DIC方法在PVA纖維混凝土振動材性實驗中的應用

蔡鵬飛，蔣 明

（蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011）

隨著對人們建筑結(jié)構(gòu)功能要求和對水泥基材料韌度與強度要求的不斷提高。由于水泥基材料有抗拉強度低、韌性差、易開裂、出現(xiàn)裂縫后難控制等缺點，而聚乙烯醇（PVA）纖維具有高強、高彈性模量、耐酸、耐堿、價格低等優(yōu)點，所以在水泥基材料中添加PVA纖維能夠大大改善基材性質(zhì)，提高其抗裂、抗沖擊韌性、抗?jié)B及耐久等性能[1]。因此，摻合PVA纖維混凝土材料近年來受到工程界科研人員的關(guān)注，成為工程材料中研究的熱點之一。王玉清等[2]通過梁剪切韌性實驗發(fā)現(xiàn)PVA纖維的摻入能夠有效提高構(gòu)件的剪切韌性；徐鵬[3]通過復合梁四點彎曲試驗得出，纖維摻量的提高能有效提高梁的極限承載力；李艷等[4]通過單軸拉伸實驗得出，隨著混凝土中PVA纖維體積摻量的增加，混凝土的抗拉強度與極限拉應變明顯增大。

數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）方法[5-6]由于測量精度高、非接觸性等優(yōu)點，可以彌補土木工程中現(xiàn)有測量方法的不足，能夠解決土木結(jié)構(gòu)試驗中的很多難題。劉聰?shù)萚7]采用改進的DIC方法與傳統(tǒng)電測法同時進行鋼板拉壓、預應力混凝土抗震等眾多試驗，結(jié)果表明，DIC方法的測量精度要高于傳統(tǒng)電測方法。戴云彤等[8]建立了適用于大曲率復雜面變形測量的數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）系統(tǒng)，并用此系統(tǒng)進行了套筒單向拉伸試驗，結(jié)果表明，傳統(tǒng)應變片難以測量的變形凹槽處等，DIC系統(tǒng)均能完整重建三維形貌，并且DIC的測試結(jié)果的可靠性要高于傳統(tǒng)應變片測量結(jié)果。文中采用單軸振動臺對不同PVA纖維體積摻量的混凝土柱進行振動實驗，結(jié)合DIC測量技術(shù)，獲得振動實驗中柱節(jié)點部位處開裂初期橫向平均主應變、荷載循環(huán)時間、裂縫擴展過程[9]，進行對比，從而得出不同纖維體積摻量的混凝土方柱在正弦波持續(xù)作用下的差異。

1 數(shù)字圖像相關(guān)方法原理

數(shù)字圖像相關(guān)方法是20世紀80年代由美國南卡羅來納州大學的Petter和日本Yamaguchi等同時提出。該測量系統(tǒng)主要由CCD攝像機、高速圖像采集卡、光源和計算機組成。利用數(shù)學相關(guān)方法分析受荷載作用下試樣表面數(shù)字圖像，將表面隨機分布的散斑點數(shù)據(jù)記錄在數(shù)字圖像中，利用數(shù)字圖像的灰度值模式來精確測定變形、位移。

數(shù)字圖像相關(guān)方法處理的是變形前后的兩幅數(shù)字圖像，通常將變形前的數(shù)字圖像稱為參考圖像，變形后的數(shù)字圖像稱為變形后圖像。原理如圖1所示。

圖1 數(shù)字圖像相關(guān)原理

在參考圖像中，變形前子區(qū)域中心點P與其周邊任意臨近點Q，在變形后圖像子區(qū)域中分別對應P’點與Q’點，圖中的u0與v0則分別代表P’點位移在x軸與y軸上的分量，同樣ui與vi則代表Q’點位移在x軸與y軸上的分量。

數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)C表達式為

式中：f（x，y）為參考圖上坐標（x，y）點的灰度；ˉf為參考圖子區(qū)域的平均灰度；g（x′，y′）為目標圖上坐標（x′，y′）點的灰度；gˉ為目標圖子區(qū)域的平均灰度。

2 試驗概況

2.1 試驗原材料

P·O42.5復合硅酸鹽水泥；粗骨料為5～10 mm直徑石子；細骨料為天然細河砂，最大粒徑0.6 mm；采用日本可樂麗公司生產(chǎn)的RECS15型高強模聚乙烯醇（PVA）纖維，其性能指標見表1。

