戎澤斌，王 成，2

（1.塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學(xué)南疆巖土工程研究中心,新疆 阿拉爾 843300）

隨著“一帶一路”戰(zhàn)略快速推進(jìn),大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)率先啟動(dòng),混凝土仍然是最重要的工程材料之一[1]。盡管混凝土材料具有低成本和高抗壓強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也具有高脆性、低拉伸強(qiáng)度等不足之處。在諸多纖維材料中,聚乙烯醇纖維（簡稱PVA纖維）不僅具有較高的抗拉強(qiáng)度和良好的酸堿耐受性,還具有相應(yīng)的引氣效果[2],摻入混凝土后,不但可以有效地抑制混凝土的前期開裂,而且還能降低混凝土的脆性。同時(shí)PVA纖維和水泥基材在范德華力[3]的作用下提高了混凝土的韌性以及抗開裂能力[4]。因此,在混凝土中摻入適當(dāng)摻量的聚乙烯醇纖維能夠較好地提高混凝土的力學(xué)性能,聚乙烯醇纖維混凝土也將在未來工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展應(yīng)用中占據(jù)重要地位[5]。

目前,關(guān)于聚乙烯醇纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能影響的研究相對(duì)較少,而且學(xué)者們對(duì)聚乙烯醇纖維能夠提升混凝土力學(xué)性能的最佳摻量尚未達(dá)成一致。姜睿等研究發(fā)現(xiàn)[6],PVA纖維能夠顯著提高高強(qiáng)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度,最大提高幅度達(dá)46.7%,從而有效改善了高強(qiáng)混凝土的脆性。銀英姿通過對(duì)PVA纖維混凝土的力學(xué)性能及早期開裂試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)[7],摻入PVA纖維將降低混凝土的抗壓強(qiáng)度,而且隨著摻量的增加將持續(xù)降低；合理的PVA纖維摻量將提高混凝土的抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度,0.9 kg/m3摻量時(shí)抗折強(qiáng)度的提高效果最佳,提高幅度達(dá)41.9%；1.2 kg/m3摻量時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度最大,提高幅度為32.2%。張杰試驗(yàn)研究了PVA纖維混凝土的力學(xué)性能[8],結(jié)果表明,PVA纖維混凝土拌合物的坍落度相對(duì)于素混凝土拌合物的坍落度略有下降,抗壓強(qiáng)度無明顯提高,抗折強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度隨著纖維體積的摻量而增大。

本文通過不同體積摻量（0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）、相同長度（12 mm）的PVA纖維對(duì)混凝土3 d、7 d、28 d齡期時(shí)的立方體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律開展試驗(yàn)研究,并利用掃描電鏡（SEM）對(duì)各齡期的試件進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)特征分析,從而確定PVA纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能影響的最佳摻量。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用阿克蘇天山多浪有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5水泥,其相關(guān)性能指標(biāo)見表1。

表1 P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥性能指標(biāo)

骨料采用溫宿縣同順砂石料廠生產(chǎn)的骨料,粗骨料為5 mm~20 mm和20 mm~40 mm連續(xù)級(jí)配卵石；細(xì)骨料為中砂。主要性能指標(biāo)分別見表2和表3。

表2 粗骨料的性能指標(biāo)

表3 細(xì)骨料的性能指標(biāo)

PVA纖維采用上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品,PVA纖維性能指標(biāo)見表4。

表4 PVA纖維性能指標(biāo)

減水劑：阿拉爾天平建材檢測(cè)公司提供的TXS高性能減水劑。

拌合用水：阿拉爾市自來水。

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)與試件制備

結(jié)合文獻(xiàn)分析和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)可知,加入PVA纖維會(huì)導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性降低,為保證試驗(yàn)研究結(jié)果的科學(xué)性和可推廣性,將設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土拌合物的塌落度控制在（160 mm±20 mm）范圍內(nèi)。按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011）所規(guī)定的方法和步驟,確定本試驗(yàn)的配合比,見表5。水灰比為0.46,因?yàn)檫^大或過小的水灰比都將對(duì)混凝土的強(qiáng)度以及流動(dòng)性產(chǎn)生不良的影響[9]。

表5 試驗(yàn)配合比

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2016）、《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 13: 2009）的規(guī)定,立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)均采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件,抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用尺寸為150 mm×150 mm×550 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。分別制作6 種不同體積摻量（0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）的PVA纖維混凝土試件,每種摻量3組,每組制作3個(gè)試件。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用設(shè)備為：恒加載壓力試驗(yàn)機(jī)（TYE-3000A）、數(shù)顯式液壓萬能試驗(yàn)機(jī)（WES-600）、混凝土攪拌機(jī)（HJW-60型）、混凝土振搗臺(tái)、可變真空超高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（Apero S）等儀器。

