第４１卷第４期 ２０１４年４月 建筑技术开发 Ｖ０１．４１．Ｎｏ．４ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ａｐｒ．２０１４ ＰＶＡ纤维混凝土弯曲韧性 性能试验研究 苏骏张鹏颜岩 （湖北工业大学土木工程与建筑学院，武汉４３００６８） ［摘要］按照《纤维混凝土试验方法标准》（ＣＥＣＳ １３：２００９）中弯曲韧性和初裂强度的试验方法对聚乙烯醇纤维混凝土 的力学性能进行试验，研究结果表明：聚乙烯醇纤维能略微提高混凝土的抗压强度，最佳掺量在１％以下；聚 乙烯醇纤维能有效地改善混凝土立方体抗压变形能力，使混凝土由脆性破坏转换为有一定塑性的破坏形态； 当聚乙烯醇纤维掺量在０．０８％一０．２％时可明显改善混凝土的弯曲韧性；聚乙烯醇纤维也能在一定程度上提 升混凝土的抗弯拉强度。 ［关键词］ 聚乙烯醇纤维ｊ混凝土；破坏形态；韧性指数 ［中图分类号］ＴＵ５２８．５７２ ［文献标志码］ Ａ ［文章编号］ １００１—５２３Ｘ（２０１４）０４—００６７—０４ ＴＥＳＴ ＡＮＤ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＯＮ ＢＥＮＤＩＮＧ ＳＴＩＦＦＮＥＳＳ ＰＥＲＦＯＩＵ ＡＮＣＥ ｏＦ ＰＶＡ ＦＩＢＥＲ ＣｏＮＣＲＥＴＥ Ｓｕ Ｊｕｎ Ｚｈａｎｇ Ｐｅｎｇ Ｙａｎ Ｙａｎ ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ Ｉｔ ｉｓ ｔｅｓｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｎｄ ｉｎｉｔｉａｌ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ ｉｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ（ＣＥＣＳ １３：２００９）ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ＰＶＡ ｆｉｂｅｒ ｃｏｕｌｄ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｍｉｘｉｎｇ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｉｓ ｂｅｌｏｗ １％：ＰＶＡ ｆｉｂｅｒ ｃｏｕｌｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｃｕｂｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ，ＳＯ ａｓ ｔｏ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｂｒｉｔｔｌｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｗｉｔｈ ｃｅｒｔａｉｎ ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ；ｗｈｅｎ ＰＶＡ ｆｉｂｅｒ ｍｉｘｉｎｇ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｉｓ ０．０８％ｔｏ ０．