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文献速读 Cement Concrete Comp. ：通过聚乙烯醇（PVA）纤维的化学表面改性调整应变硬化水泥基复合材料（SHCC）的裂纹桥接行为  题目 题目：Tailoring the crack-bridging behavior of strain-hardening cement-based composites (SHCC) by chemical surface modification of poly(vinyl alcohol) (PVA) fibers 通过聚乙烯醇（PVA）纤维的化学表面改性调整应变硬化水泥基复合材料（SHCC）的裂纹桥接行为 关键词 聚乙烯醇（PVA）纤维；应变硬化水泥复合材料（SHCC）；接触角度；缩醛化反应 来源 出版年份：2020年 期刊：Cement and Concrete Composites 课题组：德国德累斯顿工业大学Iurie Curosu课题组 研究背景 应变硬化水泥基复合材料（SHCC）是一种特殊类型的高性能纤维增强水泥基复合材料，具有显著的拉伸延性。聚乙烯醇（PVA）纤维常用于制备一般强度的SHCC。SHCC需要平衡纤维-基体粘结力，应允许在裂纹形成和扩展过程中部分纤维脱粘和拉伸，然后完全脱粘和拉拔。然而，由于其表面大量的羟基，PVA纤维具有亲水性，并与水泥基体形成强大的化学键，使得纤维易断裂，显著降低复合材料的韧性。为了削弱PVA纤维与胶结基质的粘结力，可在PVA纤维表面涂上疏水物质和表面活性剂的混合物，通常称为油涂层。然而，油涂层对降低化学粘结力和纤维整体拉拔行为的影响是有限的。优化纤维-基体相互作用的另一个方法是调整PVA-SHCC中的胶凝基体，例如通过加入大量粉煤灰作为水泥替代物。纤维与胶凝基体的相容性取决于其表面粗糙度和表面官能团的存在。后者决定了纤维的表面极性，从而决定了纤维的润湿行为。与使用物理涂敷的油涂层或纳米颗粒沉积不同，化学表面改性可使纤维产生更持久的疏水特性。 研究出发点 丁醛通过酸催化的缩醛化反应共价键合到PVA的羟基上，由于极性羟基与非极性烷基链发生反应，两个羟基转化为缩醛结构，改变了PVA纤维的表面性质。丁醛改性的纤维对胶凝基质的化学粘附力显著降低，而且，丁醛可溶于水，因此此类改性非常有吸引力。基于先前的研究，有必要研究丁醛对PVA纤维的疏水改性及其对所产生SHCC的微观力学和复合性能的影响。在先前的研究中，丁醛改性是在高温下在稀硫酸中进行的。由于单纤维拔出试验显示这种改性对纤维基体键的影响过大，因此有必要研究在较温和的条件下，即在室温下，以弱盐酸为催化剂，用丁醛对PVA纤维进行了改性。据估计，较低的催化H+数量、较低的温度和较短的反应时间可降低转化率，即纤维表面丁醛覆盖率较低，从而使纤维基体粘附力更强。 研究内容 本文研究了油涂层PVA纤维、无油PVA纤维、丁醛-稀硫酸改性PVA纤维、丁醛-盐酸改性PVA纤维对SHCC韧性的影响。通过X射线光电子能谱（XPS）、Zeta电位和接触角测量对所研究的四种纤维的表面性质进行了表征。在单纤维拉拔试验中评估了由此产生的纤维-基体界面参数。此外，还进行了单纤维拉伸试验，以评估表面改性对其力学性能的影响。在SHCC试样的单轴拉伸试验中，使用12 mm长的PVA纤维（体积分数为2%）评估了纤维的集体裂纹桥接性能。利用光学显微镜量化了断裂无缺口试样上的裂纹间距和宽度，利用环境扫描电子显微镜（ESEM）观察了SHCC试样断裂表面上的纤维状况。  图1 丁醛与聚乙烯醇的化学键合 表1四种PVA纤维的XPS、Zeta电位和接触角测试结果   图2 单纤维拉拔试验结果  图3 SHCC断裂面上拔出纤维的ESEM图像 主要结论 在本研究中，通过酸催化缩醛化的方法，成功用丁醛对PVA纤维进行改性，以调整其润湿行为并降低其与水泥基的粘附力。使用两种稀释酸，即H2SO4和HCl，将烷基链共价键合到PVA纤维表面。去离子水中的接触角测试表明，所进行的改性产生了疏水表面，与无油PVA纤维以及油涂层PVA纤维相比，接触角显著提高。 单纤维拔出实验表明，改性纤维的纤维-基体附着力明显低于油涂层纤维和无油纤维。同时，丁醛-H2SO4改性的还原效果明显强于在HCl中进行的温和改性。在复合材料层面，与丁醛-H2SO4改性的纤维相比，丁醛-HCl改性的纤维具有更好的拉伸性能。在丁醛-H2SO4改性的情况下，化学粘附力显著降低，从而允许纤维的滑动。由此产生高度的表面损伤，暴露了PVA纤维的低耐磨性。这被证明不利于利用疏水纤维表面的优势。 ESEM研究表明，导致滑动硬化拉拔行为的原因不仅是纤维的低耐磨性， PVA-SHCC所用典型胶凝基质的强度和堆积密度相对较低也是原因之一。因此，通过调节纤维疏水性，增加胶凝基质的同质性，是仍待研究的问题。 文献链接： https://www./science/article/pii/S0958946520302298 |
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