PVA-钢纤维混凝土材料力学与抗震性能研究综述

钟 晨 ，王 颖 ，朱旭峰

（1.安徽新华学院，安徽 合肥 230088;2..建筑结构安徽省普通高校重点实验室（安徽新华学院）,安徽 合肥 230088;3.中国能源集团安徽电力建设第一工程有限公司，安徽合肥230088）

1 引言

与普通混凝土相比，在混凝土中掺加不连续的钢纤维，由于钢纤维的桥接作用，其抗拉性能和抗弯性能大大提高[1-3]。但是随着位移的增加，裂缝持续延伸，钢纤维增强混凝土（FRC）不能承受沿裂缝产生的压力。因此只掺加一种类型纤维（钢纤维或PVA纤维）只能单一片面的提高混凝土基体材料的强度或者韧性[4-5]。本文研究的PVA-钢纤维混凝土 (PVA-Steel Fiber Reinforced Concrete)采用高弹模的钢纤维与高韧性的聚乙烯醇PVA纤维正效应混杂（图1），在不同开裂层次和受荷阶段发挥协同效应，在适当掺量下将同时具有优良的强度、韧性、耐久性等[6]，从而提高混凝土结构的抗震性能。

图1 钢纤维和PVA纤维Fig.1 Steel fiber and PVA fiber

为PVA-钢纤维混凝土在实际工程中的推广和研究应用提供理论基础，本文先简要介绍PVA-钢纤维的各项力学性能，并与单一纤维（钢纤维或PVA）混凝土材料进行对比；再对PVA-钢纤维混凝土构件和结构的抗震性能研究进行系统归纳；最后对PVA-钢纤维结构的后续有待研究工作提出合理建议。

2 PVA-钢纤维材料特性

从纤维与混凝土基体的微观来看，当基体产生裂缝后，纤维桥接了开裂处的基体，避免裂纹急增，并将应力和能量传递给附近未开裂基体，使复合基体仍保持整体性不致发生分离[7]；而从宏观来看，分属小直径PVA纤维（d＜0.1mm）和大直径钢纤维可以在不同强度等级和开裂层级上抑制裂缝的产生和扩张，不会发生基体“一裂就坏”的脆性特征[8]。因此，混杂纤维增强混凝土表现出阻裂和增韧的双重作用，即基体的多微裂缝稳定开展和应变硬化性能[9-11]。

2.1 PVA-钢纤维的弯曲性能

Ahmed等[12-13]在纤维总掺量2.5%条件下，将一种长度13mm的钢纤维 （d=0.2mm）与长度12mm的PVA（d=0.04mm）按照不同比例混杂，得到混杂纤维混凝土的抗弯强度与钢纤维掺量成正比的关系结论，观察到破坏呈现多裂缝稳定开展的特点。Chen等[14]控制纤维总掺量2%，通过将类似长度钢纤维依次与长度6、10、12 mm的PVA纤维（d=0.012mm）按照1:1比例掺入高强混凝土基体的试验，对比不同纤维尺寸对抗弯力学性能正混杂效应的影响，研究表明，采用长度6mm的PVA混杂时基体的抗弯强度和韧性都有显著提高。

Nemkumar，邓宗才等[15]基于美国ASTMC1018方法通过PVA-钢纤维混凝土梁的三分点加载试验，发现层布式纤维能更显著的提高混凝土梁的韧性指数I5、I10和I30；相比较于掺入单一纤维，复掺浪形圆丝钢纤维（体积率1.5%，长径比55.6）和长度15mm的PVA纤维 （1.0-1.3kg/m3）时梁的荷载-挠度曲线的峰后韧性指数I30提高最大约30%；随后进行混杂纤维混凝土的冲击荷载试验中，又研究得到1.3kg/m3的PVA掺量具有最优的抗弯冲击性能，但延性提高并不明显[16]。

徐安花[17]通过水胶比（0.30、0.35、0.40）和纤维含量（0、1.0%、1.5%）的对比调整，研究其对PVA-钢纤维混凝土复合材料弯曲韧性的影响，结果表明随着纤维总掺量的增加呈现出良好的韧性增强和应变硬化现象；混杂PVA-钢纤维比单掺PVA的混凝土基体效果更好，如表1所示。

