PVA纖維混凝土受彎梁力學(xué)性能分析

蘇 駿，李 響

（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430068）

纖維混凝土（Fiber Reinforced Concrete，簡稱FRC）是高性能混凝土的分支之一，最早應(yīng)用于上個世紀(jì)70年代［1］，即在混凝土中摻入適量的纖維來降低混凝土固有的脆性，纖維通過橋聯(lián)作用約束混凝土中裂縫的發(fā)展，提高材料抵制裂縫的能力，從而提高混凝土的承載能力和變形能力.PVA纖維是一種高強(qiáng)高彈模的合成纖維，具有良好的親水性、纖維表面能夠吸附少量自由水，與水泥基體的黏結(jié)性能較好.由于PVA纖維本身具備較高的強(qiáng)度和彈性模量，它不但能夠有效抑制混凝土早期塑性裂縫，而且可以提高混凝土的韌性及抗沖擊性能.本文通過不同纖維摻量的PVA纖維混凝土梁的抗彎性能試驗(yàn)，研究PVA纖維混凝土受彎梁的抗裂、承載力和變形性能，為PVA纖維混凝土的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)研究

1.1 試件設(shè)計(jì)

混凝土配合比為：水泥380kg／m3，水195kg／m3，砂子620kg／m3，石子1 050kg／m3，減水劑3.6 kg／m3，水泥為P.O32.5普通硅酸鹽水泥.PVA 纖維采用上海博寧工程纖維材料有限公司提供，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了7根PVA纖維混凝土梁.試件尺寸為2 000 mm×300mm×150mm，受拉縱向鋼筋采用HRB335級鋼筋，箍筋配箍率為0.38%，PVA纖維體積含量Vf分別為1.0%、2.0%，試件參數(shù)見表1.

表1 試件參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行，加載方式采用力控制的兩點(diǎn)單調(diào)同步施加集中荷載，加載過程參照GB50152－92的要求進(jìn)行.試驗(yàn)加載現(xiàn)場見圖1.觀察與量測的主要內(nèi)容有試驗(yàn)梁的跨中撓度、支座沉降、梁底縱向受拉鋼筋的應(yīng)變、純彎段混凝土表面應(yīng)變和裂縫開展情況等.

圖1 試驗(yàn)加載現(xiàn)場

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)

PVA纖維混凝土受彎梁均經(jīng)歷彈性階段、裂縫擴(kuò)展階段、纖維增強(qiáng)階段和破壞階段這一過程，在加載初期，荷載很小時(shí)，變形基本上為彈性，應(yīng)力與應(yīng)變之間保持線性關(guān)系.當(dāng)荷載繼續(xù)增加，混凝土受拉邊緣的應(yīng)變超過受拉極限變形，受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫.由于PVA纖維發(fā)揮橋聯(lián)作用約束裂縫的發(fā)展，使裂縫向上發(fā)展緩慢.

當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的85%左右時(shí)，梁底縱向受拉鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度.此時(shí)，PVA纖維混凝土梁受拉區(qū)纖維增強(qiáng)作用明顯，受壓區(qū)PVA纖維混凝土應(yīng)變增大.隨著荷載繼續(xù)增加，混凝土裂縫迅速向上延伸并擴(kuò)大，PVA纖維混凝土梁的撓度增加很快，受壓區(qū)混凝土有明顯的塑性變形.當(dāng)受拉區(qū)PVA纖維達(dá)到最大的增強(qiáng)效果時(shí)，PVA纖維混凝土梁達(dá)到極限承載力.到達(dá)極限荷載后，纖維混凝土裂縫不斷發(fā)展擴(kuò)大，此時(shí)中和軸上升，受壓區(qū)高度減小，受拉區(qū)PVA纖維逐漸從混凝土中被拔出，部分PVA纖維被拔斷，說明PVA纖維的阻裂作用得到了充分的發(fā)揮，最后受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)了水平裂縫，受壓區(qū)的混凝土被壓碎破壞，梁體同時(shí)也發(fā)生破壞.

