聚乙烯醇/PVA 纤维增强混凝料改性参数优化及压缩性能实验

张小威 杨明辉

摘要：为了提高混凝土力学性能，以硅酸盐水泥为基体，掺入不同添加量和长度的聚乙烯醇（PVA）纤维对其性能加强，并进行无侧限抗压强度实验。结果表明，加入PVA 纤维使水泥达到更充分水化反应程度，形成更致密的组织，增强了整体抵抗变形能力。掺入纤维后使混凝土保持较低固结压力的情况下，将会造成抗压缩变形性能的小幅降低。提高无侧限抗压强度过程中，压缩指数持续降低，形成了更致密的结构，增大了无侧限抗压强度，加入合适长度与含量的PVA 纤维时有助于形成更致密的混凝土试块。压缩模量随纤维比例的提高发生先增大再降低变化，当加入量为0.75%时达最大值。

关键词：混凝土；聚乙烯醇纤维；无侧限抗压强度；机理分析

中图分类号：TQ342+.61文献标志码：A文章编号：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）纤维已成为材料增强改性的一类重要增强材料，针对其开展的研究也较多[3]。例如，在混凝土中加入PVA 纤维后进行力学性能测试，根据实验测试结果可知，加入PVA 后混凝土获得了更强拉伸与抗弯折强度，但会引起抗压强度下降的情况[4]。通过PVA纤维制备得到水泥基复合材料，经拉伸测试与四点弯曲测试可知，PVA 纤维使水泥基复合材料发生了抗压强度的小幅提升；而抗弯和抗折强度都获得了显著增大，材料还在变形期间表现出组织结构应变硬化的情况，其中，拉应变增大至19%[5]。主要探讨了将 PVA 纤维添加至水泥砂浆后对基体抗裂效果的改善作用，结果显示长度为19 mm 的PVA 纤维添加量达到0.85 kg/m3时获得了最优增强效果，能够将裂缝控制率提升至80%，而且以不同长度纤维得到的裂缝控制程度也存在较大的差异。相对而言，长纤维比短纤维效果更优[6]。

为了提高隧道用混凝土的力学性能，选择 P·O42.5硅酸盐水泥作为测试材料，掺入不同添加量和长度的聚乙烯醇纤维对其性能进行加强，并进行无侧限抗压强度实验。

1 实验材料与方法

1.1试样制备

选用YZ-PVA-12种类的纤维，其性能如表1所示。

选择P·O42.5硅酸盐水泥作为测试材料。按照与设定质量1.2倍的条件称量每种组分，接着将纤维分散后再将其与水泥、干土充分拌和形成均匀分散的状态，由于固结试样的体积很小，选择搅拌机处理时容易引起不均匀的搅拌效果，因此先通过人工方式形成均匀拌合程度后再加入合适的水量进行人工湿拌。搅拌结束后，再把均匀分散的混合物安装至表面含有脱模剂的环刀上，将环刀置于由保鲜膜包覆的透水石上，采用振动台进行振动成型并通过人工按压方式确保环刀和透水石之间保持紧密结合状态。将各试样进行均匀振捣后再通过塑料薄膜进行封装保持24 h 时间后再拆模，之后利用20℃温度条件与96%湿度的养护箱持续养护至龄期为止[7]。土样风干结束后利用颚式破碎机将其充分粉碎，再利用2 mm 规格的筛完成不同尺寸颗粒的分类。

1.2压缩试验

压缩测试过程是把天然形态原状土或人工扰动土加工成特定外形尺寸的试样，之后将其转移至固结仪中，并设置不同荷载以及通过有侧限方式件测试压缩变形程度[8]。对纤维混凝土施加荷载的过程中，位于空隙内的气体与水都被持续压出，骨架颗粒也达到更挤紧的程度，封闭区域的气泡也在压缩作用下形成了更小体积，最终表现为土体压缩的效果[9]。

选择WG 型單杠杆固结仪对各试样开展压缩试验。按照《土工测试方法要求》，设定各级荷载保持24 h 后再进行试样高度测试并以此确定稳定标准指标。为对比不同PVA 纤维长度与含量引起的混凝土压缩性差异，根据压缩测试方法分析了纤维对试样压缩特性参数的影响并测试了各试样的压缩曲线数据，由此实现PVA纤维混凝土压缩性能的表征。