２％，ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｏｂ— ｖｉｏｕｓｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ；ＰＶＡ ｆｉｂｅｒ ｃｏｕｌｄ ａｌｓｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ａｔ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｅ— ｇｒｅｅ・ ［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ ＰＶＡ ｆｉｂｅｒ；ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｆａｉｌｕｒｅ ｓｔａｔｅ；ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｉｎｄｅｘ 聚乙烯醇（ＰＶＡ）是一种高强高弹模的合成纤 究比较多，关于ＰＶＡ纤维混凝土的研究比较少。本 维，具有良好的亲水性，纤维表面能够吸附少量自由 文对ＰＶＡ纤维混凝土的力学性能的影响进行了试 水，与水泥基体的粘结性能较好。ＰＶＡ纤维本身具 验研究。 有较高的强度和弹性模量，它不但可以有效抑制混 １试验概况 凝土早期塑性裂缝，并且可以显著降低混凝土的脆 １．１试验材料 性，增加韧性，阻碍裂缝的扩散与发展。与钢纤维相 （１）水泥采用４２．５普通硅酸盐水泥。 比，ＰＶＡ纤维具有耐化学腐蚀、成本低等优点。与其 （２）粗骨料采用碎石，在搅拌混凝土前用水洗 他合成纤维相比，具有弹性模量高、无毒等优点。目 法把表面泥沙洗净，粒径５—２０ ｍｍ连续级配。 前，关于碳纤维、钢纤维以及其他合成纤维混凝土研 （３）细骨料采用河砂，通过级配试验测量为中 砂，细度模数为２．６。 收稿日期：２０１３—１２—２５ （４）ＰＶＡ纤维的性能指标见表１。本文选用１２ 作者简介：苏骏（１９７１一），男，安徽淮南人，毕业于武汉理工大学，博 ｍｍＰＶＡ纤维。 士，教授，现从事混凝土结构计算和工程结构加固研究工 （５）钢纤维的长径比采用６Ｏ，体积率采用上层 作。 １．０％，下层１．０％，其性能见表２。 ６７ 第４期 苏骏．等：ＰＶＡ纤维混凝土弯曲韧性性能试验研究 第４１卷 （６）减水剂为聚羧酸减水剂。 （７）水为清洁自来水。 表１ ＰＶＡ纤维基本性能指标 密度／ 直径 弹性模 长度 抗拉强 断裂伸 纤维 耐酸 （ｇ／ｃｍ ） ／ＬＬｍ 量／ＧＰａ ／ｎｌｍ 度／ＭＰａ 长率／％ 形状 碱盐 １．３ ｌ５ ３３．４ １２ ｌ７０４ １２ 束状 单丝 极高 表２钢纤维基本性能指标 外形 抗拉强度 弹性模量 极限拉伸 密度 ／ＭＰａ ／ＧＰａ ％ ／（ｇ／ｃｍ ） 弓形 ≥１０７０ ２００ Ｏ．５～３．５ ７．８ １．２混凝土配合比及试件 混凝土配合比如表３所示。 表３混凝土配合比 强度 水泥／ 水／ 砂／ 石， 减水剂／ 水灰 （ｋｇ／ｍ ） （ｋｇ／ｍ。） （ｋｇ／ｍ ） （ｋｇ／ｍ ） 比 砂率 等级 （ｋｇ／ｍ ）／％ Ｃ４０ ３４０ ｌ３６ ６３３ １２９８ ２．０４ ０．４ ３３％ 试件尺寸分别为１００ ｍｍ×１００ ｍｍ×１００ ｍｍ和 １００ ｍｍ×１００ ｍｍ×４００ ｍｍ，每组纤维混凝土和素混 凝土完成３个试件的抗压试验和３个试件的弯拉试 验，试件纤维掺量如表４所示。 表４试件纤维掺量 试件编号 ＰＶＡ纤维体积掺量／％ 钢纤维质量掺量／％ Ｃ ０ ＰＶＡｌ Ｏ．２ ＰＶＡ２ Ｏ．１ ＰＶＡ３ Ｏ．０８ ＬＨＦＲＣ Ｏ．０８ ｌ ＬＳＦＲＣ ｌ １．３搅拌工艺与试验方法 为了使ＰＶＡ纤维均匀地分散到混凝土中，本试 验采用强制搅拌机进行搅拌，经试拌发现ＰＶＡ纤维 能均匀地分散到混凝土基体中。试件在振动台上振 动成型后静置２４ ｈ后脱模，移至标准养护室养护２８ ｄ后进行试验。 弯拉试验按《纤维混凝土试验方法标准》（ＣＥＣＳ １３：２００９）中弯曲韧性和初裂强度的试验方法进行试 验，试验选用电液伺服万能试验机，按恒位移控制方 ６８ 法加载，位移速率０．０２５ ｍｍ／ｍｉｎ采用四点弯曲法加 载测定纤维混凝土的弯拉强度，试验加载如图１所 示。 图１弯拉性能加载示意 ２试验结果分析 ２．１ 立方体抗压强度分析 纤维混凝土立方体抗压强度实验结果如表５所 示。由表５可知，ＰＶＡ纤维掺量在０．