层布式聚乙烯醇纤维混凝土梁抗弯性能试验研究

马　强，孙维东

(长春工程学院土木工程学院，长春130012)

0　前言

聚乙烯醇纤维是一种用聚乙烯醇制得的水溶性高分子聚合物，简称PVA纤维，其具有独特的黏结性、保护胶体性、气体阻绝性等一系列优点，且能够有效提高混凝土的力学性能，所以PVA纤维是一种很好的复合材料掺加剂[1]。本试验研究的是层布式PVA纤维混凝土梁，在混凝土梁的受拉区分别采用不同厚度的PVA纤维混凝土层，以利用PVA纤维来提高混凝土梁的抗裂性能。本研究通过改变PVA纤维混凝土层厚度、纤维体积掺加率、混凝土强度等级、试验梁配筋率和受拉钢筋强度等级来研究试验梁抗弯性能的变化。

1　试验概况

表1　试验梁设计参数

为了测量混凝土梁在加载过程中的应变情况，在试验梁的侧边粘贴了应变片，以测量在不同高度处混凝土的应变；在跨中钢筋表面，采用预埋式方式粘贴了应变片，以测量加载过程中钢筋的应变。百分表测点布置在支座处及梁跨中底部，通过采集3个数据求试验梁的挠度。荷载采用两点对称加载，荷载通过分离式液压千斤顶施加荷载，加载方式为分级加载，每级荷载为4 kN，直至试验梁破坏，加载步荷载取极限荷载的5%，试验梁加载方式[3]如图1。

2　材料性能试验结果

在试件制作过程中，由于混凝土搅拌时加水量未控制好，混凝土强度未能达到设计的强度等级。各设计的混凝土强度等级实测的立方体强度标准值fcu，k及由fcu，k计算所得的混凝土轴心抗压强度标准值fck见表2。

图1　试验梁加载方式图

设计强度fcu,k/(N·mm-2)fck/(N·mm-2)C3024.4216.33C3522.5122.51C4025.6425.64

纤维混凝土所达到的轴心抗拉强度标准值见表3。

表3　纤维混凝土的轴心抗拉强度标准值

所用钢筋的实测屈服强度标准值fyk及弹性模量Es见表4。

表4　钢筋的屈服强度标准值及弹性模量

3　试验梁的试验结果及分析

3.1　试验结果

3.1.1L0梁的试验结果

在加载初期，L0试验梁处于弹性变形阶段，当外加荷载达到14.3 kN时，L0的受拉区混凝土跨中底部首先出现一条细小的裂缝，当试验梁外加荷载达到31.7 kN时，其最大裂缝宽度达到0.2 mm。随着外荷载的继续增大，受拉区裂缝数量逐渐增多，裂缝宽度逐渐增大，当试验梁上部混凝土压坏时，试验梁达到了最大承载能力，此时，千斤顶对试验梁所施加的集中力为66.3 kN，按照前述材料实测强度标准值计算的试验梁所能承担的总集中力为60.1 kN，试验梁所能承担的集中力大小与理论计算结果相差不大。根据在梁侧粘贴的应变片的测试结果，图2给出了L0试验梁沿梁高度方向混凝土的应变分布图，可以看出混凝土应变沿高度基本符合平截面假定。

图2　L0试验梁沿高度混凝土的应变分布图

3.1.2L1b试验梁的试验结果

在试验梁加载初期，L1b试验梁处于弹性阶段，当外加荷载加载到17.7 kN时，试验梁在梁的跨中底部首先出现一条裂缝，当外加荷载加载到36.4 kN时，试验梁的最大裂缝宽度达到0.2 mm。由L1b梁的开裂荷载和裂缝达到0.2 mm时的荷载可见，纤维混凝土增强了混凝土梁的抗裂性能，提高了试验梁的开裂荷载，试验梁裂缝的开展也得到了一定的抑制。随着外加荷载的继续增大，裂缝的开展速度加快，挠度增长显著，当千斤顶所施加的集中力达到66.8 kN时，混凝土梁受压区有明显的压碎现象，试验梁达到了最大承载能力。L1b试验梁破坏时的形态如图3所示。其他带纤维混凝土层的试验梁的试验现象与L1b基本相同，图4为L2b试验梁的破坏形态。随着纤维体积率的提高和纤维层厚度的增大，试验梁的开裂荷载增加，挠度值减小。图5为L1b试验梁沿高度混凝土的应变分布图，混凝土应变沿梁高仍然符合平截面假定。当外加荷载为8 kN、12 kN时，L1b在相同高度、相同荷载作用下与普通混凝土梁L0应变值相差不大，当外加荷载为24 kN、28 kN时，L1b在相同高度、相同荷载作用下受拉区混凝土的拉应变值均比L0减小，表5是L0、L1b在外加总集中力为24 kN时，沿梁高各测点的混凝土应变值。

