建筑科学技术的飞速发展使得建筑物本身对于建筑材料的要求越来越高,对于混凝土而言,高强高韧、良好的抗裂性和耐久性以及体积稳定性一直是材料高要求的具体表现。纤维混凝土经过诸多学者30多年的研究和探索,已成为现今发展速度最为迅猛的新型建筑材料之一,其中最为突出的是聚乙烯醇(PVA)纤维和钢纤维混凝土 ^[1]。钢纤维是最早被研究的纤维之一,其良好的增韧阻裂能力已经被工程界广泛认可,且已经被大量应用于大型水利水电工程和高速公路中。相较于钢纤维混凝土,PVA纤维混凝土的研究相对滞后,近几年的研究发现,PVA纤维对混凝土基体早期性能具有良好的改善效果,目前诸多工程中也相继采用了PVA纤维混凝土 ^[2]。

　　 高延性的纤维增强水泥基复合材料(Polyvinyl Alcohol Fiber Engineered Cementitious Composite, PVA-ECC)可有效缓解结构和构件的脆性破坏,显著改善结构构件的延性性能。韧性是衡量混凝土材料优良性能的基本指标,是材料延性和强度的综合表现,定义为结构构件从开始承载到破坏所吸收的能量值 ^[3]。材料韧性具体包括压缩韧性、弯曲韧性和剪切韧性等,对于ECC(水泥基复合材料)而言,目前大都采用弯曲韧性来衡量其韧性性能。

　　 本文通过水胶比为0.23,且使用粉煤灰来代替部分水泥的ECC来研究不同PVA纤维体积掺量对ECC的立方体抗压强度和弯曲韧性的影响,并分析了PVA-ECC中的纤维作用机理;在此基础上,采用可以反映纤维的工作状态、能够在较大范围内反映材料增韧效果的能量法对PVA-ECC板进行方板法能量评价 ^[4]。

　　 试验中选择Kuraray REC15×12改性高弹模PVA纤维,表1给出了其基本物理力学性能;表2为经试验确定的同强度等级C30基体ECC配合比,在ECC各材料中,水泥选用P.O.42.5普通硅酸盐水泥,粉煤灰选择由燃烧粉煤的锅炉烟气中收集的F类Ⅰ级粉煤灰,细骨料选择2.3～3.0的细度模数、含泥量小于3.0%以及泥块含量小于0.5%的Ⅰ类中砂,高效减水剂选择由上海某化工科技有限公司生产的三聚氰胺F10聚羧酸高效减水剂,减水率为30.01%,硅灰掺量为胶凝材料的2.77%。

　　 PVA-ECC试件制作采用现场浇筑养护的方法,先将砂子置于搅拌机中以1.5m/s的线速度搅拌60s,使细骨料充分分散,然后加入水泥继续搅拌30s,搅拌时及时做好封闭处理,防止扬尘污染以及物料的损失,继续加入水和减水剂搅拌60s,此时在不切断搅拌机电源的情况下,边搅拌混合料边均匀向搅拌机内投入PVA纤维,待所有物料均投掷完毕,最后搅拌120s即可,图1为拌制中的PVA-ECC。经上述搅拌过程所得到的PVA纤维混合料和易性良好,且无纤维结团、泌水等现象产生。浇筑完好的试件经过24h模内成型后即拆除模板,并对试验板和小试块进行室温下洒水、海绵覆盖养护28d,养护期内及时洒水,以保持试件表面湿润,减少干缩裂缝的产生,试件养护如图2,3所示。

　　 立方体抗压强度试验试件尺寸和方板法弯曲韧性试验试件尺寸分别为100mm×100mm×100mm和600mm×600mm×100mm,分别按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2016) ^[5]和《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13∶2009) ^[6]进行试验和换算。

