇（PVA）纤维的要求，摈弃传统的湿法纺丝等工艺,重点关注熔纺粗旦PVA纤维纺程中塑化剂作用机理、熔融结晶行为特征、纤维微孔化表面等科学问题，采用合理的表征测试手段，力求实现明确工艺参数、优化纤维力学与表面性能的目的。在此基础上，以优化纤维-基体界面特征为切入点，形成有效的纤维表面涂层改性技术。建立纺程工艺-微观结构-纤维性能的本质关联，阐明纤维本体性能、纤维-基体界面特征对ECC宏观韧性之间的关系，针对高强ECC体系及荷载方式，完善ECC材料的设计方法。本项目对推动特种PVA纤维产业发展、丰富纤维增强水泥基复合材料类型、加快ECC在我国的工程应用，具有重要理论和实际意义。

以实现的工程水泥基复合材料（ECC，Engineering Cementitious Composites）应变硬化特征为目标，针对ECC对聚乙烯醇（PVA）纤维的要求，摈弃传统的湿法纺丝等工艺,确定了复合塑化PVA体系的组成，从分子间氢键作用角度剖析了塑化机理。通过流变行为表征，可获知改性PVA体系为假塑性流体，获取了塑化PVA的加工参数，实现了塑化PVA的熔融纺丝。深入考察了纺丝工艺对纤维性能的影响，当直径约为30～40微米时，其力学性能接近国外同类型高性能纤维。详细表征了PVA纤维的截面形貌及力学性能。熔纺PVA初生纤维截面规整，表面光滑，随拉伸倍数的增加，纤维表面呈现出轴向的微孔，且逐渐变得细长，增加了纤维表面粗糙度。拉伸可显著提升纤维的结晶度和取向度，但也降低了熔纺PVA纤维的表面亲水性。.为了优化纤维-基体的界面性能，采用化学沉积、复合偶联、亲水性聚合物等多种方法对熔纺PVA纤维进行了表面改性，结果表明：化学沉积方法可在PVA纤维表面附着粒径可控的纳米二氧化硅颗粒，具有水化活性的颗粒可增加水化产物在纤维表面的附着，进而增加单丝纤维粘结强度与拔出耗能。优化了单丝拔出实验的装置，重点评估了拔出速率对拔出峰值与耗能的影响规律。在基准砂浆配合比相同及水化龄期相同时，纤维表面粘附水化产物量由多到少依次为：PVA>PP>POM，PVA纤维表现出优异的吸附水化产物的效果。与图像分析法相结合，采用荧光光谱法评估了微细熔纺PVA纤维分散性的定量表征及影响因素，并提出了针对性的纤维分散性调控方法。基于工程快速修补的需求，系统研究了特殊ECC性能的调控技术，重点突破了早期强度发展与流动性保持之间的矛盾。在确保ECC单轴拉伸韧性的基础上，实现ECC的极低的干燥收缩与优良的冻融循环性能。提升了ECC对修补基体的界面粘结性能，为ECC作为修补材料广泛应用奠定了良好的基础。成功将本项目开发的产品，在工程上实现了ECC的喷射施工应用。.本项目对推动特种PVA纤维产业发展、丰富纤维增强水泥基复合材料类型、加快ECC在我国的工程应用，具有重要理论和实际意义。