聚乙烯醇纖維摻量對混凝土力學性能宏微觀破壞特征的影響

戎澤斌，王 成，2

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

隨著“一帶一路”戰略快速推進,大規模的基礎設施建設率先啟動,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度等優點,但同時也具有高脆性、低拉伸強度等不足之處。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度和良好的酸堿耐受性,還具有相應的引氣效果[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摻量的聚乙烯醇纖維能夠較好地提高混凝土的力學性能,聚乙烯醇纖維混凝土也將在未來工程基礎設施建設發展應用中占據重要地位[5]。

目前,關于聚乙烯醇纖維對混凝土力學性能影響的研究相對較少,而且學者們對聚乙烯醇纖維能夠提升混凝土力學性能的最佳摻量尚未達成一致。姜睿等研究發現[6],PVA纖維能夠顯著提高高強混凝土的劈裂抗拉強度,最大提高幅度達46.7%,從而有效改善了高強混凝土的脆性。銀英姿通過對PVA纖維混凝土的力學性能及早期開裂試驗研究發現[7],摻入PVA纖維將降低混凝土的抗壓強度,而且隨著摻量的增加將持續降低；合理的PVA纖維摻量將提高混凝土的抗折強度和劈裂抗拉強度,0.9 kg/m3摻量時抗折強度的提高效果最佳,提高幅度達41.9%；1.2 kg/m3摻量時劈裂抗拉強度最大,提高幅度為32.2%。張杰試驗研究了PVA纖維混凝土的力學性能[8],結果表明,PVA纖維混凝土拌合物的坍落度相對于素混凝土拌合物的坍落度略有下降,抗壓強度無明顯提高,抗折強度及劈裂抗拉強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纖維對混凝土3 d、7 d、28 d齡期時的立方體抗壓強度、抗折強度和劈裂抗拉強度的影響規律開展試驗研究,并利用掃描電鏡（SEM）對各齡期的試件進行微觀結構特征分析,從而確定PVA纖維對混凝土力學性能影響的最佳摻量。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

水泥采用阿克蘇天山多浪有限公司生產的P.O 42.5水泥,其相關性能指標見表1。

表1 P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥性能指標

骨料采用溫宿縣同順砂石料廠生產的骨料,粗骨料為5 mm~20 mm和20 mm~40 mm連續級配卵石；細骨料為中砂。主要性能指標分別見表2和表3。

表2 粗骨料的性能指標

表3 細骨料的性能指標

PVA纖維采用上海臣啟化工科技有限公司生產的產品,PVA纖維性能指標見表4。

表4 PVA纖維性能指標

減水劑：阿拉爾天平建材檢測公司提供的TXS高性能減水劑。

拌合用水：阿拉爾市自來水。

1.2 試驗配合比設計與試件制備

結合文獻分析和實際工程經驗可知,加入PVA纖維會導致混凝土流動性降低,為保證試驗研究結果的科學性和可推廣性,將設計強度等級為C30的混凝土拌合物的塌落度控制在（160 mm±20 mm）范圍內。按照《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011）所規定的方法和步驟,確定本試驗的配合比,見表5。水灰比為0.46,因為過大或過小的水灰比都將對混凝土的強度以及流動性產生不良的影響[9]。

表5 試驗配合比

根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2016）、《纖維混凝土試驗方法標準》（CECS 13: 2009）的規定,立方體抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗均采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標準試件,抗折強度試驗采用尺寸為150 mm×150 mm×550 mm的標準試件。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個試件。

1.3 試驗設備

本次試驗采用設備為：恒加載壓力試驗機（TYE-3000A）、數顯式液壓萬能試驗機（WES-600）、混凝土攪拌機（HJW-60型）、混凝土振搗臺、可變真空超高分辨場發射掃描電鏡（Apero S）等儀器。

