PVA纤维增强混凝土(通用6篇)
PVA纤维增强混凝土 篇1
0 前言
聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,简称PVA)纤维增强水泥基复合材料(PVA fiber reinforced cementitious composite, 简称PVA-FRCC) 是以水泥加填料为基本黏结料, 再加上小粒径细骨料作为基体,掺入PVA纤维制成的一种建筑材料,该材料具备很高的强度和很好的韧性[1,2,3]。 PVA-FRCC中的PVA纤维掺量一般不超过3%, 利用普通混凝土制作工艺就可以加工成型,制作工艺灵活,可工厂预制,也可现场浇筑。
PVA-FRCC具有很强的吸收能量能力,可以有效减少集中应力的作用,同时阻止混凝土中微裂缝的迅速扩展,因而可以显著改善混凝土结构的抗震性能, 将其用于抗震结构和耐损伤工程结构中,可以提高混凝土的抗疲劳性能。 此外,PVA-FRCC还具有其他的一些特性, 如优异的抗约束收缩性能、优异的抗碳化性能、良好的抗冻融性能及较低的氯离子渗透性等优异性能,可以满足各种工程的不同需要[4]。
本文通过弯曲抗拉试验和抗压试验, 研究了PVA纤维体积掺量对PVA-FRCC弯曲变形能力、弯曲强度和抗压强度的影响规律,找出了PVA纤维的最优体积掺量。
1 试验概况
1.1 试验材料
PVA-FRCC主要以水泥、矿物掺合料以及平均粒径不大于5mm的细骨料作为基体。
水泥:P·Ⅱ 52.5R普通硅酸盐水泥。
硅粉:BT-2009 型微硅粉,比表面积4500m2/kg,粒径0.08μm,堆积密度200~250kg/m3。
外加剂:高效减水剂。
细骨料:天然河砂,粒径控制在0.4mm以下,经过级配试验得到该砂的细度模数为1.9。
增稠剂:羟丙基甲基纤维素(HPMC)。
消泡剂:有机硅类消泡剂。
纤维:国产高弹性模量聚乙烯醇纤维(PVA),属于合成纤维中的一种, 其基本物理力学性能见表1所示。
1.2 配合比设计
PVA-FRCC水灰比一般要小于等于0.5, 且掺入的PVA纤维体积率不宜超过2%[5],为此,本文设计了4 种PVA纤维掺量,具体见表2。
1.3 制作工艺
首先将称量好的减水剂和消泡剂一同放入称量好的水中溶解,再将掺合料、砂、水泥和HPMC倒入搅拌筒内干拌8~12min, 然后加入溶有减水剂和消泡剂的水湿拌4~8min,最后沿搅拌筒旋转方向慢慢加入纤维,搅拌12~30min,直到纤维分散均匀为止。 这种投料顺序和搅拌方法既不使HPMC产生凝聚现象,又可节省搅拌时间。 试件浇筑3d后拆模,在标准养护环境下养护28d。
kg/m3
注:添加剂为与胶凝材料的重量百分比。
试验依据DL/T 5150—2001 《水工混凝土试验规程 》[6]的规定, 弯曲抗拉强度试件的尺寸为150mm ×150mm ×450mm, 抗压强度试件的尺寸为100mm×100mm×100mm,按照PVA纤维掺量(0.5%~2%), 分别成型表2 所示弯曲抗拉及抗压强度试件各四组,每组均成型3 个试件。
2 弯曲抗拉和抗压性能试验
2.1 弯曲抗拉试验
混凝土抗拉强度的试验方法有直接轴拉试验、劈裂试验、弯折试验、菱形桁架试验、环形试件试验、双冲压试验等。 其中弯曲拉伸试验方法试验结果比较稳定[6],因此,本试验采用此种方法进行混凝土弯曲抗拉强度的测试。
试验在万能试验机上进行,加载装置如图1 所示。 在试件底部粘贴2 个混凝土应变片,用以测量试件底部跨中位置的拉应变。 此外,由试验机实时记录力与位移数据。
试验机开动时,先进行2 次预弯,预弯荷载的水平相当于破坏荷载的15%~20%, 预弯完成后,重新调节应变仪等,准备进行正式加载。
试验时以0.25k N/s的速度连续均匀加载,每加荷0.50k N或1.00k N记录应变值, 当试件接近破坏或者应变片完全溢出时停止试验,同时记录峰值荷载值。
2.2 抗压试验
采用万能试验机进行抗压性能试验。 当试件弯断面出现在两个集中荷载之间时,视该试件试验成功,并取试件底面应变片读数的平均值作为该试件的极限应变。 每组试验件的最终极限应变由该组成功试验件极限应变的平均值确定。
3 试验结果
3.1 弯曲拉伸试验结果
对于弯曲抗拉试验,PVA-FRCC试件的破坏形态均是纯弯段开裂,如图2 所示。 其中A1 和A2 组的延性较差,开裂后迅速彻底断开;而A3 和A4 组的延性较好,开裂后还能继续承载。 总体来看,随着PVA纤维掺量的增加,各组试件的裂缝均有变小的趋势。
根据规范中求抗弯强度的方法,求得如表3 所示抗弯强度。 由表3 可以看出,随着PVA纤维掺量的增加,混凝土的抗弯强度得到了较大的提高。 从表3 中还可以看出, 随着PVA纤维掺量的增加,混凝土的极限弯曲拉伸应变得到显著提高,远大于普通混凝土的极限弯曲拉伸应变。
3.2 抗压强度试验结果
对于抗压强度试验,PVA-FRCC试件的破坏形态如图3 所示。 由图3 可以看出,试件破坏时裂缝较大,但是混凝土剥离较少,破坏形态不同于普通混凝土。
抗压强度试验结果列于表4。 由表4 可以看出,随着PVA纤维掺量的增加,混凝土的抗压强度有增加趋势,但随着掺量的进一步增加,抗压强度开始有降低的趋势。
4 结论
(1)混凝土的抗弯强度随着PVA纤维掺量的增加而增大, 同时,PVA纤维掺量的增加可以显著提高试件的极限弯曲拉伸应变。
(2)PVA纤维掺量对混凝土的抗压强度有一定影响,随着纤维掺量的增加,混凝土的抗压强度有增加的趋势,但随着掺量的进一步增加,抗压强度开始下降。
(3)综合考虑PVA纤维掺量对混凝土的变形性能、抗弯强度和抗压强度的影响,确定变形性能较好且抗弯强度和抗压强度较高的掺量为最优掺量,即纤维体积率为1.5%的A3 组为最优掺量。
摘要:采用弯曲拉伸试验和抗压试验研究了PVA纤维掺量对PVA-FRCC试件力学性能的影响规律。研究结果表明,PVA-FRCC试件的抗弯强度随着PVA纤维掺量的增加而增大,极限弯曲拉伸应变也随着纤维掺量的增加而增大;随着纤维掺量的增加,PVA-FRCC试件的抗压强度有增大的趋势,但随着掺量的进一步增加,抗压强度开始有降低的趋势。
关键词:PVA纤维,纤维增强水泥基复合材料,体积掺量,力学性能
参考文献
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PVA纤维增强混凝土 篇2
【摘要】聚乙烯醇(PVA)纤维作为一种新型合成纤维,在工程领域已经得到了广泛的应用。综述了PVA纤维的基本性能及近年来国内外关于PVA纤维对水泥基复合材料抗冻与抗侵蚀性能影响的研究进展,分析并总结冻融、氯盐侵蚀以及硫酸盐侵蚀情况下,PVA纤维对水泥基复合材料性能的改善。在改善抗冻性能方面,研究主要集中在PVA纤维掺量及国内外PVA纤维对抗冻性能的影響;在抗侵蚀性能提高方面,研究主要集中在PVA纤掺量对水泥基复合材料抗侵蚀性能的影响。在此基础上,提出进一步研究的方向。
【关键词】聚乙烯醇纤维;水泥基复合材料;抗冻性;抗侵蚀;纤维掺量
【中图分类号】TU528.581
【文献标识码】A
【Abstract】Polyvinyl alcohol (PVA) fiber as a new type of synthetic fiber has been widely used in the field of engineering. In this paper, the basic properties of PVA fiber and its influence on the frost resistance and corrosion resistance of PVA fiber in cementitious composites are reviewed. The properties of PVA fiber in cementitious composites are also analyzed and summarized under the condition of freeze-thaw, chloride and sulfate attack. In the aspect of the frost resistance improvement, the research mainly concentrates on the influence of the PVA fiber content and the PVA fiber at home and abroad on the frost resistance. In terms of the anti erosion performance improvement, the research mainly concentrates on the influence of PVA fiber content on cementitious composites. On this basis, it puts forward the direction of further research.
