PVA-鋼纖維混凝土材料力學與抗震性能研究綜述

鐘 晨 ，王 穎 ，朱旭峰

（1.安徽新華學院，安徽 合肥 230088;2..建筑結構安徽省普通高校重點實驗室（安徽新華學院）,安徽 合肥 230088;3.中國能源集團安徽電力建設第一工程有限公司，安徽合肥230088）

1 引言

與普通混凝土相比，在混凝土中摻加不連續的鋼纖維，由于鋼纖維的橋接作用，其抗拉性能和抗彎性能大大提高[1-3]。但是隨著位移的增加，裂縫持續延伸，鋼纖維增強混凝土（FRC）不能承受沿裂縫產生的壓力。因此只摻加一種類型纖維（鋼纖維或PVA纖維）只能單一片面的提高混凝土基體材料的強度或者韌性[4-5]。本文研究的PVA-鋼纖維混凝土 (PVA-Steel Fiber Reinforced Concrete)采用高彈模的鋼纖維與高韌性的聚乙烯醇PVA纖維正效應混雜（圖1），在不同開裂層次和受荷階段發揮協同效應，在適當摻量下將同時具有優良的強度、韌性、耐久性等[6]，從而提高混凝土結構的抗震性能。

圖1 鋼纖維和PVA纖維Fig.1 Steel fiber and PVA fiber

為PVA-鋼纖維混凝土在實際工程中的推廣和研究應用提供理論基礎，本文先簡要介紹PVA-鋼纖維的各項力學性能，并與單一纖維（鋼纖維或PVA）混凝土材料進行對比；再對PVA-鋼纖維混凝土構件和結構的抗震性能研究進行系統歸納；最后對PVA-鋼纖維結構的后續有待研究工作提出合理建議。

2 PVA-鋼纖維材料特性

從纖維與混凝土基體的微觀來看，當基體產生裂縫后，纖維橋接了開裂處的基體，避免裂紋急增，并將應力和能量傳遞給附近未開裂基體，使復合基體仍保持整體性不致發生分離[7]；而從宏觀來看，分屬小直徑PVA纖維（d＜0.1mm）和大直徑鋼纖維可以在不同強度等級和開裂層級上抑制裂縫的產生和擴張，不會發生基體“一裂就壞”的脆性特征[8]。因此，混雜纖維增強混凝土表現出阻裂和增韌的雙重作用，即基體的多微裂縫穩定開展和應變硬化性能[9-11]。

2.1 PVA-鋼纖維的彎曲性能

Ahmed等[12-13]在纖維總摻量2.5%條件下，將一種長度13mm的鋼纖維 （d=0.2mm）與長度12mm的PVA（d=0.04mm）按照不同比例混雜，得到混雜纖維混凝土的抗彎強度與鋼纖維摻量成正比的關系結論，觀察到破壞呈現多裂縫穩定開展的特點。Chen等[14]控制纖維總摻量2%，通過將類似長度鋼纖維依次與長度6、10、12 mm的PVA纖維（d=0.012mm）按照1:1比例摻入高強混凝土基體的試驗，對比不同纖維尺寸對抗彎力學性能正混雜效應的影響，研究表明，采用長度6mm的PVA混雜時基體的抗彎強度和韌性都有顯著提高。

Nemkumar，鄧宗才等[15]基于美國ASTMC1018方法通過PVA-鋼纖維混凝土梁的三分點加載試驗，發現層布式纖維能更顯著的提高混凝土梁的韌性指數I5、I10和I30；相比較于摻入單一纖維，復摻浪形圓絲鋼纖維（體積率1.5%，長徑比55.6）和長度15mm的PVA纖維 （1.0-1.3kg/m3）時梁的荷載-撓度曲線的峰后韌性指數I30提高最大約30%；隨后進行混雜纖維混凝土的沖擊荷載試驗中，又研究得到1.3kg/m3的PVA摻量具有最優的抗彎沖擊性能，但延性提高并不明顯[16]。

徐安花[17]通過水膠比（0.30、0.35、0.40）和纖維含量（0、1.0%、1.5%）的對比調整，研究其對PVA-鋼纖維混凝土復合材料彎曲韌性的影響，結果表明隨著纖維總摻量的增加呈現出良好的韌性增強和應變硬化現象；混雜PVA-鋼纖維比單摻PVA的混凝土基體效果更好，如表1所示。

