[摘　要] 　混凝土的脆性以及抗裂性能很差，在其中摻入合成纖維成為增加韌性、提高早期和極限抗拉強(qiáng)度以及改善諸如梁柱節(jié)點(diǎn)等重要部位的抗震性能的一種很重要的方法。作為合成纖維中的一種，新型的聚乙烯醇(PVA)纖維還具有高強(qiáng)高模的特性，能否兼有合成纖維與高彈性模量纖維的優(yōu)點(diǎn)，是本文研究的重點(diǎn)。本文從增加混凝土韌性、提高混凝土抗拉強(qiáng)度的觀點(diǎn)出發(fā)， 對(duì)PVA纖維混凝土進(jìn)行了6種纖維體積含量(0.00%、0.05%、0.15%、0.30%、0.50%、1.00%)、4種齡期(3天、7天、14天、28天)的標(biāo)準(zhǔn)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明:無論哪種齡期，PVA纖維混凝土梁的韌性要比普通混凝土梁高，提高幅度基本隨纖維含量的增加而增大；初期抗拉強(qiáng)度與極限抗拉強(qiáng)度在體積摻量超過0.5 %后均有明顯增加，小于此含量時(shí)，變化規(guī)律不很明顯。無論哪種纖維含量，混凝土梁的韌性隨齡期變化規(guī)律不是很明顯;初期抗拉強(qiáng)度與極限抗拉強(qiáng)度在早齡期(3天)就達(dá)到相應(yīng)最終強(qiáng)度(28天)的85%以上，并隨齡期的增加而有所提高，但變化規(guī)律不很明顯。

[ 關(guān)鍵詞] 　纖維混凝； 　四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)； 　早期強(qiáng)度；　抗拉強(qiáng)度； 　韌性

1 　研究背景

1.1 　纖維混凝土

混凝土材料最主要的特性就是受壓強(qiáng)度很高、抗拉強(qiáng)度很低，同時(shí)缺乏必要的韌性，這些特性影響著混凝土結(jié)構(gòu)的性能。就破壞模式來說，人們總是希望其延性破壞，然而為了達(dá)到這個(gè)目的，結(jié)構(gòu)師們在設(shè)計(jì)時(shí)不得不采用其他附加的方法。在使用性能上，由于較低的抗拉強(qiáng)度，使得在結(jié)構(gòu)的很多部位諸如樓板、防水結(jié)構(gòu)等出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重影響使用性能要求，也不利于混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)，同時(shí)在施工中，為了節(jié)約時(shí)間，過分追求經(jīng)濟(jì)效益，使混凝土材料的養(yǎng)護(hù)時(shí)間縮短，人為的造成很多本可以避免的裂縫。這也引起了一種混凝土的發(fā)展方向，即在保證使用性能要求的情況下，盡可能的縮短施工的周期，就是需要提高混凝土材料的早期抗拉強(qiáng)度。在混凝土的施工過程中，由于存在著一定的施工順序，從節(jié)約時(shí)間、減少經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，也需要提高混凝土的早期抗拉強(qiáng)度。

1.2 　PVA纖維與其它纖維的比較

聚丙烯原材料從單體C₃H₆而得，是一種高分子碳?xì)浠衔铩ＨA淵等的研究表明，與基準(zhǔn)混凝土相比，隨著纖維體積率的增加(0%～15%)，抗折強(qiáng)度則提高了12%～26%，韌性也隨之增加，他們提出了聚丙烯纖維混凝土的裂紋發(fā)展規(guī)律，定性分析了增韌機(jī)理。孫家瑛研究了不同摻量聚丙烯纖維高性能混凝土的抗折強(qiáng)度、脆性和抗沖擊性能。曹誠、王春陽研究了低摻量聚丙烯纖維在混凝土中的效應(yīng):阻裂效應(yīng)能有效降低塑性裂縫和內(nèi)部微裂隙的數(shù)量和尺度，提高混凝土材料介質(zhì)的連續(xù)性，并最終改善混凝土的綜合性能，尤其是抗動(dòng)荷載能力。Sydney Furlan Jr等對(duì)十四根梁做了抗剪試驗(yàn)，指出與素混凝土梁相比，聚丙烯纖維混凝土梁的抗剪強(qiáng)度、剛度(特別是在第一開裂期后) 和韌性都有提高。Kamal等人對(duì)若干聚丙烯纖維混凝土梁進(jìn)行了彎曲疲勞試驗(yàn)，得到纖維可以推遲混凝土結(jié)構(gòu)中裂縫的出現(xiàn)，延長裂縫發(fā)展過程中的間隙時(shí)間。聚乙烯纖維增強(qiáng)混凝土未見有抗折試驗(yàn)類文獻(xiàn)。對(duì)尼龍纖維增強(qiáng)混凝土的研究，樊鈞、鄧詠梅等發(fā)現(xiàn)摻入尼龍纖維可顯著地降低混凝土的干縮值，但對(duì)抗折、抗壓、軸壓、彈模及應(yīng)力-應(yīng)變性能與普通混凝土無明顯差別，抗?jié)B、阻銹性能有顯著改善，從而提高了混凝土的耐久性。

在最近的20年中，國內(nèi)外對(duì)鋼纖維混凝土的力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能做了大量的研究，鋼纖維阻滯基體混凝土裂縫的開展，從而使其抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度等較普通混凝土顯著提高，其抗沖擊、抗疲勞、裂后韌性和耐久性也有較大改善。當(dāng)纖維體積摻量在1%～2%范圍內(nèi)，抗彎強(qiáng)度提高40%～80%。玻璃纖維增強(qiáng)水泥不僅充分利用水泥材料抗壓強(qiáng)度高、剛度好的特點(diǎn)，同時(shí)發(fā)揮玻璃纖維抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)勢，大幅度提高了水泥基體的強(qiáng)度和韌性。但是玻璃纖維混凝土在使用中也暴露出一些缺點(diǎn)——玻璃纖維混凝土暴露于大氣中一段時(shí)間以后，其強(qiáng)度和韌性會(huì)有大幅度下降，即由早期的高強(qiáng)度、高韌性向普通混凝土退化，其耐堿性不過關(guān)。碳纖維具有抗拉強(qiáng)度和彈性模量很高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、與混凝土粘結(jié)良好的優(yōu)點(diǎn)。碳纖維增強(qiáng)混凝土是以碳纖維作為增強(qiáng)材料的水泥基復(fù)合材料，較之于普通混凝土具有更高的抗拉、抗折強(qiáng)度，并具有良好的抗沖擊、抗疲勞性能和抑制裂縫的能力。

2 　試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 　試驗(yàn)方法介紹

混凝土彎曲抗拉強(qiáng)度也稱抗折強(qiáng)度。美國、英國、日本等國則稱之為斷裂模量。標(biāo)準(zhǔn)的彎曲抗拉強(qiáng)度用棱柱形梁進(jìn)行試驗(yàn)，試件尺寸為150mm×150mm×550(600)mm。如果采用100mm×100mm×400mm試件，考慮尺寸影響，其結(jié)果要乘以折減系數(shù)0.85，換算為標(biāo)準(zhǔn)試件的彎曲抗拉強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn)試件均勻加載速度為215kN/s ，不得沖擊。如采用截面為100mm×100mm的小梁時(shí)，加載速度為1.1kN/s。

四點(diǎn)彎折試驗(yàn)(FOUR - POINT BEND TESTS)的加載示意圖見圖1，當(dāng)折斷面位于兩個(gè)加載點(diǎn)之間，則試件抗折試驗(yàn)得到彎(曲抗)拉強(qiáng)度:

ff = PL/bh²

式中　ff ——混凝土抗折強(qiáng)度，MPa ;

P ——破壞荷載，N ;

L ——支座間距即跨度，mm;

b ——試件截面寬度，mm

h ——試件截面高度，mm。

2.2 　試件設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?/SPAN>，了解PVA纖維混凝土的彎折性能，掌握PVA纖維的最佳摻量范圍，同時(shí)探求其早期性能;因而在含量與齡期上進(jìn)行研究，制作試件的數(shù)量與纖維含量、齡期，見表1。

 

 

2.3 　材料物理力學(xué)性能

本試驗(yàn)所采用的纖維是上海石油化工股份有限公司維綸廠生產(chǎn)的高強(qiáng)高彈聚乙烯醇纖維，簡稱為PVA纖維。這種纖維以聚乙烯醇為主要原料，經(jīng)過特殊工藝處理而成。除了具有常規(guī)維綸纖維良好的耐酸堿性、耐候性外，還具有強(qiáng)度高、模量高等特性，并具有良好的分散性。作為一種新型纖維，屬于合成纖維中一種。與一般常見的合成纖維相比，具有很高的彈性模量與抗拉強(qiáng)度，與高彈性模量纖維如鋼纖維相比，具有易于施工且不易損壞施工設(shè)備，具體參數(shù)見表2。

　   在文獻(xiàn)[3]中已經(jīng)詳細(xì)的討論過纖維長度對(duì)纖維混凝土力學(xué)性能的影響。當(dāng)纖維的長徑比大于臨界值時(shí)，纖維增強(qiáng)混凝土在拉力作用下將發(fā)生纖維拉斷破壞，這意味著充分發(fā)揮了纖維的增強(qiáng)作用：同時(shí)增加纖維的長徑比(l/d) ，錨固力也隨著增加，防止混凝土開裂后纖維被拔出。所以本次試驗(yàn)所選用的纖維長徑比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其臨界長徑比。

2.4 　混凝土及纖維的配合比

本次試驗(yàn)所有的普通混凝土的配合比按照C40等級(jí)的混凝土設(shè)計(jì)，具體采用的原材料如下:525 #普通硅酸鹽水泥、中砂、粒徑為5mm～20mm的石子;經(jīng)計(jì)算其配合比為：水泥∶細(xì)集料∶粗集料∶水=1∶0.94∶2.2∶0.43；水灰比以及砂率參見表3。

 

3 　試驗(yàn)過程

3.1 　加載過程

首先，將試件擦拭干凈，檢查外觀并測量其尺寸，然后把剛性支座安裝在試驗(yàn)機(jī)的下壓頭上并固定住，調(diào)整好支座的間距。將試件平放在支座上，調(diào)整試件的位置，使試件的軸心與試驗(yàn)機(jī)下壓頭的中心相重合。在試件跨中的底部安裝位移傳感器。通過分配梁方式進(jìn)行二點(diǎn)集中加載，上壓頭與分配梁頂部接觸均衡，然后就可以連續(xù)而均勻地加載了。本試驗(yàn)采用等變形加載，直至試件破壞為止。

試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)過程中同步地記錄下荷載與試件跨中撓度。

4 　結(jié)果與分析

本次彎折試驗(yàn)主要目的是為了研究PVA纖維對(duì)混凝土延性的增強(qiáng)作用，所以主要著重于不同纖維含量下試件延性的分析，同時(shí)為了全面了解和掌握PVA纖維在混凝土中所發(fā)揮的全部作用，還在不同纖維含量下進(jìn)行了4種齡期的試驗(yàn)，以便了解PVA纖維對(duì)混凝土早期延性、抗裂等性能的影響程度。

由試驗(yàn)結(jié)果可以得出試件的初裂荷載與初裂撓度以及試件的彎折抗拉強(qiáng)度，具體數(shù)值見表4。

　　中外文獻(xiàn)資料表明，普通混凝土試件的彎折抗拉強(qiáng)度較低，而且一旦開裂就立刻折斷，呈典型的脆性破壞模式，而PVA纖維的四點(diǎn)彎折試驗(yàn)顯示，隨著纖維含量的增加，表現(xiàn)出脆性破壞的概率也相應(yīng)的減少。

4.1 　抗拉強(qiáng)度隨纖維含量的變化

由于混凝土在應(yīng)用中均是28天以后的強(qiáng)度，但是在本次試驗(yàn)中，所得到數(shù)據(jù)中14天的較為完整，就取14天齡期的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。在表4的基礎(chǔ)上，對(duì)纖維的初裂抗拉強(qiáng)度以及極限抗拉強(qiáng)度進(jìn)行擬合得出式(1)和式(2)，并把擬合值與實(shí)測值進(jìn)行了比較。從上面的曲線來看，可以得出如下結(jié)論：

4.1.1 　初裂抗拉強(qiáng)度

f_{t ，f} = 0.433×V³-2.013×V²+ 2.034×V+2.899  0.00≤V≤3.00

-0.125×V²+1.830×V-1.809            3.00<V≤10.00                                     (1)

