PVA纖維長(zhǎng)度對(duì)鋼纖維混凝土力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究

魏金源厲 帥張 勇劉宏偉

（1空軍勤務(wù)學(xué)院 機(jī)場(chǎng)工程與保障系 江蘇 徐州 221000 2中國(guó)航空港建設(shè)第二工程總隊(duì) 江蘇 徐州 221000）

PVA纖維長(zhǎng)度對(duì)鋼纖維混凝土力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究

魏金源1厲 帥2張 勇1劉宏偉1

（1空軍勤務(wù)學(xué)院 機(jī)場(chǎng)工程與保障系 江蘇 徐州 221000 2中國(guó)航空港建設(shè)第二工程總隊(duì) 江蘇 徐州 221000）

采用落錘試驗(yàn)儀對(duì)含有加入不同長(zhǎng)度PVA纖維的鋼纖維混凝土進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，得到了摻有不同長(zhǎng)度的PVA纖維條件下混凝土試件的擬合力—時(shí)間、位移—時(shí)間曲線。通過對(duì)曲線的分析對(duì)比，得出PVA纖維的摻入大大提高了混凝土的抗沖擊性能。其中，試驗(yàn)選取的6mm、9mm、12mm、15mm不同長(zhǎng)度的PVA纖維中，12mm長(zhǎng)度的PVA纖維對(duì)鋼纖維混凝土的強(qiáng)度和剛度等力學(xué)性能提升最大，并且在不同沖擊能量下均表現(xiàn)出優(yōu)于其它長(zhǎng)度的特性。

PVA纖維；混凝土；抗沖擊性能；落錘試驗(yàn)

0 引言

鋼纖維混凝土由于鋼纖維的增強(qiáng)、阻裂作用，使得其較普通混凝土有更為優(yōu)越的力學(xué)性能，從而成為建筑工程中應(yīng)用最為廣泛的纖維混凝土之一。在其中加入PVA纖維材料可以發(fā)揮不同彈性模量纖維各自的性能特點(diǎn)，綜合提高混凝土的力學(xué)性能，增加工程應(yīng)用范圍。譚明輪等通過跳桌試驗(yàn)和抗折抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻加PVA纖維可降低工程水泥基復(fù)合材料的流動(dòng)度和坍落度，纖維摻量越大，降低作用越明顯。蘇駿等PVA纖維纖維的加入能很好的提高其破壞應(yīng)力、峰值應(yīng)變、峰值韌度等技術(shù)指標(biāo)。鄧宗才等通過抗彎沖擊實(shí)驗(yàn)，研究不同長(zhǎng)徑比、形狀和摻量對(duì)抗沖擊性能的影響。

本研究將PVA纖維摻入到鋼纖維混凝土中，在相同摻量的條件下改變纖維長(zhǎng)度，通過沖擊試驗(yàn)研究其對(duì)鋼纖維混凝土力學(xué)性能的影響，旨在找出最佳的纖維長(zhǎng)度，為兩種混雜纖維混凝土的配比及設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)材料

水泥為普通的425硅酸鹽水泥；石子的粒徑在5-10mm之間，平均粒徑為7mm；砂子的細(xì)度模數(shù)為2.6，滿足建筑Ⅱ類砂標(biāo)準(zhǔn)；減水劑為萘系減水劑；鋼纖維的直徑0.18-0.2mm，長(zhǎng)度10-12mm，抗拉強(qiáng)度2850MPa，密度8.2g/cm3，表面鍍銅平直型；PVA纖維的物理參數(shù)為干斷裂強(qiáng)度大于10.8 cN/dtex，干斷裂伸度4.0-0.9，楊氏模量290 cN/dtex，熱水減量小于2.5%，4種纖維長(zhǎng)度：3mm、6mm、9mm、12mm。

2 試件制備

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的研究，確定出混凝土各組分具體摻量，見表1，按配合比方案稱量好各種材料，將膠凝材料和粗細(xì)骨料倒入攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢杈鶆?。該過程中為避免鋼纖維分布不均勻和PVA纖維出現(xiàn)結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象，纖維的加入需要分批次均勻撒入，再加入溶有減水劑的水進(jìn)行攪拌，進(jìn)行裝模。在裝模的過程中，要充分的進(jìn)行人工振搗，分三次裝滿，以保證振搗充分。然后放到振動(dòng)臺(tái)上震動(dòng)30～60s，隨后在模具表面敷上塑料紙保濕，24h后拆模，取出試件并放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱里，保持養(yǎng)護(hù)箱溫度為20℃，濕度為95%左右，共養(yǎng)護(hù)28d并于試驗(yàn)前2h取出放置自然環(huán)境。

表1 混凝土各組分具體參量表（單位kg/m3）

3 試件方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)儀器采用JLW-800落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，錘頭直徑50mm，為減少尺寸對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，將試件尺寸定為比錘頭稍大的70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的變化量有PVA纖維長(zhǎng)度和沖擊高度，鋼纖維混凝土的纖維摻量定為2%，PVA摻量定為1%。首先通過A、B、C、D組實(shí)驗(yàn)，分析固定摻量條件下PVA纖維長(zhǎng)度對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，再通過改變沖擊高度進(jìn)一步分析研究PVA纖維長(zhǎng)度對(duì)鋼纖維混凝土力學(xué)性能影響規(guī)律的普遍性，并設(shè)置對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)方案見表2。