表1 纖維摻量1.5%相對摻量1.0%的I5增長率[17]Table 1 The improving percentage of I5with fiber content change from 1.5% to 1.0%

劉傳科[18]研究了 45kg/m3和90kg/m3的成排端鉤形鋼纖維分別與1.3 kg/m3的PVA的混雜，四點彎曲試驗表明混摻纖維后梁的抗彎強度和增韌效果均優于單一纖維，表現出應變硬化的特征。同年，李風雷[19]用同樣的試驗方法，發現混凝土基體、鋼纖維(體積率 0.8%)和 PVA（體積率0.1%）三者的協同作用明顯提高試件的延性、耗能能力和增韌性能；但是在相同的纖維體積總量下，PVA的摻入降低了梁的初裂強度和抗折強度。

于婧[20]通過18組PVA-鋼纖維混凝土的抗折試驗，在不同砂膠比、纖維摻量和配合比例下研究基本力學性能以及混雜機理，試驗表明：兩種纖維混摻減小了混凝土的流動性，PVA的摻入量增加會提高纖維混凝土的抗折強度和韌性（基于日本JSCE－SF4法的評價指標FT及韌度因子σ）。在纖維總體積量1.75%的條件下，最優的配比組合是鋼纖維1.25%和PVA0.5%，相比于單一鋼纖維混凝土具有40%-60%左右的抗折強度漲幅和46%左右的韌性提高，說明PVA-鋼纖維混凝土更趨于發生應變硬化效應和延性破壞。

劉賓[21]通過試驗在不同的纖維總體積摻量0.2%、0.4%、0.8%下，以單摻和復摻的方式（PVA比鋼纖維為1:3,1:6,1:9）研究了PVA-鋼混雜纖維混凝土的彎曲力學性能。當纖維總體積為0.2%（1:9）、0.4%（1:6）、0.8%（1:3） 時 C40 混凝土基體的抗彎強度增大明顯，其中0.8%對應的纖維比例1:3時漲幅最大達到26.7%。但由于PVA的強度較鋼纖維要弱，且纖維摻量過低時考慮不能與基體有效充分粘結，所以混摻的增強效果也出現有降低或損失趨勢，所以在不同的總摻量下兩種纖維需進行配合比設計才能得到正效應纖維增強混凝土材料。

圖2 抗彎強度試驗曲線[21]Fig.2 Bending strength test curve

王振波[22]在體積含量恒定1.7%的PVA纖維混凝土體系中混摻0.3%、0.6%、1%三種體積含量的細短鋼纖維后進行三點抗彎試驗，數據結果表明PVA-鋼混雜纖維混凝土的抗彎強度、延性性能與鋼纖維體積摻量成正比相關，尤其針對低水膠比混凝土基體材料（M0.25），即增強效果也隨著混凝土基體強度的提高而越加明顯；并且找到小于2.7%總纖維含量下，影響纖維混雜復合材料的最優彎曲性能的鋼纖維體積摻量在0.3%-0.6%之間。最后基于試驗結果建立斷裂力學模型研究了梁高度變化（50mm、100mm、150mm）和纖維混摻比例對梁抗彎性能的影響，發現混雜纖維混凝土材料的抗彎強度隨著梁高的減小而逐漸增大，且混凝土基體越強提高的效果越明顯。

萬世強[23]進行了PVA-鋼纖維的靜態力學性能和抗沖擊特性研究，試驗表明，保持PVA纖維摻量不變（1.5%或2%）的條件下，提高鋼纖維摻量能有效提高混凝土基體的抗彎強度，且結合試驗數據找到了彎曲韌性表現良好的三種纖維配合比，0.5% PVA+1.5%鋼纖維、1.5 PVA+1%鋼纖維、2% PVA+2%鋼纖維，但只有1.5% PVA+1%鋼纖維混凝土破壞時呈現多縫開裂，應變硬化的特點。另外進行的低速落錘式抗彎沖擊試驗，也進一步驗證了最優纖維配合比的明顯優勢。

