高模量PVA纤维混凝土早期收缩及抗拉试验研究

李 明，申春丽，刘山洪

(1.重庆市丰都县交通工程试验检测中心，重庆408200;2.重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074)

高强混凝土水胶比低，收缩大且主要发生在早期，其早期微裂缝很可能成为后期宏观裂缝的开端，影响结构的耐久性和安全性。从混凝土收缩裂缝形成的时间来看，裂缝往往发生在混凝土拌合物的初凝到终凝这段时间，混凝土早期裂缝绝大多数属于非荷载性裂缝，材料的收缩和变形受限制是其产生的两个必要条件。对于掺减水剂的混凝土至少应该从初凝开始养护，否则养护效果不好［1］。对于泵送混凝土应在浇注完混凝土后，立即收面、覆盖薄膜、压盖湿润麻袋或草毡并及时洒水［2］。此外，混凝土中掺入合成纤维可有效地控制由干缩及温差所产生的裂缝，从而显著地提高混凝土的耐久性［3］。

PVA纤维，即聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，简称PVA)纤维，具有亲水、无毒、环保等特性。PVA纤维与水泥基体的黏结强度很高［4］。要提高PVA纤维混凝土本身的抗裂性需要优化纤维体积掺量，充分利用纤维与混凝土之间的黏结力［5］。

在预应力混凝土梁桥施工中需要了解不同掺量的高模量PVA纤维对混凝土工作性能的影响。笔者采用了高模量的PVA纤维，对不同掺量的PVA纤维混凝土进行了平板法塑性收缩试验和劈裂抗拉试验，探明克服混凝土早期塑性收缩的合理PVA纤维掺量，增强混凝土材料的抗拉程度。

1 PVA纤维的增强机理

按照弹性模量大小，聚乙烯醇纤维可分为高模量PVA纤维、改性PVA纤维以及普通PVA纤维3类。

高模量PVA纤维在制作过程中将初生态纤维经高倍拉伸达到其原长的12倍左右，其分子有较高的取向性，导致抗拉强度和弹性模量显著提高。改性PVA纤维在纤维成丝后经适度拉伸，其抗拉强度和弹性模量较普通维纶纤维有所提高，普通PVA纤维即纺织用纤维。

高模量PVA纤维与改性PVA纤维可作为水泥基体的增强体，但在混凝土中的试验研究数量有限［6-9］。

1.1 PVA纤维增强水泥砂浆的机理

纤维在水泥基材中能否有效拔出而不断裂可通过分析单根纤维的最大锚固长度来定性了解。假设纤维拔出方向与纤维长度方向相同，此时保证纤维拔出而不断裂所允许的最长纤维长度Lc为:

式中:σf，df分别为纤维的抗拉强度和断面直径;τ为纤维与水泥石之间的界面黏结强度。PVA纤维的τ值通常为1.9～4.2 MPa。如果进一步考虑纤维分布方向与受拉方向不同以及纤维与水泥基材之间存在化学黏结，那么允许的最长纤维长度还要进一步减小［10-11］。

对采用特制精细石英砂作为骨料的PVA水泥砂浆材料的配合比进行分析可知，其良好的应变硬化能力和多缝开展特性是基于选取的粗骨料与水泥粒径基本一致的情况。一般PVA纤维直径小于39 μm时，所选取骨料为砂，其粒径与水泥基本一致时，约为PVA纤维直径的3.14倍，这时裂缝的间距约为粒径6.28倍，能有效地发挥PVA纤维的桥接作用。

1.2 PVA纤维增强普通混凝土的机理

当混凝土中存在粗骨料时，粗骨料和水泥浆体的过渡区范围很大，是整个结构中最为薄弱的部分，其特征是富集粗大的孔隙。从微观的角度看，在过渡区范围内，骨料表面聚集着与其垂直的板状或层状的氢氧化钙定向结晶，还分布着钙钒石的粗大结晶及少量的C-S-H，形成了一个粗糙的结构，强度低，抗渗性和耐久性也不好。粗骨料剔除后，骨料自身存在缺陷的几率减小，整个基体的缺陷也减少［12］。

邓宗才，等［4］对掺入PVA纤维的质量掺量分别为 0.78，1.0，1.3 kg/m3(相应的体积掺量为0.06%，0.076%，0.10%)的混凝土试件进行了抗弯韧性测试。PVA纤维明显改善了混凝土弯曲韧性，由脆性破坏变为具有一定延性的破坏，且随PVA纤维掺量的增加，其延性进一步增加。