PVA纖維的摻入使混凝土試驗(yàn)梁的開裂荷載、極限承載力和變形能力均有較大程度的提高，PVA纖維的摻入提高了混凝土裂縫的分散度，呈多縫開裂，初始裂縫較小，縫寬約為0.03mm.當(dāng)荷載增加到極限荷載50%左右時(shí)，裂縫開始逐漸增多，當(dāng)達(dá)到極限荷載的90%左右時(shí)，裂縫寬度突然增大.試驗(yàn)梁裂縫的開展見圖2和圖3.

2.2 受彎承載力分析

試驗(yàn)梁初裂荷載和極限荷載見表2，從表2可以看出在相同配筋率的情況下，PVA纖維混凝土梁初裂荷載比未摻入纖維的L1梁有明顯的提高，最大提高24%，說明PVA纖維的加入對推遲裂縫的出現(xiàn)和控制裂縫的發(fā)展有著有利的效果.纖維體積摻量相同的L2、L4和L5梁，開裂荷載沒有較大的提高，說明提高配筋率對初裂荷載影響不大.試驗(yàn)結(jié)果表明，增大纖維體積摻量對提高極限承載力具有一定的積極作用，當(dāng)纖維體積率為2%時(shí)，極限荷載較普通混凝土梁提高了20%左右.

表2 試驗(yàn)結(jié)果

2.3 變形性能

試驗(yàn)梁荷載－撓度曲線如圖4所示，從圖中可以看出，荷載較小時(shí)PVA纖維體積摻量對梁跨中撓度沒有明顯的影響，各根梁的撓度曲線在彈性階段與帶裂縫工作階段基本重合，當(dāng)荷載接近屈服荷載時(shí)，荷載－跨中撓度曲線開始出現(xiàn)明顯的分離，隨著PVA纖維體積摻量的增加，試驗(yàn)梁的跨中撓度增大，說明PVA纖維對提高混凝土梁變形能力作用明顯.PVA纖維混凝土梁的變形能力與摻加的纖維摻量關(guān)系密切，PVA纖維混凝土梁具有較好的延性.

圖4 荷載－撓度曲線

表3 位移實(shí)測值

3 主要結(jié)論

通過對PVA纖維混凝土梁抗彎性能的試驗(yàn)研究，可以得出如下結(jié)論：

1）PVA纖維的摻入提高了混凝土裂縫的分散度，呈多縫開裂，對受彎構(gòu)件推遲裂縫的出現(xiàn)、控制裂縫的發(fā)展以及減少裂縫的寬度都有效果.

2）PVA纖維增強(qiáng)混凝土梁較素鋼筋混凝土梁的初裂荷載和極限承載力都有一定的提高.增大纖維體積摻量對提高極限承載力具有一定的積極作用，并隨PVA纖維體積含量的增大而提高.

3﹚PVA纖維混凝土梁的延性隨纖維含量的增加得到了較明顯改善，使混凝土由脆性破壞變?yōu)檠有云茐模黠@改善了混凝土變形能力.

［1］Perumalsamy N B，Surendra P S.Fiber－reinforced cement composites ［M］.New York： McGraw－Hill，1992.

［2］袁 勇，彭定超，邵曉蕓.PVA纖維混凝土梁裂縫試驗(yàn)分析［J］.工業(yè)建筑，2002，32（11）：5－7

［3］何 飛，袁 勇.PVA纖維混凝土梁的抗彎性能試驗(yàn)［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，22（2）：34－39.

［4］林 濤，黃承逵.鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁抗彎性能的試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2003，33（5）：16－19.

［5］彭定超，袁 勇.PVA纖維混凝土彎折試驗(yàn)研究，混凝土，2004（1）：46－51.

［6］鄧宗才，薛會青，李朋遠(yuǎn).PVA纖維增強(qiáng)混凝土的彎曲韌性 ［J］.南水北調(diào)與水利科技，2007，5（5）：139－141.