2.2 PVA-鋼纖維的壓縮性能

海然[24]在總摻量0.5%、0.75%、1%、1.25%、1.5%下，將鋼纖維和PVA按照五種比例1:1、2:1、3:1、4:1、5:1混摻于超高強混凝土基體中，分析研究得到，對比相同纖維總量下的單一鋼纖維混凝土材料，PVA-鋼纖維混雜混凝土材料的折壓比和拉壓比分別提高37%和22%，兩種纖維在改善材料脆性、增強韌性方面相互協同。劉傳科[18]也分析出PVA（長度12mm、直徑0.014mm）與成排端鉤形鋼纖維（長度30mm，直徑0.5mm）的混雜對梁的抗壓強度的提高影響。

王振波[22]的立方體抗壓試驗可以得到，PVA-鋼纖維混凝土復合材料的抗壓強度受混凝土基體的不同水膠比（M0.25、M0.35、M0.45、M0.55）影響顯著，且隨著水膠比的降低和養護齡期的增長呈現抗壓強度分級增強現象；對比于1.7%的單一PVA纖維混凝土，三種細短鋼纖維0.3%、0.6%、1%體積含量混摻后對抗壓強度和峰值應變總體有提高作用，但最大漲幅僅有10%，說明增強效果并不明顯。時術兆[25]參照《鋼纖維混凝土試驗方法》將鋼纖維與PVA按照混雜比例摻入混凝土中，也得到隨著水膠比減少基體的壓縮強度持續增大的結論，觀測到當水膠比為0.12（養護溫度不大于400℃）時，PVA-鋼纖維混凝土可以達到333.4MPa的高強度。

于婧[20]進行的PVA-鋼纖維混凝土抗壓試驗表明：混雜纖維混凝土受壓破壞時相比于單一鋼纖維混凝土，過程緩慢且有更多的細微裂縫開展，延性更好；PVA的過多摻入會降低纖維混凝土的抗壓強度，在纖維總體積量1.75%的條件下，提高抗壓強度的正混雜效應是鋼纖維1.5%和PVA0.25%，超過同樣1.75%的單一鋼纖維混凝土；而負混雜效應是鋼纖維1.25%和PVA0.5%，甚至會低于混凝土基體的抗壓強度。劉賓[21]抗壓強度試驗曲線圖3表明：當纖維總體積為0.8%時，PVA與鋼纖維混雜比例為1:9試件的抗壓強度最大，混凝土基體強度最大漲幅有15.3%。單一纖維試件PC和SC隨著纖維含量的增加，抗壓強度卻呈現出下降趨勢，這是由于過多的纖維摻入會破壞混凝土原有的空間架構從而使強度增大受限；而復摻纖維試件由于加入高韌性和小直徑的PVA纖維的粘合作用和纖維間的協同疊加機理，能在抗壓強度降低后出現再增強的趨勢。

圖3 抗壓強度試驗曲線[21]Fig.3 Compressive strength test curve

丁彥江[26]開展纖維體積摻量為2%的PVA-鋼纖維混凝土在四種配合比條件下抵抗靜態壓縮、單次和多次動態沖擊壓縮的力學性能。首先通過對12個0.7mm×70.7mm×70.7mm標準立方體尺寸試件的準靜態抗壓試驗，得到纖維的摻入對混凝土基體材料準靜態抗壓強度的增強不明顯的結論，但混雜纖維混凝土的破壞形態為多裂縫展開，改善了脆性破壞特征；再對不同配合比的φ70mm×35mm圓柱體試件進行五個氣壓值下的單次、反復動力SHPB試驗，得出了在不同峰值應變率下的纖維混凝土動態壓縮應力-應變關系。研究發現單次沖擊荷載作用下，鋼纖維對基體動態抗壓強度增強作用明顯，但總體上纖維混凝土動態抗壓強度仍低于素混凝土在同等條件下的強度，而PVA對混凝土基體峰值應變的提高效果顯著，即耗能和延性性能良好；最后推薦PVA與鋼纖維的摻入配合比為1:1時材料能獲得最優異的抗沖擊能力，破壞時僅有少量的細微裂痕，殘余強度高，整體裂而不散，說明PVA-鋼纖維混凝土可作為防護工程的優選材料。