表1 PVA纖維性能

2.2 試驗配合比

該試驗采用混凝土標號為C30，試驗配合比分為5組，影響因素為PVA纖維體積率，參照河海大學沈才華等[10]試驗得出工程建議最佳摻量，結(jié)合試驗試件尺寸，試驗配合比見表2。

表2 試驗配合比設(shè)計

2.3 試件制備與養(yǎng)護

參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》中關(guān)于長短柱的規(guī)范，結(jié)合試驗要求，設(shè)計了截面尺寸為60 mm×60 mm×400 mm的啞鈴型長柱，圖2為試件尺寸及實物圖。

為了能讓纖維均勻的摻雜到混凝土中[11]，先將纖維與水泥干拌2 min，隨后依次加入石子、砂干拌2 min，最后放入水攪拌3 min；試件采用分層澆筑，每層充分振搗，自然成型24 h后拆模，標準養(yǎng)護28 d。

2.4 試驗設(shè)備與方法

試驗裝置主要包括地震模擬振動臺加載裝置和數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)，如圖3所示。其中加載裝置由計算機、信號控制器、功率放大器、激振器、振動臺等構(gòu)成；數(shù)字圖像相關(guān)測量（DIC）系統(tǒng)由分辨率為2 048×2 048像素的IDS工業(yè)攝像頭配75 mm鏡頭、數(shù)據(jù)采集控制器及德國GOM公司的ARAMIS分析系統(tǒng)等組成，DIC系統(tǒng)測量分辨率為50 με。

由振動臺和加載控制系統(tǒng)給試件加載，并在循環(huán)加載過程中使用IDS同步采集圖像。參照《建筑結(jié)構(gòu)試驗》[12]中結(jié)構(gòu)動載試驗相關(guān)規(guī)定，振動臺加載方案如圖4所示。設(shè)置IDS采集圖像頻率為10 fps。

試驗前對柱身待測區(qū)域使用砂紙與工業(yè)酒精進行打磨與清潔，因為摻入纖維的緣故，柱表面會有微小纖維露出，影響散斑噴制的質(zhì)量，因此，需清理完表面裸露纖維絲后再進行散斑的噴制。

3 試驗結(jié)果分析

同種纖維不同摻量混凝土立方體抗壓強度見表3。

由表3可見，PVA纖維混凝土立方體抗壓強度隨PVA纖維摻量的增加而提高，與未摻入纖維的P1相比，P2、P3、P4、P5的抗壓強度分別提高了0.66%、1.65%、3.0%、3.97%。如圖5所示，PVA纖維的摻入起到了很好地抗裂效果，提升了混凝土的整體性。

圖2 試件尺寸及實物示意圖（單位：mm）

圖3 振動材性試驗系統(tǒng)

圖4 加載方案

表3 立方體抗壓強度

圖5 試件破壞圖

3.1 不同纖維摻量混凝土方柱柱身裂縫發(fā)展規(guī)律

由圖6可見，未摻入PVA纖維的混凝土方柱在正弦波荷載循環(huán)作用下，在第306 s時，柱身與柱底開始出現(xiàn)較為明顯的應變集中現(xiàn)象；正弦波荷載繼續(xù)作用到第314 s時，柱身開始出現(xiàn)細微裂縫且應變集中處主應變持續(xù)增大，裂縫有進一步擴展的趨勢；由于沒有纖維的橋接作用，混凝土方柱發(fā)生脆性破壞，因此，在第316 s時，通透裂縫形成，混凝土方柱瞬間失穩(wěn)破壞。

圖6 不同纖維摻量混凝土方柱裂縫發(fā)展過程云圖

當PVA纖維摻入比例為0.05%時，正弦波荷載循環(huán)作用至第345 s時，方柱柱身才開始出現(xiàn)較為明顯的應變集中現(xiàn)象，相比于素混凝土方柱，荷載循環(huán)時間提升了12.7%；在第384 s時，由柱邊開始出現(xiàn)細微裂縫，往柱中進一步發(fā)展；加載至第396 s時，通透裂縫形成，方柱失效。

當PVA纖維摻入比例提升至0.1%時，應變集中現(xiàn)象出現(xiàn)在正弦波荷載循環(huán)作用至第383 s時；在加載至第409 s時，方柱失效破壞。相比于0.05%纖維摻量，0.1%纖維摻量的混凝土方柱的破壞時間提升了3.3%。

