PVA纖維長度對鋼纖維混凝土力學性能影響的試驗研究

魏金源厲 帥張 勇劉宏偉

（1空軍勤務學院 機場工程與保障系 江蘇 徐州 221000 2中國航空港建設(shè)第二工程總隊 江蘇 徐州 221000）

PVA纖維長度對鋼纖維混凝土力學性能影響的試驗研究

魏金源1厲 帥2張 勇1劉宏偉1

（1空軍勤務學院 機場工程與保障系 江蘇 徐州 221000 2中國航空港建設(shè)第二工程總隊 江蘇 徐州 221000）

采用落錘試驗儀對含有加入不同長度PVA纖維的鋼纖維混凝土進行落錘沖擊試驗，得到了摻有不同長度的PVA纖維條件下混凝土試件的擬合力—時間、位移—時間曲線。通過對曲線的分析對比，得出PVA纖維的摻入大大提高了混凝土的抗沖擊性能。其中，試驗選取的6mm、9mm、12mm、15mm不同長度的PVA纖維中，12mm長度的PVA纖維對鋼纖維混凝土的強度和剛度等力學性能提升最大，并且在不同沖擊能量下均表現(xiàn)出優(yōu)于其它長度的特性。

PVA纖維；混凝土；抗沖擊性能；落錘試驗

0 引言

鋼纖維混凝土由于鋼纖維的增強、阻裂作用，使得其較普通混凝土有更為優(yōu)越的力學性能，從而成為建筑工程中應用最為廣泛的纖維混凝土之一。在其中加入PVA纖維材料可以發(fā)揮不同彈性模量纖維各自的性能特點，綜合提高混凝土的力學性能，增加工程應用范圍。譚明輪等通過跳桌試驗和抗折抗壓強度試驗發(fā)現(xiàn)，摻加PVA纖維可降低工程水泥基復合材料的流動度和坍落度，纖維摻量越大，降低作用越明顯。蘇駿等PVA纖維纖維的加入能很好的提高其破壞應力、峰值應變、峰值韌度等技術(shù)指標。鄧宗才等通過抗彎沖擊實驗，研究不同長徑比、形狀和摻量對抗沖擊性能的影響。

本研究將PVA纖維摻入到鋼纖維混凝土中，在相同摻量的條件下改變纖維長度，通過沖擊試驗研究其對鋼纖維混凝土力學性能的影響，旨在找出最佳的纖維長度，為兩種混雜纖維混凝土的配比及設(shè)計提供參考。

1 試驗材料

水泥為普通的425硅酸鹽水泥；石子的粒徑在5-10mm之間，平均粒徑為7mm；砂子的細度模數(shù)為2.6，滿足建筑Ⅱ類砂標準；減水劑為萘系減水劑；鋼纖維的直徑0.18-0.2mm，長度10-12mm，抗拉強度2850MPa，密度8.2g/cm3，表面鍍銅平直型；PVA纖維的物理參數(shù)為干斷裂強度大于10.8 cN/dtex，干斷裂伸度4.0-0.9，楊氏模量290 cN/dtex，熱水減量小于2.5%，4種纖維長度：3mm、6mm、9mm、12mm。

2 試件制備

根據(jù)有關(guān)文獻的研究，確定出混凝土各組分具體摻量，見表1，按配合比方案稱量好各種材料，將膠凝材料和粗細骨料倒入攪拌機充分攪拌均勻。該過程中為避免鋼纖維分布不均勻和PVA纖維出現(xiàn)結(jié)團的現(xiàn)象，纖維的加入需要分批次均勻撒入，再加入溶有減水劑的水進行攪拌，進行裝模。在裝模的過程中，要充分的進行人工振搗，分三次裝滿，以保證振搗充分。然后放到振動臺上震動30～60s，隨后在模具表面敷上塑料紙保濕，24h后拆模，取出試件并放到標準養(yǎng)護箱里，保持養(yǎng)護箱溫度為20℃，濕度為95%左右，共養(yǎng)護28d并于試驗前2h取出放置自然環(huán)境。

表1 混凝土各組分具體參量表（單位kg/m3）

3 試件方案設(shè)計

本實驗儀器采用JLW-800落錘沖擊試驗機，錘頭直徑50mm，為減少尺寸對實驗結(jié)果的影響，將試件尺寸定為比錘頭稍大的70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體。

實驗設(shè)計的變化量有PVA纖維長度和沖擊高度，鋼纖維混凝土的纖維摻量定為2%，PVA摻量定為1%。首先通過A、B、C、D組實驗，分析固定摻量條件下PVA纖維長度對混凝土力學性能的影響，再通過改變沖擊高度進一步分析研究PVA纖維長度對鋼纖維混凝土力學性能影響規(guī)律的普遍性，并設(shè)置對照組進行對比試驗，具體實驗方案見表2。

