張小威 楊明輝

摘要：為了提高混凝土力學性能，以硅酸鹽水泥為基體，摻入不同添加量和長度的聚乙烯醇（PVA）纖維對其性能加強，并進行無側限抗壓強度實驗。結果表明，加入PVA 纖維使水泥達到更充分水化反應程度，形成更致密的組織，增強了整體抵抗變形能力。摻入纖維后使混凝土保持較低固結壓力的情況下，將會造成抗壓縮變形性能的小幅降低。提高無側限抗壓強度過程中，壓縮指數持續(xù)降低，形成了更致密的結構，增大了無側限抗壓強度，加入合適長度與含量的PVA 纖維時有助于形成更致密的混凝土試塊。壓縮模量隨纖維比例的提高發(fā)生先增大再降低變化，當加入量為0.75%時達最大值。

關鍵詞：混凝土；聚乙烯醇纖維；無側限抗壓強度；機理分析

中圖分類號：TQ342+.61文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）05-0061-04

Optimizationof modifiedparametersandcompressionperformanceof polyvinylalcohol/PVAfiberreinforced concrete

ZHANG Xiaowei1，YANG Minghui2

（1. College of Human Settlements，Guangdong Vocational College of Environmental Protection Engineering，Foshan 528216，Guangdong China；

2. School of Architecture and Civil Engineering，Xiamen University，Xiamen 361005，Fujian China）

Abstract： In order to improve the mechanical properties of cement，p.O42.5 Portland cement was selected as the basis，polyvinyl alcohol（PVA）fibers of different dosage and length were added to enhance its properties，and the unconfined compressive strength test was carried out. The results showed that the addition of PVA fiber could make the cement reach a fuller hydration reaction，form a more compact structure，and enhance the overall resistance to deformation. When the consolidation pressure of soil-cement was kept low after fiber incorporation，the compres? sive deformation resistance of soil-cement was slightly reduced. In the process of increasing the unconfined com? pressive strength，the compression index continued to decrease，forming a denser structure，increasing the uncon?fined compressive strength，adding appropriate length and content of PVA fiber was conducive to forming a denser soil-cement test block. The compression modulus increased first and then decreased with the increase of fiber pro? portion，and reached the maximum value when the fiber dosage was 0.75%。

Keywords： Soil-cement；Polyvinyl alcohol fiber；Unconfined compressive strength；Mechanism analysis

目前，聚乙烯醇（PVA）纖維已成為材料增強改性的一類重要增強材料，針對其開展的研究也較多[3]。例如，在混凝土中加入PVA 纖維后進行力學性能測試，根據實驗測試結果可知，加入PVA 后混凝土獲得了更強拉伸與抗彎折強度，但會引起抗壓強度下降的情況[4]。通過PVA纖維制備得到水泥基復合材料，經拉伸測試與四點彎曲測試可知，PVA 纖維使水泥基復合材料發(fā)生了抗壓強度的小幅提升；而抗彎和抗折強度都獲得了顯著增大，材料還在變形期間表現出組織結構應變硬化的情況，其中，拉應變增大至19%[5]。主要探討了將 PVA 纖維添加至水泥砂漿后對基體抗裂效果的改善作用，結果顯示長度為19 mm 的PVA 纖維添加量達到0.85 kg/m3時獲得了最優(yōu)增強效果，能夠將裂縫控制率提升至80%，而且以不同長度纖維得到的裂縫控制程度也存在較大的差異。相對而言，長纖維比短纖維效果更優(yōu)[6]。

為了提高隧道用混凝土的力學性能，選擇 P·O42.5硅酸鹽水泥作為測試材料，摻入不同添加量和長度的聚乙烯醇纖維對其性能進行加強，并進行無側限抗壓強度實驗。

1 實驗材料與方法

1.1試樣制備

選用YZ-PVA-12種類的纖維，其性能如表1所示。

選擇P·O42.5硅酸鹽水泥作為測試材料。按照與設定質量1.2倍的條件稱量每種組分，接著將纖維分散后再將其與水泥、干土充分拌和形成均勻分散的狀態(tài)，由于固結試樣的體積很小，選擇攪拌機處理時容易引起不均勻的攪拌效果，因此先通過人工方式形成均勻拌合程度后再加入合適的水量進行人工濕拌。攪拌結束后，再把均勻分散的混合物安裝至表面含有脫模劑的環(huán)刀上，將環(huán)刀置于由保鮮膜包覆的透水石上，采用振動臺進行振動成型并通過人工按壓方式確保環(huán)刀和透水石之間保持緊密結合狀態(tài)。將各試樣進行均勻振搗后再通過塑料薄膜進行封裝保持24 h 時間后再拆模，之后利用20℃溫度條件與96%濕度的養(yǎng)護箱持續(xù)養(yǎng)護至齡期為止[7]。土樣風干結束后利用顎式破碎機將其充分粉碎，再利用2 mm 規(guī)格的篩完成不同尺寸顆粒的分類。

1.2壓縮試驗

壓縮測試過程是把天然形態(tài)原狀土或人工擾動土加工成特定外形尺寸的試樣，之后將其轉移至固結儀中，并設置不同荷載以及通過有側限方式件測試壓縮變形程度[8]。對纖維混凝土施加荷載的過程中，位于空隙內的氣體與水都被持續(xù)壓出，骨架顆粒也達到更擠緊的程度，封閉區(qū)域的氣泡也在壓縮作用下形成了更小體積，最終表現為土體壓縮的效果[9]。

