PVA纤维混凝土的单轴抗压应力应变关系

熊　阳， 白应华， 颜　言

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

PVA纤维混凝土的单轴抗压应力应变关系

熊阳， 白应华， 颜言

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

[摘要]利用SHT4106电液伺服电子万能试验机对五组不同纤维掺量和LHFRC(层布式混杂纤维混凝土)及LSFRC(层布式钢纤维混凝土)立方体试块进行了单轴抗压试验。通过对试验结果的分析，表明PVA(聚乙烯醇)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，减小粘接力，因此纤维的掺量不宜过大，最佳掺量在1%以下。PVA纤维能有效的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，而LHFRC与素混凝土的应力应变曲线相差不多。但是LSFRC则表现出高强混凝土的应力应变曲线特点，即上升阶段基本上已经由曲线变成了直线，下降阶段比较陡，甚至可以认为不再有下降阶段。

[关键词]纤维混凝土; 层布式 ; 单轴抗压; 应力应变曲线

纤维混凝土以其良好的特性而在工程界得到了广泛研究和应用，但是关于PVA纤维混凝土研究还比较少本文通过PVA掺量分别在0.2%、0.1%和0.08%以及LHFRC和LSFRC[1]的100 mm×100 mm×100 mm试块的抗压试验研究了PVA纤维混凝土的力学性能，得出力与位移的曲线，通过计算转换成应力应变曲线，分析得出不同PVA含量对立方体试块抗压性能的影响以及LHFRC和LSFRC的应力应变曲线的特点和区别。

1力学性能试验

1.1试件制备

原材料：水泥：武汉华新水泥股份有限公司生产P.O42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料：采用碎石，使用前用水洗法把表面泥沙洗净，粒径5～20 mm连续级配；细骨料：河砂，通过级配试验测量为中砂，细度模数2.6，混凝土配合比为：水泥340 kg/m3；水136 kg/m3；砂633 kg/m3；石1298 kg/m3；减水剂2.04 kg/m3；水灰比0.4；砂率33%。PVA纤维：上海博宁工程纤维材料有限公司生产PVA纤维，其性能指标为：密度1.3 g/cm3;直径15 μm；弹性模量33.4 GPa；长度12 mm；抗拉强度1704 MPa；断裂伸长率12%；纤维形状:束状单丝；耐酸碱盐极高(本文选用12 mm PVA纤维)。钢纤维：上海贝卡尔特钢纤维，长径比60，质量掺量采用上层1.0%，下层1.0%。其性能为：抗拉强度1070 MPa；弹性模量200 GPa；极限拉伸0.5%～3.5%；比重7.8 g/cm3。减水剂：聚羧酸减水剂；水：清洁自来水。

1.2混凝土施工工艺。

素混凝土的施工工艺严格按照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)要求进行，PVA纤维混凝土的施工工艺也是按照素混凝土的步骤，只是在拌制时把PVA均匀地分散到混凝土基体中去，LHFRC和LSFRC的施工工艺严格按照《纤维混凝土结构技术规程》(CECS38：2004)的步骤：1)在基层混凝土达到强度要求后，架立钢模，直接在基层上筛撒底层钢纤维。2)摊铺中间层面混凝土进行振捣。3)在中间层面混凝土终凝前，筛撒底顶钢纤维，再摊铺表层混凝土，用平板振捣器振实振平，然后进行表面处理。

试件尺寸为100×100×100，PVA掺量分别在0.2%、0.1%和0.08%以及层布式钢纤维和层布式混杂纤维，每组配合比试件做2个，一共12个试件，具体见表1。试件浇筑和养护均按规范要求进行，经标准养护一个月后开展力学试验。

表1　纤维掺量%

2试验结果分析

2.1立方体抗压强度

纤维混凝土立方体抗压强度试验见图1和图2，结果见表2。

表2　立方体抗压强度

由表2可知，当PVA纤维掺量为0.08%时，立方体轴心抗压强度比素混凝土提高了约3.9%；当PVA纤维掺量在0.1%时，立方体轴心抗压强度比素混凝土提高了约1.1%；当PVA纤维掺量在0.2%时，立方体轴心抗压强度变化不大，比素混凝土略微降低；由此可知，在一定的PVA掺入下，纤维混凝土的抗压强度会随着PVA掺量的增加而降低，但总体影响不大，最佳掺量在0.1%以下。

