梁騰飛，楊瑞娟，趙偉

(西安交通工程學院，土木工程學院，陜西 西安 710300)

0 引言

混凝土作為一種施工過程簡便、成本以及環(huán)境友好的建筑工程材料，目前已在軟土施工、道路加固等方面獲得了廣泛使用[1-2]。但考慮到混凝土的力學強度偏低并且缺乏良好驗證性，已有學者開展纖維加筋混凝土測試，結果顯示設置連續(xù)纖維加筋結構后可以顯著降低豎向變形程度，經(jīng)對比還可以發(fā)現(xiàn)，設置土工格柵結構后，可以使豎向變形相對添加纖維方式的強度提高了近兩倍[3-5]。同時加入連續(xù)纖維進行增強后則能夠降低62%～75%的墻面橫向載荷作用，結果顯示可以通過在混凝土中添加適量纖維的方式來增強力學強度，同時提升抗壓縮變形能力[6-8]。目前，纖維加筋混凝土獲得了眾多學者的密切關注。

本文通過加入纖維制備復合混凝土結構來實現(xiàn)加固效果，并以聚乙烯醇(PVA)纖維組成加筋結構，深入分析了PVA纖維引起的混凝土力學特性變化及其變形機制，最后開展了顯微增強機理方面的研究。

1 試驗

1.1 試樣制備

從工地基坑中采集得到粉土，其中，取樣位置距離地表深度為3 m。表1給出了粉土的各項物理性能參數(shù)測試結果。

表1 粉土的基本性質(zhì)

PVA纖維來自日本可樂麗公司，分別對纖維長度、摻入量、齡期進行了測試，設定纖維長度介于3～12 mm，纖維摻量從0提高至1%。以獅頭牌PO42.5硅酸鹽水泥作為測試水泥。

表2 PVA纖維力學性能

1.2 無側(cè)限抗壓強度試驗

無側(cè)限抗壓強度表示試樣不受側(cè)向限制條件下可以達到的軸向壓力極限抵抗程度。利用電子萬能測試機表征試樣的無側(cè)限抗壓強度，之后再利用以下式子進行計算：

F=P/A

其中F表示無側(cè)限抗壓強度，A表示立方結構試樣橫截面，P表示試樣發(fā)生破壞時對應的荷載。

選擇TM-3000掃描電鏡對混凝土進行了微觀形貌表征。

2 試驗研究

2.1 應力-應變曲線

圖1是對纖維混凝土進行無側(cè)限抗壓測試得到的力學性能曲線，可以明顯看到，PVA纖維混凝土在測試過程中不同時間段內(nèi)形成了具有不同變化特征的應力-應變曲線。

圖1 不同PVA纖維混凝土的應力-應變曲線

最初的壓密過程中，纖維混凝土主要承受豎向的荷載作用，形成了具有上凸結構的應力-應變曲線，此時應變相對應力發(fā)生了更快變化。這是因為采用振蕩成型方式制得的纖維混凝土塊缺乏高壓實度，因此會引起孔隙與裂紋缺陷的產(chǎn)生[9]。

之后進入彈性變形過程，此時豎向荷載進一步提高，土顆粒以及水泥水化后形成的結構受力發(fā)生變形，水泥膠體只產(chǎn)生輕微黏性流動，同時微裂縫數(shù)量也明顯減少，形成了具有正比例特征的應力-應變關系。

進入塑性變形過程后，豎向荷載達到約0.75倍的峰值。此時混凝土受到豎向荷載作用后在試塊中產(chǎn)生塑性變形。這時應力與應變之間不再保持線性變化的關系，應力相對應變的變化更快。

最后進入破壞階段，此時纖維混凝土中形成峰值應力，引起裂縫快速生長，對混凝土內(nèi)部組織造成了明顯破壞，導致荷載傳力途徑持續(xù)損壞。

2.2 纖維摻量優(yōu)化

圖2顯示了在各齡期下加入不同含量PVA纖維時的試樣無側(cè)限抗壓強度測試結果。加入低于0.75%的PVA纖維條件下，逐漸提高纖維摻量后，無側(cè)限抗壓強度也隨之增大；加入0.75%的纖維后，PVA纖維混凝土獲得了最大無側(cè)限抗壓強度；進一步增大纖維含量至1%時，則發(fā)生了無側(cè)限抗壓強度減小的的現(xiàn)象。而在加入12 mm長的PVA纖維時則表現(xiàn)出了不同的變化規(guī)律，此時隨著纖維含量的提高，無側(cè)限抗壓強度也持續(xù)先上升，之后趨于平穩(wěn)，后文略微下降。以上測試結果表明，PVA纖維含量并不是越多越好，根據(jù)不同的纖維長度分別存在一個合適的摻量，其中，9 mm以內(nèi)的纖維最佳摻入量是0.75%，長度12 mm的纖維最佳摻入量則是1%。

