聚乙烯醇纤维掺量对混凝土力学性能宏微观破坏特征的影响

2022-11-29戎泽斌

陕西水利 2022年9期

戎泽斌，王成，2

（1.塔里木大学水利与建筑工程学院,新疆阿拉尔 843300；2.塔里木大学南疆岩土工程研究中心,新疆阿拉尔 843300）

随着“一带一路”战略快速推进,大规模的基础设施建设率先启动,混凝土仍然是最重要的工程材料之一[1]。尽管混凝土材料具有低成本和高抗压强度等优点,但同时也具有高脆性、低拉伸强度等不足之处。在诸多纤维材料中,聚乙烯醇纤维（简称PVA纤维）不仅具有较高的抗拉强度和良好的酸碱耐受性,还具有相应的引气效果[2],掺入混凝土后,不但可以有效地抑制混凝土的前期开裂,而且还能降低混凝土的脆性。同时PVA纤维和水泥基材在范德华力[3]的作用下提高了混凝土的韧性以及抗开裂能力[4]。因此,在混凝土中掺入适当掺量的聚乙烯醇纤维能够较好地提高混凝土的力学性能,聚乙烯醇纤维混凝土也将在未来工程基础设施建设发展应用中占据重要地位[5]。

目前,关于聚乙烯醇纤维对混凝土力学性能影响的研究相对较少,而且学者们对聚乙烯醇纤维能够提升混凝土力学性能的最佳掺量尚未达成一致。姜睿等研究发现[6],PVA纤维能够显著提高高强混凝土的劈裂抗拉强度,最大提高幅度达46.7%,从而有效改善了高强混凝土的脆性。银英姿通过对PVA纤维混凝土的力学性能及早期开裂试验研究发现[7],掺入PVA纤维将降低混凝土的抗压强度,而且随着掺量的增加将持续降低；合理的PVA纤维掺量将提高混凝土的抗折强度和劈裂抗拉强度,0.9 kg/m3掺量时抗折强度的提高效果最佳,提高幅度达41.9%；1.2 kg/m3掺量时劈裂抗拉强度最大,提高幅度为32.2%。张杰试验研究了PVA纤维混凝土的力学性能[8],结果表明,PVA纤维混凝土拌合物的坍落度相对于素混凝土拌合物的坍落度略有下降,抗压强度无明显提高,抗折强度及劈裂抗拉强度随着纤维体积的掺量而增大。

本文通过不同体积掺量（0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）、相同长度（12 mm）的PVA纤维对混凝土3 d、7 d、28 d龄期时的立方体抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度的影响规律开展试验研究,并利用扫描电镜（SEM）对各龄期的试件进行微观结构特征分析,从而确定PVA纤维对混凝土力学性能影响的最佳掺量。

1 试验概况

1.1 试验材料

水泥采用阿克苏天山多浪有限公司生产的P.O 42.5水泥,其相关性能指标见表1。

表1 P.O 42.5 普通硅酸盐水泥性能指标

骨料采用温宿县同顺砂石料厂生产的骨料,粗骨料为5 mm~20 mm和20 mm~40 mm连续级配卵石；细骨料为中砂。主要性能指标分别见表2和表3。

表2 粗骨料的性能指标

表3 细骨料的性能指标

PVA纤维采用上海臣启化工科技有限公司生产的产品,PVA纤维性能指标见表4。

表4 PVA纤维性能指标

减水剂：阿拉尔天平建材检测公司提供的TXS高性能减水剂。

拌合用水：阿拉尔市自来水。

1.2 试验配合比设计与试件制备

结合文献分析和实际工程经验可知,加入PVA纤维会导致混凝土流动性降低,为保证试验研究结果的科学性和可推广性,将设计强度等级为C30的混凝土拌合物的塌落度控制在（160 mm±20 mm）范围内。按照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）所规定的方法和步骤,确定本试验的配合比,见表5。水灰比为0.46,因为过大或过小的水灰比都将对混凝土的强度以及流动性产生不良的影响[9]。

表5 试验配合比

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2016）、《纤维混凝土试验方法标准》（CECS 13: 2009）的规定,立方体抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验均采用尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的标准试件,抗折强度试验采用尺寸为150 mm×150 mm×550 mm的标准试件。分别制作6 种不同体积掺量（0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）的PVA纤维混凝土试件,每种掺量3组,每组制作3个试件。

1.3 试验设备

本次试验采用设备为：恒加载压力试验机（TYE-3000A）、数显式液压万能试验机（WES-600）、混凝土搅拌机（HJW-60型）、混凝土振捣台、可变真空超高分辨场发射扫描电镜（Apero S）等仪器。

1.4 试验方法

本次试验的具体方法为：首先将1/2的石子和1/2的砂倒入搅拌机中搅拌30 s,在此过程中撒入1/3的PVA纤维；然后将剩余的砂、石子以及1/3的PVA纤维倒入搅拌机中搅拌30 s,紧接着将水泥和1/3的PVA纤维倒入搅拌机中搅拌20 s；最后,将掺有减水剂的拌合水倒入搅拌机中搅拌120 s直至拌合物成型,使混凝土达到满足工程应用要求的塌落度和流动性。

