層布式聚乙烯醇纖維混凝土梁抗彎性能試驗研究

馬　強，孫維東

(長春工程學院土木工程學院，長春130012)

0　前言

聚乙烯醇纖維是一種用聚乙烯醇制得的水溶性高分子聚合物，簡稱PVA纖維，其具有獨特的黏結(jié)性、保護膠體性、氣體阻絕性等一系列優(yōu)點，且能夠有效提高混凝土的力學性能，所以PVA纖維是一種很好的復合材料摻加劑[1]。本試驗研究的是層布式PVA纖維混凝土梁，在混凝土梁的受拉區(qū)分別采用不同厚度的PVA纖維混凝土層，以利用PVA纖維來提高混凝土梁的抗裂性能。本研究通過改變PVA纖維混凝土層厚度、纖維體積摻加率、混凝土強度等級、試驗梁配筋率和受拉鋼筋強度等級來研究試驗梁抗彎性能的變化。

1　試驗概況

表1　試驗梁設計參數(shù)

為了測量混凝土梁在加載過程中的應變情況，在試驗梁的側(cè)邊粘貼了應變片，以測量在不同高度處混凝土的應變；在跨中鋼筋表面，采用預埋式方式粘貼了應變片，以測量加載過程中鋼筋的應變。百分表測點布置在支座處及梁跨中底部，通過采集3個數(shù)據(jù)求試驗梁的撓度。荷載采用兩點對稱加載，荷載通過分離式液壓千斤頂施加荷載，加載方式為分級加載，每級荷載為4 kN，直至試驗梁破壞，加載步荷載取極限荷載的5%，試驗梁加載方式[3]如圖1。

2　材料性能試驗結(jié)果

在試件制作過程中，由于混凝土攪拌時加水量未控制好，混凝土強度未能達到設計的強度等級。各設計的混凝土強度等級實測的立方體強度標準值fcu，k及由fcu，k計算所得的混凝土軸心抗壓強度標準值fck見表2。

圖1　試驗梁加載方式圖

設計強度fcu,k/(N·mm-2)fck/(N·mm-2)C3024.4216.33C3522.5122.51C4025.6425.64

纖維混凝土所達到的軸心抗拉強度標準值見表3。

表3　纖維混凝土的軸心抗拉強度標準值

所用鋼筋的實測屈服強度標準值fyk及彈性模量Es見表4。

表4　鋼筋的屈服強度標準值及彈性模量

3　試驗梁的試驗結(jié)果及分析

3.1　試驗結(jié)果

3.1.1L0梁的試驗結(jié)果

在加載初期，L0試驗梁處于彈性變形階段，當外加荷載達到14.3 kN時，L0的受拉區(qū)混凝土跨中底部首先出現(xiàn)一條細小的裂縫，當試驗梁外加荷載達到31.7 kN時，其最大裂縫寬度達到0.2 mm。隨著外荷載的繼續(xù)增大，受拉區(qū)裂縫數(shù)量逐漸增多，裂縫寬度逐漸增大，當試驗梁上部混凝土壓壞時，試驗梁達到了最大承載能力，此時，千斤頂對試驗梁所施加的集中力為66.3 kN，按照前述材料實測強度標準值計算的試驗梁所能承擔的總集中力為60.1 kN，試驗梁所能承擔的集中力大小與理論計算結(jié)果相差不大。根據(jù)在梁側(cè)粘貼的應變片的測試結(jié)果，圖2給出了L0試驗梁沿梁高度方向混凝土的應變分布圖，可以看出混凝土應變沿高度基本符合平截面假定。

