高模量PVA纖維混凝土早期收縮及抗拉試驗研究

李 明，申春麗，劉山洪

(1.重慶市豐都縣交通工程試驗檢測中心，重慶408200;2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074)

高強混凝土水膠比低，收縮大且主要發(fā)生在早期，其早期微裂縫很可能成為后期宏觀裂縫的開端，影響結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。從混凝土收縮裂縫形成的時間來看，裂縫往往發(fā)生在混凝土拌合物的初凝到終凝這段時間，混凝土早期裂縫絕大多數(shù)屬于非荷載性裂縫，材料的收縮和變形受限制是其產(chǎn)生的兩個必要條件。對于摻減水劑的混凝土至少應(yīng)該從初凝開始養(yǎng)護，否則養(yǎng)護效果不好［1］。對于泵送混凝土應(yīng)在澆注完混凝土后，立即收面、覆蓋薄膜、壓蓋濕潤麻袋或草氈并及時灑水［2］。此外，混凝土中摻入合成纖維可有效地控制由干縮及溫差所產(chǎn)生的裂縫，從而顯著地提高混凝土的耐久性［3］。

PVA纖維，即聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，簡稱PVA)纖維，具有親水、無毒、環(huán)保等特性。PVA纖維與水泥基體的黏結(jié)強度很高［4］。要提高PVA纖維混凝土本身的抗裂性需要優(yōu)化纖維體積摻量，充分利用纖維與混凝土之間的黏結(jié)力［5］。

在預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋施工中需要了解不同摻量的高模量PVA纖維對混凝土工作性能的影響。筆者采用了高模量的PVA纖維，對不同摻量的PVA纖維混凝土進行了平板法塑性收縮試驗和劈裂抗拉試驗，探明克服混凝土早期塑性收縮的合理PVA纖維摻量，增強混凝土材料的抗拉程度。

1 PVA纖維的增強機理

按照彈性模量大小，聚乙烯醇纖維可分為高模量PVA纖維、改性PVA纖維以及普通PVA纖維3類。

高模量PVA纖維在制作過程中將初生態(tài)纖維經(jīng)高倍拉伸達到其原長的12倍左右，其分子有較高的取向性，導(dǎo)致抗拉強度和彈性模量顯著提高。改性PVA纖維在纖維成絲后經(jīng)適度拉伸，其抗拉強度和彈性模量較普通維綸纖維有所提高，普通PVA纖維即紡織用纖維。

高模量PVA纖維與改性PVA纖維可作為水泥基體的增強體，但在混凝土中的試驗研究數(shù)量有限［6-9］。

1.1 PVA纖維增強水泥砂漿的機理

纖維在水泥基材中能否有效拔出而不斷裂可通過分析單根纖維的最大錨固長度來定性了解。假設(shè)纖維拔出方向與纖維長度方向相同，此時保證纖維拔出而不斷裂所允許的最長纖維長度Lc為:

式中:σf，df分別為纖維的抗拉強度和斷面直徑;τ為纖維與水泥石之間的界面黏結(jié)強度。PVA纖維的τ值通常為1.9～4.2 MPa。如果進一步考慮纖維分布方向與受拉方向不同以及纖維與水泥基材之間存在化學(xué)黏結(jié)，那么允許的最長纖維長度還要進一步減小［10-11］。

對采用特制精細石英砂作為骨料的PVA水泥砂漿材料的配合比進行分析可知，其良好的應(yīng)變硬化能力和多縫開展特性是基于選取的粗骨料與水泥粒徑基本一致的情況。一般PVA纖維直徑小于39 μm時，所選取骨料為砂，其粒徑與水泥基本一致時，約為PVA纖維直徑的3.14倍，這時裂縫的間距約為粒徑6.28倍，能有效地發(fā)揮PVA纖維的橋接作用。

1.2 PVA纖維增強普通混凝土的機理

當(dāng)混凝土中存在粗骨料時，粗骨料和水泥漿體的過渡區(qū)范圍很大，是整個結(jié)構(gòu)中最為薄弱的部分，其特征是富集粗大的孔隙。從微觀的角度看，在過渡區(qū)范圍內(nèi)，骨料表面聚集著與其垂直的板狀或?qū)訝畹臍溲趸}定向結(jié)晶，還分布著鈣釩石的粗大結(jié)晶及少量的C-S-H，形成了一個粗糙的結(jié)構(gòu)，強度低，抗?jié)B性和耐久性也不好。粗骨料剔除后，骨料自身存在缺陷的幾率減小，整個基體的缺陷也減少［12］。

鄧宗才，等［4］對摻入PVA纖維的質(zhì)量摻量分別為 0.78，1.0，1.3 kg/m3(相應(yīng)的體積摻量為0.06%，0.076%，0.10%)的混凝土試件進行了抗彎韌性測試。PVA纖維明顯改善了混凝土彎曲韌性，由脆性破壞變?yōu)榫哂幸欢ㄑ有缘钠茐?，且隨PVA纖維摻量的增加，其延性進一步增加。