【Key words】Polyvinyl alcohol fiber;Cementitious composites;Frost resistance;Corrosion resistance;Fiber content
1. 引言
(1)冻融、侵蚀等环境因素是导致混凝土及其他水泥基复合材料结构耐久性下降的重要因素。Mehta[1]指出:“当今世界混凝土破坏原因,按重要性递减顺序排列是:钢筋锈蚀、冻害、腐蚀作用”。因此,改善混凝土及其他水泥基复合材料的抗冻性与抗侵蚀性对其耐久性的提高意义重大。在高层建筑、桥梁、隧道、地铁、港口码头、铁路等工程建设领域,对高强高性能混凝土的需求日益增加,但我国南方地区的混凝土均处在一定的受侵蚀环境下,北方地区的混凝土均处在一定的受冻环境下,导致一些混凝土结构存在严重耐久性不足的问题,制约了其发展。因此,为了进一步提高混凝土的耐久性,对提高其抗冻性与抗侵蚀性提出了更高的要求。
(2)自从水泥基复合材料(ECC)出现以后,其高抗拉强度、高韧性、高耐久性等优点,受到了国内外广大学者的重视,尤其在耐久性方面已经取得了一系列研究成果[2~7]。高抗拉强度和高弹性模量的PVA纤维是实现ECC优良性能的关键材料,对提高ECC的抗冻性能与抗侵蚀性能有重要的作用。
(3)但是,在掺加高强高模的PVA纤维来提高水泥基复合材料的抗冻性与抗侵蚀性的试验研究与工程应用方面,目前还缺少系统的研究。本文综述了近年来PVA纤维对水泥基复合材料抗冻与抗侵蚀性能影响的研究进展,并对进一步研究作了展望。
2. PVA纤维的基本性能
与常见的合成纤维相比,PVA纤维具有以下几点优势:(1)高弹性模量与高抗拉强度;(2)亲水性好;(3)与水泥基复合材料具有较好的界面结合状态;(4)直径适中。此外,由于其环保、无毒、分散性好、成本较低等优点,成为制备ECC的首选而得到广泛应用。PVA纤维在水泥基复合材料中分散均匀、乱向分布,在水泥基复合材料中起到增强整体性、提高抗裂性的作用,从而提高水泥基复合材料的抗冻及抗侵蚀性能。
3. PVA纤维对水泥基复合材料抗冻性影响的试验研究
(1)近年来,国内外逐渐开展了采用PVA纤维提高水泥基复合材料抗冻性的研究。
在北方寒冷地区,冻融作用往往是导致建筑物劣化乃至破坏的最主要因素, 为了评价PVA纤维增强水泥基复合材料抗冻融能力,国内外学者进行了一系列抗冻性能试验。
(2)Nam[8]通过以PVA纤维增强水泥基复合材料、聚丙烯纤维增强水泥基复合材料及普通混凝土三者为对比,对相对动弹性模量的变化和质量损失进行了试验研究,结果表明:相对于原始试件,经过300次冻融循环后PVA纤维增强水泥基复合材料仍具有较好的耐久性。说明PVA纤维的掺入对PVA纤维增强水泥基复合材料的抗冻性提高具有相当大的作用。
(3)ahmaran等[9]通过掺加PVA纤维与不掺加PVA纤维的两组非引气ECC试件的对比,得出结论:PVA纤维的掺入明显改善了ECC的抗冻性能,且由PVA纤维掺入所带来的更大体积的孔隙也可能对ECC抗冻性能的改善有一定作用。
(4)刘曙光等[10]通过快速冻融试验方法,研究了不同PVA纤维掺量(0%、1.0%、1.5%、2.0%)的PVA纤维水泥基复合材料试件在不同冻融循环次数下的动弹性模量,进而研究了材料的抗盐冻性能。试验结果表明:1.5%纤维体积掺量的PVA纤维水泥基复合材料的抗盐冻性能较好。
(5)徐世烺[11]通过对掺加PVA纤维的超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)在冻融循环条件下质量损失、动弹性模量损失的试验研究及与普通混凝土、钢纤维混凝土和引气混凝土的对比可知,经过300次冻融循环后UHTCC动弹性模量损失不超过5%、质量损失不超过1%,抗冻性指数为92%,抗冻等级大于F300,而普通混凝土与钢纤维混凝土的抗冻等级则分别为F100和F150。在不掺加引气剂的条件下,UHTCC质量损失和动弹性模量损失方面与引气4.7%的引气混凝土接近。由此可知,掺加PVA纤维的UHTCC材料的抗冻性明显优于普通混凝土和钢纤维混凝土。
(6)Yun等[12]通过快速冻融试验,以总体积掺量为1.5%的PVA与PE混合纤维及水胶比为试验变量,研究了延性纤维增强水泥基复合材料(DFRCCs)100mm×100mm×400mm棱柱体试件在不同冻融循环次数下的相对动弹性模量及质量损失,结果指出:经过300次冻融循环后,四种不同工况DFRCC试件的相对动弹性模量均下降约3%,质量损失均小于2%,表明PVA与PE混合纤维的掺入提高了DFRCC的抗冻融破坏能力。
(7)纤维掺量过大会降低混凝土抗冻融能力,其主要原因是由于過多纤维的存在会阻塞毛细孔,致使混凝土吸水率降低,冻融循环过程中混凝土需要大量结晶水,而由于纤维掺量过多导致的吸水率降低,使得抗冻融性能有所下降[13]。
(8)通过国内外学者的研究可知,PVA纤维的掺入能够显著改善水泥基复合材料的抗冻性能。现今国内外主要研究PVA纤维掺量及不同种类PVA纤维对水泥基复合材料抗冻耐久性能的影响,而PVA纤维取向、分布、长径比、锚固长度及不同种类PVA混合纤维对水泥基复合材料抗冻性能影响的研究略有不足,需要进一步探讨。
4. PVA纤维对水泥基复合材料抗侵蚀性影响的试验研究