1.4 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)的具體方法為：首先將1/2的石子和1/2的砂倒入攪拌機(jī)中攪拌30 s,在此過程中撒入1/3的PVA纖維；然后將剩余的砂、石子以及1/3的PVA纖維倒入攪拌機(jī)中攪拌30 s,緊接著將水泥和1/3的PVA纖維倒入攪拌機(jī)中攪拌20 s；最后,將摻有減水劑的拌合水倒入攪拌機(jī)中攪拌120 s直至拌合物成型,使混凝土達(dá)到滿足工程應(yīng)用要求的塌落度和流動(dòng)性。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 PVA纖維摻量對(duì)混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度的影響

不同摻量的PVA纖維混凝土3 d、7 d、28 d齡期時(shí)的立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值見圖1；不同摻量PVA纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度增長率見圖2。

圖1 不同摻量PVA纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

圖2 不同摻量PVA纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度增長率

由圖1~圖2可以看出,PVA纖維的摻入會(huì)降低混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度,而且摻量越大降低越多。PVA纖維摻量為0.1%、0.2%和0.3%的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度下降速率較為平緩,纖維摻量為0.4%和0.5%的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度下降速率較為急劇,其中纖維摻量為0.1%的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度下降幅度最小。由于PVA纖維的摻入具有一定的引氣效果,減弱了混凝土中膠凝材料與骨料之間的黏結(jié)力,導(dǎo)致混凝土立方體抗壓強(qiáng)度下降。同時(shí),過多的纖維摻入會(huì)明顯影響混凝土的和易性,導(dǎo)致其產(chǎn)生部分分層離析現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)纖維彎折或者成團(tuán),不易打散,破壞拌合物的均勻性,導(dǎo)致水泥基材料之間形成微小空隙,增加了其內(nèi)部的薄弱區(qū)域,致使混凝土強(qiáng)度降低。

2.2 PVA纖維摻量對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

不同摻量PVA纖維混凝土3 d、7 d、28 d齡期時(shí)的抗折強(qiáng)度實(shí)測(cè)值見圖3；不同摻量PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度增長率見圖4。

圖3 不同摻量PVA纖維混凝土的抗折強(qiáng)度

圖4 不同摻量PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度增長率

由圖3~圖4可以看出,在3 d、7 d、28 d齡期時(shí),PVA纖維摻量為0.1%、0.2%和0.3%試件抗折強(qiáng)度相較于摻量為0%的基準(zhǔn)試件的抗折強(qiáng)度一直處于上升的階段。而當(dāng)PVA纖維摻量為0.4%和0.5%時(shí),試件在3 d和7 d齡期的抗折強(qiáng)度相較于0.3%摻量試件相應(yīng)齡期的抗折強(qiáng)度有明顯的下降,但都比基準(zhǔn)試件的抗折強(qiáng)度高；28 d齡期時(shí),0.4%和0.5%PVA纖維摻量試件的抗折強(qiáng)度均較基準(zhǔn)試件的抗折強(qiáng)度低。PVA纖維提高混凝土抗折強(qiáng)度的最佳體積摻量為0.3%,相對(duì)于基準(zhǔn)試件抗折強(qiáng)度的提高幅度為3.9%。

適當(dāng)?shù)腜VA纖維摻量可以較好地提升混凝土的抗折強(qiáng)度,這是由于在裂縫形成過程中,混凝土內(nèi)部纖維間的相互搭接所形成的橋接作用使混凝土本身承受的拉應(yīng)力傳遞給了纖維,纖維所承擔(dān)的應(yīng)力增大,進(jìn)而使混凝土的抗折強(qiáng)度提高。同時(shí),過多的纖維會(huì)使混凝土的抗折強(qiáng)度下降,主要是因?yàn)镻VA纖維具有良好的吸附力,將水泥水化過程中所產(chǎn)生的微小物質(zhì)吸附,形成較小的孔隙,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變的薄脆。因此,相同摻量PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度的早期增長速率比后期的要大。

2.3 PVA纖維摻量對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

不同摻量的PVA纖維混凝土3 d、7 d、28 d齡期時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值見圖5；不同摻量PVA纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度增長率見圖6。