但是，從幾條典型的荷載-撓度曲線可以看出:試件破壞都呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化狀態(tài)，遠沒有達到應(yīng)變硬化狀態(tài)。采用的PVA纖維直徑通常小于0.05 mm。這類PVA纖維僅能達到阻裂的效果。因此，需要增添部分增韌的PVA粗纖維，才能達到提高混凝土試件的應(yīng)變硬化能力。

2 平板法塑性收縮開裂試驗

試驗所用材料如下:

1)水泥采用江津水泥廠生產(chǎn)的地維牌42.5普通硅酸鹽水泥。其主要化學(xué)成分及物理力學(xué)性能見表1、表2。

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2)PVA纖維選用國產(chǎn)的高強高彈PVA短纖維，直徑14 μm，長度為12～15 mm，其物理力學(xué)性能見表3。

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3)中砂:細度模數(shù)2.5，堆積密度1 760 kg/m3、含水率0.5%，含泥量＜1%。

4)碎石:重慶南泉石灰石碎石，出廠時篩分為5～10 mm和10～20 mm兩個粒級，表觀密度為2.64 ～2.70 g/cm3，壓碎指標(biāo)為 10.1%。配制混凝土?xí)r，5～10 mm和10～20 mm粒級以質(zhì)量比1∶2配合使用。

5)粉煤灰:采用Ⅰ級粉煤灰，密度為2 600 kg/m3。

6)水:采用本地自來水。

7)減水劑:華西外加劑廠生產(chǎn)的HC-200k型多元酸高效減水劑。粉劑推薦摻量0.3% ～0.75%，減水率15%～35%。

8)速凝劑:棕黃色粉體材料。

試驗中采用C30混凝土，用25%的粉煤灰等量取代水泥，調(diào)整后得到的粉煤灰混凝土每立方米用量(質(zhì)量)水∶水泥∶粉煤灰∶砂∶石子∶減水劑=156∶316∶106∶586∶1 255∶2.7。

水膠比0.37，塌落度控制在30～50 mm，在粉煤灰混凝土中摻入PVA纖維，其體積摻量為0.3%，0.6%，0.9%。

2.1 平板法塑性收縮開裂試驗

塑性收縮開裂試驗，是在一定的環(huán)境條件下，采用適當(dāng)?shù)脑囼炑b置測試混凝土在塑性階段抵抗開裂變形的能力。

本試驗?zāi)＞叩脑O(shè)計制作參考了CCES 01—2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》中規(guī)定的混凝土早期抗裂性試驗方法。由于本試驗所處的試驗條件有限，采用木模板進行該試驗，模具尺寸為600 mm×600 mm×50 mm，在模具每個邊上同時釘上兩排共18個鐵釘伸向模具內(nèi)側(cè)。當(dāng)澆筑后的混凝土平板試件發(fā)生收縮時，四周將受到這些鐵釘?shù)募s束。在模具底板的表面鋪有低摩阻的聚四氟乙烯片材。模具作為試驗裝置的一部分，試驗時與試件連在一起。平板試件模具示意見圖1。

圖1 平板試件模具示意Fig.1 Plate specimens mold diagram

2.1.1 試驗步驟

試驗時，將攪拌均勻的混凝土澆入模具中，左右搖動使其密實，最后抹平表面。試件成型后立即在其表面覆蓋一層塑料薄膜，保持環(huán)境溫度30℃，相對濕度60%;養(yǎng)護2 h后，取下薄膜，用風(fēng)扇以6 m/s的表面風(fēng)速吹混凝土表面，加速塑性開裂。試驗期間觀察并記錄試件表面裂縫出現(xiàn)的初始時間直至24 h，然后使用讀數(shù)顯微鏡記錄每一條裂縫的寬度和長度，記錄裂縫的條數(shù)。

2.1.2 試驗結(jié)果評價方法

1)裂縫降低系數(shù)法

裂縫的平均裂開面積:

單位面積內(nèi)的裂縫數(shù)目:

單位面積上的總開裂面積:

式中:Wi為第i條裂縫的最大寬度，mm;Li為第i條裂縫的長度，mm;N為總裂縫數(shù)目，根;A為平板的面積，m2。

試件開裂總面積Acr:

裂縫降低系數(shù)η為:

式中:Amcr為對比用素混凝土板開裂總面積，mm2;Afcr為纖維混凝土板開裂總面積，mm2。

2)塑性指數(shù)法

1984年，Kraai教授［13］在平板法的試驗中首次提出了塑性指數(shù)的定義，并以此評判纖維混凝土早期抗裂性。其計算公式為:

式中:li為第i條裂縫的長度，mm;ωi為第i條裂縫的最大裂縫寬度(wimax)對應(yīng)的權(quán)重值，見表4。

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試驗中采用以上兩種方法對PVA纖維混凝土的早期抗裂性進行評判。

2.2 試驗結(jié)果分析

不同纖維摻量的PVA纖維混凝土的塑性開裂性能見表5。其中試件編號中的數(shù)值為PVA纖維摻量的百分比。通過對PVA纖維混凝土的平板法塑性收縮開裂試驗的結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)摻入一定量的PVA纖維可以有效的減少裂縫的數(shù)目，降低裂縫的最大寬度，從而增大裂縫降低系數(shù)，減小塑性指數(shù)。