2 实验结果分析

2.1PVA 纤维混凝土的压缩曲线分析

PVA纤维混凝土的压缩e-logp曲线如图1所示。

从图1可以看出，PVA 纤维混凝土形成了具有双折结构的变化曲线，可将其主要分成2个阶段。其中，初期固结过程为第1阶段，此时只设置了较低固结载荷，孔隙率保持基本恒定的状态，试块体积也没有发生明显改变，总体上形成了一条呈现水平分布的压缩曲线。之后进入固结压力持续增大的阶段，在该阶段中孔隙率呈现快速降低的变化趋势。同时还可以发现PVA 纤维混凝土在压缩测试期间形成了一个明显的屈服应力临界点，当低于屈服应力的条件下只形成了小幅压缩变形，而大于屈服应力时，则会引起试块变形程度迅速增大的现象。

加入不同长度与添加量PVA 纤维时得到的压缩曲线测试结果显示，处于较低固结压力下时，保持配比恒定的情况下，试块在各龄期内形成了相近的压缩曲线，可以使水泥达到更充分水化反应程度[10]，这些水化产物对纤维混凝土孔隙起到了良好填充效果，由此形成更致密的组织，显著增强了整体结构对外部载荷的抵抗变形能力，从而获得更优抗压缩变形效果。

2.2 PVA 纤维混凝土的压缩系数分析

根据《建筑地基规范》中的指标要求，可以选择压力间隔压缩系数介于100～200 kPa 曲线斜率来判断土体压缩特性，得到下述判断：当a1＜0.1 MPa 时，为低压缩性土；当0.1 MPa≤a1＜0.5 MPa 时，为中等压缩性土；当a1≥0.5 MPa时，为高压缩性土[11]。

由表2可知，素混凝土与PVA 纤维混凝土都属于低压缩性土。其中，添加比例0.25%、长度12 mm 纤维时，达到了0.017的最低压缩系数。从表2中还可看到，各加入比例与长度PVA 纤维加入混凝土后含水率都在30%附近呈现小幅波动，初始孔隙率也呈现小幅变化趋势，介于0.863～0.871。

从图2可以看出，素混凝土达到了最小压缩系数，加入不同比例纤维时混凝土达到了更大压缩系数。由此可见，掺入纤维后使混凝土保持较低固结压力的情况下，将会造成抗压缩变形性能的小幅降低。当在同龄期混凝土内加入同样比例的PVA 纤维时，各长度纤维混凝土并未产生明显变化特征，这可能是因为施加较低竖向固结压力时，混凝土只发生小幅变形，各长度PVA 纤维增强效果基本一致。比较相同长度PVA 纤维可知，加入3 mm 纤维当加入量水平提高时，压缩系数出现了减小的趋势；而6 mm纤维加入量在0.5%时达到最小，形成了“凹”形特征的曲线；纤维长度为9 mm 时，则形成了几乎水平分布形态的压缩系数曲线。

2.3 PVA 纤维混凝土的压缩指数分析

压缩指数C 属于评价土体压缩特性的一项重要参数，可以通过计算e-logσ中某段曲线斜率得到。提高土体压缩指数 C 后，将获得更高压缩性[12]；图3为 PVA纤维混凝土的压缩指数分布。

从图3可以看出，提高无侧限抗压强度过程中，压缩指数呈现持续降低的结果。随着纤维混凝土压缩指数的降低，形成了更致密的结构，从而增大了无侧限抗压强度，当加入合适宜长度与含量的PVA 纤维时，有助于形成更致密的混凝土试块。通过拟合分析2个龄期内的C、q 数据，可以为无侧限抗压强度和压缩指数建立以下函数关系：

C=-0.1385q+0.4250（1）

2.4 PVA 纤维混凝土的压缩模量分析

对PVA 纤维混凝土试样施加单向载荷时，测试得到图4的结果。

从图4可以看出，PVA 纤维混凝土测试结果表明，素混凝土达到了最高压缩模量（Es）为48.5。本实验中加入不同长度PVA 纤维时，Es 都随纤维比例的提高发生先增大再降低的变化趋势；当加入量为0.75%时，达到最大值，表现出跟无侧限抗压强度相近的变化特点。

3 结语

（1）PVA 纤维混凝土在压缩测试期间形成了一个明显屈服应力临界点。加入PVA 纤维使水泥达到更充分水化反应程度，形成更致密组织，增强了整体抵抗变形能力；

（2）掺入纤维后使混凝土保持较低固结压力，造成抗压缩变形性能小幅降低；

（3）提高无侧限抗压强度，压缩指数持续降低，形成了更致密结构，加入适宜长度与含量的PVA 纤维时，有助于形成更致密的混凝土试块；

（4）加入不同长度PVA 纤维，压缩模量随纤维比例提高发生先增大再降低变化，当加入量为0.75%时，达到最大值。

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