鋼-PVA纖維混凝土流動性及力學性能研究

于 婧， 翟天文， 梁興文, 孫驍驥

(1.西安建筑科技大學 土木工程學院， 陜西 西安 710055；2.西安長慶科技工程有限責任公司， 陜西 西安 710018)

混凝土是當今世界用量最大、應用最廣泛、土木工程基礎設施中最重要的建筑材料.伴隨著社會對超高層、大跨度、重荷載建筑結構的需求，超高性能纖維增強混凝土應運而生.高性能纖維混凝土擁有較高的抗彎強度，并且與既有混凝土有較高的黏結強度[1]，適合對結構進行加固改造.在初裂后，鋼纖維混凝土還會表現(xiàn)出應變硬化現(xiàn)象[2,3]，這些優(yōu)勢為鋼纖維混凝土的應用提供了良好的基礎.

纖維的增強作用取決于纖維自身的材料屬性和幾何特征，為了充分利用不同種類、不同幾何特征纖維的優(yōu)勢，混雜纖維混凝土的性能得到越來越多的研究.已有的研究[4]發(fā)現(xiàn)，將不同尺寸的普通鋼纖維、微細鋼纖維和碳纖維混雜時，其增強效果均高于單摻纖維的增強效果，表現(xiàn)出混雜增強效應.在抗彎強度方面，普通鋼纖維與碳纖維混雜混凝土強度最大；在斷裂能方面，微細鋼纖維與普通鋼纖維的混雜增強系數(shù)最大.可見更細小的聚合物纖維在強度上增強效應更好，而在變形方面，尺度較大的鋼纖維起主要作用.但是，目前研究較多的多尺度纖維增強混凝土所選用的聚丙烯纖維屬于一種低強、低彈模、高延伸率纖維，理論上不利于纖維橋連裂縫傳力并實現(xiàn)對裂縫的控制以及混凝土材料的增強.

PVA纖維具有高長徑比、高抗拉強度，相對高的彈性模量，較大的延伸率，與水泥有較高的化學黏結力，對水有較高的引力且沒有健康風險.PVA纖維的高抗拉強度使得其能夠維持初裂應力，而它與基體的高黏結強度則保證了高抗拔能力[5].鋼纖維則抗拉強度和彈性模量均較高，但直徑較大，且表面光滑，這使得其在提高混凝土強度方面性能優(yōu)異，而在抗裂性能、韌性等方面能力不足.將2種纖維按適當?shù)谋壤祀s可以在不同作用、不同尺度上提高混凝土的性能.

Yu等[6]做了預埋在PVA纖維混凝土中的鋼纖維拔出試驗，通過改變鋼纖維的類型、鋼纖維的傾角以及PVA纖維的體積分數(shù)來研究混凝土中鋼纖維-PVA纖維的協(xié)同作用，以此對鋼-PVA混雜纖維混凝土進行優(yōu)化設計.研究結果顯示，PVA纖維的引入可以有效阻止帶端鉤鋼纖維周圍的混凝土破裂，對拔出力幾乎沒有影響，但是會稍微提高拔出耗能.

目前研究不同種類或尺寸纖維混雜效應的較多，但對纖維的混雜比例及組合優(yōu)化的研究較少.本文將通過試驗，對鋼-PVA纖維混凝土在不同砂膠比mS/mB、纖維組合、纖維摻量φF下的流動性、基本力學性能以及2種纖維的協(xié)同作用進行研究，給出綜合性能較好的纖維搭配.

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

西安藍田堯柏水泥廠P·O 42.5硅酸鹽水泥(C)，比表面積339m2/kg，初凝180min；I級粉煤灰(FA)，比表面積360m2/kg，燒失量(質量分數(shù))2.6%；臨潼產石英砂(S)，分為0.125～0.212mm,0.212～0.425mm,0.425～0.850mm，0.850～2.000mm,及0.045mm共5個級配； 陜西精誠減水劑工程公司生產的聚羧酸減水劑，減水率(質量分數(shù))26%；上海真強公司產鋼纖維，可樂麗公司產PVA纖維，兩種纖維的性能如表1所示；硅灰(SF)采用西安霖源公司生產的SF93硅灰，其SiO2質量分數(shù)在93%以上，比表面積為15～27m2/g.