从图1、图2来看，PVA混凝土在结构破坏后仍保持一定的整体性，表明PVA的加入，使混凝土的破坏形式由脆性破坏[2]转为有一定塑性的破坏形态。

由表5中LHFR和LSFRC试验数据可知，在0.08%的PVA纤维的掺量下，LHFRC的立方体抗压强度比素混凝土立方体抗压强度降低了10.4%；LSFRC的立方体抗压强度比素混凝土提高了12.6%，而LSFRC的立方体抗压强度比LHFRC的立方体抗压强度提高了。由于PVA和钢纤维两种纤维的混合掺入，使总体纤维掺量变大，纤维不仅不容易分散，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[3]。

图 1　P　　　VA纤维混凝土　　　图 2　素混凝土破坏形态　　　破坏形态

2.2立方体应力应变曲线

把力与位移曲线转变成应力与应变曲线，得出试块分别在PVA掺量0.2%、0.1%和0.08%以及层布式钢纤维和层布式混杂纤维下的应力应变曲线如图3-图8所示。

图 3　素混凝土

图4 PVA掺量0.2%

图 5　PVA掺量0.1%

图6 PVA掺量0.08%

从图3-图6可以看出，PVA纤维混凝土的应力应变曲线和素混凝土的应力应变曲线基本上保持一致[4]，PVA含量从0.2%降到0.08%，其峰值应变均在 0.014左右并略有增加，曲线上升阶段和相对应的峰值应变变化不大，但是下降阶段的形状差异比较明显，随着PVA纤维混凝土本身强度的提高，曲线下降的坡度越陡，表明应力变化相同的幅度时，变形相对而言较小，因此延性略差。

从图7可以看出，LHFRC的应力应变曲线和素混凝土的应力应变曲线相比，不管是峰值应变，还是下降趋势都相差不大。

从图8的LSFRC的应力应变曲线来看，可以把LSFRC假设为高强混凝土[5]，高强混凝土的应力应变曲线的典型特点是，其上升段曲线趋于直线，而且强度越高，其线性越明显，下降段越陡，甚至可以认为下降段不存在[6]。

图 7　层布式混杂纤维混凝土

图 8　层布是钢纤维混凝土

3结论

通过PVA纤维混凝土及LHFRC和LSFRC的立方体轴心抗压试验，分析得出如下结论：

1)在一定的PVA掺量下，混凝土的抗压强度会随着PVA掺量的增加而略微减小，但是影响不大。

2)PVA混凝土的应力应变曲线跟素混凝土的应力应变曲线基本上保持一致，只是在下降阶段下降的趋势稍微变陡,由于PVA的作用，纤维混凝土表现出一定的延性，开裂后裂缝有一个开展过程。

3)LSFRC在提高抗压强度的同时，应力应变曲线以上升阶段为主，下降部分很少，表现出类似高强混凝土的应力应变曲线。

[参考文献]

[1]陈应波,梅华东,卢哲安.层布式钢纤维、混杂纤维混凝土的疲劳性能[J].工业建筑，2006(9)：61,68-70.

[2]过镇海, 时旭东. 钢筋混凝土原理和分析[M]. 北京: 清华大学出版社, 2003.

[3]中华人民共和国国家标准.GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.

[4]中华人民共和国行业标准.JGJ/T281-2012高等混凝土应用技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社,2012.

[5]王勇威,蒲心诚,王志军 . 单轴压力下56.3～164.9 MPa混凝土的应力应变关系[J].建筑结构学报，2005(1)：97-102.

[6]王志军, 蒲心诚. 超高强混凝土单轴受压性能及应力应变曲线的试验研究[J].重庆建筑大学学报，2000(S1):28-33.

[责任编校： 张岩芳]

The Stress-strain Relationship of PVA Fiber Concrete under Uniaxial Compression

XIONG Yang, BAI Yinghua, YAN Yan

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Abstract：Using SHT4106 electro-hydraulic servo universal testing machine, the paper conducted uniaxial compression tests on five groups of different fiber content LHFRC (layer hybrid fiber reinforced concrete) and LSFRC (Layered just fiber reinforced concrete) test cubes. The analysis of test results indicates that PVA fibers can slightly increase the compressive strength of concrete，However, Because of the incorporation of the fibers into the air will be part of the concrete matrix, this can reduce the force of the substrate. Therefore, the blending amount should not be too large, and the best content is below 1%. PVA fiber can effectively improve the concrete cube compressive deformation, making the concrete convert from brittle failure to a certain plasticity of failure modes. But LSFRC showed a stress-strain curve characteristic of high strength concrete. The rising phase has basically become a straight line and the declining phase is relatively steep, which can be even considered as non-declining.

Keywords：fiber reinforced concrete; layered ;uniaxial compressive: stress-strain curve

[收稿日期]2015-05-29

[作者简介]熊阳(1989-)， 男，湖北应城人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为建筑与土木工程

[文章编号]1003-4684(2016)02-0097-03

[中图分类号]TU37

[文献标识码]：A