PVA纤维长度对钢纤维混凝土力学性能影响的试验研究

魏金源厉 帅张 勇刘宏伟

（1空军勤务学院 机场工程与保障系 江苏 徐州 221000 2中国航空港建设第二工程总队 江苏 徐州 221000）

PVA纤维长度对钢纤维混凝土力学性能影响的试验研究

魏金源1厉 帅2张 勇1刘宏伟1

（1空军勤务学院 机场工程与保障系 江苏 徐州 221000 2中国航空港建设第二工程总队 江苏 徐州 221000）

采用落锤试验仪对含有加入不同长度PVA纤维的钢纤维混凝土进行落锤冲击试验，得到了掺有不同长度的PVA纤维条件下混凝土试件的拟合力—时间、位移—时间曲线。通过对曲线的分析对比，得出PVA纤维的掺入大大提高了混凝土的抗冲击性能。其中，试验选取的6mm、9mm、12mm、15mm不同长度的PVA纤维中，12mm长度的PVA纤维对钢纤维混凝土的强度和刚度等力学性能提升最大，并且在不同冲击能量下均表现出优于其它长度的特性。

PVA纤维；混凝土；抗冲击性能；落锤试验

0 引言

钢纤维混凝土由于钢纤维的增强、阻裂作用，使得其较普通混凝土有更为优越的力学性能，从而成为建筑工程中应用最为广泛的纤维混凝土之一。在其中加入PVA纤维材料可以发挥不同弹性模量纤维各自的性能特点，综合提高混凝土的力学性能，增加工程应用范围。谭明轮等通过跳桌试验和抗折抗压强度试验发现，掺加PVA纤维可降低工程水泥基复合材料的流动度和坍落度，纤维掺量越大，降低作用越明显。苏骏等PVA纤维纤维的加入能很好的提高其破坏应力、峰值应变、峰值韧度等技术指标。邓宗才等通过抗弯冲击实验，研究不同长径比、形状和掺量对抗冲击性能的影响。

本研究将PVA纤维掺入到钢纤维混凝土中，在相同掺量的条件下改变纤维长度，通过冲击试验研究其对钢纤维混凝土力学性能的影响，旨在找出最佳的纤维长度，为两种混杂纤维混凝土的配比及设计提供参考。

1 试验材料

水泥为普通的425硅酸盐水泥；石子的粒径在5-10mm之间，平均粒径为7mm；砂子的细度模数为2.6，满足建筑Ⅱ类砂标准；减水剂为萘系减水剂；钢纤维的直径0.18-0.2mm，长度10-12mm，抗拉强度2850MPa，密度8.2g/cm3，表面镀铜平直型；PVA纤维的物理参数为干断裂强度大于10.8 cN/dtex，干断裂伸度4.0-0.9，杨氏模量290 cN/dtex，热水减量小于2.5%，4种纤维长度：3mm、6mm、9mm、12mm。

2 试件制备

根据有关文献的研究，确定出混凝土各组分具体掺量，见表1，按配合比方案称量好各种材料，将胶凝材料和粗细骨料倒入搅拌机充分搅拌均匀。该过程中为避免钢纤维分布不均匀和PVA纤维出现结团的现象，纤维的加入需要分批次均匀撒入，再加入溶有减水剂的水进行搅拌，进行装模。在装模的过程中，要充分的进行人工振捣，分三次装满，以保证振捣充分。然后放到振动台上震动30～60s，随后在模具表面敷上塑料纸保湿，24h后拆模，取出试件并放到标准养护箱里，保持养护箱温度为20℃，湿度为95%左右，共养护28d并于试验前2h取出放置自然环境。

表1 混凝土各组分具体参量表（单位kg/m3）

3 试件方案设计

本实验仪器采用JLW-800落锤冲击试验机，锤头直径50mm，为减少尺寸对实验结果的影响，将试件尺寸定为比锤头稍大的70.7mm×70.7mm×70.7mm立方体。

实验设计的变化量有PVA纤维长度和冲击高度，钢纤维混凝土的纤维掺量定为2%，PVA掺量定为1%。首先通过A、B、C、D组实验，分析固定掺量条件下PVA纤维长度对混凝土力学性能的影响，再通过改变冲击高度进一步分析研究PVA纤维长度对钢纤维混凝土力学性能影响规律的普遍性，并设置对照组进行对比试验，具体实验方案见表2。