表1 纤维掺量1.5%相对掺量1.0%的I5增长率[17]Table 1 The improving percentage of I5with fiber content change from 1.5% to 1.0%

刘传科[18]研究了 45kg/m3和90kg/m3的成排端钩形钢纤维分别与1.3 kg/m3的PVA的混杂，四点弯曲试验表明混掺纤维后梁的抗弯强度和增韧效果均优于单一纤维，表现出应变硬化的特征。同年，李风雷[19]用同样的试验方法，发现混凝土基体、钢纤维(体积率 0.8%)和 PVA（体积率0.1%）三者的协同作用明显提高试件的延性、耗能能力和增韧性能；但是在相同的纤维体积总量下，PVA的掺入降低了梁的初裂强度和抗折强度。

于婧[20]通过18组PVA-钢纤维混凝土的抗折试验，在不同砂胶比、纤维掺量和配合比例下研究基本力学性能以及混杂机理，试验表明：两种纤维混掺减小了混凝土的流动性，PVA的掺入量增加会提高纤维混凝土的抗折强度和韧性（基于日本JSCE－SF4法的评价指标FT及韧度因子σ）。在纤维总体积量1.75%的条件下，最优的配比组合是钢纤维1.25%和PVA0.5%，相比于单一钢纤维混凝土具有40%-60%左右的抗折强度涨幅和46%左右的韧性提高，说明PVA-钢纤维混凝土更趋于发生应变硬化效应和延性破坏。

刘宾[21]通过试验在不同的纤维总体积掺量0.2%、0.4%、0.8%下，以单掺和复掺的方式（PVA比钢纤维为1:3,1:6,1:9）研究了PVA-钢混杂纤维混凝土的弯曲力学性能。当纤维总体积为0.2%（1:9）、0.4%（1:6）、0.8%（1:3） 时 C40 混凝土基体的抗弯强度增大明显，其中0.8%对应的纤维比例1:3时涨幅最大达到26.7%。但由于PVA的强度较钢纤维要弱，且纤维掺量过低时考虑不能与基体有效充分粘结，所以混掺的增强效果也出现有降低或损失趋势，所以在不同的总掺量下两种纤维需进行配合比设计才能得到正效应纤维增强混凝土材料。

图2 抗弯强度试验曲线[21]Fig.2 Bending strength test curve

王振波[22]在体积含量恒定1.7%的PVA纤维混凝土体系中混掺0.3%、0.6%、1%三种体积含量的细短钢纤维后进行三点抗弯试验，数据结果表明PVA-钢混杂纤维混凝土的抗弯强度、延性性能与钢纤维体积掺量成正比相关，尤其针对低水胶比混凝土基体材料（M0.25），即增强效果也随着混凝土基体强度的提高而越加明显；并且找到小于2.7%总纤维含量下，影响纤维混杂复合材料的最优弯曲性能的钢纤维体积掺量在0.3%-0.6%之间。最后基于试验结果建立断裂力学模型研究了梁高度变化（50mm、100mm、150mm）和纤维混掺比例对梁抗弯性能的影响，发现混杂纤维混凝土材料的抗弯强度随着梁高的减小而逐渐增大，且混凝土基体越强提高的效果越明显。

万世强[23]进行了PVA-钢纤维的静态力学性能和抗冲击特性研究，试验表明，保持PVA纤维掺量不变（1.5%或2%）的条件下，提高钢纤维掺量能有效提高混凝土基体的抗弯强度，且结合试验数据找到了弯曲韧性表现良好的三种纤维配合比，0.5% PVA+1.5%钢纤维、1.5 PVA+1%钢纤维、2% PVA+2%钢纤维，但只有1.5% PVA+1%钢纤维混凝土破坏时呈现多缝开裂，应变硬化的特点。另外进行的低速落锤式抗弯冲击试验，也进一步验证了最优纤维配合比的明显优势。