０８％时，立方 体抗压强度比素混凝土提高了３．９％；ＰＶＡ纤维掺 量在０．１％时，立方体抗压强度比素混凝土提高了 １．１％；ＰＶＡ纤维掺量在０．２％时，立方体抗压强度 比素混凝土略微降低。由此可知，ＰＶＡ纤维的掺入 能略微提高混凝土的抗压强度，最佳掺量在０．１％ 以下 表５立方体抗压强度 试件编号 极限荷载／ｋＮ 抗压强度／ＭＰａ Ｃ平均值 ５１１．８９ ５１．１９ ＰＶＡ１平均值 ５０８．５０ ５Ｏ．８５ ＰＶＡ２平均值 ５１７．６６ ５１．７７ ＰＶＡ３平均值 ５３１．９１ ５３．１９ ＬＨＦＲＣ４平均值 ４４５．１７ ４５．８７ ＬＳＦＲＣ５平均值 ５７６．５７ ５７．６６ 另外，由表５中ＬＨＦＲＣ（层布式混杂纤维混凝 土）和ＬＳＦＲＣ（层布式钢纤维混凝土）数据可知，在 ０．０８％的ＰＶＡ纤维掺量下，ＬＨＦＲＣ的立方体抗压强 度比ＬＳＦＲＣ的立方体抗压强度降低了２０．４％；比素 混凝土降低了１０．４％。由于ＰＶＡ和钢纤维两种纤 维掺人，使总体纤维掺量变大，纤维不仅不易分散， 而且会把部分空气带人混凝土中，减小基体粘结力 的同时也降低了混凝土的强度。 ２．２ 立方体抗压强度破坏形态分析 素混凝土属于脆性破坏，试件加载后，竖向发生 压缩变形，水平向为伸长变形，试件的上下端因受加 载垫板的约束而横向变形小，中部的横向膨胀变形 最大。随着荷载的应力增大，试件的变形逐渐增长。 第４１卷 苏骏，等：ＰＶＡ纤维混凝土弯曲韧性性能试验研究 第４期 试件临近破坏前，首先在试件的高度、靠近侧表 ２．３弯曲韧性分析 面的位置上出现竖向裂缝，然后往上和往下延伸，逐 本文采用美国材料与实验协会ＡＳＴＭ Ｃ１０１８的 渐转向试件的角部，形成正倒相连的八字形裂缝，如 弯曲韧性指数法评定ＰＶＡ纤维混凝土的弯曲韧性， 图２所示。继续增加荷载，新的八字形缝由表层内 ＡＳＴＭ Ｃ１０１８弯曲韧性指数法是利用理想弹塑性体 部扩展，中部混凝土外胀，开始剥落，最终成为正倒 作为材料韧性的参考指标，选用初裂挠度的倍数作 相接的四角锥破坏形态，如图３所示。 为终点挠度，即３６，５．５６，１Ｏ．５６（图５），相应的韧度 指数用，５，， 。，，２０表示，即： ］５－－ ， 薰 框 图２素混凝土破坏模型 图５ ＡＳＴＭＣ１０８０韧性指数法 ： ， 坐 混凝土的荷载挠度一位移曲线见图６—９。 图３普通混凝土破坏形态 ＰＶＡ纤维混凝土破坏形态与素混凝土的破坏形 态基本一致，只是在临近破坏前随着荷载的继续加 大，混凝土的中部横向膨胀继续变大。由于ＰＶＡ纤 维在混凝土中乱向分布，在混凝土出现裂缝的时候， 横跨裂缝纤维有效了裂缝在骨料之间扩展和贯 通，从而在达到极限荷载后仍有一定的抗压性能， 图６素混凝土荷载一挠度曲线 ＰＶＡ纤维的掺人使混凝土的破坏形态从脆性破坏转 为有一定塑性的破坏形态，因此并没有出现混凝土 剥落现象。如图４所示，ＰＶＡ纤维混凝土并未出现 与素混凝土一样的四角锥破坏形态。 图７ ＰＶＡ１的荷载一挠度曲线 纤维混凝土的抗弯韧性试验结果见表６，由表６ 图４ ＰＶＡ纤维混凝土破坏形态 可知，在混凝土中掺人ＰＶＡ纤维，混凝土的弯曲韧 第４期 苏骏，等：ＰＶＡ纤维混凝土弯曲韧性性能试验研究 第４１卷 性指数有了明显提高，在ＰＶＡ纤维掺量为０．２％时， 韧性指数，５比素混凝土提高了４．Ｏ８倍；在ＰＶＡ纤 维掺量为０．１％时，韧性指数 比素混凝土提高了 为 椁 ３．７９倍；在纤维掺量为０．０８％时，韧性指数，５比素 图８ ＰＶＡ２的荷载一挠度曲线 挠度／ｒａｍ 图９ ＰＶＡ３的荷载一挠度曲线 表６纤维混凝土梁抗弯韧性试验结果 韧度指数 最大荷载 抗弯拉强度 试件编号 ｌ５ ，ｌ０ ，２０ ／Ｎ ／ＭＰａ Ｃ平均值 ｌ ｌ １ １７ １０６．５ ５．１３ ＰＶＡ１—１ ５．６９ １７ ８９１．７ ５．０７ ＰＶＡ１—２ ４．９９ １７ ３２２．３ ５．２０ ＰＶＡｌ一３ ４．５６ １７ １０５．７ ５．１３ ＰＶＡ１平均值 ５．