其中:V是體積百分含量的十倍，即V=10V_f%。

　　由圖2可以得出：1)在纖維摻量很小的范圍內(nèi)，如0.05%左右，纖維混凝土的抗裂性能有所提高；2)在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土彎折抗拉強(qiáng)度降低，降低最大幅度在0.30%附近，而超過0.40%時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所提高，提高幅度最大的在20%左右，過此摻量以后，彎折抗拉強(qiáng)度有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高；3)根據(jù)實(shí)測值進(jìn)行擬合的計(jì)算公式(1) 能否滿足其它摻量纖維混凝土，有待于進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1.2 　極限抗拉強(qiáng)度

f_{t ，f} = 0.033×V³-0.017×V²-0.579×V+3.801    0.00≤V≤5.00

-0.131×V²+1.937×V-1.832             5.00<V≤10.00                    (2)

　　其中:V是體積百分含量的十倍，即V=10V_f/%。

    

　　由圖3可以得出：1)在纖維摻量很小的范圍內(nèi)，如0.05%左右，彎折抗拉強(qiáng)度有所降低；2)在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土彎折抗拉強(qiáng)度降低，降低最大幅度在0.30%附近，而超過0.40 %時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所提高，提高幅度最大的在20%左右，過此摻量以后，彎折抗拉強(qiáng)度有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高；3)根據(jù)實(shí)測值進(jìn)行擬合計(jì)算公式(2)能否滿足其它摻量纖維混凝土，有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

對(duì)于試驗(yàn)得出如上的結(jié)論，本文認(rèn)為無論是抗裂強(qiáng)度還是彎折抗拉強(qiáng)度，纖維均是在受拉狀態(tài)下，對(duì)于一種高強(qiáng)高模的纖維來說，上述兩種抗拉強(qiáng)度所表現(xiàn)出的特性可能是由于：

·纖維的體積含量低于纖維的臨界體積含量，所以導(dǎo)致降低；

·纖維的摻入削弱了原來普通混凝土的受力性能的影響大于對(duì)其加強(qiáng)的影響，可以認(rèn)為纖維與混凝土之間的粘結(jié)過于薄弱，而同時(shí)纖維的摻入影響了混凝土的密實(shí)性；

·當(dāng)纖維含量很大時(shí)，反之加強(qiáng)混凝土受力性能的影響大于對(duì)其削弱的影響。

4.2 　抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化

具體見圖4、5、6、7。

4.2.1 　初裂抗拉強(qiáng)度

4.2.2 　極限抗拉強(qiáng)度

 

4.3 　截面塑性系數(shù)(14天齡期)

普遍認(rèn)為，混凝土的彎折抗拉強(qiáng)度要比直接拉伸強(qiáng)度大;

定義塑性系數(shù)γ_m:

γ_m = f_r/f_t                                       (3)

式中　fr ——混凝土彎折抗拉強(qiáng)度;

ft ——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度。

按定義，當(dāng)γ_m>1時(shí)表明受拉區(qū)有塑性，γ_m值的大小表示受拉區(qū)塑性程度。如果我們知道直接軸拉強(qiáng)度和彎折抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系后，我們就可以很簡單的通過數(shù)值方法或者模擬的方法知道混凝土的直接抗拉強(qiáng)度。

按照定義，在彎折試驗(yàn)中，試件的初裂荷載所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度即為混凝土的抗裂強(qiáng)度，而試件極限荷載所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度為彎折抗拉強(qiáng)度。現(xiàn)比較如圖8 ，同時(shí)按照式(3)列表5：截面塑性系數(shù)表。

　　從圖8和表5可以得出結(jié)論：1)PVA纖維混凝土的截面塑性基本一致，不排斥在普通混凝土中數(shù)據(jù)的離散現(xiàn)象；2)當(dāng)纖維含量小于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)隨纖維含量增加而增大，但是幅度不是很大；3)當(dāng)纖維含量大于0.30%之后，截面的塑性系數(shù)基本不變。

4.4 　彎曲韌性指數(shù)

相對(duì)于三點(diǎn)彎折試驗(yàn)(THREE-POINT BEND TESTS)來說，四點(diǎn)彎折試驗(yàn)?zāi)軌蜃尰炷敛牧蠌淖陨碜畋∪醯牡胤介_裂，而不是指定混凝土材料的開裂地點(diǎn)；同時(shí)對(duì)于纖維混凝土來說，消除了或者至少是減少了纖維在混凝土中能夠分散裂縫的積極作用，這不利于準(zhǔn)確測量混凝土材料的韌性，更不利于纖維混凝土韌性效果的正確確定。

四點(diǎn)彎折試驗(yàn)通常用來測定混凝土的開裂強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變以及評(píng)價(jià)混凝土彎曲韌性。分析彎折試驗(yàn)結(jié)果的常用方法主要有三種，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM(American Society of Testing Materials) C1018韌度指數(shù)法，日本JCI(Japan Concrete Institute)SFRC委員會(huì)彎曲韌度系數(shù)法和挪威的NBPNo17規(guī)范。僅前兩種方法分析的基礎(chǔ)均是荷載與梁跨中的撓度曲線。

ASTM C1018方法得出彎曲韌性的一個(gè)相對(duì)值，JSCE-SF4得出彎曲韌性的絕對(duì)值，而NBP方法則采用不同的模數(shù)來區(qū)分不同的纖維混凝土的韌性；ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)方法是應(yīng)用最為廣泛的一種方法；此標(biāo)準(zhǔn)利用理想彈塑性體作為材料韌性的參考標(biāo)準(zhǔn)，選用初裂點(diǎn)撓度的倍數(shù)作為終點(diǎn)撓度，即3倍(3δ)、5.5 倍(5.5δ)、15.5倍(15.5δ)。彎曲韌度指數(shù)用I₅、I₁₀、I₃₀表示，即：

　  具體參見示意圖9 。

   

在使用此標(biāo)準(zhǔn)分析材料的韌性時(shí)，涉及到初裂荷載點(diǎn)的確定：在ASTM C1018規(guī)范中，對(duì)于初裂點(diǎn)的定義為：“ ⋯the point at which the curvature first increases sharply and the slope of the curve exhibits a definite changes ⋯”這即意味著初裂點(diǎn)的確定帶著極大的主觀性;對(duì)于混凝土來說，由于一般的混凝土P-Δ曲線很難有明顯的斜率突變點(diǎn)，所以混凝土韌性的確定也應(yīng)該考慮到人為的主觀因素。

采用ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是：

·有明確的物理意義。能比較確切地反映纖維混凝土的工作狀態(tài)；

·與工程中常用的延性比類似，便于在工程中應(yīng)用；

·不受試件形狀、尺寸的影響；

·能夠比較明確的確定混凝土韌性發(fā)展過程；

·初裂荷載點(diǎn)的確定存在較大的主觀性。

參照ASTM C1018 方法，試件韌性見表6 。

 

 

　   根據(jù)表6，可得如下結(jié)論：1)隨著PVA纖維體積含量增加，纖維混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度增加，韌性指數(shù)增加，試件破壞時(shí)的撓度也增加。2)與素混凝土相比，韌性指數(shù)大大增加，就14天齡期含量為1.0%PVA纖維增強(qiáng)混凝土與素混凝土相比，I₅增大40%而I₁₀增大近100%。說明PVA纖維的增韌效果是極其明顯的。3)PVA纖維混凝土的抗折強(qiáng)度與素混凝土相比卻沒有顯著提高。

5 　結(jié)論

1) 在纖維摻量較小時(shí)，如0.05%左右，纖維混凝土的初裂抗拉強(qiáng)度有所提高，而對(duì)應(yīng)的極限抗拉強(qiáng)度并沒有相應(yīng)的提高反而降低。

2) 在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土的初裂、極限抗拉強(qiáng)度是降低的，降低幅度最大的是在0.30%附近，而超過0.40%時(shí)，均有所提高，提高幅度最大的在25%左右，過此摻量后有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高。

3) PVA纖維混凝土的截面塑性基本一致，不排斥在普通混凝土中數(shù)據(jù)的離散現(xiàn)象：當(dāng)纖維含量小于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)隨纖維含量的增加而增大，但是幅度不是很大;當(dāng)纖維含量大于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)基本不變。

4) 早期性能；

5) 延性：①隨著PVA纖維體積含量增加，纖維混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度增加，韌性指數(shù)增加，試件破壞時(shí)的撓度也增加；②與素混凝土相比，韌性指數(shù)大大增加，就14天齡期含量為1.0%PVA纖維增強(qiáng)混凝土與素混凝土相比，I₅增大40%而I₁₀增大近100%。說明PVA纖維的增韌效果是極其明顯的；③PVA纖維混凝土的極限抗拉強(qiáng)度與素混凝土相比卻沒有顯著提高。

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 (上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司都市建筑設(shè)計(jì)研究院，上海　200002; 上海同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程，上海　200092)

 

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　   在文獻(xiàn)[3]中已經(jīng)詳細(xì)的討論過纖維長度對(duì)纖維混凝土力學(xué)性能的影響。當(dāng)纖維的長徑比大于臨界值時(shí)，纖維增強(qiáng)混凝土在拉力作用下將發(fā)生纖維拉斷破壞，這意味著充分發(fā)揮了纖維的增強(qiáng)作用：同時(shí)增加纖維的長徑比(l/d) ，錨固力也隨著增加，防止混凝土開裂后纖維被拔出。所以本次試驗(yàn)所選用的纖維長徑比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其臨界長徑比。

2.4 　混凝土及纖維的配合比

本次試驗(yàn)所有的普通混凝土的配合比按照C40等級(jí)的混凝土設(shè)計(jì)，具體采用的原材料如下:525 #普通硅酸鹽水泥、中砂、粒徑為5mm～20mm的石子;經(jīng)計(jì)算其配合比為：水泥∶細(xì)集料∶粗集料∶水=1∶0.94∶2.2∶0.43；水灰比以及砂率參見表3。

 

3 　試驗(yàn)過程

3.1 　加載過程

首先，將試件擦拭干凈，檢查外觀并測量其尺寸，然后把剛性支座安裝在試驗(yàn)機(jī)的下壓頭上并固定住，調(diào)整好支座的間距。將試件平放在支座上，調(diào)整試件的位置，使試件的軸心與試驗(yàn)機(jī)下壓頭的中心相重合。在試件跨中的底部安裝位移傳感器。通過分配梁方式進(jìn)行二點(diǎn)集中加載，上壓頭與分配梁頂部接觸均衡，然后就可以連續(xù)而均勻地加載了。本試驗(yàn)采用等變形加載，直至試件破壞為止。

試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)過程中同步地記錄下荷載與試件跨中撓度。

4 　結(jié)果與分析

本次彎折試驗(yàn)主要目的是為了研究PVA纖維對(duì)混凝土延性的增強(qiáng)作用，所以主要著重于不同纖維含量下試件延性的分析，同時(shí)為了全面了解和掌握PVA纖維在混凝土中所發(fā)揮的全部作用，還在不同纖維含量下進(jìn)行了4種齡期的試驗(yàn)，以便了解PVA纖維對(duì)混凝土早期延性、抗裂等性能的影響程度。

由試驗(yàn)結(jié)果可以得出試件的初裂荷載與初裂撓度以及試件的彎折抗拉強(qiáng)度，具體數(shù)值見表4。

　　中外文獻(xiàn)資料表明，普通混凝土試件的彎折抗拉強(qiáng)度較低，而且一旦開裂就立刻折斷，呈典型的脆性破壞模式，而PVA纖維的四點(diǎn)彎折試驗(yàn)顯示，隨著纖維含量的增加，表現(xiàn)出脆性破壞的概率也相應(yīng)的減少。

4.1 　抗拉強(qiáng)度隨纖維含量的變化

由于混凝土在應(yīng)用中均是28天以后的強(qiáng)度，但是在本次試驗(yàn)中，所得到數(shù)據(jù)中14天的較為完整，就取14天齡期的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。在表4的基礎(chǔ)上，對(duì)纖維的初裂抗拉強(qiáng)度以及極限抗拉強(qiáng)度進(jìn)行擬合得出式(1)和式(2)，并把擬合值與實(shí)測值進(jìn)行了比較。從上面的曲線來看，可以得出如下結(jié)論：

4.1.1 　初裂抗拉強(qiáng)度

f_{t ，f} = 0.433×V³-2.013×V²+ 2.034×V+2.899  0.00≤V≤3.00

-0.125×V²+1.830×V-1.809            3.00<V≤10.00                                     (1)

其中:V是體積百分含量的十倍，即V=10V_f%。

　　由圖2可以得出：1)在纖維摻量很小的范圍內(nèi)，如0.05%左右，纖維混凝土的抗裂性能有所提高；2)在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土彎折抗拉強(qiáng)度降低，降低最大幅度在0.30%附近，而超過0.40%時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所提高，提高幅度最大的在20%左右，過此摻量以后，彎折抗拉強(qiáng)度有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高；3)根據(jù)實(shí)測值進(jìn)行擬合的計(jì)算公式(1) 能否滿足其它摻量纖維混凝土，有待于進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1.2 　極限抗拉強(qiáng)度

f_{t ，f} = 0.033×V³-0.017×V²-0.579×V+3.801    0.00≤V≤5.00

-0.131×V²+1.937×V-1.832             5.00<V≤10.00                    (2)