2.2 PVA-钢纤维的压缩性能

海然[24]在总掺量0.5%、0.75%、1%、1.25%、1.5%下，将钢纤维和PVA按照五种比例1:1、2:1、3:1、4:1、5:1混掺于超高强混凝土基体中，分析研究得到，对比相同纤维总量下的单一钢纤维混凝土材料，PVA-钢纤维混杂混凝土材料的折压比和拉压比分别提高37%和22%，两种纤维在改善材料脆性、增强韧性方面相互协同。刘传科[18]也分析出PVA（长度12mm、直径0.014mm）与成排端钩形钢纤维（长度30mm，直径0.5mm）的混杂对梁的抗压强度的提高影响。

王振波[22]的立方体抗压试验可以得到，PVA-钢纤维混凝土复合材料的抗压强度受混凝土基体的不同水胶比（M0.25、M0.35、M0.45、M0.55）影响显著，且随着水胶比的降低和养护龄期的增长呈现抗压强度分级增强现象；对比于1.7%的单一PVA纤维混凝土，三种细短钢纤维0.3%、0.6%、1%体积含量混掺后对抗压强度和峰值应变总体有提高作用，但最大涨幅仅有10%，说明增强效果并不明显。时术兆[25]参照《钢纤维混凝土试验方法》将钢纤维与PVA按照混杂比例掺入混凝土中，也得到随着水胶比减少基体的压缩强度持续增大的结论，观测到当水胶比为0.12（养护温度不大于400℃）时，PVA-钢纤维混凝土可以达到333.4MPa的高强度。

于婧[20]进行的PVA-钢纤维混凝土抗压试验表明：混杂纤维混凝土受压破坏时相比于单一钢纤维混凝土，过程缓慢且有更多的细微裂缝开展，延性更好；PVA的过多掺入会降低纤维混凝土的抗压强度，在纤维总体积量1.75%的条件下，提高抗压强度的正混杂效应是钢纤维1.5%和PVA0.25%，超过同样1.75%的单一钢纤维混凝土；而负混杂效应是钢纤维1.25%和PVA0.5%，甚至会低于混凝土基体的抗压强度。刘宾[21]抗压强度试验曲线图3表明：当纤维总体积为0.8%时，PVA与钢纤维混杂比例为1:9试件的抗压强度最大，混凝土基体强度最大涨幅有15.3%。单一纤维试件PC和SC随着纤维含量的增加，抗压强度却呈现出下降趋势，这是由于过多的纤维掺入会破坏混凝土原有的空间架构从而使强度增大受限；而复掺纤维试件由于加入高韧性和小直径的PVA纤维的粘合作用和纤维间的协同叠加机理，能在抗压强度降低后出现再增强的趋势。

图3 抗压强度试验曲线[21]Fig.3 Compressive strength test curve

丁彦江[26]开展纤维体积掺量为2%的PVA-钢纤维混凝土在四种配合比条件下抵抗静态压缩、单次和多次动态冲击压缩的力学性能。首先通过对12个0.7mm×70.7mm×70.7mm标准立方体尺寸试件的准静态抗压试验，得到纤维的掺入对混凝土基体材料准静态抗压强度的增强不明显的结论，但混杂纤维混凝土的破坏形态为多裂缝展开，改善了脆性破坏特征；再对不同配合比的φ70mm×35mm圆柱体试件进行五个气压值下的单次、反复动力SHPB试验，得出了在不同峰值应变率下的纤维混凝土动态压缩应力-应变关系。研究发现单次冲击荷载作用下，钢纤维对基体动态抗压强度增强作用明显，但总体上纤维混凝土动态抗压强度仍低于素混凝土在同等条件下的强度，而PVA对混凝土基体峰值应变的提高效果显著，即耗能和延性性能良好；最后推荐PVA与钢纤维的掺入配合比为1:1时材料能获得最优异的抗冲击能力，破坏时仅有少量的细微裂痕，残余强度高，整体裂而不散，说明PVA-钢纤维混凝土可作为防护工程的优选材料。