(1)遭受环境因素的侵蚀是导致水泥基材料性能退化的直接原因之一,氯盐与硫酸盐侵蚀是水泥基复合材料受环境因素作用而发生侵蚀破坏的重要形式。具有优良性能的PVA纤维的掺入在一定程度上改善了水泥基复合材料的抗裂性能,有效地降低了外界有害物质的侵入,提高了水泥基复合材料的抗侵蚀性能。
(2)氯离子侵蚀是导致结构耐久性下降的一个重要因素,氯离子是各种侵蚀介质中侵蚀性最强的离子之一。加入纤维后,大量纤维均匀分布于水泥基复合材料中,从而起到约束裂缝的的作用。由于纤维的阻裂作用,显著减少裂缝的数量、长度和宽度,降低生成贯通缝的可能性,从而使抗氯离子渗透性得到加强[13]。
(3)闫长旺等[14]通过在试验研究基础上,应用灰色模型GM(1.1)对氯离子浓度沿PVA纤维水泥基复合材料深度的变化规律进行研究,结果表明:在基体中掺入PVA纤维可对基体起到良好的约束作用,从而减小微裂缝的产生,改善了PVA纤维水泥基复合材料抗氯离子渗透性能,从而对抗氯离子侵蚀能力起到了积极的作用。研究通过对氯离子浓度的分布情况进行分析,认为1.5%PVA纤维掺量对水泥基复合材料抗氯离子渗透性的改善效果最好。
(4)刘曙光等[15]通过湿通电法研究了将不同纤维掺量的150mm×150mm×150mm标准立方体试件浸泡在5%氯化钠溶液中的钢筋锈蚀试验。试验结果表明:不掺纤维的试件锈蚀率最大,纤维掺量1.5%和2%的试件钢筋锈蚀率最小。在恒电流条件下PVA纤维掺量的增加会降低钢筋的锈蚀率,但降低幅度很小,最大降低幅度仅为6.27%。表明PVA纤维的掺入明显降低了氯离子的侵蚀速度,改善了氯离子对水泥基复合材料的侵蚀作用,增强了其抗渗透性能。
(5)近年来,国内外主要研究混凝土的抗侵蚀性能,而关于水泥基复合材料抗侵蚀性能的研究较少,主要集中于单一侵蚀环境下PVA纤维掺量对水泥基复合材料抗侵蚀性能的影响。随着试验研究的发展,PVA纤维取向、分布、长径比及锚固长度对水泥基复合材料在多重盐侵环境下抗侵蚀性能的影响将会成为未来土木工程领域的重要研究方向。
5. 结语与展望
(1)PVA纤维是具有多种优良性能的新型合成纤维。在水泥基复合材料中掺入PVA纤维,能够对整体起到一定的约束与裂缝控制作用,降低外界有害物质的侵入,显著改善水泥基复合材料的抗冻及抗侵蚀性能;
(2)目前主要集中于在冻融、氯盐侵蚀、硫酸盐侵蚀等单一因素作用下纤维增强水泥基复合材料的研究上,而在多因素共同作用下对纤维增强水泥基复合材料的研究还很少,应对多因素共同作用下纤维增强水泥基复合材料的性能、微观结构、损伤机理等方面进行更深层次的研究。
参考文献
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PVA纤维增强混凝土 篇3
1 原材料和试验方法
1.1 试验原材料
纤维:聚乙烯醇纤维 (PVA) , 商业名称为REC, 具有高强、高弹模、高耐久性, 可以在水泥中均匀分散, 并且和水泥有很好的粘结, 从而保证纤维与基体之间有较高的应力传递效率。具体参数如表1所示。
水泥:大连小野田水泥厂生产的PII52.5R水泥。
砂子:粒径100~200目的超细硅砂。
粉煤灰:优质I级粉煤灰。
减水剂:高效减水剂。
1.2 试验方法
本试验以砂灰比为参变量, 研究PVA纤维增强水泥基复合材料的弯曲性能, 具体试验配合比见表2。整个试验水胶比为0.32, 粉煤灰取代量为75%, 并添加少量高效减水剂。搅拌流程见图1所示, 搅拌过程中没有发现结团现象。采用标准养护方式养护。通过四点弯曲试验测试材料的弯曲韧性指标。试件采用400mm×100mm×15mm的薄板试件。使用30t的闭环液压伺服材料试验机进行加载, 位移控制, 加载速率0.5mm/min, 加载到极限荷载后缓慢卸载。采用荷载传感器和位移传感器 (LVDT) 测定试件承受的荷载和跨中挠度, 全自动数据采集处理系统进行荷载和挠度的数据采集处理。
2 试验结果与分析
2.1 变形指标分析
本文通过四点弯曲试验研究了不同砂灰比时材料28d龄期的韧性性能, 得到了材料的极限荷载、挠度和残余挠度变形, 并由此计算了材料的弹性变形、变形恢复能力, 具体数值见表3所示。图2~图6给出了这些指标随砂灰比的变化情况。
由图2可知, 随着砂灰比的增加, 极限抗弯荷载先增加, 当砂灰比超过1.22后荷载略有降低。说明在胶凝材料基本不变的情况下, 存在一个砂灰比的临界值, 当砂灰比小于临界值时, 随着砂灰比的增加, 材料的抗弯强度增大, 当大于这个临界值后, 材料的抗弯强度开始下降, 且由砂灰比增加引起的下降速率很小。这主要是因为在胶凝材料基本不变的情况下, 当砂灰比较小时, 增大砂灰比对纤维与基体之间的界面粘结强度影响较小或基本没有影响, 使纤维的桥联效果基本没有降低, 与此同时硅砂用量增加可以提高复合材料的弹性模量[2], 从而提高材料的抗弯承载能力;当砂灰比增大到一定程度后, 硅砂用量的继续增大导致纤维与基体之间的界面粘结强度降低, 使纤维的连接作用下降, 导致材料的抗弯强度下降。但是, 由于硅砂用量增加对界面粘结强度的影响程度不大, 所以抗弯强度随砂灰比增大而降低的速率较小。