1.4 試驗方法

本次試驗的具體方法為：首先將1/2的石子和1/2的砂倒入攪拌機中攪拌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纖維倒入攪拌機中攪拌30 s,緊接著將水泥和1/3的PVA纖維倒入攪拌機中攪拌20 s；最后,將摻有減水劑的拌合水倒入攪拌機中攪拌120 s直至拌合物成型,使混凝土達到滿足工程應用要求的塌落度和流動性。

2 試驗結果分析與討論

2.1 PVA纖維摻量對混凝土立方體試塊抗壓強度的影響

不同摻量的PVA纖維混凝土3 d、7 d、28 d齡期時的立方體抗壓強度實測值見圖1；不同摻量PVA纖維混凝土立方體抗壓強度增長率見圖2。

圖1 不同摻量PVA纖維混凝土立方體抗壓強度

圖2 不同摻量PVA纖維混凝土立方體抗壓強度增長率

由圖1~圖2可以看出,PVA纖維的摻入會降低混凝土的立方體抗壓強度,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力,導致混凝土立方體抗壓強度下降。同時,過多的纖維摻入會明顯影響混凝土的和易性,導致其產生部分分層離析現象,嚴重時還會出現纖維彎折或者成團,不易打散,破壞拌合物的均勻性,導致水泥基材料之間形成微小空隙,增加了其內部的薄弱區域,致使混凝土強度降低。

2.2 PVA纖維摻量對混凝土抗折強度的影響

不同摻量PVA纖維混凝土3 d、7 d、28 d齡期時的抗折強度實測值見圖3；不同摻量PVA纖維混凝土抗折強度增長率見圖4。

圖3 不同摻量PVA纖維混凝土的抗折強度

圖4 不同摻量PVA纖維混凝土抗折強度增長率

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

適當的PVA纖維摻量可以較好地提升混凝土的抗折強度,這是由于在裂縫形成過程中,混凝土內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力傳遞給了纖維,纖維所承擔的應力增大,進而使混凝土的抗折強度提高。同時,過多的纖維會使混凝土的抗折強度下降,主要是因為PVA纖維具有良好的吸附力,將水泥水化過程中所產生的微小物質吸附,形成較小的孔隙,導致混凝土內部結構變的薄脆。因此,相同摻量PVA纖維混凝土抗折強度的早期增長速率比后期的要大。

2.3 PVA纖維摻量對混凝土劈裂抗拉強度的影響

不同摻量的PVA纖維混凝土3 d、7 d、28 d齡期時的劈裂抗拉強度實測值見圖5；不同摻量PVA纖維混凝土劈裂抗拉強度增長率見圖6。

圖5 不同摻量PVA纖維混凝土的劈裂抗拉強度

圖6 不同摻量PVA纖維混凝土劈裂抗拉強度增長率

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

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度試驗宏觀破壞特征分析

不同摻量PVA纖維混凝土28 d立方體抗壓強度試件的破壞狀態見圖7。

圖7 不同摻量PVA纖維混凝土28 d立方體抗壓強度試件破壞狀態

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了垂直于底邊的貫穿性裂縫,其它位置則相對完好（圖7（a））；0.1%PVA試件先從一側邊角開始破壞,其它位置處也出現了不同長度的微細裂縫,縫深較淺,破環程度比0%PVA試件的破環程度要嚴重（圖7（b））；0.2%PVA試件兩側同時破壞,裂縫呈對稱式,且出現較多豎向裂縫,破壞時間相較0.1%PVA試件的破壞時間變短（圖7（c））；0.3%PVA試件的邊角作為裂縫起始點,逐漸向中間擴散,裂縫變深,試件破壞嚴重（圖7（d））；0.4%PVA試件的兩側出現大規模破碎,表面出現片狀脫落（圖7（e））；0.5%PVA試件從中間開始破壞,出現貫穿式裂縫,整體破壞時間變短,相較于其他摻量試件,破壞程度最為嚴重（圖7（f））。