萬世強[23]采用分離式Hopkinson壓桿開展了PVA-鋼纖維混凝土的SHPB高速沖擊試驗，研究不同纖維摻量對于混雜纖維混凝土動態抗壓強度的影響，試驗表明，所有纖維混凝土試件的動態抗壓強度均大于靜態抗壓強度，其中1.5PVA+1%鋼纖維混凝土強度最大達到103.4MPa，且鋼纖維的摻入能明顯提高動態抗壓強度。魏金源[27]對邊長為70.7mm的立方體PVA-鋼纖維混凝土進行落錘沖擊試驗，對比單一纖維混凝土來研究纖維摻量變化對基體屈服強度和剛度的影響，分析得到當鋼纖維2%和PVA0.1%～0.15%混雜時，混凝土強度均大于單一纖維混凝土且抗沖擊性能提升顯著，因此建議PVA摻量不宜超過0.2%。

2.3 PVA-鋼纖維的軸拉和劈拉性能

Lawler等[28-29]采用彎鉤型鋼纖維 （直徑0.5mm、長度30 mm）與微細 PVA纖維 （直徑0.014 mm、長度12mm）按照1:1摻入混凝土基體中，軸拉試驗發現，混雜體系混凝土的抗拉強度要高于單摻纖維體系，控制裂縫寬度能力也更強，表現出高延性和高韌性。黃俊[30]通過混雜纖維砂漿軸向拉伸試驗，得到PVA-鋼纖維混凝土的拉伸全應力應變曲線，分析表明PVA-鋼纖維混凝土的抗拉強度有較大提高，且具有明顯的阻裂增韌特征。

劉賓[21]試驗得到劈裂抗拉強度試驗曲線（圖4）表明，在纖維總體積小于0.8%時，PVA與鋼纖維混雜比例1:9時的強度由于鋼纖維的邊壁效應和PVA的分散粘結呈現穩定持續增長，劈裂抗拉強度漲幅最大有13%。而另兩種1:3和1:6混雜比例的基體則呈現出增強再降低的趨勢，為復合纖維材料的摻入配合比例提出一些參考。

圖4 劈裂抗拉強度試驗曲線[21]Fig.4 Split tensile strength test curve

王振波[22]的軸拉試驗表明，當PVA摻入量恒定1.7%時，隨著鋼纖維0.3%、0.6%、1%摻入量的增加，PVA-鋼纖維材料比單一纖維具有更高的開裂強度和抗拉強度，且拉應變能力普遍穩定在3%以上，應變硬化特征愈加明顯，如圖5所示，符合ECC材料的典型表現[9]。當鋼纖維不大于0.6%時，極限拉應變與鋼纖維摻入量正向相關，這也與抗彎試驗得到 “最優混雜纖維配合比”有著相統一的結論。另外，基于細觀力學原理研究試驗開裂形態圖片可知，鋼纖維則能極好的控制裂縫擴展，當鋼纖維摻量為1%時，材料的平均裂紋寬度僅有0.027-0.06mm，大大改善材料的抗滲透性和耐久性能。

2.4 PVA-鋼纖維的耐久性能

王振波[22]基于細觀力學原理研究PVA-鋼纖維混雜混凝土材料在軸拉試驗中的開裂形態圖，發現鋼纖維的摻入能極好的控制裂縫擴展，當鋼纖維摻量為1%時，材料的平均裂紋寬度僅有0.027-0.06mm，從而大大改善材料的抗滲透性和耐久性能。

劉賓[21]則通過研究抗氯離子滲透性來評價PVA-鋼纖維混雜混凝土的耐久性能，結果發現在纖維總體積摻量0.2%、0.4%、0.8%的條件下，PVA與鋼纖維混雜比例為1:6試件的抗滲性能最好，明顯優于其他單一纖維混凝土材料。

蔣威[31]在60天和120天海水腐蝕環境下研究PVA-鋼纖維混凝土的力學性能，結果表明PVA纖維抗氯離子腐蝕的能力要優于鋼纖維，在腐蝕的任何齡期內，尤其在腐蝕后期，PVA-鋼混雜纖維混凝土較單一鋼纖維混凝土具有更好的密實性，能提高基體的抗壓強度和劈裂抗拉強度。