由图3可知, 随着砂灰比的增大, 挠度变形比较复杂, 开始时随砂灰比的增大挠度基本不变, 然后出现明显的增加, 当超过临界砂灰比后开始下降。其原因要从砂灰比对纤维桥联作用和基体断裂韧度的影响来分析。尽管大量研究证明[3]砂子等骨料通过使裂缝产生曲折的开裂形式来增加材料的能量耗散从而增加基体的韧度, 但是由于本试验中采用的优质硅砂, 粒径 (大约是74~150μm) 接近于水泥颗粒的粒径 (约30μm) , 使骨料的韧化效果有所降低, 基体断裂韧度的增加程度较小;同时由于砂粒与水泥颗粒之间的粘结强度低于水泥颗粒之间的粘结强度, 较高的优质砂含量很可能降低产生新的断裂面所需要的能量, 使基体的断裂韧度降低。本试验中胶凝材料的含量基本不变, 对于砂灰比小于临界值的情况, 当砂灰比较小时, 硅砂的添加对基体的断裂韧度的影响并不明显, 而对纤维的桥联作用基本上没有影响, 所以在硅砂含量较低的情况下, 变化含砂量对弯曲挠度基本没有影响。当硅砂含量在临界值范围内继续增加时, 基体的断裂韧度出现较明显的降低, 而纤维的桥联作用并没有受到明显的影响, 纤维与基体之间良好的应力传递诱发基体产生大量开裂, 所以材料的挠度变形会随着砂灰比的增加而增大。当砂灰比大于临界值后, 过高的含砂量在降低基体的断裂韧度的同时, 降低了纤维与基体之间的界面粘结强度, 削弱了纤维的桥联作用, 两种效应的综合结果使材料的挠度开始下降, 但下降的速率相对之前的增加速率要小。
由图4和图5可知, 随着砂灰比的增大, 残余变形和弹性变形与挠度有相似的变化趋势, 但是相比较而言, 弹性变形的变化幅度很小。这主要是由于弹性变形主要包括基体材料的弹性变形和连接裂缝的纤维的弹性变形, 其中纤维的弹性变形又占主要地位。对于砂浆基体来说, 弹性变形很小, 砂灰比对它的影响基本可以忽略。而纤维的弹性变形与裂缝开展之间存在相互制约的关系。受砂灰比的影响较小, 所以材料的弹性变形随砂灰比的变化很小。在挠度随砂灰比增加, 而弹性变形基本不随砂灰比变化的情况下, 得到图6所示的变形恢复能力随着砂灰比的增加而降低的结论也是必然的。
2.2 能量吸收指标分析
定义韧性指标为残余变形能与总变形能的比值。根据荷载-挠度曲线通过曲线下面积积分计算了总变形能、弹性变形能、残余变形能的值, 并由此计算了变形能恢复率和韧性指标, 计算结果见表4所示。图7~图11给出了各指标随砂灰比的变化情况。
从图中可以看出, 随着砂灰比的增加, 总变形能、弹性变形能和残余变形能具有相似的变化, 变形能恢复率减小, 韧性指标增大。但弹性变形能的增加幅度较小, 主要原因是弹性变形随砂灰比的变化较小。这些指标的变化趋势说明在加载过程中由于基体开裂和纤维的滑移摩擦或拉断耗散的能量随着砂灰比的增大而增大。在加载初期, 吸收的外部能量主要以弹性能的形式储存在材料中。随着荷载的增加, 变形的增大, 材料吸收的能量逐渐增多, 仅靠弹性能不足以消耗掉外来能量时, 材料开始进入塑性阶段, 依靠塑性变形吸收一部分能量。当弹性能、塑性能仍不足以吸收掉外来能量时, 材料就用表面能来吸收, 所付出的代价就是材料的开裂, 新表面的产生。由于纤维的存在, 使基体开裂后仍能承担荷载, 并通过多缝开裂来吸收更多的外来能量。裂缝越多, 产生新表面所需的表面能越多, 吸收的外部能量也越多。同时在开裂过程中, 纤维本身也吸收大量能量。纤维受力后与基体间产生部分滑移或拔出, 纤维与基体间的摩擦要消耗能量, 尤其是短纤维拔出时吸收的能量是材料能量吸收中的主要部分。纤维拉断也要吸收能量, 由于PVA纤维的延伸率高达6%, 所以它吸收的比能是基体的几十倍到上百倍。通过纤维和基体的联合能量吸收机制使PVA增强水泥基复合材料具有较强的能量耗散能力。
3 结论
(1) 在所研究的砂灰比范围内存在一个临界砂灰比, 在此临界砂灰比之前, 极限抗弯承载力、挠度、弹性变形和残余变形以及总变形能、弹性变形能和残余变形能均增大, 且开始时增加缓慢, 随后出现明显的增长;当超过此临界值后, 各变形指标和能量指标开始下降。
(2) 随着砂灰比的增加, 卸载后的变形的恢复能力降低, 韧性指标增加。
(3) 相对于材料加载后的不可恢复性能相比, 砂灰比对材料的弹性性能影响较小。
(4) 从材料的变形指标和能量指标可以看出, 这种材料具有较高的韧性和能量耗散能力, 在抗震结构、大变形结构以及抗冲击结构中有着广阔的应用前景。
参考文献
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PVA纤维增强混凝土 篇4
关键词:PVA-FRCCs,圆柱体单轴抗压,应力-应变曲线,峰值应变
0前言
混凝土抗压强度试件可采用圆柱体、立方体和棱柱体等形状。因为圆柱体内部的应力较其他形状均匀, 而立方体试样不同方向的抗压强度有差异, 所以, 国外常采用混凝土圆柱体试件来确定混凝土的轴心抗压强度。例如, 美国、日本和欧洲混凝土协会 (CEB) 均采用直径6英寸 (152mm) 、高12英寸 (305 mm) 圆柱体标准试件的抗压强度作为轴心抗压强度的指标。纤维增强水泥基复合材料 (PVA-FRCCs) 具有超高韧性、高抗拉应变能力和高的抗破裂能力, 其拉应变值大于3%, PVA-FRCCs的抗压强度, 国外多采用尺寸为覫76mm×152mm的圆柱体, 几乎每个配比都进行过单轴抗压强度的试验[1~3], 但其抗压应力-应变全曲线研究的较少。本文对PVA-FRCCs的圆柱体的抗压应力-应变曲线、破坏形态进行了研究。