万世强[23]采用分离式Hopkinson压杆开展了PVA-钢纤维混凝土的SHPB高速冲击试验，研究不同纤维掺量对于混杂纤维混凝土动态抗压强度的影响，试验表明，所有纤维混凝土试件的动态抗压强度均大于静态抗压强度，其中1.5PVA+1%钢纤维混凝土强度最大达到103.4MPa，且钢纤维的掺入能明显提高动态抗压强度。魏金源[27]对边长为70.7mm的立方体PVA-钢纤维混凝土进行落锤冲击试验，对比单一纤维混凝土来研究纤维掺量变化对基体屈服强度和刚度的影响，分析得到当钢纤维2%和PVA0.1%～0.15%混杂时，混凝土强度均大于单一纤维混凝土且抗冲击性能提升显著，因此建议PVA掺量不宜超过0.2%。

2.3 PVA-钢纤维的轴拉和劈拉性能

Lawler等[28-29]采用弯钩型钢纤维 （直径0.5mm、长度30 mm）与微细 PVA纤维 （直径0.014 mm、长度12mm）按照1:1掺入混凝土基体中，轴拉试验发现，混杂体系混凝土的抗拉强度要高于单掺纤维体系，控制裂缝宽度能力也更强，表现出高延性和高韧性。黄俊[30]通过混杂纤维砂浆轴向拉伸试验，得到PVA-钢纤维混凝土的拉伸全应力应变曲线，分析表明PVA-钢纤维混凝土的抗拉强度有较大提高，且具有明显的阻裂增韧特征。

刘宾[21]试验得到劈裂抗拉强度试验曲线（图4）表明，在纤维总体积小于0.8%时，PVA与钢纤维混杂比例1:9时的强度由于钢纤维的边壁效应和PVA的分散粘结呈现稳定持续增长，劈裂抗拉强度涨幅最大有13%。而另两种1:3和1:6混杂比例的基体则呈现出增强再降低的趋势，为复合纤维材料的掺入配合比例提出一些参考。

图4 劈裂抗拉强度试验曲线[21]Fig.4 Split tensile strength test curve

王振波[22]的轴拉试验表明，当PVA掺入量恒定1.7%时，随着钢纤维0.3%、0.6%、1%掺入量的增加，PVA-钢纤维材料比单一纤维具有更高的开裂强度和抗拉强度，且拉应变能力普遍稳定在3%以上，应变硬化特征愈加明显，如图5所示，符合ECC材料的典型表现[9]。当钢纤维不大于0.6%时，极限拉应变与钢纤维掺入量正向相关，这也与抗弯试验得到 “最优混杂纤维配合比”有着相统一的结论。另外，基于细观力学原理研究试验开裂形态图片可知，钢纤维则能极好的控制裂缝扩展，当钢纤维掺量为1%时，材料的平均裂纹宽度仅有0.027-0.06mm，大大改善材料的抗渗透性和耐久性能。

2.4 PVA-钢纤维的耐久性能

王振波[22]基于细观力学原理研究PVA-钢纤维混杂混凝土材料在轴拉试验中的开裂形态图，发现钢纤维的掺入能极好的控制裂缝扩展，当钢纤维掺量为1%时，材料的平均裂纹宽度仅有0.027-0.06mm，从而大大改善材料的抗渗透性和耐久性能。

刘宾[21]则通过研究抗氯离子渗透性来评价PVA-钢纤维混杂混凝土的耐久性能，结果发现在纤维总体积掺量0.2%、0.4%、0.8%的条件下，PVA与钢纤维混杂比例为1:6试件的抗渗性能最好，明显优于其他单一纤维混凝土材料。

蒋威[31]在60天和120天海水腐蚀环境下研究PVA-钢纤维混凝土的力学性能，结果表明PVA纤维抗氯离子腐蚀的能力要优于钢纤维，在腐蚀的任何龄期内，尤其在腐蚀后期，PVA-钢混杂纤维混凝土较单一钢纤维混凝土具有更好的密实性，能提高基体的抗压强度和劈裂抗拉强度。