2.5 PVA-鋼纖維的本構關系

崔昭[32]考慮PVA與鋼纖維混雜的增強、增韌和應變率效應，通過動態壓縮試驗提出了改進的HJC動態本構屈服面方程，并通過PVA-鋼纖維混凝土沖擊響應的有限元數值模擬驗證了所得本構關系的有效性。

張聰[33]等基于拉伸應力-應變曲線軟化段，提出一種新的PVA-鋼混雜纖維單軸拉伸本構關系模型，并通過拉伸性能試驗證明該模型具有合理性。

圖5 M0.25水膠比下混雜纖維28天軸拉應力應變曲線[22]Fig.5 The 28-day axial tensile stress-strain curve of hybrid fiber concrete

3 PVA-鋼纖維混凝土結構抗震性能

綜合上述的PVA-鋼纖維混凝土材料的力學性能，在合適的纖維摻量和混雜比例下基體的增強增韌效果顯著，尤其針對抗拉、抗彎強度和改良材料的脆性破壞方面，兩種纖維混雜的效果要優于單一纖維（鋼纖維或PVA）摻量的混凝土材料。國內外對于單一纖維（鋼纖維、PVA纖維、聚丙烯纖維等）增強混凝土結構抗震已有較為全面的研究，而混雜纖維混凝土框架抗震性能的研究相對較小范圍。為從纖維混凝土復合材料層面來改善結構的抗震性能并將其推廣應用，文中逐一歸納PVA-鋼纖維混雜構件和節點的力學性能研究。

3.1 PVA-鋼纖維混凝土梁

梁的力學性能直接影響結構的抗震性能。楊璐[34]開展了PVA-鋼纖維自密實梁的斜截面抗剪試驗，考慮纖維總體積摻量、PVA-鋼纖維配合比及箍筋間距等因素共設計了12個試件，包括了2個單一纖維混凝土和1個普通混凝土試件。結果表明：PVA-鋼纖維梁較單一PVA纖維梁能提高開裂荷載30%左右，但與纖維總體積摻量關系不明顯；當箍筋間距200mm、纖維總體積摻量1%時，三種混雜比例下PVA-鋼纖維梁A4、A5、A6的極限荷載均高于單一鋼纖維梁A2和單一PVA纖維梁A3，且混雜比例均為1:1的PVA-鋼纖維梁A5和A8表現出明顯的荷載增強效應，如圖6－1所示；而箍筋間距150mm、混雜比例1:1時，隨著纖維總體積摻量0.8%、1%、1.2%、1.4%的增加，對應的混雜纖維梁 A10、A8、A11、A12 的極限荷載反而有降低趨勢，如圖6－2所示。

圖6－1 不同混雜比例梁的極限荷載圖（單位：kN）[34]Fig.6－1 Effect of different hybrid ratio on selfcompacting concrete（Unit：kN）

圖6－2 不同纖維體積摻量梁的極限荷載圖（單位：kN）[34]Fig.6－2 Effect of different volume content on selfcompacting concrete（Unit：kN）

此外，試驗通過對PVA-鋼纖維自密實混凝土梁的極限剪力-跨中撓度曲線（如圖7所示）分析可知，與極限荷載相類似，當箍筋間距200mm、纖維總體積摻量1%時，混雜比例均為1:1的PVA-鋼纖維梁A5和A8極限位移值最大，尤其對比于僅摻入鋼纖維的梁A2，梁的變形能力增強20%；而箍筋間距150mm、混雜比例1:1時，隨著纖維總體積摻量0.8%、1%、1.2%、1.4%的增加，對應的混雜纖維梁 A10、A8、A11、A12 的極限位移值亦影響不大，如圖7所示。

圖7 不同纖維體積摻量梁的剪力-撓度曲線[34]Fig.7 Shear-deflection curve of beam on different volume content

研究最后對比了3根僅在下部摻入PVA-鋼纖維（1:1）纖維梁的抗剪承載力，分析表明梁底部分摻入混雜纖維比全部摻入會使極限荷載平均下降5.6%，但仍可以提高梁的整體延性。