1 原材料与试验
1.1 试验材料
42.5R级普通硅酸盐水泥;超细石英砂;Ⅰ级粉煤灰;Sika-Ⅲ3310系列高效减水剂;日本产K-Ⅱ可乐纶 (REC15) PVA纤维;增稠剂为羟丙甲基纤维素。配合比见表1。
1.2 试件设计
文献[4]描述了抗压试件的几何形状和尺寸, 最合适的试件形状是截面呈圆形或正方形的棱柱体, 试件长度应为截面特征尺寸的两倍, 因此, 本文采用直径76mm、高度152mm的圆柱体试件, 每组配比至少保证3个试件。因试件上表面 (即浇注面) 的不平度越大则强度降低越大[5], 故对试件进行了金刚砂磨平处理, 以消除不平度对其抗压强度的影响。
1.3 加载装置
圆柱体试件沿圆周每隔120°安装一个LVDT, 竖向变形取三个LVDT的平均信号。进行轴向变形测量时, 测量设备直接固定在上加载垫块上, 在任何情况下不要将它们固定在混凝土上, 因为峰值后试件会严重破裂, 这可能会使LVDT工作不稳定, 以至测到的轴向变形不能用来确定PVA-FRCCs的杨氏模量。可以利用竖向应变片来确定峰值应变, 至少要用3个试件的平均值。加载装置见图1。
1.4 加载过程
试验在3000k N微机控制液压伺服试验机上进行, 采用位移控制。加载程序为等速位移控制1.5mm/min加载至峰值降100k N。圆柱体弹性模量测量应变片标距20mm, 一个竖向粘贴在试件的中部, 另一个横向粘贴在试件对面的中部, 粘贴位置详见图2。
2 应力-应变全曲线
与普通混凝土相同, 定义应力降低到0.5倍的峰值应力时对应的应变为极限压应变。
图3中的应变为三个LVDT测得变形值的平均值除以试件高度152mm, 应力为荷载传感器测到的力除以试件截面面积。
单轴抗压应力-应变曲线中, 峰值后下降曲线段的陡斜程度可以反映材料的韧性大小, 下降段曲线愈平坦意味着材料的韧性愈大。
由图3 (a) 和 (b) 可见, 随着粉煤灰掺量的增加, 抗压强度降低。图3 (a) 中三个试件的峰值应变都大于1%, 而图3 (b) 的峰值应变分散性较大, 三个试件分别为0.5%、1%和1.5%左右。比较图3 (c) 与图3 (b) 为砂子粒径不同时的应力-应变曲线, 比较二者的曲线可发现, 砂子粒径减小, 抗压强度有增大的趋势, 图3 (c) 中三个试件峰值应变都在1.5%左右。
由图3可见, 压应力在峰值荷载的50%~70%时应力-应变曲线一直处于线弹性阶段, 此后应力有个突降, 应力继续增加, 然后又有所降低, 直到达到峰值强度。在抗压试验过程中有裂缝出现, 而且不只一条, 出现裂缝后, 应力有所下降, 随后应力和变形继续增加。
图4和图5为竖向应变片测得的应变值与荷载传感器测得的应力之间的关系曲线。
由图4可知, 峰值荷载对应的竖向应变大约为0.3%左右, 比用LVDT测得的值小些。且在下降段之后应变片回缩, 应变减小。图4中试件S3-4FA-50-1先是压应变增加到大约0.3%, 此时没有达到峰值荷载, 但压应变开始回缩。分析原因, 可能是这时已有微小裂缝产生, 使得应变值变小, 试件S3-4FA-50-3的应变刚开始是拉应变, 可能是因试件表面不平、偏压所致。
图5所示的S1-4FA-50试件, 横向应变值持续增大, 峰值荷载对应横向应变小于1%。
3 抗压破坏形态
混凝土达到峰值荷载时, 瞬间开裂, 尤其是高强混凝土, 响声很大。PVA-FRCCs在荷载达到峰值荷载时没有明显的裂缝出现, 峰值荷载之后, 荷载有个突然降落, 但继续加载后, 由于纤维的作用, 变形继续增大, 并能将力保持在某个位置上而不是突然下降, 在压坏过程中, 有吱吱的纤维被压碎的声音, 破坏形状像腰鼓破坏形态见图6。
4 轴压强度
表2为圆柱体抗压试验结果。
由表2可见, PVA-FRCCs试件的初始弹性模量比普通混凝土低, 可见此种材料的刚度比混凝土低, 韧性比混凝土高。此种材料的极限压应变在1.5%~3.5%, 是混凝土极限压应变的5~10倍。初始弹性模量大约是普通混凝土的1/8~1/3, 测得的极限压应变是混凝土的71~129倍。这说明应力达到峰值后, 纤维还能继续承载, 变形可继续增加。
5 结论
(1) 采用圆柱体进行抗压强度试验, 抗压面只有两个, 试件表面尤其是浇筑面必须采用金刚砂进行磨平, 消除不平引起的误差;
(2) 随着粉煤灰掺量增加, 28d抗压强度降低;水泥强度等级降低, 抗压强度降低;砂子粒径减小, 抗压强度增加。
(3) PVA-FRCCs峰值荷载对应的压应变约为0.82%~1.5%, 比混凝土峰值荷载对应的高3~6倍。其圆柱体抗压强度16~33MPa, 可知其抗压强度不是很高, 但其极限压应变是混凝土5~10倍, 拥有较高的抗压韧性。
注:括号内数值不计算在平均值内。
(4) PVA-FRCCs压应力达到峰值时, 不是瞬间破坏, 而是突降之后继续持载, 破坏形状像腰鼓。此种材料的刚度较低, 韧性较大。
参考文献
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[4]朱晓红.混凝土应变软化性能的单轴抗压测试方法.水利水电快报, 2001, 22 (6) :9-12.