　　其中:V是體積百分含量的十倍，即V=10V_f/%。

    

　　由圖3可以得出：1)在纖維摻量很小的范圍內(nèi)，如0.05%左右，彎折抗拉強(qiáng)度有所降低；2)在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土彎折抗拉強(qiáng)度降低，降低最大幅度在0.30%附近，而超過0.40 %時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所提高，提高幅度最大的在20%左右，過此摻量以后，彎折抗拉強(qiáng)度有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高；3)根據(jù)實(shí)測值進(jìn)行擬合計(jì)算公式(2)能否滿足其它摻量纖維混凝土，有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

對(duì)于試驗(yàn)得出如上的結(jié)論，本文認(rèn)為無論是抗裂強(qiáng)度還是彎折抗拉強(qiáng)度，纖維均是在受拉狀態(tài)下，對(duì)于一種高強(qiáng)高模的纖維來說，上述兩種抗拉強(qiáng)度所表現(xiàn)出的特性可能是由于：

·纖維的體積含量低于纖維的臨界體積含量，所以導(dǎo)致降低；

·纖維的摻入削弱了原來普通混凝土的受力性能的影響大于對(duì)其加強(qiáng)的影響，可以認(rèn)為纖維與混凝土之間的粘結(jié)過于薄弱，而同時(shí)纖維的摻入影響了混凝土的密實(shí)性；

·當(dāng)纖維含量很大時(shí)，反之加強(qiáng)混凝土受力性能的影響大于對(duì)其削弱的影響。

4.2 　抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化

具體見圖4、5、6、7。

4.2.1 　初裂抗拉強(qiáng)度

4.2.2 　極限抗拉強(qiáng)度

 

4.3 　截面塑性系數(shù)(14天齡期)

普遍認(rèn)為，混凝土的彎折抗拉強(qiáng)度要比直接拉伸強(qiáng)度大;

定義塑性系數(shù)γ_m:

γ_m = f_r/f_t                                       (3)

式中　fr ——混凝土彎折抗拉強(qiáng)度;

ft ——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度。

按定義，當(dāng)γ_m>1時(shí)表明受拉區(qū)有塑性，γ_m值的大小表示受拉區(qū)塑性程度。如果我們知道直接軸拉強(qiáng)度和彎折抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系后，我們就可以很簡單的通過數(shù)值方法或者模擬的方法知道混凝土的直接抗拉強(qiáng)度。

按照定義，在彎折試驗(yàn)中，試件的初裂荷載所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度即為混凝土的抗裂強(qiáng)度，而試件極限荷載所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度為彎折抗拉強(qiáng)度。現(xiàn)比較如圖8 ，同時(shí)按照式(3)列表5：截面塑性系數(shù)表。

　　從圖8和表5可以得出結(jié)論：1)PVA纖維混凝土的截面塑性基本一致，不排斥在普通混凝土中數(shù)據(jù)的離散現(xiàn)象；2)當(dāng)纖維含量小于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)隨纖維含量增加而增大，但是幅度不是很大；3)當(dāng)纖維含量大于0.30%之后，截面的塑性系數(shù)基本不變。

4.4 　彎曲韌性指數(shù)

相對(duì)于三點(diǎn)彎折試驗(yàn)(THREE-POINT BEND TESTS)來說，四點(diǎn)彎折試驗(yàn)?zāi)軌蜃尰炷敛牧蠌淖陨碜畋∪醯牡胤介_裂，而不是指定混凝土材料的開裂地點(diǎn)；同時(shí)對(duì)于纖維混凝土來說，消除了或者至少是減少了纖維在混凝土中能夠分散裂縫的積極作用，這不利于準(zhǔn)確測量混凝土材料的韌性，更不利于纖維混凝土韌性效果的正確確定。

四點(diǎn)彎折試驗(yàn)通常用來測定混凝土的開裂強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變以及評(píng)價(jià)混凝土彎曲韌性。分析彎折試驗(yàn)結(jié)果的常用方法主要有三種，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM(American Society of Testing Materials) C1018韌度指數(shù)法，日本JCI(Japan Concrete Institute)SFRC委員會(huì)彎曲韌度系數(shù)法和挪威的NBPNo17規(guī)范。僅前兩種方法分析的基礎(chǔ)均是荷載與梁跨中的撓度曲線。

ASTM C1018方法得出彎曲韌性的一個(gè)相對(duì)值，JSCE-SF4得出彎曲韌性的絕對(duì)值，而NBP方法則采用不同的模數(shù)來區(qū)分不同的纖維混凝土的韌性；ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)方法是應(yīng)用最為廣泛的一種方法；此標(biāo)準(zhǔn)利用理想彈塑性體作為材料韌性的參考標(biāo)準(zhǔn)，選用初裂點(diǎn)撓度的倍數(shù)作為終點(diǎn)撓度，即3倍(3δ)、5.5 倍(5.5δ)、15.5倍(15.5δ)。彎曲韌度指數(shù)用I₅、I₁₀、I₃₀表示，即：

　  具體參見示意圖9 。

   

在使用此標(biāo)準(zhǔn)分析材料的韌性時(shí)，涉及到初裂荷載點(diǎn)的確定：在ASTM C1018規(guī)范中，對(duì)于初裂點(diǎn)的定義為：“ ⋯the point at which the curvature first increases sharply and the slope of the curve exhibits a definite changes ⋯”這即意味著初裂點(diǎn)的確定帶著極大的主觀性;對(duì)于混凝土來說，由于一般的混凝土P-Δ曲線很難有明顯的斜率突變點(diǎn)，所以混凝土韌性的確定也應(yīng)該考慮到人為的主觀因素。

采用ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是：

·有明確的物理意義。能比較確切地反映纖維混凝土的工作狀態(tài)；

·與工程中常用的延性比類似，便于在工程中應(yīng)用；

·不受試件形狀、尺寸的影響；

·能夠比較明確的確定混凝土韌性發(fā)展過程；

·初裂荷載點(diǎn)的確定存在較大的主觀性。

參照ASTM C1018 方法，試件韌性見表6 。

 

 

　   根據(jù)表6，可得如下結(jié)論：1)隨著PVA纖維體積含量增加，纖維混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度增加，韌性指數(shù)增加，試件破壞時(shí)的撓度也增加。2)與素混凝土相比，韌性指數(shù)大大增加，就14天齡期含量為1.0%PVA纖維增強(qiáng)混凝土與素混凝土相比，I₅增大40%而I₁₀增大近100%。說明PVA纖維的增韌效果是極其明顯的。3)PVA纖維混凝土的抗折強(qiáng)度與素混凝土相比卻沒有顯著提高。

5 　結(jié)論

1) 在纖維摻量較小時(shí)，如0.05%左右，纖維混凝土的初裂抗拉強(qiáng)度有所提高，而對(duì)應(yīng)的極限抗拉強(qiáng)度并沒有相應(yīng)的提高反而降低。

2) 在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土的初裂、極限抗拉強(qiáng)度是降低的，降低幅度最大的是在0.30%附近，而超過0.40%時(shí)，均有所提高，提高幅度最大的在25%左右，過此摻量后有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高。

3) PVA纖維混凝土的截面塑性基本一致，不排斥在普通混凝土中數(shù)據(jù)的離散現(xiàn)象：當(dāng)纖維含量小于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)隨纖維含量的增加而增大，但是幅度不是很大;當(dāng)纖維含量大于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)基本不變。

4) 早期性能；

5) 延性：①隨著PVA纖維體積含量增加，纖維混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度增加，韌性指數(shù)增加，試件破壞時(shí)的撓度也增加；②與素混凝土相比，韌性指數(shù)大大增加，就14天齡期含量為1.0%PVA纖維增強(qiáng)混凝土與素混凝土相比，I₅增大40%而I₁₀增大近100%。說明PVA纖維的增韌效果是極其明顯的；③PVA纖維混凝土的極限抗拉強(qiáng)度與素混凝土相比卻沒有顯著提高。

[參考文獻(xiàn)]

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[15 ]Jvictor C. Li，Large Volume，High-Performance Applications of Fibersin Civil Engineering，Journal of Applied Polymer Science，2002，83:660-686.

 (上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司都市建筑設(shè)計(jì)研究院，上?！?/SPAN>200002; 上海同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程，上?！?/SPAN>200092)

 

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　   在文獻(xiàn)[3]中已經(jīng)詳細(xì)的討論過纖維長度對(duì)纖維混凝土力學(xué)性能的影響。當(dāng)纖維的長徑比大于臨界值時(shí)，纖維增強(qiáng)混凝土在拉力作用下將發(fā)生纖維拉斷破壞，這意味著充分發(fā)揮了纖維的增強(qiáng)作用：同時(shí)增加纖維的長徑比(l/d) ，錨固力也隨著增加，防止混凝土開裂后纖維被拔出。所以本次試驗(yàn)所選用的纖維長徑比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其臨界長徑比。

2.4 　混凝土及纖維的配合比

本次試驗(yàn)所有的普通混凝土的配合比按照C40等級(jí)的混凝土設(shè)計(jì)，具體采用的原材料如下:525 #普通硅酸鹽水泥、中砂、粒徑為5mm～20mm的石子;經(jīng)計(jì)算其配合比為：水泥∶細(xì)集料∶粗集料∶水=1∶0.94∶2.2∶0.43；水灰比以及砂率參見表3。

 

3 　試驗(yàn)過程

3.1 　加載過程

首先，將試件擦拭干凈，檢查外觀并測量其尺寸，然后把剛性支座安裝在試驗(yàn)機(jī)的下壓頭上并固定住，調(diào)整好支座的間距。將試件平放在支座上，調(diào)整試件的位置，使試件的軸心與試驗(yàn)機(jī)下壓頭的中心相重合。在試件跨中的底部安裝位移傳感器。通過分配梁方式進(jìn)行二點(diǎn)集中加載，上壓頭與分配梁頂部接觸均衡，然后就可以連續(xù)而均勻地加載了。本試驗(yàn)采用等變形加載，直至試件破壞為止。

試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)過程中同步地記錄下荷載與試件跨中撓度。

4 　結(jié)果與分析

本次彎折試驗(yàn)主要目的是為了研究PVA纖維對(duì)混凝土延性的增強(qiáng)作用，所以主要著重于不同纖維含量下試件延性的分析，同時(shí)為了全面了解和掌握PVA纖維在混凝土中所發(fā)揮的全部作用，還在不同纖維含量下進(jìn)行了4種齡期的試驗(yàn)，以便了解PVA纖維對(duì)混凝土早期延性、抗裂等性能的影響程度。

由試驗(yàn)結(jié)果可以得出試件的初裂荷載與初裂撓度以及試件的彎折抗拉強(qiáng)度，具體數(shù)值見表4。

　　中外文獻(xiàn)資料表明，普通混凝土試件的彎折抗拉強(qiáng)度較低，而且一旦開裂就立刻折斷，呈典型的脆性破壞模式，而PVA纖維的四點(diǎn)彎折試驗(yàn)顯示，隨著纖維含量的增加，表現(xiàn)出脆性破壞的概率也相應(yīng)的減少。

4.1 　抗拉強(qiáng)度隨纖維含量的變化

由于混凝土在應(yīng)用中均是28天以后的強(qiáng)度，但是在本次試驗(yàn)中，所得到數(shù)據(jù)中14天的較為完整，就取14天齡期的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。在表4的基礎(chǔ)上，對(duì)纖維的初裂抗拉強(qiáng)度以及極限抗拉強(qiáng)度進(jìn)行擬合得出式(1)和式(2)，并把擬合值與實(shí)測值進(jìn)行了比較。從上面的曲線來看，可以得出如下結(jié)論：

4.1.1 　初裂抗拉強(qiáng)度

f_{t ，f} = 0.433×V³-2.013×V²+ 2.034×V+2.899  0.00≤V≤3.00

-0.125×V²+1.830×V-1.809            3.00<V≤10.00                                     (1)

其中:V是體積百分含量的十倍，即V=10V_f%。

　　由圖2可以得出：1)在纖維摻量很小的范圍內(nèi)，如0.05%左右，纖維混凝土的抗裂性能有所提高；2)在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土彎折抗拉強(qiáng)度降低，降低最大幅度在0.30%附近，而超過0.40%時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所提高，提高幅度最大的在20%左右，過此摻量以后，彎折抗拉強(qiáng)度有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高；3)根據(jù)實(shí)測值進(jìn)行擬合的計(jì)算公式(1) 能否滿足其它摻量纖維混凝土，有待于進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1.2 　極限抗拉強(qiáng)度

f_{t ，f} = 0.033×V³-0.017×V²-0.579×V+3.801    0.00≤V≤5.00

-0.131×V²+1.937×V-1.832             5.00<V≤10.00                    (2)

