基于不同掺量的PVA纤维混凝土力学性能研究＊

许欣，马魁

（武昌工学院，湖北 武汉 430065）

混凝土材料被广泛应用于工程行业，是应用最广、用量最大的工程材料[1]。然而，由于传统混凝土抗弯曲性能和抗折性能偏低，在使用时容易产生裂缝，从而影响结构的力学性能和寿命。在混凝土中通过掺加纤维来改善性能，可有效控制裂缝，提高混凝土材料的力学性能[2]。随着纤维改性混凝土技术的不断采用，聚丙烯纤维在工程中得到了一定规模的应用，但目前对于聚乙烯醇纤维混凝土的研究还相对较少。由于PVA纤维亲水性好、耐酸碱，在混凝土中分散性好，能跟水泥石实现较好的粘结强度[3]，价格相对经济，作为混凝土中掺加的改性材料，其应用优势越来越明显。本文针对不同掺量的PVA混凝土在不同龄期的抗压强度、抗折强度以及坍落度展开分析。为合理选择掺加PVA纤维含量提供依据。

1 试验分析

1.1 原材料

试验水泥采用华新水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥，掺合Ⅱ级复合粉煤灰；细骨料为江砂，细度模数为2.6；粗骨料为级配良好的碎石，粒径为5～20 mm；水为城市洁净自来水，符合国家标准；外加剂为脂肪族高效减水剂，减水率达到18%；纤维为上海产聚乙烯醇纤维，短纤PVA纤维，长度为12 mm，等效直径36 μm。

1.2 配合比设计

最佳体积掺量试验的混凝土基准配合比为：水泥∶粉煤灰∶砂∶石=1∶0.25∶2.18∶3.11。减水剂的掺量为1%，纤维的体积掺量为0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%。混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

1.3 混凝土制备

为了保证拌制PVA纤维混凝土时纤维的均匀性和分散性，采用强制式搅拌机拌和混凝土[4]。首先将砂、石混合干拌30 s；然后加入水泥、纤维，再干拌2 min；最后将搅拌均匀的水和减水剂的混合溶液倒入搅拌机搅拌，再湿拌2 min。直至PVA纤维在混凝土内分布较均匀，纤维混凝土的和易性达到施工需求。在搅拌完毕后，测试纤维混凝土拌合物坍落度，然后将混凝土拌合物装入试件模型内。将试件放在振动台上振动密实成型，再将试件放在室内静置24 h成型后拆除模板，同时将试件放入标准养护室中养护28 d，直至到达规定龄期后取出进行晾干。

1.4 试件尺寸与数量

混凝土抗压强度试验采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体尺寸试件，抗折强度试验采用尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件。以PVA掺量、龄期、抗压强度、抗折强度作为正交试验的4个因素安排试块。

1.5 试验方法

参考GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中规定的方法，测试混凝土拌合物的坍落度；参考CECS 13：2009《纤维混凝土试验方法标准》[5]、GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[6]中规定的方法，分别测试不同掺量混凝土在第3 d、7 d、28 d的立方体抗压强度及抗折强度，混凝土试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，3个试件为一组。

相关规定要求，试验在微机控制全自动压力试验机上进行，混凝土立方体抗压强度按照下式进行计算：

式（1）中：fcu为混凝土立方体的抗压强度，MPa；F为试件破坏时对应的荷载，N；A为试件的承压面积，mm2。

一般情况下取同组的3个试件的试验抗压强度的算数平均值作为混凝土立方体抗压强度值。但是，为了提高测试的精度，严格控制同组内试验结果，做了以下要求：如果3个试验数据中，最大值或者最小值中有一个与中间值的差值超过15%，则以中间值作为计算结果；如果最大值或者最小值与中间值的差值均超过15%，则该组试验数据视作无效。由于本次抗压强度试验中选取的试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的非标准的试件，因此还需要将上述抗压强度试验结果乘以尺寸换算系数0.95。