PVA纤维增强混凝土 篇5
关键词:聚乙烯醇纤维,混凝土,破坏形态,韧性指数
聚乙烯醇(PVA)是一种高强高弹模的合成纤维,具有良好的亲水性,纤维表面能够吸附少量自由水,与水泥基体的粘结性能较好。PVA纤维本身具有较高的强度和弹性模量,它不但可以有效抑制混凝土早期塑性裂缝,并且可以显著降低混凝土的脆性,增加韧性,阻碍裂缝的扩散与发展。与钢纤维相比,PVA纤维具有耐化学腐蚀、成本低等优点。与其他合成纤维相比,具有弹性模量高、无毒等优点。目前,关于碳纤维、钢纤维以及其他合成纤维混凝土研究比较多,关于PVA纤维混凝土的研究比较少。本文对PVA纤维混凝土的力学性能的影响进行了试验研究。
1 试验概况
1.1 试验材料
(1)水泥采用42.5普通硅酸盐水泥。
(2)粗骨料采用碎石,在搅拌混凝土前用水洗法把表面泥沙洗净,粒径5~20 mm连续级配。
(3)细骨料采用河砂,通过级配试验测量为中砂,细度模数为2.6。
(4) PVA纤维的性能指标见表1。本文选用12mmPVA纤维。
(5)钢纤维的长径比采用60,体积率采用上层1.0%,下层1.0%,其性能见表2。
(6)减水剂为聚羧酸减水剂。
(7)水为清洁自来水。
1.2 混凝土配合比及试件
混凝土配合比如表3所示。
试件尺寸分别为100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm,每组纤维混凝土和素混凝土完成3个试件的抗压试验和3个试件的弯拉试验,试件纤维掺量如表4所示。
1.3 搅拌工艺与试验方法
为了使PVA纤维均匀地分散到混凝土中,本试验采用强制搅拌机进行搅拌,经试拌发现PVA纤维能均匀地分散到混凝土基体中。试件在振动台上振动成型后静置24 h后脱模,移至标准养护室养护28d后进行试验。
弯拉试验按《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13:2009)中弯曲韧性和初裂强度的试验方法进行试验,试验选用电液伺服万能试验机,按恒位移控制方法加载,位移速率0.025 mm/min采用四点弯曲法加载测定纤维混凝土的弯拉强度,试验加载如图1所示。
2 试验结果分析
2.1 立方体抗压强度分析
纤维混凝土立方体抗压强度实验结果如表5所示。由表5可知,PVA纤维掺量在0.08%时,立方体抗压强度比素混凝土提高了3.9%;PVA纤维掺量在0.1%时,立方体抗压强度比素混凝土提高了1.1%;PVA纤维掺量在0.2%时,立方体抗压强度比素混凝土略微降低。由此可知,PVA纤维的掺入能略微提高混凝土的抗压强度,最佳掺量在0.1%以下。
另外,由表5中LHFRC(层布式混杂纤维混凝土)和LSFRC(层布式钢纤维混凝土)数据可知,在0.08%的PVA纤维掺量下,LHFRC的立方体抗压强度比LSFRC的立方体抗压强度降低了20.4%;比素混凝土降低了10.4%。由于PVA和钢纤维两种纤维掺入,使总体纤维掺量变大,纤维不仅不易分散,而且会把部分空气带入混凝土中,减小基体粘结力的同时也降低了混凝土的强度。
2.2 立方体抗压强度破坏形态分析
素混凝土属于脆性破坏,试件加载后,竖向发生压缩变形,水平向为伸长变形,试件的上下端因受加载垫板的约束而横向变形小,中部的横向膨胀变形最大。随着荷载的应力增大,试件的变形逐渐增长。试件临近破坏前,首先在试件的高度中央、靠近侧表面的位置上出现竖向裂缝,然后往上和往下延伸,逐渐转向试件的角部,形成正倒相连的八字形裂缝,如图2所示。继续增加荷载,新的八字形缝由表层内部扩展,中部混凝土外胀,开始剥落,最终成为正倒相接的四角锥破坏形态,如图3所示。
PVA纤维混凝土破坏形态与素混凝土的破坏形态基本一致,只是在临近破坏前随着荷载的继续加大,混凝土的中部横向膨胀继续变大。由于PVA纤维在混凝土中乱向分布,在混凝土出现裂缝的时候,横跨裂缝纤维有效限制了裂缝在骨料之间扩展和贯通,从而在达到极限荷载后仍有一定的抗压性能,PVA纤维的掺入使混凝土的破坏形态从脆性破坏转为有一定塑性的破坏形态,因此并没有出现混凝土剥落现象。如图4所示,PVA纤维混凝土并未出现与素混凝土一样的四角锥破坏形态。
2.3 弯曲韧性分析
本文采用美国材料与实验协会ASTM C1018的弯曲韧性指数法评定PVA纤维混凝土的弯曲韧性,ASTM C1018弯曲韧性指数法是利用理想弹塑性体作为材料韧性的参考指标,选用初裂挠度的倍数作为终点挠度,即3δ,5.5δ,10.5δ(图5),相应的韧度指数用I5,I10,I20表示,即:
混凝土的荷载挠度-位移曲线见图6~9。
纤维混凝土的抗弯韧性试验结果见表6,由表6可知,在混凝土中掺入PVA纤维,混凝土的弯曲韧性指数有了明显提高,在PVA纤维掺量为0.2%时,韧性指数I5比素混凝土提高了4.08倍;在PVA纤维掺量为0.1%时,韧性指数I5比素混凝土提高了3.79倍;在纤维掺量为0.08%时,韧性指数I5比素混凝土提高了3.45倍。在质量掺量为1%的LSFRC中掺入体积掺量为0.08%PVA纤维的LHFRC中,弯曲韧性指数I5、I10分别比LSFR提高了2%和1.6%,说明LHFRC相对于素混凝土的弯曲韧性提高效率更大,这是由于LHFRC综合了钢纤维与合成纤维的优点。
由表6可知,当PVA纤维掺量在0.2%,0.1%,0.08%时,纤维混凝土的抗弯拉强度比素混凝土分别提高了2%,5.8%,3.7%,PVA纤维对混凝土的抗弯拉强度也有一定的提升作用。
3 结束语
(1) PVA纤维能略微提高混凝土的抗压强度,但由于纤维的掺入会将部分空气带入混凝土基体中,减小基体的粘结力,所以掺量不宜过大,最佳掺量在1%以下。
(2) PVA纤维能有效地改善混凝土立方体抗压变形能力,使混凝土由脆性破坏转换为有一定塑性的破坏形态。
(3)当PVA纤维掺量在0.08%~0.2%时,韧性指数I5介于4.45~5.08,表明PVA纤维明显改善了混凝土的弯曲韧性。
(4)当PVA纤维掺量在0.08%,0.1%,0.2%时,混凝土的抗弯拉强度分别提高了2%,5.8%,3.7%,表明PVA纤维也能在一定程度上提升混凝土的抗弯拉强度。
参考文献
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PVA纤维增强混凝土 篇6