　　其中:V是體積百分含量的十倍，即V=10V_f/%。

    

　　由圖3可以得出：1)在纖維摻量很小的范圍內(nèi)，如0.05%左右，彎折抗拉強(qiáng)度有所降低；2)在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土彎折抗拉強(qiáng)度降低，降低最大幅度在0.30%附近，而超過0.40 %時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所提高，提高幅度最大的在20%左右，過此摻量以后，彎折抗拉強(qiáng)度有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高；3)根據(jù)實(shí)測值進(jìn)行擬合計(jì)算公式(2)能否滿足其它摻量纖維混凝土，有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

對(duì)于試驗(yàn)得出如上的結(jié)論，本文認(rèn)為無論是抗裂強(qiáng)度還是彎折抗拉強(qiáng)度，纖維均是在受拉狀態(tài)下，對(duì)于一種高強(qiáng)高模的纖維來說，上述兩種抗拉強(qiáng)度所表現(xiàn)出的特性可能是由于：

·纖維的體積含量低于纖維的臨界體積含量，所以導(dǎo)致降低；

·纖維的摻入削弱了原來普通混凝土的受力性能的影響大于對(duì)其加強(qiáng)的影響，可以認(rèn)為纖維與混凝土之間的粘結(jié)過于薄弱，而同時(shí)纖維的摻入影響了混凝土的密實(shí)性；

·當(dāng)纖維含量很大時(shí)，反之加強(qiáng)混凝土受力性能的影響大于對(duì)其削弱的影響。

4.2 　抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化

具體見圖4、5、6、7。

4.2.1 　初裂抗拉強(qiáng)度

4.2.2 　極限抗拉強(qiáng)度

 

4.3 　截面塑性系數(shù)(14天齡期)

普遍認(rèn)為，混凝土的彎折抗拉強(qiáng)度要比直接拉伸強(qiáng)度大;

定義塑性系數(shù)γ_m:

γ_m = f_r/f_t                                       (3)

式中　fr ——混凝土彎折抗拉強(qiáng)度;

ft ——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度。

按定義，當(dāng)γ_m>1時(shí)表明受拉區(qū)有塑性，γ_m值的大小表示受拉區(qū)塑性程度。如果我們知道直接軸拉強(qiáng)度和彎折抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系后，我們就可以很簡單的通過數(shù)值方法或者模擬的方法知道混凝土的直接抗拉強(qiáng)度。

按照定義，在彎折試驗(yàn)中，試件的初裂荷載所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度即為混凝土的抗裂強(qiáng)度，而試件極限荷載所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度為彎折抗拉強(qiáng)度。現(xiàn)比較如圖8 ，同時(shí)按照式(3)列表5：截面塑性系數(shù)表。

　　從圖8和表5可以得出結(jié)論：1)PVA纖維混凝土的截面塑性基本一致，不排斥在普通混凝土中數(shù)據(jù)的離散現(xiàn)象；2)當(dāng)纖維含量小于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)隨纖維含量增加而增大，但是幅度不是很大；3)當(dāng)纖維含量大于0.30%之后，截面的塑性系數(shù)基本不變。

4.4 　彎曲韌性指數(shù)

相對(duì)于三點(diǎn)彎折試驗(yàn)(THREE-POINT BEND TESTS)來說，四點(diǎn)彎折試驗(yàn)?zāi)軌蜃尰炷敛牧蠌淖陨碜畋∪醯牡胤介_裂，而不是指定混凝土材料的開裂地點(diǎn)；同時(shí)對(duì)于纖維混凝土來說，消除了或者至少是減少了纖維在混凝土中能夠分散裂縫的積極作用，這不利于準(zhǔn)確測量混凝土材料的韌性，更不利于纖維混凝土韌性效果的正確確定。

四點(diǎn)彎折試驗(yàn)通常用來測定混凝土的開裂強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變以及評(píng)價(jià)混凝土彎曲韌性。分析彎折試驗(yàn)結(jié)果的常用方法主要有三種，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM(American Society of Testing Materials) C1018韌度指數(shù)法，日本JCI(Japan Concrete Institute)SFRC委員會(huì)彎曲韌度系數(shù)法和挪威的NBPNo17規(guī)范。僅前兩種方法分析的基礎(chǔ)均是荷載與梁跨中的撓度曲線。

ASTM C1018方法得出彎曲韌性的一個(gè)相對(duì)值，JSCE-SF4得出彎曲韌性的絕對(duì)值，而NBP方法則采用不同的模數(shù)來區(qū)分不同的纖維混凝土的韌性；ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)方法是應(yīng)用最為廣泛的一種方法；此標(biāo)準(zhǔn)利用理想彈塑性體作為材料韌性的參考標(biāo)準(zhǔn)，選用初裂點(diǎn)撓度的倍數(shù)作為終點(diǎn)撓度，即3倍(3δ)、5.5 倍(5.5δ)、15.5倍(15.5δ)。彎曲韌度指數(shù)用I₅、I₁₀、I₃₀表示，即：

　  具體參見示意圖9 。

   

在使用此標(biāo)準(zhǔn)分析材料的韌性時(shí)，涉及到初裂荷載點(diǎn)的確定：在ASTM C1018規(guī)范中，對(duì)于初裂點(diǎn)的定義為：“ ⋯the point at which the curvature first increases sharply and the slope of the curve exhibits a definite changes ⋯”這即意味著初裂點(diǎn)的確定帶著極大的主觀性;對(duì)于混凝土來說，由于一般的混凝土P-Δ曲線很難有明顯的斜率突變點(diǎn)，所以混凝土韌性的確定也應(yīng)該考慮到人為的主觀因素。

采用ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是：

·有明確的物理意義。能比較確切地反映纖維混凝土的工作狀態(tài)；

·與工程中常用的延性比類似，便于在工程中應(yīng)用；

·不受試件形狀、尺寸的影響；

·能夠比較明確的確定混凝土韌性發(fā)展過程；

·初裂荷載點(diǎn)的確定存在較大的主觀性。

參照ASTM C1018 方法，試件韌性見表6 。

 

 

　   根據(jù)表6，可得如下結(jié)論：1)隨著PVA纖維體積含量增加，纖維混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度增加，韌性指數(shù)增加，試件破壞時(shí)的撓度也增加。2)與素混凝土相比，韌性指數(shù)大大增加，就14天齡期含量為1.0%PVA纖維增強(qiáng)混凝土與素混凝土相比，I₅增大40%而I₁₀增大近100%。說明PVA纖維的增韌效果是極其明顯的。3)PVA纖維混凝土的抗折強(qiáng)度與素混凝土相比卻沒有顯著提高。

5 　結(jié)論

1) 在纖維摻量較小時(shí)，如0.05%左右，纖維混凝土的初裂抗拉強(qiáng)度有所提高，而對(duì)應(yīng)的極限抗拉強(qiáng)度并沒有相應(yīng)的提高反而降低。

2) 在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土的初裂、極限抗拉強(qiáng)度是降低的，降低幅度最大的是在0.30%附近，而超過0.40%時(shí)，均有所提高，提高幅度最大的在25%左右，過此摻量后有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高。

3) PVA纖維混凝土的截面塑性基本一致，不排斥在普通混凝土中數(shù)據(jù)的離散現(xiàn)象：當(dāng)纖維含量小于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)隨纖維含量的增加而增大，但是幅度不是很大;當(dāng)纖維含量大于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)基本不變。

4) 早期性能；

5) 延性：①隨著PVA纖維體積含量增加，纖維混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度增加，韌性指數(shù)增加，試件破壞時(shí)的撓度也增加；②與素混凝土相比，韌性指數(shù)大大增加，就14天齡期含量為1.0%PVA纖維增強(qiáng)混凝土與素混凝土相比，I₅增大40%而I₁₀增大近100%。說明PVA纖維的增韌效果是極其明顯的；③PVA纖維混凝土的極限抗拉強(qiáng)度與素混凝土相比卻沒有顯著提高。

[參考文獻(xiàn)]

[ 1 ]工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范分類匯編——結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]. 中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[ 2 ]華淵，劉榮華，曾藝. 纖維增韌高性能混凝土的試驗(yàn)研究[J]. 混凝土與水泥制品，1998(3).

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[ 8 ]高丹盈，黃承逵. 鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度[J]. 河南科學(xué)，1991，9(3):54-60.

[ 9 ]翟陽，吳佩剛，姜永波，等. 鋼纖維高強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度[J]. 煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程版)，1995，(4):56-61.

[ 10 ]閆波，祝恩淳，趙竟海. 熔抽鋼纖維混凝土抗折性能試驗(yàn)研究[J].哈爾賓建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1993，26(2):94-96.

[ 11 ]張志輝，孫克宇. 廢鋼絲纖維混凝土基本力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)，1997 ，16 (3) .

[12 ] Youjiang Wang H. C. Wu and Victor C. Li. Concrete reinforcement with recycled fibers，Journal of Materials in Civil Engineering，Vol.12，No.4，November，2000.

[ 13 ] Tim Hartmann. Steel fiber reinforced concrete. The thesis，Stockholm May ，1999.

[14 ] P. J . Kim，H. C. Wu，Z. Lin，V. C. Li，B. de Lhoneus，S. A. S. Akers ，Micromechanics-based durability study of cellulose cement in flexure，Cement and Concrete Research，1999，29:201-208.

[15 ]Jvictor C. Li，Large Volume，High-Performance Applications of Fibersin Civil Engineering，Journal of Applied Polymer Science，2002，83:660-686.

 (上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司都市建筑設(shè)計(jì)研究院，上?！?/SPAN>200002; 上海同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程，上?！?/SPAN>200092)

 

=EN-US>

　   在文獻(xiàn)[3]中已經(jīng)詳細(xì)的討論過纖維長度對(duì)纖維混凝土力學(xué)性能的影響。當(dāng)纖維的長徑比大于臨界值時(shí)，纖維增強(qiáng)混凝土在拉力作用下將發(fā)生纖維拉斷破壞，這意味著充分發(fā)揮了纖維的增強(qiáng)作用：同時(shí)增加纖維的長徑比(l/d) ，錨固力也隨著增加，防止混凝土開裂后纖維被拔出。所以本次試驗(yàn)所選用的纖維長徑比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其臨界長徑比。

2.4 　混凝土及纖維的配合比

本次試驗(yàn)所有的普通混凝土的配合比按照C40等級(jí)的混凝土設(shè)計(jì)，具體采用的原材料如下:525 #普通硅酸鹽水泥、中砂、粒徑為5mm～20mm的石子;經(jīng)計(jì)算其配合比為：水泥∶細(xì)集料∶粗集料∶水=1∶0.94∶2.2∶0.43；水灰比以及砂率參見表3。

 

3 　試驗(yàn)過程

3.1 　加載過程

首先，將試件擦拭干凈，檢查外觀并測量其尺寸，然后把剛性支座安裝在試驗(yàn)機(jī)的下壓頭上并固定住，調(diào)整好支座的間距。將試件平放在支座上，調(diào)整試件的位置，使試件的軸心與試驗(yàn)機(jī)下壓頭的中心相重合。在試件跨中的底部安裝位移傳感器。通過分配梁方式進(jìn)行二點(diǎn)集中加載，上壓頭與分配梁頂部接觸均衡，然后就可以連續(xù)而均勻地加載了。本試驗(yàn)采用等變形加載，直至試件破壞為止。

試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)過程中同步地記錄下荷載與試件跨中撓度。

4 　結(jié)果與分析

本次彎折試驗(yàn)主要目的是為了研究PVA纖維對(duì)混凝土延性的增強(qiáng)作用，所以主要著重于不同纖維含量下試件延性的分析，同時(shí)為了全面了解和掌握PVA纖維在混凝土中所發(fā)揮的全部作用，還在不同纖維含量下進(jìn)行了4種齡期的試驗(yàn)，以便了解PVA纖維對(duì)混凝土早期延性、抗裂等性能的影響程度。

由試驗(yàn)結(jié)果可以得出試件的初裂荷載與初裂撓度以及試件的彎折抗拉強(qiáng)度，具體數(shù)值見表4。

　　中外文獻(xiàn)資料表明，普通混凝土試件的彎折抗拉強(qiáng)度較低，而且一旦開裂就立刻折斷，呈典型的脆性破壞模式，而PVA纖維的四點(diǎn)彎折試驗(yàn)顯示，隨著纖維含量的增加，表現(xiàn)出脆性破壞的概率也相應(yīng)的減少。