2 试验结果

针对不同体积掺量的PVA纤维混凝土试件进行了第3 d、第7 d、第28 d龄期的抗压、抗折试验以及坍落度试验，结果如表2、表3、表4所示。

表2 不同PVA纤维掺量混凝土在不同龄期的抗压强度

表3 不同PVA纤维掺量混凝土在不同龄期的抗折强度

表4 不同PVA纤维掺量混凝土坍落度（单位：mm）

由表2可知，在第3 d龄期时，掺PVA纤维混凝土抗压强度跟没有掺PVA纤维混凝土抗压强度相比出现了较大的波动，随着掺量的不同，PVA纤维混凝土抗压强度表现出不同的差异性。0.10%和0.25%掺量的PVA纤维混凝土抗压强度表现为正增长，特别是0.10%掺量的PVA纤维混凝土抗压强度增长了10.4%，而其他掺量PVA纤维混凝土抗压强度的表现为负增长。在第7 d龄期时，各掺量的PVA纤维混凝土抗压强度均表现为正增长，其中0.05%、0.10%、0.20%掺量的PVA纤维混凝土抗压强度增量整体高于其他掺量的PVA纤维混凝土抗压强度。0.05%、0.10%掺量的PVA纤维混凝土抗压强度增量较接近，均超过了5.5%。在第28 d龄期时，掺PVA纤维混凝土抗压强度跟没有掺PVA纤维混凝土抗压强度相比都表现了较积极的强度增长，均超过了8.5%以上的增长。尤其是0.10%掺量的PVA纤维混凝土抗压强度在28 d龄期时，抗压强度实现了11.6%的增幅，表现优于其他掺量。整体上来看，本次试验中掺加有PVA纤维混凝土在第7 d、第28 d龄期抗压强度都有不同程度的增长，由于掺加的PVA纤维含量不同，表现出了不同的差异。综合来看，0.10%掺量的PVA纤维混凝土无论龄期在第3 d、第7 d或者第28 d的抗压强度都表现较好，抗压强度出现了较稳定的抗压强度增长。

由表3可知，在第3 d龄期时，掺PVA纤维混凝土抗折强度跟没有掺PVA纤维混凝土抗折强度相比都有不同程度的增长，随着掺量的不同，PVA纤维混凝土抗折强度表现出不同的差异性。0.10%、0.15%、0.20%和0.25%掺量的PVA纤维混凝土抗折强度都变现了较高的增长。在第7 d龄期时，各掺量的PVA纤维混凝土抗折强度均表现为超过5%，其中以0.10%掺量的PVA纤维混凝土抗折强度增量达到了9.1%，较高于其他掺量的PVA纤维混凝土抗折强度。0.05%、0.15%掺量的PVA纤维混凝土抗折强度增量较接近，均超过了6.5%。在第28 d龄期时，掺PVA纤维混凝土抗折强度跟没有掺PVA纤维混凝土抗折强度相比都表现了较积极的强度增长，均超过了10%以上的增长。尤其是0.10%掺量的PVA纤维混凝土抗折强度在第28 d龄期时，抗折强度实现了27.7%的增幅，表现优于其他掺量。整体上来看，本次试验中掺加有PVA纤维混凝土在第3 d、第7 d、第28 d龄期抗折强度都有不同程度的增长，由于掺加的PVA纤维含量不同，表现出了不同的差异。综合来看，0.10%掺量的PVA纤维混凝土无论龄期在第3 d、第7 d或者第28 d的抗折强度都表现较好，好于其他掺量的PVA纤维混凝土抗折强度。出现了较稳定的抗折强度的增长。

混凝土的坍落度指标可以直接反映混凝土拌合物的和易性，规范上规定流动性混凝土的塌落度要求不小于100 mm，这样才能保障正常施工的进行。由表4可知，体积掺量为0.10%PVA纤维混凝土坍落度值为153 mm，跟基材混凝土坍落度178 mm接近，能保持较好的和易性。而其他掺量的PVA纤维混凝土，尤其是0.25%掺量的PVA纤维混凝土塌落度为49 mm，说明PVA纤维掺量对混凝土材料的和易性影响较明显。体积掺量为0.10%PVA纤维混凝土坍落度跟基材混凝土坍落度接近，表现出了较好的和易性，能够较好地满足正常施工的需求。

3 结论

PVA纤维由于亲水性好，耐酸碱，在混凝土中分散性好，能跟水泥石实现较好的粘结强度，可作为混凝土中掺加的改性材料。通过试验得出以下结论：0.10%体积掺量的PVA纤维混凝土龄期在第3 d、第7 d、第28 d的抗压强度都表现较好，抗压强度出现了较稳定的增长情况；0.10%体积掺量的PVA纤维混凝土龄期在第3 d、第7 d、第28 d的抗折强度都表现较好，好于其他掺量的PVA纤维混凝土抗折强度，并且出现了较稳定的抗折强度增长；0.10%体积掺量的PVA纤维混凝土坍落度跟基材混凝土坍落度接近，表现出了较好的和易性，能够较好地满足正常施工的需求。

无论是改善混凝土的抗压强度、抗折强度，还是保持混凝土的和易性，体积掺量为0.10%的PVA纤维混凝土表现优于其他的掺量。因此，当PVA体积掺量为0.10%时，能显著改善混凝土的抗压强度、抗折强度，保持混凝土的和易性。