圖2 不同PVA纖維摻量的混凝土無側(cè)限抗壓強度分布

對混凝土施加豎向荷載作用時，會引起試樣沿軸向壓縮以及沿橫向膨脹的結果。纖維素混凝土發(fā)生軸向長度變短后，同時產(chǎn)生了橫向擴張，從而引起雙剪切脆性破壞的結果[10]。當在混凝土中加入PVA纖維后，試樣在橫向膨脹過程中會對環(huán)向纖維造成拉伸作用，之后纖維又可以對試樣產(chǎn)生約束反作用，從而減小試樣橫向上的膨脹程度，由此獲得更高抗壓強度。

2.3 纖維長度優(yōu)化

圖3為不同長度的PVA纖維下混凝土無側(cè)限抗壓強度。結果顯示，保持同樣的纖維摻量時，隨著纖維長度發(fā)生變化后，混凝土無側(cè)限抗壓強度也存在明顯差異。在纖維加入量為0.75%的條件下，長度從3 mm逐漸提高到12 mm時，抗壓強度發(fā)生了先增大達到26%時又逐漸降低至10.1%的過程。其中，纖維長度為6 mm時達到了最大無側(cè)限抗壓強度，因此6 mm是最佳纖維長度。

圖3 不同PVA纖維長度的混凝土無側(cè)限抗壓強度分布

PVA纖維能夠提高混凝土的無側(cè)限抗壓強度，是因為纖維可以對混凝土產(chǎn)生黏附力并限制土體沿橫向發(fā)生膨脹變形的情況，使土體形成不同的應力狀態(tài)。加入較短的纖維時，纖維和土體間只形成很小的黏結與摩擦作用，從而引起纖維和土體間更易出現(xiàn)滑動，降低了纖維對混凝土約束效果，無法實現(xiàn)抗壓強度的顯著提升。適當增加纖維長度后，有助于纖維和土體間形成更大接觸面，由此提高了相互間的黏結作用與摩擦阻力。進一步增加纖維長度后，將更易出現(xiàn)纖維纏繞與打結的結果，從而無法保證纖維和混凝土間形成良好接觸狀態(tài)，使長度增加，受纖維纏繞因素的影響，隨著其長度的增加，發(fā)生了“有效長度”降低的情況[11]，以上現(xiàn)象最終都降低了纖維和混凝土的黏結和摩擦作用。

2.4 加固機理

圖4給出了PVA纖維與混凝土粘結界面微觀圖。根據(jù)圖4可知，PVA纖維在混凝土中形成了充分包裹狀態(tài)。在水泥發(fā)生凝結硬化的過程中產(chǎn)生收縮作用，這使得PVA纖維受到混凝土的緊密包裹作用，使纖維受到與摩擦面呈現(xiàn)垂直方向的壓應力。隨著該壓應力的提高，PVA纖維與混凝土之間在相對運動過程中便會產(chǎn)生更大摩擦作用力。同時因為PVA纖維表面形成了粗糙的結構，有助于纖維和接觸介質(zhì)之間獲得更大作用力。

圖4 PVA纖維與混凝土粘結界面微觀圖

試樣受到豎向壓力作用產(chǎn)生橫向膨脹，從而對四周纖維造成拉力作用，這些纖維通過反作用對混凝土膨脹起到了限制作用。隨著外部施加的載荷作用超過臨界值后，PVA纖維便會和混凝土之間出現(xiàn)相對滑動，從而形成摩阻力并對滑動過程起到制約作用[12]。由于纖維和混凝土形成“錨固區(qū)”組成的摩擦作用(圖5)，從而達到提升混凝土力學強度并改善試樣脆性。纖維和混凝土存在強度不匹配的情況，當混凝土發(fā)生開裂時，纖維并未發(fā)生斷裂，并與混凝土發(fā)生相對滑動，從而限制了混凝土的運動，使其整體韌性獲得顯著提升。

圖5 單根纖維在混凝土中受力示意圖

3 結論

(1)PVA纖維混凝土在測試過程中不同時間段內(nèi)形成了具有不同變化特征的應力-應變曲線。

(2)PVA纖維含量并不是越多越好，根據(jù)不同的纖維長度分別存在一個合適的摻量。其中，9 mm以內(nèi)的纖維最佳摻入量是0.75%，長度12 mm的纖維最佳摻入量則是1%。

(3)隨著PVA纖維長度發(fā)生變化，混凝土無側(cè)限抗壓強度也存在明顯差異。纖維長度為6 mm時達到了最大無側(cè)限抗壓強度。

(4)PVA纖維在混凝土中形成了充分包裹狀態(tài)，在水泥發(fā)生凝結硬化的過程中產(chǎn)生收縮作用，從而限制了混凝土的運動，使其整體韌性獲得顯著提升。