基于不同摻量的PVA纖維混凝土力學(xué)性能研究＊

許欣，馬魁

（武昌工學(xué)院，湖北 武漢 430065）

混凝土材料被廣泛應(yīng)用于工程行業(yè)，是應(yīng)用最廣、用量最大的工程材料[1]。然而，由于傳統(tǒng)混凝土抗彎曲性能和抗折性能偏低，在使用時(shí)容易產(chǎn)生裂縫，從而影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和壽命。在混凝土中通過(guò)摻加纖維來(lái)改善性能，可有效控制裂縫，提高混凝土材料的力學(xué)性能[2]。隨著纖維改性混凝土技術(shù)的不斷采用，聚丙烯纖維在工程中得到了一定規(guī)模的應(yīng)用，但目前對(duì)于聚乙烯醇纖維混凝土的研究還相對(duì)較少。由于PVA纖維親水性好、耐酸堿，在混凝土中分散性好，能跟水泥石實(shí)現(xiàn)較好的粘結(jié)強(qiáng)度[3]，價(jià)格相對(duì)經(jīng)濟(jì)，作為混凝土中摻加的改性材料，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。本文針對(duì)不同摻量的PVA混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及坍落度展開(kāi)分析。為合理選擇摻加PVA纖維含量提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)分析

1.1 原材料

試驗(yàn)水泥采用華新水泥廠生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，摻合Ⅱ級(jí)復(fù)合粉煤灰；細(xì)骨料為江砂，細(xì)度模數(shù)為2.6；粗骨料為級(jí)配良好的碎石，粒徑為5～20 mm；水為城市潔凈自來(lái)水，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；外加劑為脂肪族高效減水劑，減水率達(dá)到18%；纖維為上海產(chǎn)聚乙烯醇纖維，短纖PVA纖維，長(zhǎng)度為12 mm，等效直徑36 μm。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

最佳體積摻量試驗(yàn)的混凝土基準(zhǔn)配合比為：水泥∶粉煤灰∶砂∶石=1∶0.25∶2.18∶3.11。減水劑的摻量為1%，纖維的體積摻量為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%。混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

1.3 混凝土制備

為了保證拌制PVA纖維混凝土?xí)r纖維的均勻性和分散性，采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌和混凝土[4]。首先將砂、石混合干拌30 s；然后加入水泥、纖維，再干拌2 min；最后將攪拌均勻的水和減水劑的混合溶液倒入攪拌機(jī)攪拌，再濕拌2 min。直至PVA纖維在混凝土內(nèi)分布較均勻，纖維混凝土的和易性達(dá)到施工需求。在攪拌完畢后，測(cè)試?yán)w維混凝土拌合物坍落度，然后將混凝土拌合物裝入試件模型內(nèi)。將試件放在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)密實(shí)成型，再將試件放在室內(nèi)靜置24 h成型后拆除模板，同時(shí)將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d，直至到達(dá)規(guī)定齡期后取出進(jìn)行晾干。

1.4 試件尺寸與數(shù)量

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體尺寸試件，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件。以PVA摻量、齡期、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度作為正交試驗(yàn)的4個(gè)因素安排試塊。

1.5 試驗(yàn)方法

參考GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的方法，測(cè)試混凝土拌合物的坍落度；參考CECS 13：2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[5]、GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]中規(guī)定的方法，分別測(cè)試不同摻量混凝土在第3 d、7 d、28 d的立方體抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度，混凝土試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，3個(gè)試件為一組。

相關(guān)規(guī)定要求，試驗(yàn)在微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式（1）中：fcu為混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度，MPa；F為試件破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載，N；A為試件的承壓面積，mm2。

一般情況下取同組的3個(gè)試件的試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度的算數(shù)平均值作為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度值。但是，為了提高測(cè)試的精度，嚴(yán)格控制同組內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，做了以下要求：如果3個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，最大值或者最小值中有一個(gè)與中間值的差值超過(guò)15%，則以中間值作為計(jì)算結(jié)果；如果最大值或者最小值與中間值的差值均超過(guò)15%，則該組試驗(yàn)數(shù)據(jù)視作無(wú)效。由于本次抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中選取的試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的非標(biāo)準(zhǔn)的試件，因此還需要將上述抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果乘以尺寸換算系數(shù)0.95。

2 試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)不同體積摻量的PVA纖維混凝土試件進(jìn)行了第3 d、第7 d、第28 d齡期的抗壓、抗折試驗(yàn)以及坍落度試驗(yàn)，結(jié)果如表2、表3、表4所示。