圖2　L0試驗梁沿高度混凝土的應變分布圖

3.1.2L1b試驗梁的試驗結(jié)果

在試驗梁加載初期，L1b試驗梁處于彈性階段，當外加荷載加載到17.7 kN時，試驗梁在梁的跨中底部首先出現(xiàn)一條裂縫，當外加荷載加載到36.4 kN時，試驗梁的最大裂縫寬度達到0.2 mm。由L1b梁的開裂荷載和裂縫達到0.2 mm時的荷載可見，纖維混凝土增強了混凝土梁的抗裂性能，提高了試驗梁的開裂荷載，試驗梁裂縫的開展也得到了一定的抑制。隨著外加荷載的繼續(xù)增大，裂縫的開展速度加快，撓度增長顯著，當千斤頂所施加的集中力達到66.8 kN時，混凝土梁受壓區(qū)有明顯的壓碎現(xiàn)象，試驗梁達到了最大承載能力。L1b試驗梁破壞時的形態(tài)如圖3所示。其他帶纖維混凝土層的試驗梁的試驗現(xiàn)象與L1b基本相同，圖4為L2b試驗梁的破壞形態(tài)。隨著纖維體積率的提高和纖維層厚度的增大，試驗梁的開裂荷載增加，撓度值減小。圖5為L1b試驗梁沿高度混凝土的應變分布圖，混凝土應變沿梁高仍然符合平截面假定。當外加荷載為8 kN、12 kN時，L1b在相同高度、相同荷載作用下與普通混凝土梁L0應變值相差不大，當外加荷載為24 kN、28 kN時，L1b在相同高度、相同荷載作用下受拉區(qū)混凝土的拉應變值均比L0減小，表5是L0、L1b在外加總集中力為24 kN時，沿梁高各測點的混凝土應變值。

圖3　L1b試驗梁破壞時的形態(tài)

圖4　L2b試驗梁破壞時的形態(tài)

圖5　L1b試驗梁沿高度混凝土的應變分布圖

梁號L0L1b高度位置/mm-494-405183.75-67-66131.2535723087.5075051956.00126189321.00

12根試驗梁開裂荷載、裂縫寬度為0.2 mm時荷載及極限荷載試驗結(jié)果見表6，為與試驗結(jié)果進行比較，將按前述實測材料強度標準值計算的試件所能承受的最大集中力荷載值也列于表6。

表6　試驗梁抗裂性能、最大承載力試驗與計算結(jié)果表

由表6可見，極限荷載試驗值與理論計算值相差不大，誤差范圍在3.4%～12%，誤差在允許范圍內(nèi)，說明試驗結(jié)果較真實、可信。

3.2　試驗梁的開裂荷載分析

圖6為其他條件相同、只是纖維體積摻加率不同時，層布式鋼筋混凝土梁的開裂荷載的變化曲線圖。L0為無纖維混凝土梁，L1a、L1b、L1c、L1d分別摻加0.05%、0.09%、0.15%、0.2%的PVA纖維層梁，開裂荷載相比于L0分別提高了18%、23.7%、30%、34.3%?？梢婋S著PVA纖維體積摻加率的提高，試驗梁的開裂荷載增大。

圖6　不同纖維體積率試驗梁開裂荷載的變化圖

圖7為不同纖維層厚度、相同PVA纖維體積摻加率時，試驗梁的開裂荷載變化圖。從圖7可見，L0、L2a、L1b、L2b受拉區(qū)纖維混凝土層厚度分別為0、1/5h、1/3h、1/2h，纖維體積摻加率都是0.09%，L2a、L1b、L2b相比L0開裂荷載分別提高了20.3%、23.8%、28.7%。隨著PVA纖維層厚度的增加，試驗梁的開裂荷載增加。

圖7　不同纖維層厚度試驗梁開裂荷載變化圖

L5a、L1b和L5b混凝土強度等級相同，纖維層厚度均為1/3h，PVA纖維體積摻加率均為0.09%，而配筋率不同，分別為0.623%、0.897%、1.221%，混凝土梁開裂荷載從17.1 kN提高到18.5 kN，說明配筋率能夠提高混凝土梁的開裂荷載。L4a與L5a比較可以看出，在其他條件相同的情況下，受拉鋼筋級別不同對混凝土梁開裂荷載影響很小。L1b、L3a和L3b其他條件相同，混凝土強度等級不同，試驗梁的開裂荷載從17.7 kN提高到20.9 kN，說明受拉區(qū)混凝土強度等級能夠顯著提高試驗梁開裂荷載。