随着混凝土强度的提高, 其脆性更加明显, 在轴压作用下应变软化性能微乎其微, 呈突然性的爆裂破坏。加入纤维以后, 可明显提高混凝土的韧性和抗开裂性能。纤维混凝土优异的性能, 使其对防护工程及军事工程具有重大意义。
聚乙烯醇纤维 (PVA) 是一种高强高弹模合成纤维, 具有良好的亲水性, 纤维表面能够吸附少量自由水, 与水泥基体的粘结强度很高。由于PVA纤维本身具有较高的强度和弹性模量, 它不但能够有效地抑制混凝土早期的塑性裂缝, 而且可以提高混凝土的韧性及抗冲击性能, 同时可改善混凝土的抗渗性、抗冻性、抗碳化性能、耐磨性能, 从而提高混凝土的耐久性[1~2]。
目前, 关于钢纤维及其它合成纤维混凝土的研究较多, 关于PVA纤维混凝土, 特别是高强PVA纤维混凝土研究较少。本文对基体强度为110MPa以上的混凝土, 掺入不同体积掺量的PVA纤维, 配制出了PVA纤维高强混凝土 (PFRHSC) , 并对其进行了抗压强度、轴心抗压强度、抗拉强度、弹性模量、抗弯强度及弯曲韧性等力学性能试验, 以期配制出强度高、韧性好、抗冲击性能好的PFRHSC, 为今后用于防护工程等一些重大、特殊结构中提供依据。
1 试验概况
1.1 原材料
水泥:P·Ⅱ52.5R硅酸盐水泥, 3d、28d实测抗压强度分别为41MPa、53.2MPa, 3d、28d实测抗折强度分别为6.23MPa、7.63MPa。
掺合料:Ⅰ级粉煤灰;S95矿渣;Si O2含量为97%, 比表面积为2×104m2/kg的硅灰。
粗集料:5~20mm非活性洁净碎石, 连续级配, 压碎指标值8.1%, 针片状颗粒含量7.6%, 表观密度2740kg/m3。
细集料:洁净中粗河砂, 最大粒径5mm, 细度模数2.3, 含泥量<1%, 表观密度2650kg/m3。
外加剂:聚羧酸高效减水剂, 掺量按胶结材料用量的固定比例掺入。
PVA纤维:日本某公司产RECS100×12型的PVA纤维, 长12mm, 直径0.1mm, 密度1.3g/cm3, 抗拉强度1100MPa, 极限延伸率10%, 弹性模量25GPa。
1.2 配合比设计
试验采用表观密度法进行配合比设计, 混凝土的设计表观密度为2500kg/m3。为尽量提高混凝土强度, 在确定配合比时, 首先将水灰比确定到最小值, 再根据胶结材料总量不超过650kg/m3的原则确定单位用水量。PFRHSC0的配比胶结材料用量为600kg/m3, 考虑加入PVA纤维会降低混凝土拌合物的流动性, PVA纤维混凝土配合比胶结材料用量增大到650kg/m3, 其它材料掺量配比不变, PVA纤维的体积率分别为0.5%、1.0%和1.5%, 具体配合比见表1。表中PFRHSC0为不掺PVA纤维的基体混凝土;PFRHSC0.5为掺入体积率0.5%的PVA纤维混凝土, 其他以此类推。
1.3 试验方法
混凝土试件的成型及养护均在实验室完成。混凝土混合料在60L卧式强制式搅拌机中搅拌, 采用裹砂法混凝土搅拌工艺[3], PFRHSC0在振动台上振动60s成型, PFRHSC0.5、PFRHSC1.0、PFRHSC1.5在振动台上振动90s成型。混凝土的成型养护以及混凝土的各项性能的试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》[4]进行。
参照CECS 13:89《钢纤维混凝土试验方法》[5]进行试件的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗压强度、静力弹性模量和抗弯强度等力学性能测试。弯曲韧性试验按照美国ASTM规范[6]要求, 用三分点加载梁进行试验, 梁跨度为300mm。试验在Instron1343伺服系统机上进行, 按照恒位移控制方法加载。为了提高梁挠度测试的精度, 在挠度记录中不包括在支座处的沉降、加载点的位移及钢板与试件间的缝隙及钢板的弹性变形等。梁挠度的测定采用日本YOKE方法, 将夹式引伸仪置于试件的中性轴测定梁的挠度。该装置还能消除梁扭转变形引起的附加变形。位移速率为0.10μm/s。计算机自动采集数据, 得到荷载-挠度全曲线。
立方体抗压、劈裂抗拉强度试件尺寸为100mm×100mm×100mm;轴心抗压强度、弹性模量的试件尺寸为100mm×100mm×300mm;弯曲韧性试件尺寸为100mm×100mm×400mm。试件的龄期均为28d。
2 试验结果分析
2.1 试验结果
PVA纤维高强混凝土力学性能试验结果见表2。
2.2 PVA纤维对立方体抗压强度、轴心抗压强度及弹性模量的影响
图1为PVA纤维掺量对试件抗压强度的影响, 由表3和图1可看出:
(1) 随着PVA纤维体积率的增加, PFRHSC的立方体抗压强度和轴心抗压强度均有所降低。当PVA纤维体积率由0.5%增大到1.5%时, 立方体抗压强度较基体混凝土降低了约5.24%~13.28%, 轴心抗压强度较基体混凝土降低了约3.22%~9.26%。试验结果表明, PVA纤维对该基体混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度并无增强作用, 随着纤维体积率的增长, PFRHSC轴心抗压强度几乎呈线性降低, 立方体抗压强度也逐渐降低。由于合成纤维与混凝土基体弹模比较低, 且高掺量纤维的加入易使PFRHSC内部的缺陷增多, 所以PFRHSC的抗压强度有所降低。这与文献[7]中对聚乙烯纤维混凝土试验得出的结论是一致的。
(2) PFRHSC的轴压比较基体混凝土的轴压比略有增加, 说明PVA纤维掺量对高强混凝土的立方体抗压强度比轴心抗压强度的影响要大。
(3) 随着PVA纤维体积掺量的增加, PFRHSC的弹性模量略有增加。
2.3 PVA纤维对劈裂抗拉强度的影响
由表2可以看出, 随着PVA纤维体积率的增大, PFRHSC的劈裂抗拉强度和拉压比均显著提高。当PVA纤维掺量由0.5%增加到1.5%时, PFRHSC的劈裂抗拉强度几乎呈线性增大, 比基体混凝土提高了14.69%~35.23%, PFRHSC的拉压比由1/14.2增加到1/11.0, 相对于基体混凝土1/17.2的拉压比, PFRHSC1.5的拉压比提高了56.36%, 是基体混凝土拉压比的1.56倍, PFRHSC的脆性明显降低, 延性显著增加。