但是，从几条典型的荷载-挠度曲线可以看出:试件破坏都呈现明显的应变软化状态，远没有达到应变硬化状态。采用的PVA纤维直径通常小于0.05 mm。这类PVA纤维仅能达到阻裂的效果。因此，需要增添部分增韧的PVA粗纤维，才能达到提高混凝土试件的应变硬化能力。

2 平板法塑性收缩开裂试验

试验所用材料如下:

1)水泥采用江津水泥厂生产的地维牌42.5普通硅酸盐水泥。其主要化学成分及物理力学性能见表1、表2。

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2)PVA纤维选用国产的高强高弹PVA短纤维，直径14 μm，长度为12～15 mm，其物理力学性能见表3。

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3)中砂:细度模数2.5，堆积密度1 760 kg/m3、含水率0.5%，含泥量＜1%。

4)碎石:重庆南泉石灰石碎石，出厂时筛分为5～10 mm和10～20 mm两个粒级，表观密度为2.64 ～2.70 g/cm3，压碎指标为 10.1%。配制混凝土时，5～10 mm和10～20 mm粒级以质量比1∶2配合使用。

5)粉煤灰:采用Ⅰ级粉煤灰，密度为2 600 kg/m3。

6)水:采用本地自来水。

7)减水剂:华西外加剂厂生产的HC-200k型多元酸高效减水剂。粉剂推荐掺量0.3% ～0.75%，减水率15%～35%。

8)速凝剂:棕黄色粉体材料。

试验中采用C30混凝土，用25%的粉煤灰等量取代水泥，调整后得到的粉煤灰混凝土每立方米用量(质量)水∶水泥∶粉煤灰∶砂∶石子∶减水剂=156∶316∶106∶586∶1 255∶2.7。

水胶比0.37，塌落度控制在30～50 mm，在粉煤灰混凝土中掺入PVA纤维，其体积掺量为0.3%，0.6%，0.9%。

2.1 平板法塑性收缩开裂试验

塑性收缩开裂试验，是在一定的环境条件下，采用适当的试验装置测试混凝土在塑性阶段抵抗开裂变形的能力。

本试验模具的设计制作参考了CCES 01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中规定的混凝土早期抗裂性试验方法。由于本试验所处的试验条件有限，采用木模板进行该试验，模具尺寸为600 mm×600 mm×50 mm，在模具每个边上同时钉上两排共18个铁钉伸向模具内侧。当浇筑后的混凝土平板试件发生收缩时，四周将受到这些铁钉的约束。在模具底板的表面铺有低摩阻的聚四氟乙烯片材。模具作为试验装置的一部分，试验时与试件连在一起。平板试件模具示意见图1。

图1 平板试件模具示意Fig.1 Plate specimens mold diagram

2.1.1 试验步骤

试验时，将搅拌均匀的混凝土浇入模具中，左右摇动使其密实，最后抹平表面。试件成型后立即在其表面覆盖一层塑料薄膜，保持环境温度30℃，相对湿度60%;养护2 h后，取下薄膜，用风扇以6 m/s的表面风速吹混凝土表面，加速塑性开裂。试验期间观察并记录试件表面裂缝出现的初始时间直至24 h，然后使用读数显微镜记录每一条裂缝的宽度和长度，记录裂缝的条数。

2.1.2 试验结果评价方法

1)裂缝降低系数法

裂缝的平均裂开面积:

单位面积内的裂缝数目:

单位面积上的总开裂面积:

式中:Wi为第i条裂缝的最大宽度，mm;Li为第i条裂缝的长度，mm;N为总裂缝数目，根;A为平板的面积，m2。

试件开裂总面积Acr:

裂缝降低系数η为:

式中:Amcr为对比用素混凝土板开裂总面积，mm2;Afcr为纤维混凝土板开裂总面积，mm2。

2)塑性指数法

1984年，Kraai教授［13］在平板法的试验中首次提出了塑性指数的定义，并以此评判纤维混凝土早期抗裂性。其计算公式为:

式中:li为第i条裂缝的长度，mm;ωi为第i条裂缝的最大裂缝宽度(wimax)对应的权重值，见表4。

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试验中采用以上两种方法对PVA纤维混凝土的早期抗裂性进行评判。

2.2 试验结果分析

不同纤维掺量的PVA纤维混凝土的塑性开裂性能见表5。其中试件编号中的数值为PVA纤维掺量的百分比。通过对PVA纤维混凝土的平板法塑性收缩开裂试验的结果分析，发现掺入一定量的PVA纤维可以有效的减少裂缝的数目，降低裂缝的最大宽度，从而增大裂缝降低系数，减小塑性指数。