图3　L1b试验梁破坏时的形态

图4　L2b试验梁破坏时的形态

图5　L1b试验梁沿高度混凝土的应变分布图

梁号L0L1b高度位置/mm-494-405183.75-67-66131.2535723087.5075051956.00126189321.00

12根试验梁开裂荷载、裂缝宽度为0.2 mm时荷载及极限荷载试验结果见表6，为与试验结果进行比较，将按前述实测材料强度标准值计算的试件所能承受的最大集中力荷载值也列于表6。

表6　试验梁抗裂性能、最大承载力试验与计算结果表

由表6可见，极限荷载试验值与理论计算值相差不大，误差范围在3.4%～12%，误差在允许范围内，说明试验结果较真实、可信。

3.2　试验梁的开裂荷载分析

图6为其他条件相同、只是纤维体积掺加率不同时，层布式钢筋混凝土梁的开裂荷载的变化曲线图。L0为无纤维混凝土梁，L1a、L1b、L1c、L1d分别掺加0.05%、0.09%、0.15%、0.2%的PVA纤维层梁，开裂荷载相比于L0分别提高了18%、23.7%、30%、34.3%。可见随着PVA纤维体积掺加率的提高，试验梁的开裂荷载增大。

图6　不同纤维体积率试验梁开裂荷载的变化图

图7为不同纤维层厚度、相同PVA纤维体积掺加率时，试验梁的开裂荷载变化图。从图7可见，L0、L2a、L1b、L2b受拉区纤维混凝土层厚度分别为0、1/5h、1/3h、1/2h，纤维体积掺加率都是0.09%，L2a、L1b、L2b相比L0开裂荷载分别提高了20.3%、23.8%、28.7%。随着PVA纤维层厚度的增加，试验梁的开裂荷载增加。

图7　不同纤维层厚度试验梁开裂荷载变化图

L5a、L1b和L5b混凝土强度等级相同，纤维层厚度均为1/3h，PVA纤维体积掺加率均为0.09%，而配筋率不同，分别为0.623%、0.897%、1.221%，混凝土梁开裂荷载从17.1 kN提高到18.5 kN，说明配筋率能够提高混凝土梁的开裂荷载。L4a与L5a比较可以看出，在其他条件相同的情况下，受拉钢筋级别不同对混凝土梁开裂荷载影响很小。L1b、L3a和L3b其他条件相同，混凝土强度等级不同，试验梁的开裂荷载从17.7 kN提高到20.9 kN，说明受拉区混凝土强度等级能够显著提高试验梁开裂荷载。

3.3　试验梁挠度分析

表7和表8分别是不同PVA纤维体积掺加率、不同纤维层厚度层布式纤维混凝土梁在不同级别荷载作用下的挠度值。从总体趋势来看，随着荷载的增加，试验梁跨中挠度会相应的增加，快达到极限荷载时，挠度会急剧增大直至破坏。由表7可见，L0、L1a、L1b、L1c、L1d试验梁在其他条件相同、PVA纤维体积掺加率分别为0、0.05%、0.09%、0.15%、0.20%时，PVA纤维混凝土梁挠度值相比普通混凝土梁减小，随着PVA纤维体积掺加率的增加，混凝土梁挠度值相应减小的趋势明显，荷载为20 kN时，L1a、L1b、L1c、L1d相比普通混凝土梁L0的挠度值分别减小6.7%、9.2%、17.6%、20.2%。由表8可见，L0、L2a、L1b、L2b试验梁其他条件相同、PVA纤维层厚度分别为0、1/5h、1/3h、1/2h时，随着PVA纤维层厚度的提高，混凝土梁挠度值减小，荷载为20 kN时，L2a、L1b、L2b相比普通混凝土梁L0的挠度值分别减小2.5%、9.2%、12.6%。可见在相同条件下，纤维混凝土梁在弹塑性阶段的挠度值减小，随着纤维体积掺加率的提高和纤维层厚度的加厚，试验梁挠度值均出现减小趋势。

