DIC方法在PVA纤维混凝土振动材性实验中的应用

蔡鹏飞，蒋 明

（苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011）

随着对人们建筑结构功能要求和对水泥基材料韧度与强度要求的不断提高。由于水泥基材料有抗拉强度低、韧性差、易开裂、出现裂缝后难控制等缺点，而聚乙烯醇（PVA）纤维具有高强、高弹性模量、耐酸、耐碱、价格低等优点，所以在水泥基材料中添加PVA纤维能够大大改善基材性质，提高其抗裂、抗冲击韧性、抗渗及耐久等性能[1]。因此，掺合PVA纤维混凝土材料近年来受到工程界科研人员的关注，成为工程材料中研究的热点之一。王玉清等[2]通过梁剪切韧性实验发现PVA纤维的掺入能够有效提高构件的剪切韧性；徐鹏[3]通过复合梁四点弯曲试验得出，纤维掺量的提高能有效提高梁的极限承载力；李艳等[4]通过单轴拉伸实验得出，随着混凝土中PVA纤维体积掺量的增加，混凝土的抗拉强度与极限拉应变明显增大。

数字图像相关（DIC）方法[5-6]由于测量精度高、非接触性等优点，可以弥补土木工程中现有测量方法的不足，能够解决土木结构试验中的很多难题。刘聪等[7]采用改进的DIC方法与传统电测法同时进行钢板拉压、预应力混凝土抗震等众多试验，结果表明，DIC方法的测量精度要高于传统电测方法。戴云彤等[8]建立了适用于大曲率复杂面变形测量的数字图像相关（DIC）系统，并用此系统进行了套筒单向拉伸试验，结果表明，传统应变片难以测量的变形凹槽处等，DIC系统均能完整重建三维形貌，并且DIC的测试结果的可靠性要高于传统应变片测量结果。文中采用单轴振动台对不同PVA纤维体积掺量的混凝土柱进行振动实验，结合DIC测量技术，获得振动实验中柱节点部位处开裂初期横向平均主应变、荷载循环时间、裂缝扩展过程[9]，进行对比，从而得出不同纤维体积掺量的混凝土方柱在正弦波持续作用下的差异。

1 数字图像相关方法原理

数字图像相关方法是20世纪80年代由美国南卡罗来纳州大学的Petter和日本Yamaguchi等同时提出。该测量系统主要由CCD摄像机、高速图像采集卡、光源和计算机组成。利用数学相关方法分析受荷载作用下试样表面数字图像，将表面随机分布的散斑点数据记录在数字图像中，利用数字图像的灰度值模式来精确测定变形、位移。

数字图像相关方法处理的是变形前后的两幅数字图像，通常将变形前的数字图像称为参考图像，变形后的数字图像称为变形后图像。原理如图1所示。

图1 数字图像相关原理

在参考图像中，变形前子区域中心点P与其周边任意临近点Q，在变形后图像子区域中分别对应P’点与Q’点，图中的u0与v0则分别代表P’点位移在x轴与y轴上的分量，同样ui与vi则代表Q’点位移在x轴与y轴上的分量。

数字图像相关系统C表达式为

式中：f（x，y）为参考图上坐标（x，y）点的灰度；ˉf为参考图子区域的平均灰度；g（x′，y′）为目标图上坐标（x′，y′）点的灰度；gˉ为目标图子区域的平均灰度。

2 试验概况

2.1 试验原材料

P·O42.5复合硅酸盐水泥；粗骨料为5～10 mm直径石子；细骨料为天然细河砂，最大粒径0.6 mm；采用日本可乐丽公司生产的RECS15型高强模聚乙烯醇（PVA）纤维，其性能指标见表1。

表1 PVA纤维性能

2.2 试验配合比

该试验采用混凝土标号为C30，试验配合比分为5组，影响因素为PVA纤维体积率，参照河海大学沈才华等[10]试验得出工程建议最佳掺量，结合试验试件尺寸，试验配合比见表2。

表2 试验配合比设计

2.3 试件制备与养护

参照《混凝土结构设计原理》中关于长短柱的规范，结合试验要求，设计了截面尺寸为60 mm×60 mm×400 mm的哑铃型长柱，图2为试件尺寸及实物图。

为了能让纤维均匀的掺杂到混凝土中[11]，先将纤维与水泥干拌2 min，随后依次加入石子、砂干拌2 min，最后放入水搅拌3 min；试件采用分层浇筑，每层充分振捣，自然成型24 h后拆模，标准养护28 d。

2.4 试验设备与方法

试验装置主要包括地震模拟振动台加载装置和数字图像相关测量系统，如图3所示。其中加载装置由计算机、信号控制器、功率放大器、激振器、振动台等构成；数字图像相关测量（DIC）系统由分辨率为2 048×2 048像素的IDS工业摄像头配75 mm镜头、数据采集控制器及德国GOM公司的ARAMIS分析系统等组成，DIC系统测量分辨率为50 με。

由振动台和加载控制系统给试件加载，并在循环加载过程中使用IDS同步采集图像。参照《建筑结构试验》[12]中结构动载试验相关规定，振动台加载方案如图4所示。设置IDS采集图像频率为10 fps。

试验前对柱身待测区域使用砂纸与工业酒精进行打磨与清洁，因为掺入纤维的缘故，柱表面会有微小纤维露出，影响散斑喷制的质量，因此，需清理完表面裸露纤维丝后再进行散斑的喷制。

3 试验结果分析

同种纤维不同掺量混凝土立方体抗压强度见表3。

由表3可见，PVA纤维混凝土立方体抗压强度随PVA纤维掺量的增加而提高，与未掺入纤维的P1相比，P2、P3、P4、P5的抗压强度分别提高了0.66%、1.65%、3.0%、3.97%。如图5所示，PVA纤维的掺入起到了很好地抗裂效果，提升了混凝土的整体性。