在PVA纖維摻入比例增加至0.15%時，此時方柱的整體性得到大幅度提升，在第436 s時開始出現(xiàn)多條裂縫；在第443 s時，方柱失效破壞。在此過程中，可聽見細微的纖維拉斷聲，但在纖維混凝土方柱整體失效后，由于部分未拉斷的纖維的橋接作用，方柱還能夠維持較好的整體性。

當PVA纖維摻入比例達到0.2%時，柱身較為明顯的應變集中現(xiàn)象出現(xiàn)在第465 s；當正弦波荷載繼續(xù)作用至第480 s時，沿原先應變集中部位斜上方45°方向開始出現(xiàn)裂縫，猜測是由于該部位有尺寸較大的粗骨料影響所致，裂縫繞過骨料后沿斜下方45°重新回到水平方向繼續(xù)延伸；到第486 s時，通透裂縫形成，方柱破壞。

從圖7的關(guān)系曲線可以看出，隨著纖維摻量的提高，PVA纖維混凝土方柱的初裂時間與破壞時間都有了明顯的增加。并且相比于未摻入PVA纖維的混凝土方柱，纖維摻量為0.05%、0.1%、0.15%以及0.2%的混凝土方柱從荷載開始作用到最終的失穩(wěn)破壞之間的荷載作用時間分別增加了25.3%、29.4%、40.1%、53.7%。

選取PVA纖維摻量為0.15%的混凝土方柱為例，其在正弦波荷載循環(huán)作用下節(jié)點部位裂縫發(fā)展過程中的主應變場云圖如圖8所示。

圖7 不同纖維摻量混凝土方柱裂縫與時間關(guān)系圖

圖8 裂縫發(fā)展主應變場云圖

由圖8可見，在正弦波荷載的循環(huán)作用下，裂縫發(fā)展過程可分為三個階段：第一階段（約6 min），經(jīng)過前期長時間的疲勞損傷累積，底部柱身兩側(cè)逐漸產(chǎn)生多條裂紋；第二階段，隨著循環(huán)荷載的繼續(xù)施加，多條裂紋繼續(xù)擴展，開始形成多條明顯可見的裂縫，此時混凝土中的纖維開始起到抑制裂縫擴展的作用；第三階段，已有裂縫從柱身兩側(cè)逐漸向方柱中心區(qū)域靠攏發(fā)展，最終兩側(cè)裂縫在方柱中心區(qū)域匯合，形成一條通透裂縫，此時，裂縫處斷裂破壞，方柱整體失效。從試件破壞后的截面可以看出，在混凝土開裂后，分攤應變的PVA纖維多為拉斷破壞，部分為拔出破壞。

3.2 不同纖維摻比混凝土方柱開裂初期主應變

沿裂縫開展方向選擇一個截面進行分析。如圖9所示，在裂縫開展初期，不同PVA纖維摻量的纖維混凝土方柱節(jié)點處橫向平均應變隨著纖維摻量的增加而減小。由此可以說明，PVA纖維摻入對混凝土的開裂起到了一定的抑制作用，而且還提升了混凝土的整體性。

圖9 節(jié)點處橫向應變

從表4中可以明顯看出，隨著PVA纖維摻量的增加，柱身開裂初期節(jié)點橫向平均主應變有明顯的減小趨勢；相較于未摻雜纖維的混凝土方柱，裂縫處主應變最大值隨摻量的增加而減小，當摻量為0.05%時，減小比例約為22.62%，其余摻量所對應的的增長比例依次為18.28%、14.28%、21.09%。

表4 開裂初期節(jié)點橫向應變平均值

4 結(jié)語

隨著混凝土中PVA纖維摻入比例的提高，混凝土的標準立方體抗壓強度相比于未摻纖維的混凝土分別提升了0.66%、1.65%、3.0%、3.97%，抗壓強度提升幅度較小，但其起到的抗裂效果明顯。

在同樣的正弦波荷載作用下，摻有纖維的混凝土方柱較未摻纖維的混凝土方柱而言，損傷累積的時間有了較大的增加，并且隨著纖維摻量的提高分別提升了25.3%、29.4%、40.1%、53.7%；當纖維的摻量達到0.15%及以上時，在方柱失效后由于未斷裂的纖維的橋接作用，方柱還能維持較好的整體性。

與普通混凝土相比，PVA纖維的摻入使得混凝土方柱的抗裂性能有所提升，并且在正弦波荷載的循環(huán)作用下，纖維混凝土方柱節(jié)點部位開裂初期節(jié)點處橫向主應變平均值隨著纖維摻量的增加分別減小了22.62%、18.28%、14.28%、21.09%。