2 试验结果分析与讨论

2.1 PVA纤维掺量对混凝土立方体试块抗压强度的影响

不同掺量的PVA纤维混凝土3 d、7 d、28 d龄期时的立方体抗压强度实测值见图1；不同掺量PVA纤维混凝土立方体抗压强度增长率见图2。

图1 不同掺量PVA纤维混凝土立方体抗压强度

图2 不同掺量PVA纤维混凝土立方体抗压强度增长率

由图1~图2可以看出,PVA纤维的掺入会降低混凝土的立方体抗压强度,而且掺量越大降低越多。PVA纤维掺量为0.1%、0.2%和0.3%的混凝土立方体抗压强度下降速率较为平缓,纤维掺量为0.4%和0.5%的混凝土立方体抗压强度下降速率较为急剧,其中纤维掺量为0.1%的混凝土立方体抗压强度下降幅度最小。由于PVA纤维的掺入具有一定的引气效果,减弱了混凝土中胶凝材料与骨料之间的黏结力,导致混凝土立方体抗压强度下降。同时,过多的纤维掺入会明显影响混凝土的和易性,导致其产生部分分层离析现象,严重时还会出现纤维弯折或者成团,不易打散,破坏拌合物的均匀性,导致水泥基材料之间形成微小空隙,增加了其内部的薄弱区域,致使混凝土强度降低。

2.2 PVA纤维掺量对混凝土抗折强度的影响

不同掺量PVA纤维混凝土3 d、7 d、28 d龄期时的抗折强度实测值见图3；不同掺量PVA纤维混凝土抗折强度增长率见图4。

图3 不同掺量PVA纤维混凝土的抗折强度

图4 不同掺量PVA纤维混凝土抗折强度增长率

由图3~图4可以看出,在3 d、7 d、28 d龄期时,PVA纤维掺量为0.1%、0.2%和0.3%试件抗折强度相较于掺量为0%的基准试件的抗折强度一直处于上升的阶段。而当PVA纤维掺量为0.4%和0.5%时,试件在3 d和7 d龄期的抗折强度相较于0.3%掺量试件相应龄期的抗折强度有明显的下降,但都比基准试件的抗折强度高；28 d龄期时,0.4%和0.5%PVA纤维掺量试件的抗折强度均较基准试件的抗折强度低。PVA纤维提高混凝土抗折强度的最佳体积掺量为0.3%,相对于基准试件抗折强度的提高幅度为3.9%。

适当的PVA纤维掺量可以较好地提升混凝土的抗折强度,这是由于在裂缝形成过程中,混凝土内部纤维间的相互搭接所形成的桥接作用使混凝土本身承受的拉应力传递给了纤维,纤维所承担的应力增大,进而使混凝土的抗折强度提高。同时,过多的纤维会使混凝土的抗折强度下降,主要是因为PVA纤维具有良好的吸附力,将水泥水化过程中所产生的微小物质吸附,形成较小的孔隙,导致混凝土内部结构变的薄脆。因此,相同掺量PVA纤维混凝土抗折强度的早期增长速率比后期的要大。

2.3 PVA纤维掺量对混凝土劈裂抗拉强度的影响

不同掺量的PVA纤维混凝土3 d、7 d、28 d龄期时的劈裂抗拉强度实测值见图5；不同掺量PVA纤维混凝土劈裂抗拉强度增长率见图6。

图5 不同掺量PVA纤维混凝土的劈裂抗拉强度

图6 不同掺量PVA纤维混凝土劈裂抗拉强度增长率

由图5~图6可以看出,3 d、7 d、28 d龄期时,掺量为0.1%、0.2%和0.3%的PVA纤维混凝土劈裂抗拉强度逐渐增大,掺量为0.3%时试件的劈裂抗拉强度最大,达2.81 MPa,掺量为0.4%和0.5%的试件劈裂抗拉强度相较于掺量为0.3%的试件劈裂抗拉强度分别下降了11.03%和14.59%。试验结果表明,PVA纤维提高混凝土劈裂抗拉强度的最佳体积掺量为0.3%。从整体变化趋势来看,PVA纤维的掺入对混凝土的劈裂抗拉强度的提升较为明显,主要是由于PVA纤维具有很强的拉结能力,在混凝土内部均匀分散相互搭接,从而抑制了裂缝的生成和扩展,有效提高了混凝土的劈裂抗拉强度。

3 PVA纤维混凝土宏观破坏特征分析

3.1 不同掺量PVA纤维混凝土立方体抗压强度试验宏观破坏特征分析

不同掺量PVA纤维混凝土28 d立方体抗压强度试件的破坏状态见图7。

图7 不同掺量PVA纤维混凝土28 d立方体抗压强度试件破坏状态

由图7可以看出,0%PVA试件在距边缘五分之一左右位置处出现了垂直于底边的贯穿性裂缝,其它位置则相对完好（图7（a））；0.1%PVA试件先从一侧边角开始破坏,其它位置处也出现了不同长度的微细裂缝,缝深较浅,破环程度比0%PVA试件的破环程度要严重（图7（b））；0.2%PVA试件两侧同时破坏,裂缝呈对称式,且出现较多竖向裂缝,破坏时间相较0.1%PVA试件的破坏时间变短（图7（c））；0.3%PVA试件的边角作为裂缝起始点,逐渐向中间扩散,裂缝变深,试件破坏严重（图7（d））；0.4%PVA试件的两侧出现大规模破碎,表面出现片状脱落（图7（e））；0.5%PVA试件从中间开始破坏,出现贯穿式裂缝,整体破坏时间变短,相较于其他掺量试件,破坏程度最为严重（图7（f））。