表1 PVA及鋼纖維基本性能Table 1 Properties of PVA fiber and steel fiber

1.2 試驗配合比

試驗配合比如表2所示(表2中減水劑添加量均為膠凝材料質量的2.5%;下述試驗結果中，編號為SK-1～SK-8的試件采用1號配合比，編號為SK-9～SK-13的試件采用2號配合比，編號為SK-14～SK-18的試件采用3號配合比).為了使砂子達到最佳配合狀態(tài)，本文利用修正的Andreasen和Andersen[7,8]模型計算得出各種砂子的占比.計算模型如下：

(1)

式中：D為顆粒尺寸，μm；φ(D)為尺寸小于D的所有固體的體積分數(shù)；Dmax表示最大顆粒尺寸；Dmin表示最小顆粒尺寸；q為分布模量，取值0.23.

表2 試驗配合比Table 2 Mix proportions used in the test

1.3 試件制備

試件制作參考CECS 13—2009《纖維混凝土試驗方法標準》,先將不同級配的砂子倒入攪拌機攪拌2min；再加入水泥、粉煤灰、硅灰攪拌1min；之后加水、減水劑攪拌12min；最后邊攪拌邊先后加入PVA纖維、鋼纖維，攪拌6min結束.試件在模具中一次澆筑成型并在振動臺上振搗30s，在實驗室環(huán)境中養(yǎng)護48h后，拆模放入標準養(yǎng)護箱，在溫度為(20±2) ℃、相對濕度>90%的環(huán)境下養(yǎng)護至28d 進行抗壓及抗彎試驗.

2 試驗結果與分析

不同砂膠比及纖維組合下各試件的流動性及強度試驗結果如表3(試塊質量為平均質量；7 d及 28 d抗壓強度為試塊平均強度；28 d抗折強度為3個試件試驗結果平均值)所示.

表3 試驗結果Table 3 Results of the test

纖維增強混凝土的性能受基體水膠比、砂子級配等因素的影響.水膠比的增大通常會增大混凝土流動性，但過大會造成混凝土泌水并降低強度.在之前的研究中發(fā)現(xiàn)，較好的水膠比在0.18～0.20，本試驗選擇水膠比mW/mB0.19為進行試驗研究.砂子的級配對混凝土的孔隙率有較大影響，本文采用修正的Andreasen和Andersen模型計算出擁有較大堆積密度的砂子級配進行試驗研究.

2.1 流動性的影響因素分析

本試驗研究了不同砂膠比、纖維組合、纖維摻量對流動性的影響.由表3可見，當砂膠比在1.08，1.18，1.28內變動時，不同纖維組合下，試件的流動性隨著砂膠比的提高而降低，但降低幅度較小.砂膠比對試件流動性的影響主要是通過砂粒外包裹的漿體厚度，當砂膠比提高后，裹漿厚度就會減小，漿體的潤滑作用就會降低，從而影響了試件流動性.

通過對比基體與φSF為1.50%，1.75%的純鋼纖維混凝土，發(fā)現(xiàn)鋼纖維摻量的變化對混凝土的流動性影響細微.將部分鋼纖維替換為PVA纖維后，混凝土的流動性出現(xiàn)下降.在砂膠比不變，2種纖維總摻量φF為1.75%時，混凝土的坍落度隨著PVA纖維摻量φPVA增加而不斷降低，且在φPVA大于0.25%時降低速率加快；當砂膠比為1.18，φPVA為0.25%，0.50%，0.75%時，混凝土坍落度相較于純鋼纖維混凝土SK-5分別下降了3.7%，10.2%，26.7%；當φSF保持在1.50%時，φPVA為0.10%，0.25%，0.40%的混凝土坍落度相較于純鋼纖維混凝土SK-8分別下降了4.6%，7.7%，12.3%.由此可知，PVA纖維摻量對混凝土的流動性影響較大.