　　 针对材料弯曲韧性的测定,对于试件类型的选取,目前众多研究中采用较多的主要有可反映材料在弯剪作用下的二维纤维分布的梁式构件和可较好反映材料在受力过程中的应力状态的板式构件,《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13∶2009) ^[6]中推荐采用的是板式构件,相较于梁式构件,采用可双向支撑的板式构件通过单点加载的方式来测定PVA-ECC的弯曲韧性,能够更加准确地刻画随机乱象分布的PVA纤维在基体ECC中的三维受力状态,从而较好地反映PVA纤维在基体中的优良增韧阻裂效果,且更加接近实际工程中的受力状态,该方法所测得的弯曲韧性值能够更加真实地反映材料的耗能能力,同时也可为PVA-ECC板的冲切性能提供较为可靠的理论依据 ^[7]。

　　 立方体抗压强度试验可以较为直观地反映PVA-ECC硬化产物的力学性能,并可考评配合比是否满足预先的设计值,为试验奠定良好的基础。经制备养护完成的试件,在改进的微机控制电液伺服刚性试验机上采用标准试验方法测定立方体28d抗压强度,正式加载前对试件进行预压,以消除加载面处压力机和试件表面的空隙,减小水平摩擦;预压荷载约为破坏荷载的5.0%,预压速度为0.65MPa/s,之后卸载,正式破坏试验时前期采用位移控制(0.1mm/min),当出现峰值荷载后改为应力控制(0.3MPa/s),直至试件破坏;方板弯曲韧性试验采用0.5mm/min的等速位移控制(当板中心处位移达到25mm时即停止加载),同时采用荷载传感器量测荷载值和位移传感器采集板中心处的位移值,得到试件在加载过程中的荷载-挠度曲线,并根据该曲线计算出试验板吸收的能量值。

　　 综合每组试件得出立方体抗压强度平均试验值如表3所示。由表3可知:在立方体抗压强度试验中,与未掺PVA纤维的ECC相比,PVA-ECC抗压强度随PVA纤维体积掺量(0.5%,1.0%,1.5%,2.0%)的增加依次提高幅度为9.13%,14.53%,4.88%和0.82%,PVA纤维对ECC立方体抗压强度的提高幅度在0.82%～14.53%之间;随着PVA纤维体积掺量的增加,立方体抗压强度值先增后减,PVA纤维体积掺量对于ECC的立方体抗压强度存在最佳值,为1.0%。

　　 该组试件PVA纤维体积掺量为0的ECC空白对照组,相当于胶凝材料砂浆试件,该组试件的新拌混合物相较于传统水泥砂浆而言,流动性大大提升,硬化后的试件方板弯曲韧性试验破坏形态表现出明显的脆性破坏,即一旦达到初裂荷载,裂缝便会迅速沿板底向上延伸,破坏过程短暂,从初裂至完全丧失承载能力时间较短,无明显破坏征兆,图5给出了PO组试件板底最终的裂缝分布形态。

　　 相较于空白对照组,PVA-ECC方板在加载过程中表现出了良好的延性破坏,加载过程中当试件的初始裂缝出现时,横跨于裂缝间的众多随机乱象分布的PVA纤维会较好发挥其在裂缝间的锚固力,阻碍裂缝的进一步扩展和延伸,继而使得试件能够保持其良好的整体性并继续承载,通过破坏形态图不难发现,PVA-ECC方板最终破坏时大多表现为以板中间众多微小裂缝为基础,向板四周随机延伸成2～4条主裂缝,板四周发生翘曲,整体呈微台形,在方板的上表面出现了由中心向四周发散的裂缝,裂缝处有大量PVA纤维被拔出或拉断,4个侧面也出现了与板面相垂直的裂缝(图6)。每组PVA-ECC的侧面破坏状态差别不大。

　　 PVA-ECC方板的底面破坏形态如图7和图8所示,可以发现每组PVA-ECC方板的底部均会出现由中心微小裂缝向四周延伸的若干条主裂缝。对比分析不同体积掺量下PVA-ECC方板底部的破坏形态可知,随着PVA纤维掺量的增加,方板底部出现的裂缝数量略有增加,体积掺量为1.5%的PVA-ECC板底部主裂缝出现了3条,裂缝宽度较大(图7);而体积掺量为2.0%的PVA-ECC板底部出现了4条主裂缝(图8)。如图9所示,P1.0组试件侧面出现了细而多的裂缝,说明增加ECC中PVA纤维体积掺量,会使得板底的应力分布更均匀,裂缝沿截面高度的扩展更加稳定,纤维在ECC中的桥联作用表现得更加突出,使得试件整体形成一个裂而不碎的纤维嵌连结构,PVA-ECC阻碍裂缝扩展的能力也随之增强。