表2 不同PVA纖維摻量混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度

表3 不同PVA纖維摻量混凝土在不同齡期的抗折強(qiáng)度

表4 不同PVA纖維摻量混凝土坍落度（單位：mm）

由表2可知，在第3 d齡期時(shí)，摻PVA纖維混凝土抗壓強(qiáng)度跟沒(méi)有摻PVA纖維混凝土抗壓強(qiáng)度相比出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，隨著摻量的不同，PVA纖維混凝土抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出不同的差異性。0.10%和0.25%摻量的PVA纖維混凝土抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為正增長(zhǎng)，特別是0.10%摻量的PVA纖維混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了10.4%，而其他摻量PVA纖維混凝土抗壓強(qiáng)度的表現(xiàn)為負(fù)增長(zhǎng)。在第7 d齡期時(shí)，各摻量的PVA纖維混凝土抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)為正增長(zhǎng)，其中0.05%、0.10%、0.20%摻量的PVA纖維混凝土抗壓強(qiáng)度增量整體高于其他摻量的PVA纖維混凝土抗壓強(qiáng)度。0.05%、0.10%摻量的PVA纖維混凝土抗壓強(qiáng)度增量較接近，均超過(guò)了5.5%。在第28 d齡期時(shí)，摻PVA纖維混凝土抗壓強(qiáng)度跟沒(méi)有摻PVA纖維混凝土抗壓強(qiáng)度相比都表現(xiàn)了較積極的強(qiáng)度增長(zhǎng)，均超過(guò)了8.5%以上的增長(zhǎng)。尤其是0.10%摻量的PVA纖維混凝土抗壓強(qiáng)度在28 d齡期時(shí)，抗壓強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了11.6%的增幅，表現(xiàn)優(yōu)于其他摻量。整體上來(lái)看，本次試驗(yàn)中摻加有PVA纖維混凝土在第7 d、第28 d齡期抗壓強(qiáng)度都有不同程度的增長(zhǎng)，由于摻加的PVA纖維含量不同，表現(xiàn)出了不同的差異。綜合來(lái)看，0.10%摻量的PVA纖維混凝土無(wú)論齡期在第3 d、第7 d或者第28 d的抗壓強(qiáng)度都表現(xiàn)較好，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了較穩(wěn)定的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)。

由表3可知，在第3 d齡期時(shí)，摻PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度跟沒(méi)有摻PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度相比都有不同程度的增長(zhǎng)，隨著摻量的不同，PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度表現(xiàn)出不同的差異性。0.10%、0.15%、0.20%和0.25%摻量的PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度都變現(xiàn)了較高的增長(zhǎng)。在第7 d齡期時(shí)，各摻量的PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度均表現(xiàn)為超過(guò)5%，其中以0.10%摻量的PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度增量達(dá)到了9.1%，較高于其他摻量的PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度。0.05%、0.15%摻量的PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度增量較接近，均超過(guò)了6.5%。在第28 d齡期時(shí)，摻PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度跟沒(méi)有摻PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度相比都表現(xiàn)了較積極的強(qiáng)度增長(zhǎng)，均超過(guò)了10%以上的增長(zhǎng)。尤其是0.10%摻量的PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度在第28 d齡期時(shí)，抗折強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了27.7%的增幅，表現(xiàn)優(yōu)于其他摻量。整體上來(lái)看，本次試驗(yàn)中摻加有PVA纖維混凝土在第3 d、第7 d、第28 d齡期抗折強(qiáng)度都有不同程度的增長(zhǎng)，由于摻加的PVA纖維含量不同，表現(xiàn)出了不同的差異。綜合來(lái)看，0.10%摻量的PVA纖維混凝土無(wú)論齡期在第3 d、第7 d或者第28 d的抗折強(qiáng)度都表現(xiàn)較好，好于其他摻量的PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度。出現(xiàn)了較穩(wěn)定的抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)。

混凝土的坍落度指標(biāo)可以直接反映混凝土拌合物的和易性，規(guī)范上規(guī)定流動(dòng)性混凝土的塌落度要求不小于100 mm，這樣才能保障正常施工的進(jìn)行。由表4可知，體積摻量為0.10%PVA纖維混凝土坍落度值為153 mm，跟基材混凝土坍落度178 mm接近，能保持較好的和易性。而其他摻量的PVA纖維混凝土，尤其是0.25%摻量的PVA纖維混凝土塌落度為49 mm，說(shuō)明PVA纖維摻量對(duì)混凝土材料的和易性影響較明顯。體積摻量為0.10%PVA纖維混凝土坍落度跟基材混凝土坍落度接近，表現(xiàn)出了較好的和易性，能夠較好地滿足正常施工的需求。

3 結(jié)論

PVA纖維由于親水性好，耐酸堿，在混凝土中分散性好，能跟水泥石實(shí)現(xiàn)較好的粘結(jié)強(qiáng)度，可作為混凝土中摻加的改性材料。通過(guò)試驗(yàn)得出以下結(jié)論：0.10%體積摻量的PVA纖維混凝土齡期在第3 d、第7 d、第28 d的抗壓強(qiáng)度都表現(xiàn)較好，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了較穩(wěn)定的增長(zhǎng)情況；0.10%體積摻量的PVA纖維混凝土齡期在第3 d、第7 d、第28 d的抗折強(qiáng)度都表現(xiàn)較好，好于其他摻量的PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度，并且出現(xiàn)了較穩(wěn)定的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)；0.10%體積摻量的PVA纖維混凝土坍落度跟基材混凝土坍落度接近，表現(xiàn)出了較好的和易性，能夠較好地滿足正常施工的需求。

無(wú)論是改善混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，還是保持混凝土的和易性，體積摻量為0.10%的PVA纖維混凝土表現(xiàn)優(yōu)于其他的摻量。因此，當(dāng)PVA體積摻量為0.10%時(shí)，能顯著改善混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，保持混凝土的和易性。