在拉伸荷载作用下, PFRHSC试件受力之初应变很小, 主要是混凝土在承受荷载, PVA纤维的拉应力也很小, 随着应变的增大, PVA纤维承担的应力越大。由于PVA纤维的抗拉强度 (1100MPa) 远远大于混凝土, PVA纤维可阻止混凝土进一步变形, 混凝土基体达到极限应变的时间推迟, 也即导致初始裂缝出现时间推迟。基体开裂后, 裂缝间的应力重新分布, 原来由混凝土基体承受的应力向PVA纤维转移, 跨越裂缝的纤维将荷载传递到裂缝的两侧表面, 使裂缝处的材料仍能继续承受荷载, 裂缝扩展速度得到延缓, 并呈稳定扩展状态。跨越裂缝的PVA纤维越多, 则裂缝稳定扩展持续时间越长, 最终达到的峰值拉应力也越高, 即PFRHSC的劈裂抗拉强度越大。由于基体混凝土强度较大, 当裂缝出现时纤维承受的应力也较大, 又由于PVA纤维较细, 单根PVA纤维所能承受的荷载较低, 粗集料之间分布的纤维数量有限, 所以PVA纤维高强混凝土的劈裂抗拉强度增长有限。
从破坏结果看, PFRHSC劈裂结果最后由于PVA纤维断裂而破坏, 因此, 进一步提高纤维掺量即增大出现裂缝部位纤维数量, 增大纤维直径即提高单位纤维的承载能力是提高PFRHSC劈裂抗拉强度的关键。
2.4 PVA纤维对抗弯强度和弯曲韧性的影响
2.4.1 PVA纤维对抗弯强度的影响
PVA纤维高强混凝土梁的抗弯强度见表3。由表3可知, PVA纤维对混凝土的抗弯拉强度有明显的增强效果。PVA纤维提高了混凝土的初裂抗弯强度和极限抗弯强度, 相对于基体混凝土, PFRHSC0.5的抗弯强度和初裂强度分别增长了35.12%和35.23%;PFRHSC1.0的抗弯强度和初裂强度分别增长了27.67%和34.47%;PFRHSC1.5的抗弯强度和初裂强度分别增长了26.78%和33.54%。随着PVA纤维体积掺量的增大, 纤维混凝土的初裂强度和抗弯强度先是增大, 体积掺量到一定程度 (1.5%) 以后, PFRHSC的抗弯强度及初裂强度略有降低。
2.4.2 PVA纤维对弯曲韧性的影响
按照美国材料协会标准ASTM C 1018-98方法[6]计算弯曲韧性指标In和剩余强度因子R。其中n=5, 10, 20;R5, 10=20 (I10-I5) , R10, 20=10 (I20-I10) 。该标准推荐素混凝土的韧性指数I=1, 剩余强度因子R趋于0, 理想弹塑性材料的剩余强度因子R=100。PFRHSC梁的弯曲韧性指数见表4, PFRHSC梁的荷载-挠度曲线如图2所示。
由于基体混凝土强度、弹性模量较大, 脆性也相当大, 小掺量的纤维混凝土弯曲破坏几乎和基体混凝土一样, 对于纤维体积掺量为0.5%时, 即将达到极限荷载时, 纤维混凝土梁迅速断裂, 荷载挠度曲线不易得到下降段。随着PVA纤维掺量的增大, 混凝土的抗弯韧性指数有明显提高。PVA纤维体积掺量为1%、1.5%时, I5分别是基体混凝土的4.17和4.49倍 (基体混凝土的韧性指数为1) , I10分别是基体混凝土的7.63和8.42倍, I20分别是基体混凝土的13.85和14.85倍;剩余强度因子R5, 10分别达69.14、78.60, R10, 20分别达62.19、64.28。由以上数据可以看出, PFRHSC1.5的各项韧性指数都优于其它的体积掺量, I5、I10、I20比PFRHSC1.0的分别高7.55%、10.33%和7.2%, 但PFRHSC1.5剩余强度因子R5, 10、R10, 20均小于理想弹塑性材料的剩余强度因子。因此, 进一步增大纤维掺量和改善纤维性能可进一步增大混凝土梁的抗弯韧性。
试验发现, 基体混凝土梁一出现裂缝马上就破坏, 是典型的脆性破坏现象。PVA纤维高强混凝土破坏模式由素混凝土的突然脆性破坏变为具有较好韧性的延性破坏。增韧机理与劈裂抗拉破坏的机理相同, 由图2可以看出, PVA纤维体积掺量较小时 (0.5%) , 由于该基体混凝土的弹模、刚度及脆性较大, 混凝土梁荷载位移曲线的下降段不易得到;再增大纤维掺量 (如1.0%) , 混凝土梁在混凝土出现裂缝内力重分布还不均匀时, 裂缝间PVA纤维承受荷载较大的部分会在瞬间被拉断, 使混凝土梁的荷载-挠度曲线出现挠度瞬时增大的“跳跃”现象;随着内力重新均匀分布完毕, 梁的跨中挠度随加载时间的增加稳定增大, PFRHSC梁的裂缝也呈稳定扩展状态, 直到裂缝部位纤维被完全破坏。随着纤维掺量的增大, 跨越裂缝的纤维越多, 内力重分布时单位纤维承受的应力也越小, 混凝土梁加载过程中这种表现在荷载-挠度曲线上挠度瞬间增大的“跳跃”现象越来越不明显。
大掺量的PVA纤维改善了基体混凝土的脆性和变形能力, 使基材出现裂缝后仍可继续承受一定的荷载。随着纤维体积掺量的增大, 弯曲荷载-挠度曲线随着纤维体积掺量的增大而趋于丰满, 在荷载-挠度曲线的下降段由陡直渐趋平缓而能够继续承受较大的荷载, 呈现出更大的持荷变形能力, 使高强纤维混凝土的破坏形态由脆性破坏转变为韧性破坏。
3 结论
(1) PVA纤维对高强混凝土的抗压强度没有增强作用, 反而降低基体混凝土的立方体和轴心抗压强度, 随着纤维体积掺量增大, PVA纤维混凝土立方体抗压强度和轴心抗压强度几乎呈线性降低;掺入PVA纤维后混凝土的弹性模量略有增加。
(2) PVA纤维能提高基体混凝土的劈裂抗拉强度, 纤维体积掺量增加到1.5%时, PFRHSC1.5的劈裂抗拉强度增加了35.23%, PFRHSC1.5拉压比由PFRHSC0的1/17.2增加到1/11.0。
(3) PVA纤维对混凝土的抗弯强度有明显增强效果, 纤维体积掺量增加到0.5%时, 混凝土的抗弯强度增加了35.12%, 纤维体积掺量增加到1.0%、1.5%时, 混凝土的抗弯强度分别增加了27.63%、26.73%。
(4) PVA纤维能显著改善超高强混凝土的脆性, 提高混凝土的抗弯韧性。纤维体积掺量增加到1.5%时, 韧性指数I5、I10、I20分别是基体混凝土的4.49、8.42、14.85倍, 剩余强度因子达R5, 10、R10, 20分别达78.60、64.28, 表现出较好的韧性。
参考文献
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