圖5 不同摻量PVA纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度

圖6 不同摻量PVA纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度增長率

由圖5~圖6可以看出,3 d、7 d、28 d齡期時(shí),摻量為0.1%、0.2%和0.3%的PVA纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸增大,摻量為0.3%時(shí)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度最大,達(dá)2.81 MPa,摻量為0.4%和0.5%的試件劈裂抗拉強(qiáng)度相較于摻量為0.3%的試件劈裂抗拉強(qiáng)度分別下降了11.03%和14.59%。試驗(yàn)結(jié)果表明,PVA纖維提高混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的最佳體積摻量為0.3%。從整體變化趨勢(shì)來看,PVA纖維的摻入對(duì)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度的提升較為明顯,主要是由于PVA纖維具有很強(qiáng)的拉結(jié)能力,在混凝土內(nèi)部均勻分散相互搭接,從而抑制了裂縫的生成和擴(kuò)展,有效提高了混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

3 PVA纖維混凝土宏觀破壞特征分析

3.1 不同摻量PVA纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)宏觀破壞特征分析

不同摻量PVA纖維混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度試件的破壞狀態(tài)見圖7。

圖7 不同摻量PVA纖維混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度試件破壞狀態(tài)

由圖7可以看出,0%PVA試件在距邊緣五分之一左右位置處出現(xiàn)了垂直于底邊的貫穿性裂縫,其它位置則相對(duì)完好（圖7（a））；0.1%PVA試件先從一側(cè)邊角開始破壞,其它位置處也出現(xiàn)了不同長度的微細(xì)裂縫,縫深較淺,破環(huán)程度比0%PVA試件的破環(huán)程度要嚴(yán)重（圖7（b））；0.2%PVA試件兩側(cè)同時(shí)破壞,裂縫呈對(duì)稱式,且出現(xiàn)較多豎向裂縫,破壞時(shí)間相較0.1%PVA試件的破壞時(shí)間變短（圖7（c））；0.3%PVA試件的邊角作為裂縫起始點(diǎn),逐漸向中間擴(kuò)散,裂縫變深,試件破壞嚴(yán)重（圖7（d））；0.4%PVA試件的兩側(cè)出現(xiàn)大規(guī)模破碎,表面出現(xiàn)片狀脫落（圖7（e））；0.5%PVA試件從中間開始破壞,出現(xiàn)貫穿式裂縫,整體破壞時(shí)間變短,相較于其他摻量試件,破壞程度最為嚴(yán)重（圖7（f））。

3.2 不同摻量PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)宏觀破壞特征分析

不同摻量PVA纖維混凝土28 d抗折強(qiáng)度試件的破壞狀態(tài)見圖8。

圖8 不同摻量PVA纖維混凝土28 d抗折強(qiáng)度試件破壞狀態(tài)

由圖8可以看出,0%PVA試件的破壞過程時(shí)間較短,破壞瞬間伴隨著清脆的聲音,貫穿性裂縫清晰可見（圖8（a））；0.1%PVA試件與0%PVA試件的破壞形態(tài)相似,其裂縫邊緣不平整（圖8（b））；0.2%PVA試件,破壞瞬間裂縫不明顯,沒有形成貫穿性裂縫且聲音沉悶,破壞程度相較0%PVA試件和0.1%PVA試件的破壞程度相對(duì)較輕（圖8（c））；0.3%PVA試件破壞后的裂縫寬度較窄,同時(shí)出現(xiàn)了纖維“藕斷絲連”的現(xiàn)象,破壞程度相比其他摻量試件的破壞程度最輕（圖8（d））；0.4%PVA試件的破壞時(shí)間相較于0%PVA試件的破壞時(shí)間縮短,破壞停止后沒有立即出現(xiàn)裂縫（圖8（e））；0.5%PVA試件整體破壞時(shí)間最短,破壞程度最為嚴(yán)重,破壞后沒有立即斷裂,而是通過持續(xù)加載才發(fā)生斷裂（圖8（f））。

3.3 不同摻量PVA纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)宏觀破壞特征分析

不同摻量PVA纖維混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度試件破壞狀態(tài)見圖9。

圖9 不同摻量PVA纖維混凝土28d劈裂抗拉強(qiáng)度試件破壞狀態(tài)

