聚乙烯醇纤维混凝土抗压力学性能及加固机理研究

2021-11-23梁腾飞杨瑞娟赵伟

高科技纤维与应用 2021年5期

梁腾飞，杨瑞娟，赵伟

(西安交通工程学院，土木工程学院，陕西西安 710300)

0 引言

混凝土作为一种施工过程简便、成本以及环境友好的建筑工程材料，目前已在软土施工、道路加固等方面获得了广泛使用[1-2]。但考虑到混凝土的力学强度偏低并且缺乏良好验证性，已有学者开展纤维加筋混凝土测试，结果显示设置连续纤维加筋结构后可以显著降低竖向变形程度，经对比还可以发现，设置土工格栅结构后，可以使竖向变形相对添加纤维方式的强度提高了近两倍[3-5]。同时加入连续纤维进行增强后则能够降低62%～75%的墙面横向载荷作用，结果显示可以通过在混凝土中添加适量纤维的方式来增强力学强度，同时提升抗压缩变形能力[6-8]。目前，纤维加筋混凝土获得了众多学者的密切关注。

本文通过加入纤维制备复合混凝土结构来实现加固效果，并以聚乙烯醇(PVA)纤维组成加筋结构，深入分析了PVA纤维引起的混凝土力学特性变化及其变形机制，最后开展了显微增强机理方面的研究。

1 试验

1.1 试样制备

从工地基坑中采集得到粉土，其中，取样位置距离地表深度为3 m。表1给出了粉土的各项物理性能参数测试结果。

表1 粉土的基本性质

PVA纤维来自日本可乐丽公司，分别对纤维长度、掺入量、龄期进行了测试，设定纤维长度介于3～12 mm，纤维掺量从0提高至1%。以狮头牌PO42.5硅酸盐水泥作为测试水泥。

表2 PVA纤维力学性能

1.2 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度表示试样不受侧向限制条件下可以达到的轴向压力极限抵抗程度。利用电子万能测试机表征试样的无侧限抗压强度，之后再利用以下式子进行计算：

F=P/A

其中F表示无侧限抗压强度，A表示立方结构试样横截面，P表示试样发生破坏时对应的荷载。

选择TM-3000扫描电镜对混凝土进行了微观形貌表征。

2 试验研究

2.1 应力-应变曲线

图1是对纤维混凝土进行无侧限抗压测试得到的力学性能曲线，可以明显看到，PVA纤维混凝土在测试过程中不同时间段内形成了具有不同变化特征的应力-应变曲线。

图1 不同PVA纤维混凝土的应力-应变曲线

最初的压密过程中，纤维混凝土主要承受竖向的荷载作用，形成了具有上凸结构的应力-应变曲线，此时应变相对应力发生了更快变化。这是因为采用振荡成型方式制得的纤维混凝土块缺乏高压实度，因此会引起孔隙与裂纹缺陷的产生[9]。

之后进入弹性变形过程，此时竖向荷载进一步提高，土颗粒以及水泥水化后形成的结构受力发生变形，水泥胶体只产生轻微黏性流动，同时微裂缝数量也明显减少，形成了具有正比例特征的应力-应变关系。

进入塑性变形过程后，竖向荷载达到约0.75倍的峰值。此时混凝土受到竖向荷载作用后在试块中产生塑性变形。这时应力与应变之间不再保持线性变化的关系，应力相对应变的变化更快。