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由于PVA纤维具有保水性，能减少水分蒸发所引起的塑性收缩，并且PVA纤维还具有较强的亲水性，和水泥材料的黏结性能良好，会阻碍裂缝的产生和进一步扩展。因此掺入0.3%PVA纤维的混凝土能有效的抑制了塑性裂缝的产生，但不能完全阻止塑性裂缝的产生，说明此时纤维的掺量还没有达到完全消除塑性裂缝的程度。

掺入0.6%和0.9%PVA纤维的混凝土均未出现塑性裂缝。此时纤维的掺量达到了完全消除塑性裂缝的程度。可见，PVA纤维对抑制和消除塑性裂缝是有效的。

3 劈裂抗拉试验

混凝土的抗拉强度只有抗压强度的1/20～1/10，且随着混凝土强度等级的提高，比值降低。通过试验研究不同掺量的高模量PVA纤维对混凝土的抗拉性能的影响规律。

3.1 劈裂抗拉试验

劈裂抗拉试验的原理是在试件两个相对表面的中线上，作用均匀分布的压力，这样就能够在外力作用的竖向平面内产生均布拉伸应力。

混凝土劈裂抗拉强度应按式(8)计算:

式中:fts为混凝土劈裂抗拉强度，MPa;P为破坏荷载，N;A为试件劈裂面面积，mm2。

混凝土轴心抗拉强度ft可按劈裂抗拉强度fts换算得到，换算系数可由试验确定。

本试验采用的是100 mm×100 mm×100 mm的非标准试件，其劈裂抗拉强度应在式(8)计算所得值的基础上乘以换算系数0.85。在室温(20±2)℃的标准养护条件下养护7 d，采用NYL-600型压力试验机以0.05～0.08 MPa/s的速度连续而均匀地加载，当试件接近破坏时，应停止调整油门，直至试件破坏，记下破坏荷载，精确至0.1 kN。

3.2 试验结果分析

随着PVA纤维掺入量的增加，PVA纤维混凝土立方体试块的劈裂抗拉强度也随之增长，与素混凝土相比，抗拉强度得到显著提高。基准混凝土7 d龄期的劈裂抗拉强度为1.60 MPa，PVA纤维掺量为0.3%，0.6%和0.9%时，劈裂抗拉强度相对于基准混凝土分别提高了 20.0%，29.4%和28.8%。当PVA纤维掺量为0.6%时，劈裂抗拉强度最大;掺量为0.9%时试块的劈裂抗拉强度反而有所降低。这是由于特定长度和直径的纤维，其体积掺量达到一定阈值后，对骨料的黏结约束效应将不再增加。

基准混凝土28 d龄期的劈裂抗拉强度为1.83 MPa，比7 d测得的提高0.16 MPa。随着PVA纤维掺量的递增，PVA纤维混凝土的劈裂抗拉强度也呈现增长的趋势，当PVA纤维掺量为0.6%时，其28 d的劈裂抗拉强度达到最大值;当PVA纤维掺量为0.9%时，其28 d的劈裂抗拉强度反而比PVA-0.6略低。由此可以看出在这3种纤维体积掺量中，0.6%的纤维掺量最为合适，见图6。

图2 不同龄期PVA纤维混凝土的劈裂抗拉强度Fig.2 Splitting tensile strength of PVA fiber concrete with different ages

由图6可知，强度增长幅度最大的是0.6%纤维掺量的PVA纤维混凝土，28 d龄期的劈裂抗拉强度比7 d的劈裂抗拉强度提高了0.51 MPa;增长幅度最小的是基准混凝土，不同龄期的劈裂抗拉强度只相差 0.16 MPa。

4 结论

通过对上述试验结果分析可以得到如下结论:

1)PVA纤维的掺入可以减少混凝土塑性收缩阶段的开裂，当纤维掺量达到0.6%时，已无塑性裂缝出现。

2)由于特定长度和直径的纤维对混凝土的约束效应是有限的，当PVA纤维掺量为0.9%时试块的劈裂抗拉强度反而有所降低，单纯增加纤维体积掺量无助于提高混凝土抗拉强度。

3)当PVA纤维的体积掺量为0.6%时，混凝土早期抑制塑性开裂的性能和后期的劈裂抗拉强度都是3种掺量中最好的。

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