3.2 不同摻量PVA纖維混凝土抗折強度試驗宏觀破壞特征分析

不同摻量PVA纖維混凝土28 d抗折強度試件的破壞狀態見圖8。

圖8 不同摻量PVA纖維混凝土28 d抗折強度試件破壞狀態

由圖8可以看出,0%PVA試件的破壞過程時間較短,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較輕（圖8（c））；0.3%PVA試件破壞后的裂縫寬度較窄,同時出現了纖維“藕斷絲連”的現象,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試件的破壞時間相較于0%PVA試件的破壞時間縮短,破壞停止后沒有立即出現裂縫（圖8（e））；0.5%PVA試件整體破壞時間最短,破壞程度最為嚴重,破壞后沒有立即斷裂,而是通過持續加載才發生斷裂（圖8（f））。

3.3 不同摻量PVA纖維混凝土劈裂抗拉強度試驗宏觀破壞特征分析

不同摻量PVA纖維混凝土28 d劈裂抗拉強度試件破壞狀態見圖9。

圖9 不同摻量PVA纖維混凝土28d劈裂抗拉強度試件破壞狀態

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,破環程度較輕（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,同時向兩邊延伸（圖9（c））；0.3%PVA試件承壓面上裂縫明顯變細,非承壓面上的裂縫變淺,相較于其他摻量試件,試件的劈裂抗拉強度提升最大（圖9（d））；0.4%PVA試件破壞時間比0.3%PVA試件破壞時間用時短,同時裂縫變得明顯（圖9（e））；0.5%PVA試件與0.4%PVA試件的破壞狀態類似,同時保證了裂而不碎（圖9（f））。

4 微觀結構特征分析

不同摻量PVA纖維混凝土試件在28 d齡期時的SEM電鏡掃描微觀結構特征,見圖10。

圖10 不同摻量PVA纖維混凝土28 d立方體抗壓強度破壞試驗下微觀結構特征

微觀結構特征分析試樣來自于不同纖維摻量的混凝土28 d立方體抗壓強度破壞試驗,只留置漿體包裹纖維的部分進行觀察分析。普通硅酸鹽水泥與水發生水化反應,生成鹽結晶產物,PVA纖維不參與水泥水化過程,只對混凝土的強度及韌性產生影響。

由圖10 可以看出,0%PVA試件內部結構中,可以觀察到許多微小孔洞,裂縫較細小（圖10（a））；0.1%PVA試件內部結構,由于PVA纖維的摻入具有一定的引氣作用,導致膠凝材料與骨料不能完全接觸,水泥水化過程不充分,出現了大量的孔洞,因而使得混凝土內部結構變得不密實,導致強度降低（圖10（b））；0.2%PVA試件內部結構,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））；當纖維摻量超過0.3%及以上時（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）骨架內部的孔隙填充率。而且,纖維摻量過多時不易分散,容易成團,導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度,但卻對混凝土的韌性有較大幅度的提高,這是因為在水泥水化過程中,PVA分子上的-C-OH基團可以和水泥水化產物中的-OH基團形成氫鍵并且結合,通過借助范德華力從而增加了兩種物質的粘結。同時PVA又具有較高的彈性模量且在混凝土內部交叉排列,形成了橋接作用,一定程度上提高了混凝土的延性。

5 結論

通過PVA不同纖維摻量對混凝土基本力學性能及微觀結構特征的影響規律的試驗研究,可得以下主要結論。

（1）PVA纖維摻入混凝土中會降低混凝土的立方體抗壓強度,摻量越多,強度下降幅度越大。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度和劈裂抗拉強度,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度試驗和劈裂抗拉強度試驗中的破壞表現均優于普通混凝土的破壞表現。由破壞特征分析可知,PVA纖維可以有效增強混凝土的抗裂性和韌性,同時,可提高混凝土的延性。

（4）由微觀結構特征分析可知,混凝土中摻入過多的PVA纖維會導致其內部產生較多的孔隙。橫跨在裂縫之間的纖維具有一定的橋聯作用,減小了裂縫處的應力集中,增大了裂縫的擴展阻力,同時對混凝土的韌性也可提供較大幫助。