最后进入破坏阶段，此时纤维混凝土中形成峰值应力，引起裂缝快速生长，对混凝土内部组织造成了明显破坏，导致荷载传力途径持续损坏。

2.2 纤维掺量优化

图2显示了在各龄期下加入不同含量PVA纤维时的试样无侧限抗压强度测试结果。加入低于0.75%的PVA纤维条件下，逐渐提高纤维掺量后，无侧限抗压强度也随之增大；加入0.75%的纤维后，PVA纤维混凝土获得了最大无侧限抗压强度；进一步增大纤维含量至1%时，则发生了无侧限抗压强度减小的的现象。而在加入12 mm长的PVA纤维时则表现出了不同的变化规律，此时随着纤维含量的提高，无侧限抗压强度也持续先上升，之后趋于平稳，后文略微下降。以上测试结果表明，PVA纤维含量并不是越多越好，根据不同的纤维长度分别存在一个合适的掺量，其中，9 mm以内的纤维最佳掺入量是0.75%，长度12 mm的纤维最佳掺入量则是1%。

图2 不同PVA纤维掺量的混凝土无侧限抗压强度分布

对混凝土施加竖向荷载作用时，会引起试样沿轴向压缩以及沿横向膨胀的结果。纤维素混凝土发生轴向长度变短后，同时产生了横向扩张，从而引起双剪切脆性破坏的结果[10]。当在混凝土中加入PVA纤维后，试样在横向膨胀过程中会对环向纤维造成拉伸作用，之后纤维又可以对试样产生约束反作用，从而减小试样横向上的膨胀程度，由此获得更高抗压强度。

2.3 纤维长度优化

图3为不同长度的PVA纤维下混凝土无侧限抗压强度。结果显示，保持同样的纤维掺量时，随着纤维长度发生变化后，混凝土无侧限抗压强度也存在明显差异。在纤维加入量为0.75%的条件下，长度从3 mm逐渐提高到12 mm时，抗压强度发生了先增大达到26%时又逐渐降低至10.1%的过程。其中，纤维长度为6 mm时达到了最大无侧限抗压强度，因此6 mm是最佳纤维长度。

图3 不同PVA纤维长度的混凝土无侧限抗压强度分布

PVA纤维能够提高混凝土的无侧限抗压强度，是因为纤维可以对混凝土产生黏附力并限制土体沿横向发生膨胀变形的情况，使土体形成不同的应力状态。加入较短的纤维时，纤维和土体间只形成很小的黏结与摩擦作用，从而引起纤维和土体间更易出现滑动，降低了纤维对混凝土约束效果，无法实现抗压强度的显著提升。适当增加纤维长度后，有助于纤维和土体间形成更大接触面，由此提高了相互间的黏结作用与摩擦阻力。进一步增加纤维长度后，将更易出现纤维缠绕与打结的结果，从而无法保证纤维和混凝土间形成良好接触状态，使长度增加，受纤维缠绕因素的影响，随着其长度的增加，发生了“有效长度”降低的情况[11]，以上现象最终都降低了纤维和混凝土的黏结和摩擦作用。

2.4 加固机理

图4给出了PVA纤维与混凝土粘结界面微观图。根据图4可知，PVA纤维在混凝土中形成了充分包裹状态。在水泥发生凝结硬化的过程中产生收缩作用，这使得PVA纤维受到混凝土的紧密包裹作用，使纤维受到与摩擦面呈现垂直方向的压应力。随着该压应力的提高，PVA纤维与混凝土之间在相对运动过程中便会产生更大摩擦作用力。同时因为PVA纤维表面形成了粗糙的结构，有助于纤维和接触介质之间获得更大作用力。

图4 PVA纤维与混凝土粘结界面微观图

试样受到竖向压力作用产生横向膨胀，从而对四周纤维造成拉力作用，这些纤维通过反作用对混凝土膨胀起到了限制作用。随着外部施加的载荷作用超过临界值后，PVA纤维便会和混凝土之间出现相对滑动，从而形成摩阻力并对滑动过程起到制约作用[12]。由于纤维和混凝土形成“锚固区”组成的摩擦作用(图5)，从而达到提升混凝土力学强度并改善试样脆性。纤维和混凝土存在强度不匹配的情况，当混凝土发生开裂时，纤维并未发生断裂，并与混凝土发生相对滑动，从而限制了混凝土的运动，使其整体韧性获得显著提升。