０８ １７ ４３９．９ ５．２３ ＰＶＡ２—１ ５．４８ １７ ９７５．２ ５．３９ ＰＶＡ２—２ ４．４３ １７ ２ｌ５．０ ５．１６ ＰＶＡ２—３ ４．４７ １９ ｌ１２．５ ５．７３ ＰＶＡ２平均值 ４．７９ ｌ８ ｌｏｏ．９ ５．４３ ＰＶＡ３—１ ４．９４ １７ ３５０．５ ５ ２１ ＰＶＡ３—２ ４．５５ ｌ８ ６９１．６ ５．３ｌ ＰＶＡ３—３ ３．８７ １７ ２１２．６ ４．８６ ＰＶＡ３平均值 ４．４５ ｌ７ ７５１．６ ５．３２ ＬＨＦＲＣ ４—１ ７．７７ １Ｏ．３６ ｌ２．２４ １９ ３５７．５ ５．８Ｏ ＬＨＦＲＣ ４—２ ７．８２ ９．４９ ｌ１．３８ １９ ４５０．７ ５．８４ ＬＨＦＲＣ ４—３ ７．７６ ９．４１ ｌ１．１５ １８ ５７１．６ ５．５７ ＬＨＦＲＣ平均值 ７．７８ ９．７５ ｌ１．５９ １９ １２６．６ ５．７４ ＬＳＦＲＣ ５一ｌ ７．２８ ９．１６ １Ｏ．２８ ｌ８ ５３５．５ ５．５６ ＬＳＦＲＣ ５—２ ７．９７ １Ｏ．Ｏ１ ｌ２．２６ １９ ３５０．５ ５．８１ ＬＳＦＲＣ平均值 ７．６３ ９．５９ １１．２７ １９ ０７８．６ ５．６４ ７０ 混凝土提高了３．４５倍。在质量掺量为１％的ＬＳＦＲＣ 中掺人体积掺量为０．０８％ＰＶＡ纤维的ＬＨＦＲＣ中， 弯曲韧性指数，５、，。。分别比ＬＳＦＲ提高了２％和 １．６％，说明ＬＨＦＲＣ相对于素混凝土的弯曲韧性提 高效率更大，这是由于ＬＨＦＲＣ综合了钢纤维与合成 纤维的优点。 由表６可知，当ＰＶＡ纤维掺量在０．２％，０．１％， ０．０８％时，纤维混凝土的抗弯拉强度比素混凝土分 别提高了２％，５．８％，３．７％，ＰＶＡ纤维对混凝土的 抗弯拉强度也有一定的提升作用。 ３结束语 （１）ＰＶＡ纤维能略微提高混凝土的抗压强度， 但由于纤维的掺入会将部分空气带人混凝土基体 中，减小基体的粘结力，所以掺量不宜过大，最佳掺 量在１％以下。 （２）ＰＶＡ纤维能有效地改善混凝土立方体抗压 变形能力，使混凝土由脆性破坏转换为有一定塑性 的破坏形态。 （３）当ＰＶＡ纤维掺量在０．０８％一０．２％时，韧性 指数， 介于４．４５～５．Ｏ８，表明ＰＶＡ纤维明显改善了 混凝土的弯曲韧性。 （４）当ＰＶＡ纤维掺量在０．０８％，０．１％，０．２％ 时，混凝土的抗弯拉强度分别提高了２％，５．８％， ３．７％，表明ＰＶＡ纤维也能在一定程度上提升混凝 土的抗弯拉强度。 参考文献 ［１］俞家欢．超强韧性纤维混凝土的性能及应用［Ｍ］．中国建筑工业 出版社，２０１２． ［２］邓宗才，薛会青，李朋远．ＰＶＡ纤维增强混凝土的弯曲韧性［Ｊ］． 南水北调与水利科技，２００７（５）：１３９—１４１． ［３］过镇海，时旭东．钢筋混凝土原理和分析［Ｍ］．北京：清华大学 出版社，２００３． ［４］黄承逵．纤维混凝土结构［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４． ［５］Ｓａｍｅｅｒ Ｈａｍｏｕｓｈ，Ｔａｈｅｒ Ａｂｕ—Ｌｅｂｄｅｈ，Ｔｏｎｅｙ Ｃｕｍｍｉｎｓ．Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｅａｍｓ ｒｅｉｎｆ ｒｃｅｄ ｗｉｔｈ ＰＶＡ ｍｉｃｒｏ—ｆｉｂｅｒｓ［Ｊ］． Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２４（２０１０）２２８５—２２９３． ［６］赵景海，徐鹏．钢纤维混凝土抗弯韧性的评价方法［Ｊ］．哈尔滨建 筑工程学院学报，１９８８（Ｓ１）：６５—７７． ［７］卢哲安，邹尤，任志刚，等．纤维高强混凝士弯曲韧性试验研究 ［Ｊ］．混凝土，２０１０（３）：５—７，ｌ２． ［８］王东英，李思胜，秦鸿根．船闸闸室墙纤维混凝土的应用［Ｊ］．建 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