表2 沖擊試驗方案

D 15 0.5 245 E 6 0.4 195 F 9 0.4 195 G 12 0.4 195 H 15 0.4 195 I 6 0.6 290 J 9 0.6 290 K 12 0.6 290 L 15 0.6 290 M 0 0.5 245

4 試驗分析

4.1試驗直觀分析

對比A、B、C、D、M五組試驗，在適中沖擊高度0.5m時的物理破壞形態(tài)可清楚地觀察到，對照組M中未加入纖維的素混凝土試件呈爆裂式破壞，碎塊較多，破壞嚴重，表現(xiàn)出明顯的脆性特點。而適量PVA纖維的加入使得混凝土試件由脆性破壞變?yōu)檠有云茐模由吓c鋼纖維的混雜作用，使得裂縫開展路徑明顯減少，從裂縫中觀察到PVA纖維大多斷裂，吸收開裂產(chǎn)生的能量，總體呈裂而不散破壞形態(tài)，導致剝落現(xiàn)象大幅度減小。由于PVA纖維的摻量總量是固定的，所以長纖維的分布部位要少于段纖維，而每束短纖維的影響距離要小于長纖維，其中C組破壞程度相對較小，B組次之，A組和D組最為嚴重。

為進一步研究PVA纖維長度對混凝土的抗沖擊性能影響，本文將從破壞時的屈服力值和最大沖擊壓縮深度兩個物理量進行研究，分析PVA纖維長度對鋼纖維混凝土強度與剛度力學性能的影響規(guī)律。

4.2試驗數(shù)據(jù)分析

每組試驗重復3次，對所得數(shù)據(jù)取平均值，將得到的數(shù)據(jù)進行整理，50cm沖擊高度下，不同PVA纖維長度試件的擬合力—時間和位移—時間曲線，如圖1。

圖1 50cm沖擊高度

圖2 40cm沖擊高度

圖a中的擬合力值代表隨時間變化受到的沖擊力大小，在擬合力值達到最大時造成試件的完全破壞，即最大擬合力值可以代表試件的強度大小。其中C組的擬合力值最大，較素混凝土最大擬合力值提升24%。圖b中的位移大小代表落錘沖擊過程中的侵徹深度，即最大位移值可代表試件的剛度大小。其中C組的最大位移最小，只為素混凝土侵徹位移的45%。

通過改變沖擊高度，對分析結(jié)果進行驗證，首先將沖擊高度降至40cm，試件破壞的直觀結(jié)果是普遍沒有造成爆裂式破壞，存在的差別僅限于裂縫的條數(shù)和寬度。具體數(shù)值見圖2。試驗結(jié)果與50cm沖擊高度下所得結(jié)論基本一致，G組的擬合力值最大，侵徹位移最小，但較50cm組結(jié)果變化趨勢變緩，即PVA纖維長度對鋼纖維混凝土的強度與剛度兩項力學性能的影響相對減小。當沖擊高度升為60cm時，最大壓縮深度已達到10mm，再結(jié)合試件破壞形態(tài)可知試件已被完全破壞，其位移—時間曲線只能顯示其變化趨勢，不能作為分析依據(jù)。

5.結(jié)論

本文對摻有不同長度PVA纖維的鋼纖維混凝土進行了落錘沖擊實驗，通過控制纖維總體摻量，改變纖維長度進行對比分析，得出以下幾點結(jié)論：

（1）PVA纖維的加入，使得鋼纖維混凝土整體的抗沖擊性能得到了明顯提高，表現(xiàn)為破壞形態(tài)明顯減弱，屈服載荷大幅增加，且增益效果大于單鋼纖維混凝土。

（2）在4種PVA纖維長度中，12mm長度的纖維對鋼纖維混凝土的力學性能提升最大，在245J（0.5m）的沖擊能量下，屈服載荷較素混凝土提高24%，侵徹深度僅為素混凝土的45%。

（3）改變沖擊高度，從不同沖擊能量的角度驗證了PVA纖維長度對鋼纖維混凝土力學性能的影響規(guī)律的普遍性，在合理范圍的沖擊高度下，沖擊高度越高，最佳長度的PVA纖維對混凝土力學性能提升越明顯。

[1]蘇駿,李響. PVA纖維混凝土受彎梁力學性能分析[J]. 湖北工業(yè)大學學報,2012,02(27):122-124.

[2]NELSON P K, LI V C, KAMADA T. Fracture toughness of microliber reinlorced cement composites[J]. Journal of Mechanics in Civil Engineering,2002,14(5):384-391.

[3]譚明輪,孫仁娟,周志東,祝秀海,趙志欽. PVA纖維長度與摻量對工程水泥基復合材料性能影響試驗研究[J]. 鐵道建筑,2014,(03):115-117.

TU502+.6

A

1007-6344（2017）06-0264-02

*國家自然科學基金項目（51478462），（51508565）

魏金源（1992.11—）, 江西南昌人，碩士研究生。