表2 沖擊試驗(yàn)方案

D 15 0.5 245 E 6 0.4 195 F 9 0.4 195 G 12 0.4 195 H 15 0.4 195 I 6 0.6 290 J 9 0.6 290 K 12 0.6 290 L 15 0.6 290 M 0 0.5 245

4 試驗(yàn)分析

4.1試驗(yàn)直觀分析

對(duì)比A、B、C、D、M五組試驗(yàn)，在適中沖擊高度0.5m時(shí)的物理破壞形態(tài)可清楚地觀察到，對(duì)照組M中未加入纖維的素混凝土試件呈爆裂式破壞，碎塊較多，破壞嚴(yán)重，表現(xiàn)出明顯的脆性特點(diǎn)。而適量PVA纖維的加入使得混凝土試件由脆性破壞變?yōu)檠有云茐模由吓c鋼纖維的混雜作用，使得裂縫開展路徑明顯減少，從裂縫中觀察到PVA纖維大多斷裂，吸收開裂產(chǎn)生的能量，總體呈裂而不散破壞形態(tài)，導(dǎo)致剝落現(xiàn)象大幅度減小。由于PVA纖維的摻量總量是固定的，所以長(zhǎng)纖維的分布部位要少于段纖維，而每束短纖維的影響距離要小于長(zhǎng)纖維，其中C組破壞程度相對(duì)較小，B組次之，A組和D組最為嚴(yán)重。

為進(jìn)一步研究PVA纖維長(zhǎng)度對(duì)混凝土的抗沖擊性能影響，本文將從破壞時(shí)的屈服力值和最大沖擊壓縮深度兩個(gè)物理量進(jìn)行研究，分析PVA纖維長(zhǎng)度對(duì)鋼纖維混凝土強(qiáng)度與剛度力學(xué)性能的影響規(guī)律。

4.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

每組試驗(yàn)重復(fù)3次，對(duì)所得數(shù)據(jù)取平均值，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，50cm沖擊高度下，不同PVA纖維長(zhǎng)度試件的擬合力—時(shí)間和位移—時(shí)間曲線，如圖1。

圖1 50cm沖擊高度

圖2 40cm沖擊高度

圖a中的擬合力值代表隨時(shí)間變化受到的沖擊力大小，在擬合力值達(dá)到最大時(shí)造成試件的完全破壞，即最大擬合力值可以代表試件的強(qiáng)度大小。其中C組的擬合力值最大，較素混凝土最大擬合力值提升24%。圖b中的位移大小代表落錘沖擊過程中的侵徹深度，即最大位移值可代表試件的剛度大小。其中C組的最大位移最小，只為素混凝土侵徹位移的45%。

通過改變沖擊高度，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，首先將沖擊高度降至40cm，試件破壞的直觀結(jié)果是普遍沒有造成爆裂式破壞，存在的差別僅限于裂縫的條數(shù)和寬度。具體數(shù)值見圖2。試驗(yàn)結(jié)果與50cm沖擊高度下所得結(jié)論基本一致，G組的擬合力值最大，侵徹位移最小，但較50cm組結(jié)果變化趨勢(shì)變緩，即PVA纖維長(zhǎng)度對(duì)鋼纖維混凝土的強(qiáng)度與剛度兩項(xiàng)力學(xué)性能的影響相對(duì)減小。當(dāng)沖擊高度升為60cm時(shí)，最大壓縮深度已達(dá)到10mm，再結(jié)合試件破壞形態(tài)可知試件已被完全破壞，其位移—時(shí)間曲線只能顯示其變化趨勢(shì)，不能作為分析依據(jù)。

5.結(jié)論

本文對(duì)摻有不同長(zhǎng)度PVA纖維的鋼纖維混凝土進(jìn)行了落錘沖擊實(shí)驗(yàn)，通過控制纖維總體摻量，改變纖維長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）PVA纖維的加入，使得鋼纖維混凝土整體的抗沖擊性能得到了明顯提高，表現(xiàn)為破壞形態(tài)明顯減弱，屈服載荷大幅增加，且增益效果大于單鋼纖維混凝土。

（2）在4種PVA纖維長(zhǎng)度中，12mm長(zhǎng)度的纖維對(duì)鋼纖維混凝土的力學(xué)性能提升最大，在245J（0.5m）的沖擊能量下，屈服載荷較素混凝土提高24%，侵徹深度僅為素混凝土的45%。

（3）改變沖擊高度，從不同沖擊能量的角度驗(yàn)證了PVA纖維長(zhǎng)度對(duì)鋼纖維混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律的普遍性，在合理范圍的沖擊高度下，沖擊高度越高，最佳長(zhǎng)度的PVA纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能提升越明顯。

[1]蘇駿,李響. PVA纖維混凝土受彎梁力學(xué)性能分析[J]. 湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,02(27):122-124.

[2]NELSON P K, LI V C, KAMADA T. Fracture toughness of microliber reinlorced cement composites[J]. Journal of Mechanics in Civil Engineering,2002,14(5):384-391.

[3]譚明輪,孫仁娟,周志東,祝秀海,趙志欽. PVA纖維長(zhǎng)度與摻量對(duì)工程水泥基復(fù)合材料性能影響試驗(yàn)研究[J]. 鐵道建筑,2014,(03):115-117.

TU502+.6

A

1007-6344（2017）06-0264-02

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51478462），（51508565）

魏金源（1992.11—）, 江西南昌人，碩士研究生。