3.2 不同掺量PVA纤维混凝土抗折强度试验宏观破坏特征分析

不同掺量PVA纤维混凝土28 d抗折强度试件的破坏状态见图8。

图8 不同掺量PVA纤维混凝土28 d抗折强度试件破坏状态

由图8可以看出,0%PVA试件的破坏过程时间较短,破坏瞬间伴随着清脆的声音,贯穿性裂缝清晰可见（图8（a））；0.1%PVA试件与0%PVA试件的破坏形态相似,其裂缝边缘不平整（图8（b））；0.2%PVA试件,破坏瞬间裂缝不明显,没有形成贯穿性裂缝且声音沉闷,破坏程度相较0%PVA试件和0.1%PVA试件的破坏程度相对较轻（图8（c））；0.3%PVA试件破坏后的裂缝宽度较窄,同时出现了纤维“藕断丝连”的现象,破坏程度相比其他掺量试件的破坏程度最轻（图8（d））；0.4%PVA试件的破坏时间相较于0%PVA试件的破坏时间缩短,破坏停止后没有立即出现裂缝（图8（e））；0.5%PVA试件整体破坏时间最短,破坏程度最为严重,破坏后没有立即断裂,而是通过持续加载才发生断裂（图8（f））。

3.3 不同掺量PVA纤维混凝土劈裂抗拉强度试验宏观破坏特征分析

不同掺量PVA纤维混凝土28 d劈裂抗拉强度试件破坏状态见图9。

图9 不同掺量PVA纤维混凝土28d劈裂抗拉强度试件破坏状态

由图9可以看出,0%PVA试件承压面的裂缝宽度较深,破坏干脆利落,声音较大（图9（a））；0.1%PVA试件承压面上裂缝相较于0%PVA试件承压面上裂缝变细,破环程度较轻（图9（b））；0.2%PVA试件承压面裂缝比0%PVA试件承压面裂缝浅而窄,同时向两边延伸（图9（c））；0.3%PVA试件承压面上裂缝明显变细,非承压面上的裂缝变浅,相较于其他掺量试件,试件的劈裂抗拉强度提升最大（图9（d））；0.4%PVA试件破坏时间比0.3%PVA试件破坏时间用时短,同时裂缝变得明显（图9（e））；0.5%PVA试件与0.4%PVA试件的破坏状态类似,同时保证了裂而不碎（图9（f））。

4 微观结构特征分析

不同掺量PVA纤维混凝土试件在28 d龄期时的SEM电镜扫描微观结构特征,见图10。

图10 不同掺量PVA纤维混凝土28 d立方体抗压强度破坏试验下微观结构特征

微观结构特征分析试样来自于不同纤维掺量的混凝土28 d立方体抗压强度破坏试验,只留置浆体包裹纤维的部分进行观察分析。普通硅酸盐水泥与水发生水化反应,生成盐结晶产物,PVA纤维不参与水泥水化过程,只对混凝土的强度及韧性产生影响。

由图10 可以看出,0%PVA试件内部结构中,可以观察到许多微小孔洞,裂缝较细小（图10（a））；0.1%PVA试件内部结构,由于PVA纤维的掺入具有一定的引气作用,导致胶凝材料与骨料不能完全接触,水泥水化过程不充分,出现了大量的孔洞,因而使得混凝土内部结构变得不密实,导致强度降低（图10（b））；0.2%PVA试件内部结构,纤维链接在裂缝上,形成了一定的桥接作用,提高了混凝土的韧性（图10（c））；当纤维掺量超过0.3%及以上时（图10（d）~图10（f））,部分C-S-H凝胶吸附在纤维表面,降低了原本由C-S-H凝胶填充的晶体（如氢氧化钙）骨架内部的孔隙填充率。而且,纤维掺量过多时不易分散,容易成团,导致浆体不能充分包裹纤维,易使纤维从浆体中脱落。再者,纤维过大的体积占有率使得混凝土内部形成了更大的孔隙,这也是造成纤维的掺入使混凝土立方体抗压强度下降的主要原因之一。

虽然PVA纤维的掺入降低了混凝土的立方体抗压强度,但却对混凝土的韧性有较大幅度的提高,这是因为在水泥水化过程中,PVA分子上的-C-OH基团可以和水泥水化产物中的-OH基团形成氢键并且结合,通过借助范德华力从而增加了两种物质的粘结。同时PVA又具有较高的弹性模量且在混凝土内部交叉排列,形成了桥接作用,一定程度上提高了混凝土的延性。