纖維對混凝土流動性的影響主要由于4個因素：(1)與骨料相比，纖維的形狀更加細長，相同體積的表面積更高，這可以增加纖維與基質之間的黏聚力[8]，同時，聚合物纖維由于較小的尺寸，擁有更大的比表面積，由此需要更多砂漿包裹；(2)剛性纖維改變了顆粒骨架；(3)鋼纖維一般具有鉤狀端部或波浪形，這可改善纖維和周圍基質之間以及纖維自身之間的錨固；(4)混雜纖維之間的相互作用.PVA纖維的密度和直徑比鋼纖維小很多，在同等體積分數(shù)時，PVA纖維數(shù)量更多，單位體積混凝土內較多的PVA纖維會使混凝土變得更稠，且同等體積的PVA纖維表面積更大，包裹所需水泥漿更多，導致混凝土流動性下降.此外，鋼纖維與PVA纖維形成的纖維網(wǎng)架也降低了混凝土的流動性.

2.2 鋼-PVA纖維混凝土的受壓破壞形態(tài)

在受壓試驗過程中，基體的破壞往往是無預兆的爆炸性破裂，這對于建筑工程來說是一個不安全因素.在加入純鋼纖維之后，混凝土在受壓荷載較高時會伴隨著混凝土開裂和纖維拉拔的聲音，在達到極限荷載時往往由于纖維拔出/拔斷發(fā)出深沉的“砰”聲而破壞.在純鋼纖維摻量φSF為1.75%時，混凝土破壞往往會形成數(shù)條較大的豎向主裂縫，試件表面有部分脫落但無大體積掉落，外形基本完整，如圖1(a)所示.在將0.50%的鋼纖維替換成同等體積分數(shù)的PVA纖維后，試件受壓荷載較大時會伴隨混凝土破裂出現(xiàn)纖維拉拔的“滋滋”聲，且直至試件破壞無明顯變化，試件表面形成許多微裂縫，試件破壞時表面幾乎沒有脫落，如圖1(b)所示.因為鋼纖維和PVA纖維在尺度上的差別，使得2種纖維在不同尺度上發(fā)揮橋接作用，PVA纖維主要在受壓早期對微裂縫進行控制，鋼纖維則主要對宏觀裂縫進行控制.因此，鋼-PVA纖維混凝土相比于純鋼纖維混凝土破壞時，在主裂縫外的微裂縫開展更多，試件破壞過程更平緩，延性更好.對比不同纖維組合下混凝土試件破壞后的狀態(tài)，當PVA纖維摻量達到0.25%后，試件表面基本沒有脫落.

圖1 典型試件破壞形態(tài)Fig.1 Typical failure modes of the specimens

2.3 鋼-PVA纖維混凝土的抗壓強度

2.3.1纖維組合對抗壓強度的影響

當2種纖維總摻量φF保持在1.75%時，鋼纖維與PVA纖維不同摻量的組合對混凝土的抗壓強度有明顯影響.由表3可見：當砂膠比為1.08時，混凝土在φPVA為0.25%時抗壓強度達到最大值111.17MPa，相較于純鋼纖維混凝土SK-13提高1.3%，之后隨著PVA纖維摻量的提高而降低，但始終高于基體SK-9強度；當砂膠比為1.18和1.28時，混凝土抗壓強度也在φPVA為0.25%時達到最大值111.38MPa和120.51MPa，相較于純鋼纖維混凝土SK-5，SK-18分別提高7.7%和4.6%；在φPVA為0.50%時，對應1.18，1.28的砂膠比，混凝土的抗壓強度分別為92.11，92.40MPa，達到最低值.SK-9試件在養(yǎng)護結束試驗之前即出現(xiàn)了裂縫，因此發(fā)生了提前破壞，強度較低；隨著PVA纖維摻量的提高，在PVA纖維摻量達到0.75%時試件強度又提高至略高于基體強度.