選擇WG 型單杠桿固結儀對各試樣開展壓縮試驗。按照《土工測試方法要求》，設定各級荷載保持24 h 后再進行試樣高度測試并以此確定穩(wěn)定標準指標。為對比不同PVA 纖維長度與含量引起的混凝土壓縮性差異，根據壓縮測試方法分析了纖維對試樣壓縮特性參數的影響并測試了各試樣的壓縮曲線數據，由此實現PVA纖維混凝土壓縮性能的表征。

2 實驗結果分析

2.1PVA 纖維混凝土的壓縮曲線分析

PVA纖維混凝土的壓縮e-logp曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，PVA 纖維混凝土形成了具有雙折結構的變化曲線，可將其主要分成2個階段。其中，初期固結過程為第1階段，此時只設置了較低固結載荷，孔隙率保持基本恒定的狀態(tài)，試塊體積也沒有發(fā)生明顯改變，總體上形成了一條呈現水平分布的壓縮曲線。之后進入固結壓力持續(xù)增大的階段，在該階段中孔隙率呈現快速降低的變化趨勢。同時還可以發(fā)現PVA 纖維混凝土在壓縮測試期間形成了一個明顯的屈服應力臨界點，當低于屈服應力的條件下只形成了小幅壓縮變形，而大于屈服應力時，則會引起試塊變形程度迅速增大的現象。

加入不同長度與添加量PVA 纖維時得到的壓縮曲線測試結果顯示，處于較低固結壓力下時，保持配比恒定的情況下，試塊在各齡期內形成了相近的壓縮曲線，可以使水泥達到更充分水化反應程度[10]，這些水化產物對纖維混凝土孔隙起到了良好填充效果，由此形成更致密的組織，顯著增強了整體結構對外部載荷的抵抗變形能力，從而獲得更優(yōu)抗壓縮變形效果。

2.2 PVA 纖維混凝土的壓縮系數分析

根據《建筑地基規(guī)范》中的指標要求，可以選擇壓力間隔壓縮系數介于100～200 kPa 曲線斜率來判斷土體壓縮特性，得到下述判斷：當a1＜0.1 MPa 時，為低壓縮性土；當0.1 MPa≤a1＜0.5 MPa 時，為中等壓縮性土；當a1≥0.5 MPa時，為高壓縮性土[11]。

由表2可知，素混凝土與PVA 纖維混凝土都屬于低壓縮性土。其中，添加比例0.25%、長度12 mm 纖維時，達到了0.017的最低壓縮系數。從表2中還可看到，各加入比例與長度PVA 纖維加入混凝土后含水率都在30%附近呈現小幅波動，初始孔隙率也呈現小幅變化趨勢，介于0.863～0.871。

從圖2可以看出，素混凝土達到了最小壓縮系數，加入不同比例纖維時混凝土達到了更大壓縮系數。由此可見，摻入纖維后使混凝土保持較低固結壓力的情況下，將會造成抗壓縮變形性能的小幅降低。當在同齡期混凝土內加入同樣比例的PVA 纖維時，各長度纖維混凝土并未產生明顯變化特征，這可能是因為施加較低豎向固結壓力時，混凝土只發(fā)生小幅變形，各長度PVA 纖維增強效果基本一致。比較相同長度PVA 纖維可知，加入3 mm 纖維當加入量水平提高時，壓縮系數出現了減小的趨勢；而6 mm纖維加入量在0.5%時達到最小，形成了“凹”形特征的曲線；纖維長度為9 mm 時，則形成了幾乎水平分布形態(tài)的壓縮系數曲線。

2.3 PVA 纖維混凝土的壓縮指數分析

壓縮指數C 屬于評價土體壓縮特性的一項重要參數，可以通過計算e-logσ中某段曲線斜率得到。提高土體壓縮指數 C 后，將獲得更高壓縮性[12]；圖3為 PVA纖維混凝土的壓縮指數分布。

從圖3可以看出，提高無側限抗壓強度過程中，壓縮指數呈現持續(xù)降低的結果。隨著纖維混凝土壓縮指數的降低，形成了更致密的結構，從而增大了無側限抗壓強度，當加入合適宜長度與含量的PVA 纖維時，有助于形成更致密的混凝土試塊。通過擬合分析2個齡期內的C、q 數據，可以為無側限抗壓強度和壓縮指數建立以下函數關系：

C=-0.1385q+0.4250（1）

2.4 PVA 纖維混凝土的壓縮模量分析

對PVA 纖維混凝土試樣施加單向載荷時，測試得到圖4的結果。

從圖4可以看出，PVA 纖維混凝土測試結果表明，素混凝土達到了最高壓縮模量（Es）為48.5。本實驗中加入不同長度PVA 纖維時，Es 都隨纖維比例的提高發(fā)生先增大再降低的變化趨勢；當加入量為0.75%時，達到最大值，表現出跟無側限抗壓強度相近的變化特點。

3 結語

（1）PVA 纖維混凝土在壓縮測試期間形成了一個明顯屈服應力臨界點。加入PVA 纖維使水泥達到更充分水化反應程度，形成更致密組織，增強了整體抵抗變形能力；

（2）摻入纖維后使混凝土保持較低固結壓力，造成抗壓縮變形性能小幅降低；

（3）提高無側限抗壓強度，壓縮指數持續(xù)降低，形成了更致密結構，加入適宜長度與含量的PVA 纖維時，有助于形成更致密的混凝土試塊；

（4）加入不同長度PVA 纖維，壓縮模量隨纖維比例提高發(fā)生先增大再降低變化，當加入量為0.75%時，達到最大值。

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