3.3　試驗梁撓度分析

表7和表8分別是不同PVA纖維體積摻加率、不同纖維層厚度層布式纖維混凝土梁在不同級別荷載作用下的撓度值。從總體趨勢來看，隨著荷載的增加，試驗梁跨中撓度會相應的增加，快達到極限荷載時，撓度會急劇增大直至破壞。由表7可見，L0、L1a、L1b、L1c、L1d試驗梁在其他條件相同、PVA纖維體積摻加率分別為0、0.05%、0.09%、0.15%、0.20%時，PVA纖維混凝土梁撓度值相比普通混凝土梁減小，隨著PVA纖維體積摻加率的增加，混凝土梁撓度值相應減小的趨勢明顯，荷載為20 kN時，L1a、L1b、L1c、L1d相比普通混凝土梁L0的撓度值分別減小6.7%、9.2%、17.6%、20.2%。由表8可見，L0、L2a、L1b、L2b試驗梁其他條件相同、PVA纖維層厚度分別為0、1/5h、1/3h、1/2h時，隨著PVA纖維層厚度的提高，混凝土梁撓度值減小，荷載為20 kN時，L2a、L1b、L2b相比普通混凝土梁L0的撓度值分別減小2.5%、9.2%、12.6%。可見在相同條件下，纖維混凝土梁在彈塑性階段的撓度值減小，隨著纖維體積摻加率的提高和纖維層厚度的加厚，試驗梁撓度值均出現(xiàn)減小趨勢。

表7　不同纖維體積率試驗梁的撓度值　單位：mm

表8　不同纖維層厚度試驗梁的撓度值　單位：mm

3.4　試驗梁的承載力分析

在表6中，L0、L1a、L1b、L1c、L1d、L2a和L2b試驗梁其他條件相同，纖維體積率和纖維層厚度不同，試驗梁的極限荷載在65.3～67.2 kN范圍內(nèi)，纖維的摻加對試驗梁的極限荷載幾乎沒有影響。相同PVA體積摻加率、混凝土梁的配筋率和受拉鋼筋級別對混凝土梁的極限荷載影響很大。L5a、L1b和L5b其他條件相同，配筋率分別為0.623%、0.897%和1.22%，而試驗梁極限荷載從47.3 kN提高到75.3 kN，L1b和L5b極限荷載相比于L5a分別提高了41.2%、59.2%，提升效果明顯，L4a和L5a受拉鋼筋分別是一級鋼和三級鋼，混凝土梁極限荷載從34.5 kN提高到47.3 kN。

L1b、L3a和L3b其他條件相同，混凝土強度等級分別為C30、C35、C40，其極限荷載從66.8 kN提高到76.3 kN，L3a、L3b極限荷載相比L1b分別提高了7.0%和14.2%，可以看出混凝土強度等級是影響層布式纖維混凝土梁極限荷載的一個重要因素。

4　結(jié)語

1)通過不同PVA纖維體積率層布式鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗可以得出：隨著PVA纖維體積率的增加，混凝土梁的早期抗裂性能得到明顯的提升，開裂荷載提高，撓度減小，極限承載力沒有變化。L1a、L1b、L1c、L1d其他條件相同，纖維體積摻加率分別為0.05%、0.09%、0.15%、0.2%，其開裂荷載相比普通混凝土梁L0分別提高了18%、23.7%、30%、34.3%。當外加荷載為20 kN時，其撓度值相比L0的撓度值分別減小6.7%、9.2%、17.6%、20.2%。其極限荷載相比L0變化不大。

2)通過不同PVA纖維層厚度層布式鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗可以得出：隨著PVA纖維層厚度的增加，混凝土梁的抗裂性能得到明顯提升，開裂荷載得到提高，撓度值減小，極限荷載不發(fā)生變化。L2a、L1b、L2b其他條件相同，纖維層厚度為1/5h、1/3h、1/2h，其開裂荷載相比普通混凝土梁L0分別提高了20.3%、23.8%、28.7%。當外加荷載為20 kN時，其撓度值相比L0的撓度值分別減小2.5%、9.2%、12.6%。其極限荷載相比L0變化不大。

3)試驗梁的配筋率、混凝土強度等級和受拉鋼筋級別對層布式纖維混凝土梁的極限荷載影響很大。

L5a、L1b和L5b其他條件相同，配筋率分別為0.623%、0.897%和1.22%，L1b和L5b極限荷載相比于L5a分別提高了41.2%、59.2%。L1b、L3a和L3b其他條件相同，混凝土強度等級分別為C30、C35、C40，L3a、L3b極限荷載相比L1b分別提高了7.0%和14.2%。

[1] 李玉芳，李明.聚乙烯醇的生產(chǎn)及國內(nèi)外市場分析[J].化學工業(yè)，2010，28(4):32-35.

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