2.5 PVA-钢纤维的本构关系

崔昭[32]考虑PVA与钢纤维混杂的增强、增韧和应变率效应，通过动态压缩试验提出了改进的HJC动态本构屈服面方程，并通过PVA-钢纤维混凝土冲击响应的有限元数值模拟验证了所得本构关系的有效性。

张聪[33]等基于拉伸应力-应变曲线软化段，提出一种新的PVA-钢混杂纤维单轴拉伸本构关系模型，并通过拉伸性能试验证明该模型具有合理性。

图5 M0.25水胶比下混杂纤维28天轴拉应力应变曲线[22]Fig.5 The 28-day axial tensile stress-strain curve of hybrid fiber concrete

3 PVA-钢纤维混凝土结构抗震性能

综合上述的PVA-钢纤维混凝土材料的力学性能，在合适的纤维掺量和混杂比例下基体的增强增韧效果显著，尤其针对抗拉、抗弯强度和改良材料的脆性破坏方面，两种纤维混杂的效果要优于单一纤维（钢纤维或PVA）掺量的混凝土材料。国内外对于单一纤维（钢纤维、PVA纤维、聚丙烯纤维等）增强混凝土结构抗震已有较为全面的研究，而混杂纤维混凝土框架抗震性能的研究相对较小范围。为从纤维混凝土复合材料层面来改善结构的抗震性能并将其推广应用，文中逐一归纳PVA-钢纤维混杂构件和节点的力学性能研究。

3.1 PVA-钢纤维混凝土梁

梁的力学性能直接影响结构的抗震性能。杨璐[34]开展了PVA-钢纤维自密实梁的斜截面抗剪试验，考虑纤维总体积掺量、PVA-钢纤维配合比及箍筋间距等因素共设计了12个试件，包括了2个单一纤维混凝土和1个普通混凝土试件。结果表明：PVA-钢纤维梁较单一PVA纤维梁能提高开裂荷载30%左右，但与纤维总体积掺量关系不明显；当箍筋间距200mm、纤维总体积掺量1%时，三种混杂比例下PVA-钢纤维梁A4、A5、A6的极限荷载均高于单一钢纤维梁A2和单一PVA纤维梁A3，且混杂比例均为1:1的PVA-钢纤维梁A5和A8表现出明显的荷载增强效应，如图6－1所示；而箍筋间距150mm、混杂比例1:1时，随着纤维总体积掺量0.8%、1%、1.2%、1.4%的增加，对应的混杂纤维梁 A10、A8、A11、A12 的极限荷载反而有降低趋势，如图6－2所示。

图6－1 不同混杂比例梁的极限荷载图（单位：kN）[34]Fig.6－1 Effect of different hybrid ratio on selfcompacting concrete（Unit：kN）

图6－2 不同纤维体积掺量梁的极限荷载图（单位：kN）[34]Fig.6－2 Effect of different volume content on selfcompacting concrete（Unit：kN）

此外，试验通过对PVA-钢纤维自密实混凝土梁的极限剪力-跨中挠度曲线（如图7所示）分析可知，与极限荷载相类似，当箍筋间距200mm、纤维总体积掺量1%时，混杂比例均为1:1的PVA-钢纤维梁A5和A8极限位移值最大，尤其对比于仅掺入钢纤维的梁A2，梁的变形能力增强20%；而箍筋间距150mm、混杂比例1:1时，随着纤维总体积掺量0.8%、1%、1.2%、1.4%的增加，对应的混杂纤维梁 A10、A8、A11、A12 的极限位移值亦影响不大，如图7所示。

图7 不同纤维体积掺量梁的剪力-挠度曲线[34]Fig.7 Shear-deflection curve of beam on different volume content

研究最后对比了3根仅在下部掺入PVA-钢纤维（1:1）纤维梁的抗剪承载力，分析表明梁底部分掺入混杂纤维比全部掺入会使极限荷载平均下降5.6%，但仍可以提高梁的整体延性。