图2 试件尺寸及实物示意图（单位：mm）

图3 振动材性试验系统

图4 加载方案

表3 立方体抗压强度

图5 试件破坏图

3.1 不同纤维掺量混凝土方柱柱身裂缝发展规律

由图6可见，未掺入PVA纤维的混凝土方柱在正弦波荷载循环作用下，在第306 s时，柱身与柱底开始出现较为明显的应变集中现象；正弦波荷载继续作用到第314 s时，柱身开始出现细微裂缝且应变集中处主应变持续增大，裂缝有进一步扩展的趋势；由于没有纤维的桥接作用，混凝土方柱发生脆性破坏，因此，在第316 s时，通透裂缝形成，混凝土方柱瞬间失稳破坏。

图6 不同纤维掺量混凝土方柱裂缝发展过程云图

当PVA纤维掺入比例为0.05%时，正弦波荷载循环作用至第345 s时，方柱柱身才开始出现较为明显的应变集中现象，相比于素混凝土方柱，荷载循环时间提升了12.7%；在第384 s时，由柱边开始出现细微裂缝，往柱中进一步发展；加载至第396 s时，通透裂缝形成，方柱失效。

当PVA纤维掺入比例提升至0.1%时，应变集中现象出现在正弦波荷载循环作用至第383 s时；在加载至第409 s时，方柱失效破坏。相比于0.05%纤维掺量，0.1%纤维掺量的混凝土方柱的破坏时间提升了3.3%。

在PVA纤维掺入比例增加至0.15%时，此时方柱的整体性得到大幅度提升，在第436 s时开始出现多条裂缝；在第443 s时，方柱失效破坏。在此过程中，可听见细微的纤维拉断声，但在纤维混凝土方柱整体失效后，由于部分未拉断的纤维的桥接作用，方柱还能够维持较好的整体性。

当PVA纤维掺入比例达到0.2%时，柱身较为明显的应变集中现象出现在第465 s；当正弦波荷载继续作用至第480 s时，沿原先应变集中部位斜上方45°方向开始出现裂缝，猜测是由于该部位有尺寸较大的粗骨料影响所致，裂缝绕过骨料后沿斜下方45°重新回到水平方向继续延伸；到第486 s时，通透裂缝形成，方柱破坏。

从图7的关系曲线可以看出，随着纤维掺量的提高，PVA纤维混凝土方柱的初裂时间与破坏时间都有了明显的增加。并且相比于未掺入PVA纤维的混凝土方柱，纤维掺量为0.05%、0.1%、0.15%以及0.2%的混凝土方柱从荷载开始作用到最终的失稳破坏之间的荷载作用时间分别增加了25.3%、29.4%、40.1%、53.7%。

选取PVA纤维掺量为0.15%的混凝土方柱为例，其在正弦波荷载循环作用下节点部位裂缝发展过程中的主应变场云图如图8所示。

图7 不同纤维掺量混凝土方柱裂缝与时间关系图

图8 裂缝发展主应变场云图

由图8可见，在正弦波荷载的循环作用下，裂缝发展过程可分为三个阶段：第一阶段（约6 min），经过前期长时间的疲劳损伤累积，底部柱身两侧逐渐产生多条裂纹；第二阶段，随着循环荷载的继续施加，多条裂纹继续扩展，开始形成多条明显可见的裂缝，此时混凝土中的纤维开始起到抑制裂缝扩展的作用；第三阶段，已有裂缝从柱身两侧逐渐向方柱中心区域靠拢发展，最终两侧裂缝在方柱中心区域汇合，形成一条通透裂缝，此时，裂缝处断裂破坏，方柱整体失效。从试件破坏后的截面可以看出，在混凝土开裂后，分摊应变的PVA纤维多为拉断破坏，部分为拔出破坏。

3.2 不同纤维掺比混凝土方柱开裂初期主应变

沿裂缝开展方向选择一个截面进行分析。如图9所示，在裂缝开展初期，不同PVA纤维掺量的纤维混凝土方柱节点处横向平均应变随着纤维掺量的增加而减小。由此可以说明，PVA纤维掺入对混凝土的开裂起到了一定的抑制作用，而且还提升了混凝土的整体性。

图9 节点处横向应变

从表4中可以明显看出，随着PVA纤维掺量的增加，柱身开裂初期节点横向平均主应变有明显的减小趋势；相较于未掺杂纤维的混凝土方柱，裂缝处主应变最大值随掺量的增加而减小，当掺量为0.05%时，减小比例约为22.62%，其余掺量所对应的的增长比例依次为18.28%、14.28%、21.09%。

表4 开裂初期节点橫向应变平均值

4 结语

随着混凝土中PVA纤维掺入比例的提高，混凝土的标准立方体抗压强度相比于未掺纤维的混凝土分别提升了0.66%、1.65%、3.0%、3.97%，抗压强度提升幅度较小，但其起到的抗裂效果明显。

在同样的正弦波荷载作用下，掺有纤维的混凝土方柱较未掺纤维的混凝土方柱而言，损伤累积的时间有了较大的增加，并且随着纤维掺量的提高分别提升了25.3%、29.4%、40.1%、53.7%；当纤维的掺量达到0.15%及以上时，在方柱失效后由于未断裂的纤维的桥接作用，方柱还能维持较好的整体性。

与普通混凝土相比，PVA纤维的掺入使得混凝土方柱的抗裂性能有所提升，并且在正弦波荷载的循环作用下，纤维混凝土方柱节点部位开裂初期节点处横向主应变平均值随着纤维掺量的增加分别减小了22.62%、18.28%、14.28%、21.09%。