聚乙烯醇/PVA 纖維增強(qiáng)混凝料改性參數(shù)優(yōu)化及壓縮性能實(shí)驗(yàn)

張小威 楊明輝

摘要：為了提高混凝土力學(xué)性能，以硅酸鹽水泥為基體，摻入不同添加量和長(zhǎng)度的聚乙烯醇（PVA）纖維對(duì)其性能加強(qiáng)，并進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，加入PVA 纖維使水泥達(dá)到更充分水化反應(yīng)程度，形成更致密的組織，增強(qiáng)了整體抵抗變形能力。摻入纖維后使混凝土保持較低固結(jié)壓力的情況下，將會(huì)造成抗壓縮變形性能的小幅降低。提高無側(cè)限抗壓強(qiáng)度過程中，壓縮指數(shù)持續(xù)降低，形成了更致密的結(jié)構(gòu)，增大了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，加入合適長(zhǎng)度與含量的PVA 纖維時(shí)有助于形成更致密的混凝土試塊。壓縮模量隨纖維比例的提高發(fā)生先增大再降低變化，當(dāng)加入量為0.75%時(shí)達(dá)最大值。

關(guān)鍵詞：混凝土；聚乙烯醇纖維；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；機(jī)理分析

中圖分類號(hào)：TQ342+.61文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）05-0061-04

Optimizationof modifiedparametersandcompressionperformanceof polyvinylalcohol/PVAfiberreinforced concrete

ZHANG Xiaowei1，YANG Minghui2

（1. College of Human Settlements，Guangdong Vocational College of Environmental Protection Engineering，F(xiàn)oshan 528216，Guangdong China；

2. School of Architecture and Civil Engineering，Xiamen University，Xiamen 361005，F(xiàn)ujian China）

Abstract： In order to improve the mechanical properties of cement，p.O42.5 Portland cement was selected as the basis，polyvinyl alcohol（PVA）fibers of different dosage and length were added to enhance its properties，and the unconfined compressive strength test was carried out. The results showed that the addition of PVA fiber could make the cement reach a fuller hydration reaction，form a more compact structure，and enhance the overall resistance to deformation. When the consolidation pressure of soil-cement was kept low after fiber incorporation，the compres? sive deformation resistance of soil-cement was slightly reduced. In the process of increasing the unconfined com? pressive strength，the compression index continued to decrease，forming a denser structure，increasing the uncon?fined compressive strength，adding appropriate length and content of PVA fiber was conducive to forming a denser soil-cement test block. The compression modulus increased first and then decreased with the increase of fiber pro? portion，and reached the maximum value when the fiber dosage was 0.75%。

Keywords： Soil-cement；Polyvinyl alcohol fiber；Unconfined compressive strength；Mechanism analysis

目前，聚乙烯醇（PVA）纖維已成為材料增強(qiáng)改性的一類重要增強(qiáng)材料，針對(duì)其開展的研究也較多[3]。例如，在混凝土中加入PVA 纖維后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，加入PVA 后混凝土獲得了更強(qiáng)拉伸與抗彎折強(qiáng)度，但會(huì)引起抗壓強(qiáng)度下降的情況[4]。通過PVA纖維制備得到水泥基復(fù)合材料，經(jīng)拉伸測(cè)試與四點(diǎn)彎曲測(cè)試可知，PVA 纖維使水泥基復(fù)合材料發(fā)生了抗壓強(qiáng)度的小幅提升；而抗彎和抗折強(qiáng)度都獲得了顯著增大，材料還在變形期間表現(xiàn)出組織結(jié)構(gòu)應(yīng)變硬化的情況，其中，拉應(yīng)變?cè)龃笾?9%[5]。主要探討了將 PVA 纖維添加至水泥砂漿后對(duì)基體抗裂效果的改善作用，結(jié)果顯示長(zhǎng)度為19 mm 的PVA 纖維添加量達(dá)到0.85 kg/m3時(shí)獲得了最優(yōu)增強(qiáng)效果，能夠?qū)⒘芽p控制率提升至80%，而且以不同長(zhǎng)度纖維得到的裂縫控制程度也存在較大的差異。相對(duì)而言，長(zhǎng)纖維比短纖維效果更優(yōu)[6]。

為了提高隧道用混凝土的力學(xué)性能，選擇 P·O42.5硅酸鹽水泥作為測(cè)試材料，摻入不同添加量和長(zhǎng)度的聚乙烯醇纖維對(duì)其性能進(jìn)行加強(qiáng)，并進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1試樣制備