由圖9可以看出,0%PVA試件承壓面的裂縫寬度較深,破壞干脆利落,聲音較大（圖9（a））；0.1%PVA試件承壓面上裂縫相較于0%PVA試件承壓面上裂縫變細(xì),破環(huán)程度較輕（圖9（b））；0.2%PVA試件承壓面裂縫比0%PVA試件承壓面裂縫淺而窄,同時(shí)向兩邊延伸（圖9（c））；0.3%PVA試件承壓面上裂縫明顯變細(xì),非承壓面上的裂縫變淺,相較于其他摻量試件,試件的劈裂抗拉強(qiáng)度提升最大（圖9（d））；0.4%PVA試件破壞時(shí)間比0.3%PVA試件破壞時(shí)間用時(shí)短,同時(shí)裂縫變得明顯（圖9（e））；0.5%PVA試件與0.4%PVA試件的破壞狀態(tài)類似,同時(shí)保證了裂而不碎（圖9（f））。

4 微觀結(jié)構(gòu)特征分析

不同摻量PVA纖維混凝土試件在28 d齡期時(shí)的SEM電鏡掃描微觀結(jié)構(gòu)特征,見圖10。

圖10 不同摻量PVA纖維混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度破壞試驗(yàn)下微觀結(jié)構(gòu)特征

微觀結(jié)構(gòu)特征分析試樣來自于不同纖維摻量的混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度破壞試驗(yàn),只留置漿體包裹纖維的部分進(jìn)行觀察分析。普通硅酸鹽水泥與水發(fā)生水化反應(yīng),生成鹽結(jié)晶產(chǎn)物,PVA纖維不參與水泥水化過程,只對(duì)混凝土的強(qiáng)度及韌性產(chǎn)生影響。

由圖10 可以看出,0%PVA試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)中,可以觀察到許多微小孔洞,裂縫較細(xì)?。▓D10（a））；0.1%PVA試件內(nèi)部結(jié)構(gòu),由于PVA纖維的摻入具有一定的引氣作用,導(dǎo)致膠凝材料與骨料不能完全接觸,水泥水化過程不充分,出現(xiàn)了大量的孔洞,因而使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得不密實(shí),導(dǎo)致強(qiáng)度降低（圖10（b））；0.2%PVA試件內(nèi)部結(jié)構(gòu),纖維鏈接在裂縫上,形成了一定的橋接作用,提高了混凝土的韌性（圖10（c））；當(dāng)纖維摻量超過0.3%及以上時(shí)（圖10（d）~圖10（f））,部分C-S-H凝膠吸附在纖維表面,降低了原本由C-S-H凝膠填充的晶體（如氫氧化鈣）骨架內(nèi)部的孔隙填充率。而且,纖維摻量過多時(shí)不易分散,容易成團(tuán),導(dǎo)致漿體不能充分包裹纖維,易使纖維從漿體中脫落。再者,纖維過大的體積占有率使得混凝土內(nèi)部形成了更大的孔隙,這也是造成纖維的摻入使混凝土立方體抗壓強(qiáng)度下降的主要原因之一。

雖然PVA纖維的摻入降低了混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度,但卻對(duì)混凝土的韌性有較大幅度的提高,這是因?yàn)樵谒嗨^程中,PVA分子上的-C-OH基團(tuán)可以和水泥水化產(chǎn)物中的-OH基團(tuán)形成氫鍵并且結(jié)合,通過借助范德華力從而增加了兩種物質(zhì)的粘結(jié)。同時(shí)PVA又具有較高的彈性模量且在混凝土內(nèi)部交叉排列,形成了橋接作用,一定程度上提高了混凝土的延性。

5 結(jié)論

通過PVA不同纖維摻量對(duì)混凝土基本力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)特征的影響規(guī)律的試驗(yàn)研究,可得以下主要結(jié)論。

（1）PVA纖維摻入混凝土中會(huì)降低混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度,摻量越多,強(qiáng)度下降幅度越大。相較于0%PVA試件,摻量為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%試件的立方體抗壓強(qiáng)度下降幅度依次為1.4%、2.5%、7.9%、9.8%、15.3%。

（2）PVA纖維的摻入可以有效地提高混凝土的抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度,最佳摻量均為0.3%,相較于0%PVA試件,提高幅度分別為3.9%和22.17%。

（3）PVA纖維混凝土在抗折強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中的破壞表現(xiàn)均優(yōu)于普通混凝土的破壞表現(xiàn)。由破壞特征分析可知,PVA纖維可以有效增強(qiáng)混凝土的抗裂性和韌性,同時(shí),可提高混凝土的延性。

（4）由微觀結(jié)構(gòu)特征分析可知,混凝土中摻入過多的PVA纖維會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生較多的孔隙。橫跨在裂縫之間的纖維具有一定的橋聯(lián)作用,減小了裂縫處的應(yīng)力集中,增大了裂縫的擴(kuò)展阻力,同時(shí)對(duì)混凝土的韌性也可提供較大幫助。