PVA纤维混凝土受弯梁力学性能分析

2012-09-15苏骏，李响

湖北工业大学学报 2012年2期

苏骏，李响

（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430068）

纤维混凝土（Fiber Reinforced Concrete，简称FRC）是高性能混凝土的分支之一，最早应用于上个世纪70年代［1］，即在混凝土中掺入适量的纤维来降低混凝土固有的脆性，纤维通过桥联作用约束混凝土中裂缝的发展，提高材料抵制裂缝的能力，从而提高混凝土的承载能力和变形能力.PVA纤维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，与水泥基体的黏结性能较好.由于PVA纤维本身具备较高的强度和弹性模量，它不但能够有效抑制混凝土早期塑性裂缝，而且可以提高混凝土的韧性及抗冲击性能.本文通过不同纤维掺量的PVA纤维混凝土梁的抗弯性能试验，研究PVA纤维混凝土受弯梁的抗裂、承载力和变形性能，为PVA纤维混凝土的进一步推广应用提供参考.

1 试验研究

1.1 试件设计

混凝土配合比为：水泥380kg／m3，水195kg／m3，砂子620kg／m3，石子1 050kg／m3，减水剂3.6 kg／m3，水泥为P.O32.5普通硅酸盐水泥.PVA 纤维采用上海博宁工程纤维材料有限公司提供，试验设计了7根PVA纤维混凝土梁.试件尺寸为2 000 mm×300mm×150mm，受拉纵向钢筋采用HRB335级钢筋，箍筋配箍率为0.38%，PVA纤维体积含量Vf分别为1.0%、2.0%，试件参数见表1.

表1 试件参数

1.2 试验方法

试验在湖北工业大学土木工程与建筑学院结构试验室进行，加载方式采用力控制的两点单调同步施加集中荷载，加载过程参照GB50152－92的要求进行.试验加载现场见图1.观察与量测的主要内容有试验梁的跨中挠度、支座沉降、梁底纵向受拉钢筋的应变、纯弯段混凝土表面应变和裂缝开展情况等.

图1 试验加载现场

2 试验结果分析

2.1 破坏形态

PVA纤维混凝土受弯梁均经历弹性阶段、裂缝扩展阶段、纤维增强阶段和破坏阶段这一过程，在加载初期，荷载很小时，变形基本上为弹性，应力与应变之间保持线性关系.当荷载继续增加，混凝土受拉边缘的应变超过受拉极限变形，受拉区混凝土出现裂缝.由于PVA纤维发挥桥联作用约束裂缝的发展，使裂缝向上发展缓慢.

当荷载达到极限荷载的85%左右时，梁底纵向受拉钢筋达到屈服强度.此时，PVA纤维混凝土梁受拉区纤维增强作用明显，受压区PVA纤维混凝土应变增大.随着荷载继续增加，混凝土裂缝迅速向上延伸并扩大，PVA纤维混凝土梁的挠度增加很快，受压区混凝土有明显的塑性变形.当受拉区PVA纤维达到最大的增强效果时，PVA纤维混凝土梁达到极限承载力.到达极限荷载后，纤维混凝土裂缝不断发展扩大，此时中和轴上升，受压区高度减小，受拉区PVA纤维逐渐从混凝土中被拔出，部分PVA纤维被拔断，说明PVA纤维的阻裂作用得到了充分的发挥，最后受压区混凝土出现了水平裂缝，受压区的混凝土被压碎破坏，梁体同时也发生破坏.

PVA纤维的掺入使混凝土试验梁的开裂荷载、极限承载力和变形能力均有较大程度的提高，PVA纤维的掺入提高了混凝土裂缝的分散度，呈多缝开裂，初始裂缝较小，缝宽约为0.03mm.当荷载增加到极限荷载50%左右时，裂缝开始逐渐增多，当达到极限荷载的90%左右时，裂缝宽度突然增大.试验梁裂缝的开展见图2和图3.

2.2 受弯承载力分析

试验梁初裂荷载和极限荷载见表2，从表2可以看出在相同配筋率的情况下，PVA纤维混凝土梁初裂荷载比未掺入纤维的L1梁有明显的提高，最大提高24%，说明PVA纤维的加入对推迟裂缝的出现和控制裂缝的发展有着有利的效果.纤维体积掺量相同的L2、L4和L5梁，开裂荷载没有较大的提高，说明提高配筋率对初裂荷载影响不大.试验结果表明，增大纤维体积掺量对提高极限承载力具有一定的积极作用，当纤维体积率为2%时，极限荷载较普通混凝土梁提高了20%左右.

表2 试验结果

2.3 变形性能

试验梁荷载－挠度曲线如图4所示，从图中可以看出，荷载较小时PVA纤维体积掺量对梁跨中挠度没有明显的影响，各根梁的挠度曲线在弹性阶段与带裂缝工作阶段基本重合，当荷载接近屈服荷载时，荷载－跨中挠度曲线开始出现明显的分离，随着PVA纤维体积掺量的增加，试验梁的跨中挠度增大，说明PVA纤维对提高混凝土梁变形能力作用明显.PVA纤维混凝土梁的变形能力与掺加的纤维掺量关系密切，PVA纤维混凝土梁具有较好的延性.