表2 冲击试验方案

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 试验分析

4.1试验直观分析

对比A、B、C、D、M五组试验，在适中冲击高度0.5m时的物理破坏形态可清楚地观察到，对照组M中未加入纤维的素混凝土试件呈爆裂式破坏，碎块较多，破坏严重，表现出明显的脆性特点。而适量PVA纤维的加入使得混凝土试件由脆性破坏变为延性破坏，加上与钢纤维的混杂作用，使得裂缝开展路径明显减少，从裂缝中观察到PVA纤维大多断裂，吸收开裂产生的能量，总体呈裂而不散破坏形态，导致剥落现象大幅度减小。由于PVA纤维的掺量总量是固定的，所以长纤维的分布部位要少于段纤维，而每束短纤维的影响距离要小于长纤维，其中C组破坏程度相对较小，B组次之，A组和D组最为严重。

为进一步研究PVA纤维长度对混凝土的抗冲击性能影响，本文将从破坏时的屈服力值和最大冲击压缩深度两个物理量进行研究，分析PVA纤维长度对钢纤维混凝土强度与刚度力学性能的影响规律。

4.2试验数据分析

每组试验重复3次，对所得数据取平均值，将得到的数据进行整理，50cm冲击高度下，不同PVA纤维长度试件的拟合力—时间和位移—时间曲线，如图1。

图1 50cm冲击高度

图2 40cm冲击高度

图a中的拟合力值代表随时间变化受到的冲击力大小，在拟合力值达到最大时造成试件的完全破坏，即最大拟合力值可以代表试件的强度大小。其中C组的拟合力值最大，较素混凝土最大拟合力值提升24%。图b中的位移大小代表落锤冲击过程中的侵彻深度，即最大位移值可代表试件的刚度大小。其中C组的最大位移最小，只为素混凝土侵彻位移的45%。

通过改变冲击高度，对分析结果进行验证，首先将冲击高度降至40cm，试件破坏的直观结果是普遍没有造成爆裂式破坏，存在的差别仅限于裂缝的条数和宽度。具体数值见图2。试验结果与50cm冲击高度下所得结论基本一致，G组的拟合力值最大，侵彻位移最小，但较50cm组结果变化趋势变缓，即PVA纤维长度对钢纤维混凝土的强度与刚度两项力学性能的影响相对减小。当冲击高度升为60cm时，最大压缩深度已达到10mm，再结合试件破坏形态可知试件已被完全破坏，其位移—时间曲线只能显示其变化趋势，不能作为分析依据。

5.结论

本文对掺有不同长度PVA纤维的钢纤维混凝土进行了落锤冲击实验，通过控制纤维总体掺量，改变纤维长度进行对比分析，得出以下几点结论：

（1）PVA纤维的加入，使得钢纤维混凝土整体的抗冲击性能得到了明显提高，表现为破坏形态明显减弱，屈服载荷大幅增加，且增益效果大于单钢纤维混凝土。

（2）在4种PVA纤维长度中，12mm长度的纤维对钢纤维混凝土的力学性能提升最大，在245J（0.5m）的冲击能量下，屈服载荷较素混凝土提高24%，侵彻深度仅为素混凝土的45%。

（3）改变冲击高度，从不同冲击能量的角度验证了PVA纤维长度对钢纤维混凝土力学性能的影响规律的普遍性，在合理范围的冲击高度下，冲击高度越高，最佳长度的PVA纤维对混凝土力学性能提升越明显。

[1]苏骏,李响. PVA纤维混凝土受弯梁力学性能分析[J]. 湖北工业大学学报,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]谭明轮,孙仁娟,周志东,祝秀海,赵志钦. PVA纤维长度与掺量对工程水泥基复合材料性能影响试验研究[J]. 铁道建筑,2014,(03):115-117.

TU502+.6

A

1007-6344（2017）06-0264-02

*国家自然科学基金项目（51478462），（51508565）

魏金源（1992.11—）, 江西南昌人，硕士研究生。