4.1 　抗拉強(qiáng)度隨纖維含量的變化

由于混凝土在應(yīng)用中均是28天以后的強(qiáng)度，但是在本次試驗(yàn)中，所得到數(shù)據(jù)中14天的較為完整，就取14天齡期的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。在表4的基礎(chǔ)上，對(duì)纖維的初裂抗拉強(qiáng)度以及極限抗拉強(qiáng)度進(jìn)行擬合得出式(1)和式(2)，并把擬合值與實(shí)測值進(jìn)行了比較。從上面的曲線來看，可以得出如下結(jié)論：

4.1.1 　初裂抗拉強(qiáng)度

f_{t ，f} = 0.433×V³-2.013×V²+ 2.034×V+2.899  0.00≤V≤3.00

-0.125×V²+1.830×V-1.809            3.00<V≤10.00                                     (1)

其中:V是體積百分含量的十倍，即V=10V_f%。

　　由圖2可以得出：1)在纖維摻量很小的范圍內(nèi)，如0.05%左右，纖維混凝土的抗裂性能有所提高；2)在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土彎折抗拉強(qiáng)度降低，降低最大幅度在0.30%附近，而超過0.40%時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所提高，提高幅度最大的在20%左右，過此摻量以后，彎折抗拉強(qiáng)度有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高；3)根據(jù)實(shí)測值進(jìn)行擬合的計(jì)算公式(1) 能否滿足其它摻量纖維混凝土，有待于進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1.2 　極限抗拉強(qiáng)度

f_{t ，f} = 0.033×V³-0.017×V²-0.579×V+3.801    0.00≤V≤5.00

-0.131×V²+1.937×V-1.832             5.00<V≤10.00                    (2)

　　其中:V是體積百分含量的十倍，即V=10V_f/%。

    

　　由圖3可以得出：1)在纖維摻量很小的范圍內(nèi)，如0.05%左右，彎折抗拉強(qiáng)度有所降低；2)在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土彎折抗拉強(qiáng)度降低，降低最大幅度在0.30%附近，而超過0.40 %時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所提高，提高幅度最大的在20%左右，過此摻量以后，彎折抗拉強(qiáng)度有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高；3)根據(jù)實(shí)測值進(jìn)行擬合計(jì)算公式(2)能否滿足其它摻量纖維混凝土，有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

對(duì)于試驗(yàn)得出如上的結(jié)論，本文認(rèn)為無論是抗裂強(qiáng)度還是彎折抗拉強(qiáng)度，纖維均是在受拉狀態(tài)下，對(duì)于一種高強(qiáng)高模的纖維來說，上述兩種抗拉強(qiáng)度所表現(xiàn)出的特性可能是由于：

·纖維的體積含量低于纖維的臨界體積含量，所以導(dǎo)致降低；

·纖維的摻入削弱了原來普通混凝土的受力性能的影響大于對(duì)其加強(qiáng)的影響，可以認(rèn)為纖維與混凝土之間的粘結(jié)過于薄弱，而同時(shí)纖維的摻入影響了混凝土的密實(shí)性；

·當(dāng)纖維含量很大時(shí)，反之加強(qiáng)混凝土受力性能的影響大于對(duì)其削弱的影響。

4.2 　抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化

具體見圖4、5、6、7。

4.2.1 　初裂抗拉強(qiáng)度

4.2.2 　極限抗拉強(qiáng)度

 

4.3 　截面塑性系數(shù)(14天齡期)

普遍認(rèn)為，混凝土的彎折抗拉強(qiáng)度要比直接拉伸強(qiáng)度大;

定義塑性系數(shù)γ_m:

γ_m = f_r/f_t                                       (3)

式中　fr ——混凝土彎折抗拉強(qiáng)度;

ft ——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度。

按定義，當(dāng)γ_m>1時(shí)表明受拉區(qū)有塑性，γ_m值的大小表示受拉區(qū)塑性程度。如果我們知道直接軸拉強(qiáng)度和彎折抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系后，我們就可以很簡單的通過數(shù)值方法或者模擬的方法知道混凝土的直接抗拉強(qiáng)度。

按照定義，在彎折試驗(yàn)中，試件的初裂荷載所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度即為混凝土的抗裂強(qiáng)度，而試件極限荷載所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度為彎折抗拉強(qiáng)度。現(xiàn)比較如圖8 ，同時(shí)按照式(3)列表5：截面塑性系數(shù)表。

　　從圖8和表5可以得出結(jié)論：1)PVA纖維混凝土的截面塑性基本一致，不排斥在普通混凝土中數(shù)據(jù)的離散現(xiàn)象；2)當(dāng)纖維含量小于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)隨纖維含量增加而增大，但是幅度不是很大；3)當(dāng)纖維含量大于0.30%之后，截面的塑性系數(shù)基本不變。

4.4 　彎曲韌性指數(shù)

相對(duì)于三點(diǎn)彎折試驗(yàn)(THREE-POINT BEND TESTS)來說，四點(diǎn)彎折試驗(yàn)?zāi)軌蜃尰炷敛牧蠌淖陨碜畋∪醯牡胤介_裂，而不是指定混凝土材料的開裂地點(diǎn)；同時(shí)對(duì)于纖維混凝土來說，消除了或者至少是減少了纖維在混凝土中能夠分散裂縫的積極作用，這不利于準(zhǔn)確測量混凝土材料的韌性，更不利于纖維混凝土韌性效果的正確確定。

四點(diǎn)彎折試驗(yàn)通常用來測定混凝土的開裂強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變以及評(píng)價(jià)混凝土彎曲韌性。分析彎折試驗(yàn)結(jié)果的常用方法主要有三種，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM(American Society of Testing Materials) C1018韌度指數(shù)法，日本JCI(Japan Concrete Institute)SFRC委員會(huì)彎曲韌度系數(shù)法和挪威的NBPNo17規(guī)范。僅前兩種方法分析的基礎(chǔ)均是荷載與梁跨中的撓度曲線。

ASTM C1018方法得出彎曲韌性的一個(gè)相對(duì)值，JSCE-SF4得出彎曲韌性的絕對(duì)值，而NBP方法則采用不同的模數(shù)來區(qū)分不同的纖維混凝土的韌性；ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)方法是應(yīng)用最為廣泛的一種方法；此標(biāo)準(zhǔn)利用理想彈塑性體作為材料韌性的參考標(biāo)準(zhǔn)，選用初裂點(diǎn)撓度的倍數(shù)作為終點(diǎn)撓度，即3倍(3δ)、5.5 倍(5.5δ)、15.5倍(15.5δ)。彎曲韌度指數(shù)用I₅、I₁₀、I₃₀表示，即：

　  具體參見示意圖9 。

   

在使用此標(biāo)準(zhǔn)分析材料的韌性時(shí)，涉及到初裂荷載點(diǎn)的確定：在ASTM C1018規(guī)范中，對(duì)于初裂點(diǎn)的定義為：“ ⋯the point at which the curvature first increases sharply and the slope of the curve exhibits a definite changes ⋯”這即意味著初裂點(diǎn)的確定帶著極大的主觀性;對(duì)于混凝土來說，由于一般的混凝土P-Δ曲線很難有明顯的斜率突變點(diǎn)，所以混凝土韌性的確定也應(yīng)該考慮到人為的主觀因素。

采用ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是：

·有明確的物理意義。能比較確切地反映纖維混凝土的工作狀態(tài)；

·與工程中常用的延性比類似，便于在工程中應(yīng)用；

·不受試件形狀、尺寸的影響；

·能夠比較明確的確定混凝土韌性發(fā)展過程；

·初裂荷載點(diǎn)的確定存在較大的主觀性。

參照ASTM C1018 方法，試件韌性見表6 。

 

 

　   根據(jù)表6，可得如下結(jié)論：1)隨著PVA纖維體積含量增加，纖維混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度增加，韌性指數(shù)增加，試件破壞時(shí)的撓度也增加。2)與素混凝土相比，韌性指數(shù)大大增加，就14天齡期含量為1.0%PVA纖維增強(qiáng)混凝土與素混凝土相比，I₅增大40%而I₁₀增大近100%。說明PVA纖維的增韌效果是極其明顯的。3)PVA纖維混凝土的抗折強(qiáng)度與素混凝土相比卻沒有顯著提高。

5 　結(jié)論

1) 在纖維摻量較小時(shí)，如0.05%左右，纖維混凝土的初裂抗拉強(qiáng)度有所提高，而對(duì)應(yīng)的極限抗拉強(qiáng)度并沒有相應(yīng)的提高反而降低。

2) 在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土的初裂、極限抗拉強(qiáng)度是降低的，降低幅度最大的是在0.30%附近，而超過0.40%時(shí)，均有所提高，提高幅度最大的在25%左右，過此摻量后有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高。

3) PVA纖維混凝土的截面塑性基本一致，不排斥在普通混凝土中數(shù)據(jù)的離散現(xiàn)象：當(dāng)纖維含量小于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)隨纖維含量的增加而增大，但是幅度不是很大;當(dāng)纖維含量大于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)基本不變。

4) 早期性能；

5) 延性：①隨著PVA纖維體積含量增加，纖維混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度增加，韌性指數(shù)增加，試件破壞時(shí)的撓度也增加；②與素混凝土相比，韌性指數(shù)大大增加，就14天齡期含量為1.0%PVA纖維增強(qiáng)混凝土與素混凝土相比，I₅增大40%而I₁₀增大近100%。說明PVA纖維的增韌效果是極其明顯的；③PVA纖維混凝土的極限抗拉強(qiáng)度與素混凝土相比卻沒有顯著提高。

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[12 ] Youjiang Wang H. C. Wu and Victor C. Li. Concrete reinforcement with recycled fibers，Journal of Materials in Civil Engineering，Vol.12，No.4，November，2000.

[ 13 ] Tim Hartmann. Steel fiber reinforced concrete. The thesis，Stockholm May ，1999.

[14 ] P. J . Kim，H. C. Wu，Z. Lin，V. C. Li，B. de Lhoneus，S. A. S. Akers ，Micromechanics-based durability study of cellulose cement in flexure，Cement and Concrete Research，1999，29:201-208.

[15 ]Jvictor C. Li，Large Volume，High-Performance Applications of Fibersin Civil Engineering，Journal of Applied Polymer Science，2002，83:660-686.

 (上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司都市建筑設(shè)計(jì)研究院，上?！?/SPAN>200002; 上海同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程，上?！?/SPAN>200092)

 

=EN-US>

　   在文獻(xiàn)[3]中已經(jīng)詳細(xì)的討論過纖維長度對(duì)纖維混凝土力學(xué)性能的影響。當(dāng)纖維的長徑比大于臨界值時(shí)，纖維增強(qiáng)混凝土在拉力作用下將發(fā)生纖維拉斷破壞，這意味著充分發(fā)揮了纖維的增強(qiáng)作用：同時(shí)增加纖維的長徑比(l/d) ，錨固力也隨著增加，防止混凝土開裂后纖維被拔出。所以本次試驗(yàn)所選用的纖維長徑比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其臨界長徑比。

2.4 　混凝土及纖維的配合比

本次試驗(yàn)所有的普通混凝土的配合比按照C40等級(jí)的混凝土設(shè)計(jì)，具體采用的原材料如下:525 #普通硅酸鹽水泥、中砂、粒徑為5mm～20mm的石子;經(jīng)計(jì)算其配合比為：水泥∶細(xì)集料∶粗集料∶水=1∶0.94∶2.2∶0.43；水灰比以及砂率參見表3。

 

3 　試驗(yàn)過程

3.1 　加載過程

首先，將試件擦拭干凈，檢查外觀并測量其尺寸，然后把剛性支座安裝在試驗(yàn)機(jī)的下壓頭上并固定住，調(diào)整好支座的間距。將試件平放在支座上，調(diào)整試件的位置，使試件的軸心與試驗(yàn)機(jī)下壓頭的中心相重合。在試件跨中的底部安裝位移傳感器。通過分配梁方式進(jìn)行二點(diǎn)集中加載，上壓頭與分配梁頂部接觸均衡，然后就可以連續(xù)而均勻地加載了。本試驗(yàn)采用等變形加載，直至試件破壞為止。

試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)過程中同步地記錄下荷載與試件跨中撓度。

4 　結(jié)果與分析

本次彎折試驗(yàn)主要目的是為了研究PVA纖維對(duì)混凝土延性的增強(qiáng)作用，所以主要著重于不同纖維含量下試件延性的分析，同時(shí)為了全面了解和掌握PVA纖維在混凝土中所發(fā)揮的全部作用，還在不同纖維含量下進(jìn)行了4種齡期的試驗(yàn)，以便了解PVA纖維對(duì)混凝土早期延性、抗裂等性能的影響程度。