3.2 PVA-鋼纖維混凝土節點

梁柱連接構件是框架結構在地震作用下最容易受損的薄弱部分，出現在節點核心區以及梁端和柱端區域的破壞現象居多，節點的失效會使整個結構產生嚴重破壞且難以加固修復。為完善PVA-鋼纖維混凝土框架的抗震性能研究，下面總結出已有的研究成果。

崔明、韓建平等[35-36]開展PVA-鋼纖維混凝土結構在低周反復荷載下的擬靜力試驗，各試件參數見表2，包括6個不同混雜比例的PVA-鋼纖維混凝土框架中節點試件和2個單一纖維混凝土構件，研究了在低軸壓比條件下，混雜纖維中節點的滯回曲線、骨架曲線、耗能延性以及纖維配合比對框架節點抗震性能的影響。

表2 試件參數[33]Table 2 Specimen parameters

試驗發現：PVA-鋼纖維混凝土試件隨著位移的增加梁端塑性鉸區出現細微裂縫并持續有新裂縫產生，單一PVA纖維混凝土試件因強度不足在加載位移達到85mm時出現保護層混凝土輕微破碎，而混雜纖維混凝土試件在加載位移最大125mm時仍沒有發生保護層剝落現象，節點區有較好的完整性；此外通過試件破壞裂縫圖8和梁端荷載-位移滯回曲線可知，PVA纖維定量時，隨著鋼纖維摻量的增加，混雜纖維混凝土節點區貫穿X型主裂縫的形成和寬度都能得到延緩和限制，而反之鋼纖維定量時PVA摻量的增加對改善開裂性能并不明顯。

圖8 PVA纖維摻量1%試件破壞圖[33]Fig.8 Specimen failure diagram with 1% PVA fiber content

普通混凝土梁RC-1和PVA-鋼纖維混凝土梁SECC-8～SECC-10的滯回曲線如圖9所示，混雜纖維梁的滯回曲線飽滿，耗能能力明顯優于普通混凝土梁和單一PVA纖維混凝土梁，其中試件SECC-6與ECC-4相比累計耗能漲幅高達60%-90%，但是PVA摻入量恒定時，鋼纖維摻量的增加卻沒能有效的提高其耗能能力，對調后亦然；最后通過比較各試件的位移延性系數得到PVA-鋼混雜纖維最優總摻量約為2%。

圖9 荷載-位移滯回曲線[33]Fig.9 Load-displacement hysteretic curve

4 結論與展望

綜上所述，PVA-鋼纖維混凝土是一種受力性能優異的纖維增強混凝土復合材料，開展有較多的力學試驗研究，總結成果如下，

（1）PVA-鋼纖維混凝土在拉伸荷載作用下，鋼纖維能 “幫助”PVA纖維在裂紋間更好地發揮橋接作用，進而有效的控制裂縫寬度，總體上能夠增強混凝土的抗拉強度和提高延性。

（2）PVA-鋼纖維混凝土受到靜態和動態壓縮作用時，抗壓強度提高有一定的限制，但改善了混凝土脆性破壞特征。其中鋼纖維和PVA分別在材料強度和延性能力兩方面貢獻作用明顯，同時注意控制PVA的極限摻入量。

（3）PVA-鋼纖維混凝土在彎曲作用下，基體材料的抗彎強度和韌性都有顯著提高，且破壞時不會發生混凝土基體剝落現象保持有完整性。

當前尚有如下重要科學問題亟待解決：①需要建立較為統一的靜、動態荷載作用下PVA-鋼纖維的本構關系模型。②開展PVA-鋼纖維構件梁的抗彎性能和柱的抗震性能的力學研究。③探討PVA-鋼纖維混凝土節點區域的受力機理并進行有限元模擬分析。基于低周反復荷載試驗，研究核心區配箍率等參數對混雜纖維混凝土框架結構節點試件的滯回特性、承載能力、耗能延性、剛度變化和破壞形態的影響。④整體分析PVA-鋼纖維混凝土結構在地震作用下的延性性能。纖維的摻入能提高構件的位移延性系數，改善混凝土結構的脆性破壞特征，但軸壓比、纖維摻量（單一或復摻）、箍筋配箍率等因素對PVA-鋼纖維混凝土框架結構延性性能的影響規律，還有待試驗和有限元軟件的非線性靜力研究和地震作用下的動力時程分析。