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由于PVA纖維具有保水性，能減少水分蒸發(fā)所引起的塑性收縮，并且PVA纖維還具有較強的親水性，和水泥材料的黏結(jié)性能良好，會阻礙裂縫的產(chǎn)生和進一步擴展。因此摻入0.3%PVA纖維的混凝土能有效的抑制了塑性裂縫的產(chǎn)生，但不能完全阻止塑性裂縫的產(chǎn)生，說明此時纖維的摻量還沒有達到完全消除塑性裂縫的程度。

摻入0.6%和0.9%PVA纖維的混凝土均未出現(xiàn)塑性裂縫。此時纖維的摻量達到了完全消除塑性裂縫的程度?？梢姡琍VA纖維對抑制和消除塑性裂縫是有效的。

3 劈裂抗拉試驗

混凝土的抗拉強度只有抗壓強度的1/20～1/10，且隨著混凝土強度等級的提高，比值降低。通過試驗研究不同摻量的高模量PVA纖維對混凝土的抗拉性能的影響規(guī)律。

3.1 劈裂抗拉試驗

劈裂抗拉試驗的原理是在試件兩個相對表面的中線上，作用均勻分布的壓力，這樣就能夠在外力作用的豎向平面內(nèi)產(chǎn)生均布拉伸應(yīng)力。

混凝土劈裂抗拉強度應(yīng)按式(8)計算:

式中:fts為混凝土劈裂抗拉強度，MPa;P為破壞荷載，N;A為試件劈裂面面積，mm2。

混凝土軸心抗拉強度ft可按劈裂抗拉強度fts換算得到，換算系數(shù)可由試驗確定。

本試驗采用的是100 mm×100 mm×100 mm的非標(biāo)準(zhǔn)試件，其劈裂抗拉強度應(yīng)在式(8)計算所得值的基礎(chǔ)上乘以換算系數(shù)0.85。在室溫(20±2)℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護7 d，采用NYL-600型壓力試驗機以0.05～0.08 MPa/s的速度連續(xù)而均勻地加載，當(dāng)試件接近破壞時，應(yīng)停止調(diào)整油門，直至試件破壞，記下破壞荷載，精確至0.1 kN。

3.2 試驗結(jié)果分析

隨著PVA纖維摻入量的增加，PVA纖維混凝土立方體試塊的劈裂抗拉強度也隨之增長，與素混凝土相比，抗拉強度得到顯著提高。基準(zhǔn)混凝土7 d齡期的劈裂抗拉強度為1.60 MPa，PVA纖維摻量為0.3%，0.6%和0.9%時，劈裂抗拉強度相對于基準(zhǔn)混凝土分別提高了 20.0%，29.4%和28.8%。當(dāng)PVA纖維摻量為0.6%時，劈裂抗拉強度最大;摻量為0.9%時試塊的劈裂抗拉強度反而有所降低。這是由于特定長度和直徑的纖維，其體積摻量達到一定閾值后，對骨料的黏結(jié)約束效應(yīng)將不再增加。

基準(zhǔn)混凝土28 d齡期的劈裂抗拉強度為1.83 MPa，比7 d測得的提高0.16 MPa。隨著PVA纖維摻量的遞增，PVA纖維混凝土的劈裂抗拉強度也呈現(xiàn)增長的趨勢，當(dāng)PVA纖維摻量為0.6%時，其28 d的劈裂抗拉強度達到最大值;當(dāng)PVA纖維摻量為0.9%時，其28 d的劈裂抗拉強度反而比PVA-0.6略低。由此可以看出在這3種纖維體積摻量中，0.6%的纖維摻量最為合適，見圖6。

圖2 不同齡期PVA纖維混凝土的劈裂抗拉強度Fig.2 Splitting tensile strength of PVA fiber concrete with different ages

由圖6可知，強度增長幅度最大的是0.6%纖維摻量的PVA纖維混凝土，28 d齡期的劈裂抗拉強度比7 d的劈裂抗拉強度提高了0.51 MPa;增長幅度最小的是基準(zhǔn)混凝土，不同齡期的劈裂抗拉強度只相差 0.16 MPa。

4 結(jié)論

通過對上述試驗結(jié)果分析可以得到如下結(jié)論:

1)PVA纖維的摻入可以減少混凝土塑性收縮階段的開裂，當(dāng)纖維摻量達到0.6%時，已無塑性裂縫出現(xiàn)。

2)由于特定長度和直徑的纖維對混凝土的約束效應(yīng)是有限的，當(dāng)PVA纖維摻量為0.9%時試塊的劈裂抗拉強度反而有所降低，單純增加纖維體積摻量無助于提高混凝土抗拉強度。

3)當(dāng)PVA纖維的體積摻量為0.6%時，混凝土早期抑制塑性開裂的性能和后期的劈裂抗拉強度都是3種摻量中最好的。

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