由試驗(yàn)結(jié)果可以得出試件的初裂荷載與初裂撓度以及試件的彎折抗拉強(qiáng)度，具體數(shù)值見表4。

　　中外文獻(xiàn)資料表明，普通混凝土試件的彎折抗拉強(qiáng)度較低，而且一旦開裂就立刻折斷，呈典型的脆性破壞模式，而PVA纖維的四點(diǎn)彎折試驗(yàn)顯示，隨著纖維含量的增加，表現(xiàn)出脆性破壞的概率也相應(yīng)的減少。

4.1 　抗拉強(qiáng)度隨纖維含量的變化

由于混凝土在應(yīng)用中均是28天以后的強(qiáng)度，但是在本次試驗(yàn)中，所得到數(shù)據(jù)中14天的較為完整，就取14天齡期的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。在表4的基礎(chǔ)上，對(duì)纖維的初裂抗拉強(qiáng)度以及極限抗拉強(qiáng)度進(jìn)行擬合得出式(1)和式(2)，并把擬合值與實(shí)測值進(jìn)行了比較。從上面的曲線來看，可以得出如下結(jié)論：

4.1.1 　初裂抗拉強(qiáng)度

f_{t ，f} = 0.433×V³-2.013×V²+ 2.034×V+2.899  0.00≤V≤3.00

-0.125×V²+1.830×V-1.809            3.00<V≤10.00                                     (1)

其中:V是體積百分含量的十倍，即V=10V_f%。

　　由圖2可以得出：1)在纖維摻量很小的范圍內(nèi)，如0.05%左右，纖維混凝土的抗裂性能有所提高；2)在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土彎折抗拉強(qiáng)度降低，降低最大幅度在0.30%附近，而超過0.40%時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所提高，提高幅度最大的在20%左右，過此摻量以后，彎折抗拉強(qiáng)度有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高；3)根據(jù)實(shí)測值進(jìn)行擬合的計(jì)算公式(1) 能否滿足其它摻量纖維混凝土，有待于進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1.2 　極限抗拉強(qiáng)度

f_{t ，f} = 0.033×V³-0.017×V²-0.579×V+3.801    0.00≤V≤5.00

-0.131×V²+1.937×V-1.832             5.00<V≤10.00                    (2)

　　其中:V是體積百分含量的十倍，即V=10V_f/%。

    

　　由圖3可以得出：1)在纖維摻量很小的范圍內(nèi)，如0.05%左右，彎折抗拉強(qiáng)度有所降低；2)在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土彎折抗拉強(qiáng)度降低，降低最大幅度在0.30%附近，而超過0.40 %時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所提高，提高幅度最大的在20%左右，過此摻量以后，彎折抗拉強(qiáng)度有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高；3)根據(jù)實(shí)測值進(jìn)行擬合計(jì)算公式(2)能否滿足其它摻量纖維混凝土，有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

對(duì)于試驗(yàn)得出如上的結(jié)論，本文認(rèn)為無論是抗裂強(qiáng)度還是彎折抗拉強(qiáng)度，纖維均是在受拉狀態(tài)下，對(duì)于一種高強(qiáng)高模的纖維來說，上述兩種抗拉強(qiáng)度所表現(xiàn)出的特性可能是由于：

·纖維的體積含量低于纖維的臨界體積含量，所以導(dǎo)致降低；

·纖維的摻入削弱了原來普通混凝土的受力性能的影響大于對(duì)其加強(qiáng)的影響，可以認(rèn)為纖維與混凝土之間的粘結(jié)過于薄弱，而同時(shí)纖維的摻入影響了混凝土的密實(shí)性；

·當(dāng)纖維含量很大時(shí)，反之加強(qiáng)混凝土受力性能的影響大于對(duì)其削弱的影響。

4.2 　抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化

具體見圖4、5、6、7。

4.2.1 　初裂抗拉強(qiáng)度

4.2.2 　極限抗拉強(qiáng)度

 

4.3 　截面塑性系數(shù)(14天齡期)

普遍認(rèn)為，混凝土的彎折抗拉強(qiáng)度要比直接拉伸強(qiáng)度大;

定義塑性系數(shù)γ_m:

γ_m = f_r/f_t                                       (3)

式中　fr ——混凝土彎折抗拉強(qiáng)度;

ft ——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度。

按定義，當(dāng)γ_m>1時(shí)表明受拉區(qū)有塑性，γ_m值的大小表示受拉區(qū)塑性程度。如果我們知道直接軸拉強(qiáng)度和彎折抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系后，我們就可以很簡單的通過數(shù)值方法或者模擬的方法知道混凝土的直接抗拉強(qiáng)度。

按照定義，在彎折試驗(yàn)中，試件的初裂荷載所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度即為混凝土的抗裂強(qiáng)度，而試件極限荷載所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度為彎折抗拉強(qiáng)度。現(xiàn)比較如圖8 ，同時(shí)按照式(3)列表5：截面塑性系數(shù)表。

　　從圖8和表5可以得出結(jié)論：1)PVA纖維混凝土的截面塑性基本一致，不排斥在普通混凝土中數(shù)據(jù)的離散現(xiàn)象；2)當(dāng)纖維含量小于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)隨纖維含量增加而增大，但是幅度不是很大；3)當(dāng)纖維含量大于0.30%之后，截面的塑性系數(shù)基本不變。

4.4 　彎曲韌性指數(shù)

相對(duì)于三點(diǎn)彎折試驗(yàn)(THREE-POINT BEND TESTS)來說，四點(diǎn)彎折試驗(yàn)?zāi)軌蜃尰炷敛牧蠌淖陨碜畋∪醯牡胤介_裂，而不是指定混凝土材料的開裂地點(diǎn)；同時(shí)對(duì)于纖維混凝土來說，消除了或者至少是減少了纖維在混凝土中能夠分散裂縫的積極作用，這不利于準(zhǔn)確測量混凝土材料的韌性，更不利于纖維混凝土韌性效果的正確確定。

四點(diǎn)彎折試驗(yàn)通常用來測定混凝土的開裂強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變以及評(píng)價(jià)混凝土彎曲韌性。分析彎折試驗(yàn)結(jié)果的常用方法主要有三種，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM(American Society of Testing Materials) C1018韌度指數(shù)法，日本JCI(Japan Concrete Institute)SFRC委員會(huì)彎曲韌度系數(shù)法和挪威的NBPNo17規(guī)范。僅前兩種方法分析的基礎(chǔ)均是荷載與梁跨中的撓度曲線。

ASTM C1018方法得出彎曲韌性的一個(gè)相對(duì)值，JSCE-SF4得出彎曲韌性的絕對(duì)值，而NBP方法則采用不同的模數(shù)來區(qū)分不同的纖維混凝土的韌性；ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)方法是應(yīng)用最為廣泛的一種方法；此標(biāo)準(zhǔn)利用理想彈塑性體作為材料韌性的參考標(biāo)準(zhǔn)，選用初裂點(diǎn)撓度的倍數(shù)作為終點(diǎn)撓度，即3倍(3δ)、5.5 倍(5.5δ)、15.5倍(15.5δ)。彎曲韌度指數(shù)用I₅、I₁₀、I₃₀表示，即：

　  具體參見示意圖9 。

   

在使用此標(biāo)準(zhǔn)分析材料的韌性時(shí)，涉及到初裂荷載點(diǎn)的確定：在ASTM C1018規(guī)范中，對(duì)于初裂點(diǎn)的定義為：“ ⋯the point at which the curvature first increases sharply and the slope of the curve exhibits a definite changes ⋯”這即意味著初裂點(diǎn)的確定帶著極大的主觀性;對(duì)于混凝土來說，由于一般的混凝土P-Δ曲線很難有明顯的斜率突變點(diǎn)，所以混凝土韌性的確定也應(yīng)該考慮到人為的主觀因素。

采用ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是：

·有明確的物理意義。能比較確切地反映纖維混凝土的工作狀態(tài)；

·與工程中常用的延性比類似，便于在工程中應(yīng)用；

·不受試件形狀、尺寸的影響；

·能夠比較明確的確定混凝土韌性發(fā)展過程；

·初裂荷載點(diǎn)的確定存在較大的主觀性。

參照ASTM C1018 方法，試件韌性見表6 。

 

 

　   根據(jù)表6，可得如下結(jié)論：1)隨著PVA纖維體積含量增加，纖維混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度增加，韌性指數(shù)增加，試件破壞時(shí)的撓度也增加。2)與素混凝土相比，韌性指數(shù)大大增加，就14天齡期含量為1.0%PVA纖維增強(qiáng)混凝土與素混凝土相比，I₅增大40%而I₁₀增大近100%。說明PVA纖維的增韌效果是極其明顯的。3)PVA纖維混凝土的抗折強(qiáng)度與素混凝土相比卻沒有顯著提高。

5 　結(jié)論

1) 在纖維摻量較小時(shí)，如0.05%左右，纖維混凝土的初裂抗拉強(qiáng)度有所提高，而對(duì)應(yīng)的極限抗拉強(qiáng)度并沒有相應(yīng)的提高反而降低。

2) 在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土的初裂、極限抗拉強(qiáng)度是降低的，降低幅度最大的是在0.30%附近，而超過0.40%時(shí)，均有所提高，提高幅度最大的在25%左右，過此摻量后有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高。

3) PVA纖維混凝土的截面塑性基本一致，不排斥在普通混凝土中數(shù)據(jù)的離散現(xiàn)象：當(dāng)纖維含量小于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)隨纖維含量的增加而增大，但是幅度不是很大;當(dāng)纖維含量大于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)基本不變。

4) 早期性能；

5) 延性：①隨著PVA纖維體積含量增加，纖維混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度增加，韌性指數(shù)增加，試件破壞時(shí)的撓度也增加；②與素混凝土相比，韌性指數(shù)大大增加，就14天齡期含量為1.0%PVA纖維增強(qiáng)混凝土與素混凝土相比，I₅增大40%而I₁₀增大近100%。說明PVA纖維的增韌效果是極其明顯的；③PVA纖維混凝土的極限抗拉強(qiáng)度與素混凝土相比卻沒有顯著提高。

[參考文獻(xiàn)]

[ 1 ]工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范分類匯編——結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]. 中國建筑工業(yè)出版社，1997.

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[14 ] P. J . Kim，H. C. Wu，Z. Lin，V. C. Li，B. de Lhoneus，S. A. S. Akers ，Micromechanics-based durability study of cellulose cement in flexure，Cement and Concrete Research，1999，29:201-208.

[15 ]Jvictor C. Li，Large Volume，High-Performance Applications of Fibersin Civil Engineering，Journal of Applied Polymer Science，2002，83:660-686.

 (上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司都市建筑設(shè)計(jì)研究院，上?！?/SPAN>200002; 上海同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程，上?！?/SPAN>200092)

 

=EN-US>

　   在文獻(xiàn)[3]中已經(jīng)詳細(xì)的討論過纖維長度對(duì)纖維混凝土力學(xué)性能的影響。當(dāng)纖維的長徑比大于臨界值時(shí)，纖維增強(qiáng)混凝土在拉力作用下將發(fā)生纖維拉斷破壞，這意味著充分發(fā)揮了纖維的增強(qiáng)作用：同時(shí)增加纖維的長徑比(l/d) ，錨固力也隨著增加，防止混凝土開裂后纖維被拔出。所以本次試驗(yàn)所選用的纖維長徑比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其臨界長徑比。

2.4 　混凝土及纖維的配合比

本次試驗(yàn)所有的普通混凝土的配合比按照C40等級(jí)的混凝土設(shè)計(jì)，具體采用的原材料如下:525 #普通硅酸鹽水泥、中砂、粒徑為5mm～20mm的石子;經(jīng)計(jì)算其配合比為：水泥∶細(xì)集料∶粗集料∶水=1∶0.94∶2.2∶0.43；水灰比以及砂率參見表3。

 

3 　試驗(yàn)過程

3.1 　加載過程

首先，將試件擦拭干凈，檢查外觀并測量其尺寸，然后把剛性支座安裝在試驗(yàn)機(jī)的下壓頭上并固定住，調(diào)整好支座的間距。將試件平放在支座上，調(diào)整試件的位置，使試件的軸心與試驗(yàn)機(jī)下壓頭的中心相重合。在試件跨中的底部安裝位移傳感器。通過分配梁方式進(jìn)行二點(diǎn)集中加載，上壓頭與分配梁頂部接觸均衡，然后就可以連續(xù)而均勻地加載了。本試驗(yàn)采用等變形加載，直至試件破壞為止。