纖維對混凝土強度的提高作用主要是由于纖維限制了裂縫的開展，而纖維阻裂作用的發(fā)揮又依賴于纖維在混凝土中的分布情況.當混凝土中只摻入鋼纖維時，因為鋼纖維的密度大于基體密度，在自重和振動作用下會有所下沉，導致鋼纖維在混凝土中分布不均勻，在受壓傳力時易產生局部應力集中，試件提早破壞.在加入適量PVA纖維后，因為PVA纖維是水溶性纖維，可以在混凝土中較均勻地分布，且PVA纖維中的羥基與水形成氫鍵可以與混凝土更好地黏結，使混凝土變得更稠，同時在混凝土中形成纖維網(wǎng)，阻止了鋼纖維的下沉，使鋼纖維在混凝土中分布均勻，受力效果更好.在試件澆筑時，純鋼纖維混凝土在裝填完并振動后往往在表面層看不到鋼纖維，而在PVA纖維加入后則可以在表面層看到2種纖維.脫模時，在純鋼纖維試件底部也能看到輕微的纖維沉底現(xiàn)象，這也驗證了上述分析.同時混凝土抗壓強度在φSF和φPVA分別為1.50%，0.25%搭配下達到最大，超過φSF為1.75%的純鋼纖維混凝土強度，表明鋼纖維與PVA纖維產生了正協(xié)同作用.當φPVA繼續(xù)提高后，會產生結團現(xiàn)象，且與鋼纖維共同作用，在試件表面及內部形成較多空隙，如圖2，導致混凝土強度出現(xiàn)下降.在砂膠比為1.18和1.28時，φSF和φPVA分別為1.25%和0.50%是抗壓強度最低的纖維組合，甚至低于基體抗壓強度，這說明鋼纖維與PVA纖維發(fā)生了負協(xié)同作用.

圖2 試件SK-12的破壞形態(tài)Fig.2 Failure mode of SK-12

2.3.2砂膠比對抗壓強度的影響

在基體、φPVA分別為0.25%及0.75%時混凝土抗壓強度均隨著砂膠比的增加而提高.纖維混凝土是一種非勻質多孔材料，其內部結構的勻質性也會影響到材料強度.當砂膠比較低時，砂粒之間的水泥漿會變多，由于砂粒與水泥漿密度的差別，砂粒會向下沉降，發(fā)生離析；當砂膠比提高后，砂子所需裹漿增多，砂粒間漿體變少，這種沉降現(xiàn)象就會減弱，有利于材料強度提高.在發(fā)生負協(xié)同作用的φSF和φPVA分別為1.25%和0.50%的纖維組合中，混凝土抗壓強度隨著砂膠比的增加而降低；純鋼纖維混凝土則是先下降再升高.

2.4 鋼-PVA纖維混凝土的抗折強度

2.4.1纖維組合對抗折強度的影響

在混凝土的抗折試驗中，所有試件均在純彎段破壞.混凝土抗折強度隨纖維組合的變化如表3所示，當2種纖維總摻量φF為1.75%時，混凝土的抗折強度均隨著φPVA的提高而增大，在φSF為1.25%搭配φPVA為0.50%時達到最大值，砂膠比為1.08，1.18，1.28的混凝土，抗折強度分別為15.69，19.31，17.07MPa，與基體相比分別提高了162.8%，200.8%，69%；與純鋼纖維混凝土相比分別提高了48.2%，64.8%，41.1%.之后隨著φPVA的繼續(xù)增大，抗折強度開始下降.由試驗結果可知：纖維的摻入使混凝土抗折強度有較大提高；相對于純鋼纖維混凝土，鋼-PVA纖維混摻可以顯著提高混凝土的抗折強度.