選用YZ-PVA-12種類的纖維，其性能如表1所示。

選擇P·O42.5硅酸鹽水泥作為測(cè)試材料。按照與設(shè)定質(zhì)量1.2倍的條件稱量每種組分，接著將纖維分散后再將其與水泥、干土充分拌和形成均勻分散的狀態(tài)，由于固結(jié)試樣的體積很小，選擇攪拌機(jī)處理時(shí)容易引起不均勻的攪拌效果，因此先通過人工方式形成均勻拌合程度后再加入合適的水量進(jìn)行人工濕拌。攪拌結(jié)束后，再把均勻分散的混合物安裝至表面含有脫模劑的環(huán)刀上，將環(huán)刀置于由保鮮膜包覆的透水石上，采用振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)成型并通過人工按壓方式確保環(huán)刀和透水石之間保持緊密結(jié)合狀態(tài)。將各試樣進(jìn)行均勻振搗后再通過塑料薄膜進(jìn)行封裝保持24 h 時(shí)間后再拆模，之后利用20℃溫度條件與96%濕度的養(yǎng)護(hù)箱持續(xù)養(yǎng)護(hù)至齡期為止[7]。土樣風(fēng)干結(jié)束后利用顎式破碎機(jī)將其充分粉碎，再利用2 mm 規(guī)格的篩完成不同尺寸顆粒的分類。

1.2壓縮試驗(yàn)

壓縮測(cè)試過程是把天然形態(tài)原狀土或人工擾動(dòng)土加工成特定外形尺寸的試樣，之后將其轉(zhuǎn)移至固結(jié)儀中，并設(shè)置不同荷載以及通過有側(cè)限方式件測(cè)試壓縮變形程度[8]。對(duì)纖維混凝土施加荷載的過程中，位于空隙內(nèi)的氣體與水都被持續(xù)壓出，骨架顆粒也達(dá)到更擠緊的程度，封閉區(qū)域的氣泡也在壓縮作用下形成了更小體積，最終表現(xiàn)為土體壓縮的效果[9]。

選擇WG 型單杠桿固結(jié)儀對(duì)各試樣開展壓縮試驗(yàn)。按照《土工測(cè)試方法要求》，設(shè)定各級(jí)荷載保持24 h 后再進(jìn)行試樣高度測(cè)試并以此確定穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。為對(duì)比不同PVA 纖維長(zhǎng)度與含量引起的混凝土壓縮性差異，根據(jù)壓縮測(cè)試方法分析了纖維對(duì)試樣壓縮特性參數(shù)的影響并測(cè)試了各試樣的壓縮曲線數(shù)據(jù)，由此實(shí)現(xiàn)PVA纖維混凝土壓縮性能的表征。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1PVA 纖維混凝土的壓縮曲線分析

PVA纖維混凝土的壓縮e-logp曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，PVA 纖維混凝土形成了具有雙折結(jié)構(gòu)的變化曲線，可將其主要分成2個(gè)階段。其中，初期固結(jié)過程為第1階段，此時(shí)只設(shè)置了較低固結(jié)載荷，孔隙率保持基本恒定的狀態(tài)，試塊體積也沒有發(fā)生明顯改變，總體上形成了一條呈現(xiàn)水平分布的壓縮曲線。之后進(jìn)入固結(jié)壓力持續(xù)增大的階段，在該階段中孔隙率呈現(xiàn)快速降低的變化趨勢(shì)。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)PVA 纖維混凝土在壓縮測(cè)試期間形成了一個(gè)明顯的屈服應(yīng)力臨界點(diǎn)，當(dāng)?shù)陀谇?yīng)力的條件下只形成了小幅壓縮變形，而大于屈服應(yīng)力時(shí)，則會(huì)引起試塊變形程度迅速增大的現(xiàn)象。

加入不同長(zhǎng)度與添加量PVA 纖維時(shí)得到的壓縮曲線測(cè)試結(jié)果顯示，處于較低固結(jié)壓力下時(shí)，保持配比恒定的情況下，試塊在各齡期內(nèi)形成了相近的壓縮曲線，可以使水泥達(dá)到更充分水化反應(yīng)程度[10]，這些水化產(chǎn)物對(duì)纖維混凝土孔隙起到了良好填充效果，由此形成更致密的組織，顯著增強(qiáng)了整體結(jié)構(gòu)對(duì)外部載荷的抵抗變形能力，從而獲得更優(yōu)抗壓縮變形效果。

2.2 PVA 纖維混凝土的壓縮系數(shù)分析

根據(jù)《建筑地基規(guī)范》中的指標(biāo)要求，可以選擇壓力間隔壓縮系數(shù)介于100～200 kPa 曲線斜率來判斷土體壓縮特性，得到下述判斷：當(dāng)a1＜0.1 MPa 時(shí)，為低壓縮性土；當(dāng)0.1 MPa≤a1＜0.5 MPa 時(shí)，為中等壓縮性土；當(dāng)a1≥0.5 MPa時(shí)，為高壓縮性土[11]。