試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)過程中同步地記錄下荷載與試件跨中撓度。

4 　結(jié)果與分析

本次彎折試驗(yàn)主要目的是為了研究PVA纖維對(duì)混凝土延性的增強(qiáng)作用，所以主要著重于不同纖維含量下試件延性的分析，同時(shí)為了全面了解和掌握PVA纖維在混凝土中所發(fā)揮的全部作用，還在不同纖維含量下進(jìn)行了4種齡期的試驗(yàn)，以便了解PVA纖維對(duì)混凝土早期延性、抗裂等性能的影響程度。

由試驗(yàn)結(jié)果可以得出試件的初裂荷載與初裂撓度以及試件的彎折抗拉強(qiáng)度，具體數(shù)值見表4。

　　中外文獻(xiàn)資料表明，普通混凝土試件的彎折抗拉強(qiáng)度較低，而且一旦開裂就立刻折斷，呈典型的脆性破壞模式，而PVA纖維的四點(diǎn)彎折試驗(yàn)顯示，隨著纖維含量的增加，表現(xiàn)出脆性破壞的概率也相應(yīng)的減少。

4.1 　抗拉強(qiáng)度隨纖維含量的變化

由于混凝土在應(yīng)用中均是28天以后的強(qiáng)度，但是在本次試驗(yàn)中，所得到數(shù)據(jù)中14天的較為完整，就取14天齡期的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。在表4的基礎(chǔ)上，對(duì)纖維的初裂抗拉強(qiáng)度以及極限抗拉強(qiáng)度進(jìn)行擬合得出式(1)和式(2)，并把擬合值與實(shí)測值進(jìn)行了比較。從上面的曲線來看，可以得出如下結(jié)論：

4.1.1 　初裂抗拉強(qiáng)度

f_{t ，f} = 0.433×V³-2.013×V²+ 2.034×V+2.899  0.00≤V≤3.00

-0.125×V²+1.830×V-1.809            3.00<V≤10.00                                     (1)

其中:V是體積百分含量的十倍，即V=10V_f%。

　　由圖2可以得出：1)在纖維摻量很小的范圍內(nèi)，如0.05%左右，纖維混凝土的抗裂性能有所提高；2)在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土彎折抗拉強(qiáng)度降低，降低最大幅度在0.30%附近，而超過0.40%時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所提高，提高幅度最大的在20%左右，過此摻量以后，彎折抗拉強(qiáng)度有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高；3)根據(jù)實(shí)測值進(jìn)行擬合的計(jì)算公式(1) 能否滿足其它摻量纖維混凝土，有待于進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1.2 　極限抗拉強(qiáng)度

f_{t ，f} = 0.033×V³-0.017×V²-0.579×V+3.801    0.00≤V≤5.00

-0.131×V²+1.937×V-1.832             5.00<V≤10.00                    (2)

　　其中:V是體積百分含量的十倍，即V=10V_f/%。

    

　　由圖3可以得出：1)在纖維摻量很小的范圍內(nèi)，如0.05%左右，彎折抗拉強(qiáng)度有所降低；2)在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土彎折抗拉強(qiáng)度降低，降低最大幅度在0.30%附近，而超過0.40 %時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所提高，提高幅度最大的在20%左右，過此摻量以后，彎折抗拉強(qiáng)度有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高；3)根據(jù)實(shí)測值進(jìn)行擬合計(jì)算公式(2)能否滿足其它摻量纖維混凝土，有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

對(duì)于試驗(yàn)得出如上的結(jié)論，本文認(rèn)為無論是抗裂強(qiáng)度還是彎折抗拉強(qiáng)度，纖維均是在受拉狀態(tài)下，對(duì)于一種高強(qiáng)高模的纖維來說，上述兩種抗拉強(qiáng)度所表現(xiàn)出的特性可能是由于：

·纖維的體積含量低于纖維的臨界體積含量，所以導(dǎo)致降低；

·纖維的摻入削弱了原來普通混凝土的受力性能的影響大于對(duì)其加強(qiáng)的影響，可以認(rèn)為纖維與混凝土之間的粘結(jié)過于薄弱，而同時(shí)纖維的摻入影響了混凝土的密實(shí)性；

·當(dāng)纖維含量很大時(shí)，反之加強(qiáng)混凝土受力性能的影響大于對(duì)其削弱的影響。

4.2 　抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化

具體見圖4、5、6、7。

4.2.1 　初裂抗拉強(qiáng)度

4.2.2 　極限抗拉強(qiáng)度

 

4.3 　截面塑性系數(shù)(14天齡期)

普遍認(rèn)為，混凝土的彎折抗拉強(qiáng)度要比直接拉伸強(qiáng)度大;

定義塑性系數(shù)γ_m:

γ_m = f_r/f_t                                       (3)

式中　fr ——混凝土彎折抗拉強(qiáng)度;

ft ——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度。

按定義，當(dāng)γ_m>1時(shí)表明受拉區(qū)有塑性，γ_m值的大小表示受拉區(qū)塑性程度。如果我們知道直接軸拉強(qiáng)度和彎折抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系后，我們就可以很簡單的通過數(shù)值方法或者模擬的方法知道混凝土的直接抗拉強(qiáng)度。

按照定義，在彎折試驗(yàn)中，試件的初裂荷載所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度即為混凝土的抗裂強(qiáng)度，而試件極限荷載所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度為彎折抗拉強(qiáng)度。現(xiàn)比較如圖8 ，同時(shí)按照式(3)列表5：截面塑性系數(shù)表。

　　從圖8和表5可以得出結(jié)論：1)PVA纖維混凝土的截面塑性基本一致，不排斥在普通混凝土中數(shù)據(jù)的離散現(xiàn)象；2)當(dāng)纖維含量小于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)隨纖維含量增加而增大，但是幅度不是很大；3)當(dāng)纖維含量大于0.30%之后，截面的塑性系數(shù)基本不變。

4.4 　彎曲韌性指數(shù)

相對(duì)于三點(diǎn)彎折試驗(yàn)(THREE-POINT BEND TESTS)來說，四點(diǎn)彎折試驗(yàn)?zāi)軌蜃尰炷敛牧蠌淖陨碜畋∪醯牡胤介_裂，而不是指定混凝土材料的開裂地點(diǎn)；同時(shí)對(duì)于纖維混凝土來說，消除了或者至少是減少了纖維在混凝土中能夠分散裂縫的積極作用，這不利于準(zhǔn)確測量混凝土材料的韌性，更不利于纖維混凝土韌性效果的正確確定。

四點(diǎn)彎折試驗(yàn)通常用來測定混凝土的開裂強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變以及評(píng)價(jià)混凝土彎曲韌性。分析彎折試驗(yàn)結(jié)果的常用方法主要有三種，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM(American Society of Testing Materials) C1018韌度指數(shù)法，日本JCI(Japan Concrete Institute)SFRC委員會(huì)彎曲韌度系數(shù)法和挪威的NBPNo17規(guī)范。僅前兩種方法分析的基礎(chǔ)均是荷載與梁跨中的撓度曲線。

ASTM C1018方法得出彎曲韌性的一個(gè)相對(duì)值，JSCE-SF4得出彎曲韌性的絕對(duì)值，而NBP方法則采用不同的模數(shù)來區(qū)分不同的纖維混凝土的韌性；ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)方法是應(yīng)用最為廣泛的一種方法；此標(biāo)準(zhǔn)利用理想彈塑性體作為材料韌性的參考標(biāo)準(zhǔn)，選用初裂點(diǎn)撓度的倍數(shù)作為終點(diǎn)撓度，即3倍(3δ)、5.5 倍(5.5δ)、15.5倍(15.5δ)。彎曲韌度指數(shù)用I₅、I₁₀、I₃₀表示，即：

　  具體參見示意圖9 。

   

在使用此標(biāo)準(zhǔn)分析材料的韌性時(shí)，涉及到初裂荷載點(diǎn)的確定：在ASTM C1018規(guī)范中，對(duì)于初裂點(diǎn)的定義為：“ ⋯the point at which the curvature first increases sharply and the slope of the curve exhibits a definite changes ⋯”這即意味著初裂點(diǎn)的確定帶著極大的主觀性;對(duì)于混凝土來說，由于一般的混凝土P-Δ曲線很難有明顯的斜率突變點(diǎn)，所以混凝土韌性的確定也應(yīng)該考慮到人為的主觀因素。

采用ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是：

·有明確的物理意義。能比較確切地反映纖維混凝土的工作狀態(tài)；

·與工程中常用的延性比類似，便于在工程中應(yīng)用；

·不受試件形狀、尺寸的影響；

·能夠比較明確的確定混凝土韌性發(fā)展過程；

·初裂荷載點(diǎn)的確定存在較大的主觀性。

參照ASTM C1018 方法，試件韌性見表6 。

 

 

　   根據(jù)表6，可得如下結(jié)論：1)隨著PVA纖維體積含量增加，纖維混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度增加，韌性指數(shù)增加，試件破壞時(shí)的撓度也增加。2)與素混凝土相比，韌性指數(shù)大大增加，就14天齡期含量為1.0%PVA纖維增強(qiáng)混凝土與素混凝土相比，I₅增大40%而I₁₀增大近100%。說明PVA纖維的增韌效果是極其明顯的。3)PVA纖維混凝土的抗折強(qiáng)度與素混凝土相比卻沒有顯著提高。

5 　結(jié)論

1) 在纖維摻量較小時(shí)，如0.05%左右，纖維混凝土的初裂抗拉強(qiáng)度有所提高，而對(duì)應(yīng)的極限抗拉強(qiáng)度并沒有相應(yīng)的提高反而降低。

2) 在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土的初裂、極限抗拉強(qiáng)度是降低的，降低幅度最大的是在0.30%附近，而超過0.40%時(shí)，均有所提高，提高幅度最大的在25%左右，過此摻量后有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高。

3) PVA纖維混凝土的截面塑性基本一致，不排斥在普通混凝土中數(shù)據(jù)的離散現(xiàn)象：當(dāng)纖維含量小于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)隨纖維含量的增加而增大，但是幅度不是很大;當(dāng)纖維含量大于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)基本不變。

4) 早期性能；

5) 延性：①隨著PVA纖維體積含量增加，纖維混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度增加，韌性指數(shù)增加，試件破壞時(shí)的撓度也增加；②與素混凝土相比，韌性指數(shù)大大增加，就14天齡期含量為1.0%PVA纖維增強(qiáng)混凝土與素混凝土相比，I₅增大40%而I₁₀增大近100%。說明PVA纖維的增韌效果是極其明顯的；③PVA纖維混凝土的極限抗拉強(qiáng)度與素混凝土相比卻沒有顯著提高。

[參考文獻(xiàn)]

[ 1 ]工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范分類匯編——結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]. 中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[ 2 ]華淵，劉榮華，曾藝. 纖維增韌高性能混凝土的試驗(yàn)研究[J]. 混凝土與水泥制品，1998(3).

[ 3 ]彭定超. PVA 纖維在混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)中的增韌機(jī)理研究[C]. 同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位文，2003.

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[ 6 ]孫家瑛. 聚丙烯纖維對(duì)高性能混凝土抗折強(qiáng)度、抗沖擊性能影響研究[J]. 混凝土，1999(3) .

[ 7 ]谷章昭，倪夢象，樊鈞，鄧詠梅. 合成纖維混凝土的性能及其工程應(yīng)用[J]. 建筑材料學(xué)報(bào)，1999 (2) .

[ 8 ]高丹盈，黃承逵. 鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度[J]. 河南科學(xué)，1991，9(3):54-60.

[ 9 ]翟陽，吳佩剛，姜永波，等. 鋼纖維高強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度[J]. 煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程版)，1995，(4):56-61.

[ 10 ]閆波，祝恩淳，趙竟海. 熔抽鋼纖維混凝土抗折性能試驗(yàn)研究[J].哈爾賓建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1993，26(2):94-96.

[ 11 ]張志輝，孫克宇. 廢鋼絲纖維混凝土基本力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)，1997 ，16 (3) .

[12 ] Youjiang Wang H. C. Wu and Victor C. Li. Concrete reinforcement with recycled fibers，Journal of Materials in Civil Engineering，Vol.12，No.4，November，2000.

[ 13 ] Tim Hartmann. Steel fiber reinforced concrete. The thesis，Stockholm May ，1999.

[14 ] P. J . Kim，H. C. Wu，Z. Lin，V. C. Li，B. de Lhoneus，S. A. S. Akers ，Micromechanics-based durability study of cellulose cement in flexure，Cement and Concrete Research，1999，29:201-208.

[15 ]Jvictor C. Li，Large Volume，High-Performance Applications of Fibersin Civil Engineering，Journal of Applied Polymer Science，2002，83:660-686.