表7　不同纤维体积率试验梁的挠度值　单位：mm

表8　不同纤维层厚度试验梁的挠度值　单位：mm

3.4　试验梁的承载力分析

在表6中，L0、L1a、L1b、L1c、L1d、L2a和L2b试验梁其他条件相同，纤维体积率和纤维层厚度不同，试验梁的极限荷载在65.3～67.2 kN范围内，纤维的掺加对试验梁的极限荷载几乎没有影响。相同PVA体积掺加率、混凝土梁的配筋率和受拉钢筋级别对混凝土梁的极限荷载影响很大。L5a、L1b和L5b其他条件相同，配筋率分别为0.623%、0.897%和1.22%，而试验梁极限荷载从47.3 kN提高到75.3 kN，L1b和L5b极限荷载相比于L5a分别提高了41.2%、59.2%，提升效果明显，L4a和L5a受拉钢筋分别是一级钢和三级钢，混凝土梁极限荷载从34.5 kN提高到47.3 kN。

L1b、L3a和L3b其他条件相同，混凝土强度等级分别为C30、C35、C40，其极限荷载从66.8 kN提高到76.3 kN，L3a、L3b极限荷载相比L1b分别提高了7.0%和14.2%，可以看出混凝土强度等级是影响层布式纤维混凝土梁极限荷载的一个重要因素。

4　结语

1)通过不同PVA纤维体积率层布式钢筋混凝土梁抗弯性能试验可以得出：随着PVA纤维体积率的增加，混凝土梁的早期抗裂性能得到明显的提升，开裂荷载提高，挠度减小，极限承载力没有变化。L1a、L1b、L1c、L1d其他条件相同，纤维体积掺加率分别为0.05%、0.09%、0.15%、0.2%，其开裂荷载相比普通混凝土梁L0分别提高了18%、23.7%、30%、34.3%。当外加荷载为20 kN时，其挠度值相比L0的挠度值分别减小6.7%、9.2%、17.6%、20.2%。其极限荷载相比L0变化不大。

2)通过不同PVA纤维层厚度层布式钢筋混凝土梁抗弯性能试验可以得出：随着PVA纤维层厚度的增加，混凝土梁的抗裂性能得到明显提升，开裂荷载得到提高，挠度值减小，极限荷载不发生变化。L2a、L1b、L2b其他条件相同，纤维层厚度为1/5h、1/3h、1/2h，其开裂荷载相比普通混凝土梁L0分别提高了20.3%、23.8%、28.7%。当外加荷载为20 kN时，其挠度值相比L0的挠度值分别减小2.5%、9.2%、12.6%。其极限荷载相比L0变化不大。

3)试验梁的配筋率、混凝土强度等级和受拉钢筋级别对层布式纤维混凝土梁的极限荷载影响很大。

L5a、L1b和L5b其他条件相同，配筋率分别为0.623%、0.897%和1.22%，L1b和L5b极限荷载相比于L5a分别提高了41.2%、59.2%。L1b、L3a和L3b其他条件相同，混凝土强度等级分别为C30、C35、C40，L3a、L3b极限荷载相比L1b分别提高了7.0%和14.2%。

[1] 李玉芳，李明.聚乙烯醇的生产及国内外市场分析[J].化学工业，2010，28(4):32-35.

[2] 钱桂枫，高祥彪，钱春香.PVA纤维对混凝土力学性能的影响[J].混凝土与水泥制品，2010(3)：52-54.

[3] 苏骏，李响.PVA纤维混凝土受弯梁力学性能分析[J].湖北工业大学学报，2012，27(2):122-124.