由表2可知，素混凝土與PVA 纖維混凝土都屬于低壓縮性土。其中，添加比例0.25%、長(zhǎng)度12 mm 纖維時(shí)，達(dá)到了0.017的最低壓縮系數(shù)。從表2中還可看到，各加入比例與長(zhǎng)度PVA 纖維加入混凝土后含水率都在30%附近呈現(xiàn)小幅波動(dòng)，初始孔隙率也呈現(xiàn)小幅變化趨勢(shì)，介于0.863～0.871。

從圖2可以看出，素混凝土達(dá)到了最小壓縮系數(shù)，加入不同比例纖維時(shí)混凝土達(dá)到了更大壓縮系數(shù)。由此可見，摻入纖維后使混凝土保持較低固結(jié)壓力的情況下，將會(huì)造成抗壓縮變形性能的小幅降低。當(dāng)在同齡期混凝土內(nèi)加入同樣比例的PVA 纖維時(shí)，各長(zhǎng)度纖維混凝土并未產(chǎn)生明顯變化特征，這可能是因?yàn)槭┘虞^低豎向固結(jié)壓力時(shí)，混凝土只發(fā)生小幅變形，各長(zhǎng)度PVA 纖維增強(qiáng)效果基本一致。比較相同長(zhǎng)度PVA 纖維可知，加入3 mm 纖維當(dāng)加入量水平提高時(shí)，壓縮系數(shù)出現(xiàn)了減小的趨勢(shì)；而6 mm纖維加入量在0.5%時(shí)達(dá)到最小，形成了“凹”形特征的曲線；纖維長(zhǎng)度為9 mm 時(shí)，則形成了幾乎水平分布形態(tài)的壓縮系數(shù)曲線。

2.3 PVA 纖維混凝土的壓縮指數(shù)分析

壓縮指數(shù)C 屬于評(píng)價(jià)土體壓縮特性的一項(xiàng)重要參數(shù)，可以通過計(jì)算e-logσ中某段曲線斜率得到。提高土體壓縮指數(shù) C 后，將獲得更高壓縮性[12]；圖3為 PVA纖維混凝土的壓縮指數(shù)分布。

從圖3可以看出，提高無側(cè)限抗壓強(qiáng)度過程中，壓縮指數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)降低的結(jié)果。隨著纖維混凝土壓縮指數(shù)的降低，形成了更致密的結(jié)構(gòu)，從而增大了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，當(dāng)加入合適宜長(zhǎng)度與含量的PVA 纖維時(shí)，有助于形成更致密的混凝土試塊。通過擬合分析2個(gè)齡期內(nèi)的C、q 數(shù)據(jù)，可以為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和壓縮指數(shù)建立以下函數(shù)關(guān)系：

C=-0.1385q+0.4250（1）

2.4 PVA 纖維混凝土的壓縮模量分析

對(duì)PVA 纖維混凝土試樣施加單向載荷時(shí)，測(cè)試得到圖4的結(jié)果。

從圖4可以看出，PVA 纖維混凝土測(cè)試結(jié)果表明，素混凝土達(dá)到了最高壓縮模量（Es）為48.5。本實(shí)驗(yàn)中加入不同長(zhǎng)度PVA 纖維時(shí)，Es 都隨纖維比例的提高發(fā)生先增大再降低的變化趨勢(shì)；當(dāng)加入量為0.75%時(shí)，達(dá)到最大值，表現(xiàn)出跟無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相近的變化特點(diǎn)。

3 結(jié)語

（1）PVA 纖維混凝土在壓縮測(cè)試期間形成了一個(gè)明顯屈服應(yīng)力臨界點(diǎn)。加入PVA 纖維使水泥達(dá)到更充分水化反應(yīng)程度，形成更致密組織，增強(qiáng)了整體抵抗變形能力；

（2）摻入纖維后使混凝土保持較低固結(jié)壓力，造成抗壓縮變形性能小幅降低；

（3）提高無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，壓縮指數(shù)持續(xù)降低，形成了更致密結(jié)構(gòu)，加入適宜長(zhǎng)度與含量的PVA 纖維時(shí)，有助于形成更致密的混凝土試塊；

（4）加入不同長(zhǎng)度PVA 纖維，壓縮模量隨纖維比例提高發(fā)生先增大再降低變化，當(dāng)加入量為0.75%時(shí)，達(dá)到最大值。

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