 (上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司都市建筑設(shè)計(jì)研究院，上?！?/SPAN>200002; 上海同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程，上?！?/SPAN>200092)

 

=EN-US>

　   在文獻(xiàn)[3]中已經(jīng)詳細(xì)的討論過纖維長度對(duì)纖維混凝土力學(xué)性能的影響。當(dāng)纖維的長徑比大于臨界值時(shí)，纖維增強(qiáng)混凝土在拉力作用下將發(fā)生纖維拉斷破壞，這意味著充分發(fā)揮了纖維的增強(qiáng)作用：同時(shí)增加纖維的長徑比(l/d) ，錨固力也隨著增加，防止混凝土開裂后纖維被拔出。所以本次試驗(yàn)所選用的纖維長徑比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其臨界長徑比。

2.4 　混凝土及纖維的配合比

本次試驗(yàn)所有的普通混凝土的配合比按照C40等級(jí)的混凝土設(shè)計(jì)，具體采用的原材料如下:525 #普通硅酸鹽水泥、中砂、粒徑為5mm～20mm的石子;經(jīng)計(jì)算其配合比為：水泥∶細(xì)集料∶粗集料∶水=1∶0.94∶2.2∶0.43；水灰比以及砂率參見表3。

 

3 　試驗(yàn)過程

3.1 　加載過程

首先，將試件擦拭干凈，檢查外觀并測量其尺寸，然后把剛性支座安裝在試驗(yàn)機(jī)的下壓頭上并固定住，調(diào)整好支座的間距。將試件平放在支座上，調(diào)整試件的位置，使試件的軸心與試驗(yàn)機(jī)下壓頭的中心相重合。在試件跨中的底部安裝位移傳感器。通過分配梁方式進(jìn)行二點(diǎn)集中加載，上壓頭與分配梁頂部接觸均衡，然后就可以連續(xù)而均勻地加載了。本試驗(yàn)采用等變形加載，直至試件破壞為止。

試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)過程中同步地記錄下荷載與試件跨中撓度。

4 　結(jié)果與分析

本次彎折試驗(yàn)主要目的是為了研究PVA纖維對(duì)混凝土延性的增強(qiáng)作用，所以主要著重于不同纖維含量下試件延性的分析，同時(shí)為了全面了解和掌握PVA纖維在混凝土中所發(fā)揮的全部作用，還在不同纖維含量下進(jìn)行了4種齡期的試驗(yàn)，以便了解PVA纖維對(duì)混凝土早期延性、抗裂等性能的影響程度。

由試驗(yàn)結(jié)果可以得出試件的初裂荷載與初裂撓度以及試件的彎折抗拉強(qiáng)度，具體數(shù)值見表4。

　　中外文獻(xiàn)資料表明，普通混凝土試件的彎折抗拉強(qiáng)度較低，而且一旦開裂就立刻折斷，呈典型的脆性破壞模式，而PVA纖維的四點(diǎn)彎折試驗(yàn)顯示，隨著纖維含量的增加，表現(xiàn)出脆性破壞的概率也相應(yīng)的減少。

4.1 　抗拉強(qiáng)度隨纖維含量的變化

由于混凝土在應(yīng)用中均是28天以后的強(qiáng)度，但是在本次試驗(yàn)中，所得到數(shù)據(jù)中14天的較為完整，就取14天齡期的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。在表4的基礎(chǔ)上，對(duì)纖維的初裂抗拉強(qiáng)度以及極限抗拉強(qiáng)度進(jìn)行擬合得出式(1)和式(2)，并把擬合值與實(shí)測值進(jìn)行了比較。從上面的曲線來看，可以得出如下結(jié)論：

4.1.1 　初裂抗拉強(qiáng)度

f_{t ，f} = 0.433×V³-2.013×V²+ 2.034×V+2.899  0.00≤V≤3.00

-0.125×V²+1.830×V-1.809            3.00<V≤10.00                                     (1)

其中:V是體積百分含量的十倍，即V=10V_f%。

　　由圖2可以得出：1)在纖維摻量很小的范圍內(nèi)，如0.05%左右，纖維混凝土的抗裂性能有所提高；2)在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土彎折抗拉強(qiáng)度降低，降低最大幅度在0.30%附近，而超過0.40%時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所提高，提高幅度最大的在20%左右，過此摻量以后，彎折抗拉強(qiáng)度有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高；3)根據(jù)實(shí)測值進(jìn)行擬合的計(jì)算公式(1) 能否滿足其它摻量纖維混凝土，有待于進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1.2 　極限抗拉強(qiáng)度

f_{t ，f} = 0.033×V³-0.017×V²-0.579×V+3.801    0.00≤V≤5.00

-0.131×V²+1.937×V-1.832             5.00<V≤10.00                    (2)

　　其中:V是體積百分含量的十倍，即V=10V_f/%。

    

　　由圖3可以得出：1)在纖維摻量很小的范圍內(nèi)，如0.05%左右，彎折抗拉強(qiáng)度有所降低；2)在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土彎折抗拉強(qiáng)度降低，降低最大幅度在0.30%附近，而超過0.40 %時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所提高，提高幅度最大的在20%左右，過此摻量以后，彎折抗拉強(qiáng)度有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高；3)根據(jù)實(shí)測值進(jìn)行擬合計(jì)算公式(2)能否滿足其它摻量纖維混凝土，有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

對(duì)于試驗(yàn)得出如上的結(jié)論，本文認(rèn)為無論是抗裂強(qiáng)度還是彎折抗拉強(qiáng)度，纖維均是在受拉狀態(tài)下，對(duì)于一種高強(qiáng)高模的纖維來說，上述兩種抗拉強(qiáng)度所表現(xiàn)出的特性可能是由于：

·纖維的體積含量低于纖維的臨界體積含量，所以導(dǎo)致降低；

·纖維的摻入削弱了原來普通混凝土的受力性能的影響大于對(duì)其加強(qiáng)的影響，可以認(rèn)為纖維與混凝土之間的粘結(jié)過于薄弱，而同時(shí)纖維的摻入影響了混凝土的密實(shí)性；

·當(dāng)纖維含量很大時(shí)，反之加強(qiáng)混凝土受力性能的影響大于對(duì)其削弱的影響。

4.2 　抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化

具體見圖4、5、6、7。

4.2.1 　初裂抗拉強(qiáng)度

4.2.2 　極限抗拉強(qiáng)度

 

4.3 　截面塑性系數(shù)(14天齡期)

普遍認(rèn)為，混凝土的彎折抗拉強(qiáng)度要比直接拉伸強(qiáng)度大;

定義塑性系數(shù)γ_m:

γ_m = f_r/f_t                                       (3)

式中　fr ——混凝土彎折抗拉強(qiáng)度;

ft ——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度。

按定義，當(dāng)γ_m>1時(shí)表明受拉區(qū)有塑性，γ_m值的大小表示受拉區(qū)塑性程度。如果我們知道直接軸拉強(qiáng)度和彎折抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系后，我們就可以很簡單的通過數(shù)值方法或者模擬的方法知道混凝土的直接抗拉強(qiáng)度。

按照定義，在彎折試驗(yàn)中，試件的初裂荷載所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度即為混凝土的抗裂強(qiáng)度，而試件極限荷載所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度為彎折抗拉強(qiáng)度。現(xiàn)比較如圖8 ，同時(shí)按照式(3)列表5：截面塑性系數(shù)表。

　　從圖8和表5可以得出結(jié)論：1)PVA纖維混凝土的截面塑性基本一致，不排斥在普通混凝土中數(shù)據(jù)的離散現(xiàn)象；2)當(dāng)纖維含量小于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)隨纖維含量增加而增大，但是幅度不是很大；3)當(dāng)纖維含量大于0.30%之后，截面的塑性系數(shù)基本不變。

4.4 　彎曲韌性指數(shù)

相對(duì)于三點(diǎn)彎折試驗(yàn)(THREE-POINT BEND TESTS)來說，四點(diǎn)彎折試驗(yàn)?zāi)軌蜃尰炷敛牧蠌淖陨碜畋∪醯牡胤介_裂，而不是指定混凝土材料的開裂地點(diǎn)；同時(shí)對(duì)于纖維混凝土來說，消除了或者至少是減少了纖維在混凝土中能夠分散裂縫的積極作用，這不利于準(zhǔn)確測量混凝土材料的韌性，更不利于纖維混凝土韌性效果的正確確定。

四點(diǎn)彎折試驗(yàn)通常用來測定混凝土的開裂強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變以及評(píng)價(jià)混凝土彎曲韌性。分析彎折試驗(yàn)結(jié)果的常用方法主要有三種，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM(American Society of Testing Materials) C1018韌度指數(shù)法，日本JCI(Japan Concrete Institute)SFRC委員會(huì)彎曲韌度系數(shù)法和挪威的NBPNo17規(guī)范。僅前兩種方法分析的基礎(chǔ)均是荷載與梁跨中的撓度曲線。

ASTM C1018方法得出彎曲韌性的一個(gè)相對(duì)值，JSCE-SF4得出彎曲韌性的絕對(duì)值，而NBP方法則采用不同的模數(shù)來區(qū)分不同的纖維混凝土的韌性；ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)方法是應(yīng)用最為廣泛的一種方法；此標(biāo)準(zhǔn)利用理想彈塑性體作為材料韌性的參考標(biāo)準(zhǔn)，選用初裂點(diǎn)撓度的倍數(shù)作為終點(diǎn)撓度，即3倍(3δ)、5.5 倍(5.5δ)、15.5倍(15.5δ)。彎曲韌度指數(shù)用I₅、I₁₀、I₃₀表示，即：

　  具體參見示意圖9 。

   

在使用此標(biāo)準(zhǔn)分析材料的韌性時(shí)，涉及到初裂荷載點(diǎn)的確定：在ASTM C1018規(guī)范中，對(duì)于初裂點(diǎn)的定義為：“ ⋯the point at which the curvature first increases sharply and the slope of the curve exhibits a definite changes ⋯”這即意味著初裂點(diǎn)的確定帶著極大的主觀性;對(duì)于混凝土來說，由于一般的混凝土P-Δ曲線很難有明顯的斜率突變點(diǎn)，所以混凝土韌性的確定也應(yīng)該考慮到人為的主觀因素。

采用ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是：

·有明確的物理意義。能比較確切地反映纖維混凝土的工作狀態(tài)；

·與工程中常用的延性比類似，便于在工程中應(yīng)用；

·不受試件形狀、尺寸的影響；

·能夠比較明確的確定混凝土韌性發(fā)展過程；

·初裂荷載點(diǎn)的確定存在較大的主觀性。

參照ASTM C1018 方法，試件韌性見表6 。

 

 

　   根據(jù)表6，可得如下結(jié)論：1)隨著PVA纖維體積含量增加，纖維混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度增加，韌性指數(shù)增加，試件破壞時(shí)的撓度也增加。2)與素混凝土相比，韌性指數(shù)大大增加，就14天齡期含量為1.0%PVA纖維增強(qiáng)混凝土與素混凝土相比，I₅增大40%而I₁₀增大近100%。說明PVA纖維的增韌效果是極其明顯的。3)PVA纖維混凝土的抗折強(qiáng)度與素混凝土相比卻沒有顯著提高。

5 　結(jié)論

1) 在纖維摻量較小時(shí)，如0.05%左右，纖維混凝土的初裂抗拉強(qiáng)度有所提高，而對(duì)應(yīng)的極限抗拉強(qiáng)度并沒有相應(yīng)的提高反而降低。

2) 在纖維含量達(dá)到0.40%之前，纖維混凝土的初裂、極限抗拉強(qiáng)度是降低的，降低幅度最大的是在0.30%附近，而超過0.40%時(shí)，均有所提高，提高幅度最大的在25%左右，過此摻量后有下降的趨勢，但在摻量1.00%之前，強(qiáng)度均比普通混凝土高。

3) PVA纖維混凝土的截面塑性基本一致，不排斥在普通混凝土中數(shù)據(jù)的離散現(xiàn)象：當(dāng)纖維含量小于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)隨纖維含量的增加而增大，但是幅度不是很大;當(dāng)纖維含量大于0.30%時(shí)，截面的塑性系數(shù)基本不變。

4) 早期性能；

5) 延性：①隨著PVA纖維體積含量增加，纖維混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度增加，韌性指數(shù)增加，試件破壞時(shí)的撓度也增加；②與素混凝土相比，韌性指數(shù)大大增加，就14天齡期含量為1.0%PVA纖維增強(qiáng)混凝土與素混凝土相比，I₅增大40%而I₁₀增大近100%。說明PVA纖維的增韌效果是極其明顯的；③PVA纖維混凝土的極限抗拉強(qiáng)度與素混凝土相比卻沒有顯著提高。

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 (上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司都市建筑設(shè)計(jì)研究院，上海　200002; 上海同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程，上海　200092)