3.2 PVA-钢纤维混凝土节点

梁柱连接构件是框架结构在地震作用下最容易受损的薄弱部分，出现在节点核心区以及梁端和柱端区域的破坏现象居多，节点的失效会使整个结构产生严重破坏且难以加固修复。为完善PVA-钢纤维混凝土框架的抗震性能研究，下面总结出已有的研究成果。

崔明、韩建平等[35-36]开展PVA-钢纤维混凝土结构在低周反复荷载下的拟静力试验，各试件参数见表2，包括6个不同混杂比例的PVA-钢纤维混凝土框架中节点试件和2个单一纤维混凝土构件，研究了在低轴压比条件下，混杂纤维中节点的滞回曲线、骨架曲线、耗能延性以及纤维配合比对框架节点抗震性能的影响。

表2 试件参数[33]Table 2 Specimen parameters

试验发现：PVA-钢纤维混凝土试件随着位移的增加梁端塑性铰区出现细微裂缝并持续有新裂缝产生，单一PVA纤维混凝土试件因强度不足在加载位移达到85mm时出现保护层混凝土轻微破碎，而混杂纤维混凝土试件在加载位移最大125mm时仍没有发生保护层剥落现象，节点区有较好的完整性；此外通过试件破坏裂缝图8和梁端荷载-位移滞回曲线可知，PVA纤维定量时，随着钢纤维掺量的增加，混杂纤维混凝土节点区贯穿X型主裂缝的形成和宽度都能得到延缓和限制，而反之钢纤维定量时PVA掺量的增加对改善开裂性能并不明显。

图8 PVA纤维掺量1%试件破坏图[33]Fig.8 Specimen failure diagram with 1% PVA fiber content

普通混凝土梁RC-1和PVA-钢纤维混凝土梁SECC-8～SECC-10的滞回曲线如图9所示，混杂纤维梁的滞回曲线饱满，耗能能力明显优于普通混凝土梁和单一PVA纤维混凝土梁，其中试件SECC-6与ECC-4相比累计耗能涨幅高达60%-90%，但是PVA掺入量恒定时，钢纤维掺量的增加却没能有效的提高其耗能能力，对调后亦然；最后通过比较各试件的位移延性系数得到PVA-钢混杂纤维最优总掺量约为2%。

图9 荷载-位移滞回曲线[33]Fig.9 Load-displacement hysteretic curve

4 结论与展望

综上所述，PVA-钢纤维混凝土是一种受力性能优异的纤维增强混凝土复合材料，开展有较多的力学试验研究，总结成果如下，

（1）PVA-钢纤维混凝土在拉伸荷载作用下，钢纤维能 “帮助”PVA纤维在裂纹间更好地发挥桥接作用，进而有效的控制裂缝宽度，总体上能够增强混凝土的抗拉强度和提高延性。

（2）PVA-钢纤维混凝土受到静态和动态压缩作用时，抗压强度提高有一定的限制，但改善了混凝土脆性破坏特征。其中钢纤维和PVA分别在材料强度和延性能力两方面贡献作用明显，同时注意控制PVA的极限掺入量。

（3）PVA-钢纤维混凝土在弯曲作用下，基体材料的抗弯强度和韧性都有显著提高，且破坏时不会发生混凝土基体剥落现象保持有完整性。

当前尚有如下重要科学问题亟待解决：①需要建立较为统一的静、动态荷载作用下PVA-钢纤维的本构关系模型。②开展PVA-钢纤维构件梁的抗弯性能和柱的抗震性能的力学研究。③探讨PVA-钢纤维混凝土节点区域的受力机理并进行有限元模拟分析。基于低周反复荷载试验，研究核心区配箍率等参数对混杂纤维混凝土框架结构节点试件的滞回特性、承载能力、耗能延性、刚度变化和破坏形态的影响。④整体分析PVA-钢纤维混凝土结构在地震作用下的延性性能。纤维的掺入能提高构件的位移延性系数，改善混凝土结构的脆性破坏特征，但轴压比、纤维掺量（单一或复掺）、箍筋配箍率等因素对PVA-钢纤维混凝土框架结构延性性能的影响规律，还有待试验和有限元软件的非线性静力研究和地震作用下的动力时程分析。