混凝土破壞的本質是裂縫的產生與開展，纖維對混凝土強度的提高作用在于控制了裂縫的產生與開展，而纖維在混凝土中的分布狀況又影響了纖維阻裂作用的發(fā)揮.如前面所述，純鋼纖維在混凝土中由于鋼纖維密度大于基體，在澆筑和振動過程中鋼纖維會發(fā)生沉降，使鋼纖維分布不均，阻裂作用發(fā)揮不充分，這點從試件破壞形態(tài)可見.從受彎試件的加載底面(即澆筑側面)可以看出，從試件澆筑底面到澆筑面，鋼纖維的分布由密變疏，這導致加載時試件內部出現(xiàn)應力集中，且纖維阻裂不充分.隨著PVA纖維的加入，鋼纖維的分布趨于均勻，混凝土的抗折強度不斷提高，在φSF為1.25%，φPVA為0.50%時達到最大，之后隨著φPVA的繼續(xù)提高，抗折強度出現(xiàn)下降.

纖維影響混凝土抗折強度的原因主要有兩點：(1)隨著PVA纖維摻量的不斷提高，混凝土內部缺陷開始增多，導致應力集中，試件提前破壞；(2)在鋼-PVA混雜纖維混凝土中，PVA纖維與鋼纖維在不同尺度上發(fā)揮控制裂縫的作用，PVA纖維在微觀上阻裂和控制裂縫，而鋼纖維在宏觀上控制裂縫，因此，PVA纖維對混凝土初裂強度影響較大，而鋼纖維對混凝土極限抗折強度影響較大，當φF為1.75%時，隨著PVA纖維的增加、鋼纖維的減少，混凝土抗折強度出現(xiàn)下降.

2.4.2受彎性能及韌性從試件破壞形態(tài)來看，隨著PVA纖維的增加，試件破壞裂縫開展由平直趨于蜿蜒曲折.受彎試件加載過程中會經(jīng)歷彈性階段、應變硬化階段和應變軟化階段，抗折試件的荷載-變形曲線隨著PVA纖維的增加趨于飽滿，開裂強度和韌性得到提高，如圖3所示.依據(jù)JSCE-SF4法對SK-9～SK-13試件進行韌性評價計算，結果如表4所示.當2種纖維總摻量為1.75%時，混凝土的韌性指標FT及韌度因子σ隨PVA纖維摻量的提高而增大，在φSF為1.25%，φPVA為0.50%時分別達到最大值91171N·mm和13.68MPa，分別較φSF為1.75%的純鋼纖維試件提高46.1%及46.2%，之后下降；在φPVA為0.75%時達到66912N·mm和10.04MPa，但仍較純鋼纖維試件分別提高7.2%和7.3%，這與抗折強度隨PVA纖維摻量增加而變化的規(guī)律一致.且纖維的摻入使得試件產生明顯的應變硬化現(xiàn)象.這說明PVA纖維的摻入使試件破壞變得更有延性.

圖3 試件SK-9～SK-13荷載變形曲線Fig.3 Curves of load-deformation of SK-9-SK-13

表4 JSCE-SF4法計算的韌性指標及韌度因子Table 4 Toughness index and toughness factor calculated by JSCE-SF4

3 結論

(1)鋼-PVA混雜纖維混凝土的流動性隨著PVA纖維體積分數(shù)的增加而降低，且在PVA纖維體積分數(shù)大于0.25%時降低幅度加大.

(2)鋼纖維與PVA纖維會產生協(xié)同作用.當纖維總摻量為1.75%時，在抗壓強度方面，纖維組合為1.50%的鋼纖維和0.25%的PVA纖維會產生正協(xié)同作用，當纖維組合為1.25%的鋼纖維和0.50%的PVA纖維時產生負協(xié)同作用；在抗折強度及韌性方面，當纖維總量為1.75%時，纖維組合為1.25%的鋼纖維和0.50%的PVA纖維時達到最大值.

(3)鋼-PVA纖維混凝土中PVA纖維摻量的增加有利于混凝土受壓破壞的多裂縫開展；在受彎試驗中試件初裂后產生應變硬化現(xiàn)象.

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