　　 表3显示了试件在破坏的过程中的初裂荷载和挠度、极限荷载和挠度以及板中心位移达到25mm对应的残余荷载值,不难看出各试件初裂荷载大致相当,但是均比空白对照组(P0组)的值略大,从而说明了增加PVA纤维的体积掺量,对于试件的初裂荷载提升程度并不明显;P2.0,P1.5,P1.0和P0.5组的极限荷载值分别是P0组的4.85倍、4.24倍、2.69倍和2.27倍,说明增加PVA纤维的体积掺量能够极大地提升PVA-ECC方板的极限承载力。

　　 图10给出了不同PVA纤维体积掺量下方板的荷载-挠度曲线,其中当空白对照组达到初裂荷载之后,试件的抗弯承载能力急剧下降,当位移传感器上采集的板中心位移达到5.0mm左右时,试件即宣告破坏;而掺入了PVA纤维试件的破坏过程明显延长,大致可分为3个阶段,以下以PVA体积掺量为1.5%的试件为例,阐述不同阶段下试件的表现形态。

　　 加载初期,板中心位移小于0.1mm时,由于试件变形较小,基体ECC和PVA纤维基本保持变形协调,其荷载-挠度曲线与空白对照组基本重合,即此时的试件应力-应变关系基本满足胡克定律;此阶段后期试件存在一个小塑性变形时段,即变形较荷载增加快,该时段末,试件即进入下一个破坏阶段。

　　 一旦试件中心截面上最下层纤维处的PVA-ECC达到其极限抗拉应变,首条(批)裂缝即会出现在板底,此时无数条嵌粘在裂缝两侧基体内的随机乱象分布的PVA纤维即会发挥其优良的阻裂能力,限制裂缝的进一步扩展,继而减缓了裂缝向板四周和板面上延伸的速率,荷载未立即下降,反而在此基础上缓慢上升至峰值荷载(图10中AB段),该阶段的PVA-ECC表现出优良的应变硬化性能。

　　 达到峰值荷载后的试件,不会像空白对照组一样一裂即坏,而是在裂缝间纤维的锚固作用下继续承载,该阶段前期发展缓慢,裂缝的出现可以预判,有明显的破坏征兆,且板中间裂缝细而密;破坏时,承载能力丧失更加缓慢,试件始终保持良好的整体性,即使中心处位移达到了25mm,试件仍能够继续承担一小部分荷载,如图10中BC段所示。

　　 由图10可以看出:方板的荷载-挠度曲线随着PVA纤维体积掺量的增加而愈加饱满,达到峰值荷载后的变形能力也不断提升。在荷载-挠度曲线下降段由陡直逐渐趋于平缓还能继续承受较大的荷载,呈现出较大的变形持荷能力,使ECC方板由脆性破坏转变为延性破坏,说明在此次研究的范畴内,试件的弯曲韧性会随着PVA纤维体积掺量的增加而增强,但是纤维对于试件韧性性能的改善效果是有限的,观察图10不难发现,P2.0组较P1.5组的荷载-挠度曲线前期更加饱满,后期则相反,P1.5组的荷载-挠度曲线下降段更为平滑缓慢,由此可知,当PVA-ECC中纤维掺量超过2.0%后,试件的韧性性能会有所下降,结果表明:PVC纤维体积掺量为2.0%的PVA-ECC韧性性能最佳。

　　 方板在弯曲破坏时,裂缝处的PVA纤维主要有以下4种表现形态:纤维被拔出,表面和端部基本完好;纤维被拉出,表面严重磨损,端部稍有损耗;纤维被拔出,端部和表面破损严重,几近被拉断;纤维被拉断 ^[8]。

　　 通过分析图11可知:裂缝处的PVA纤维随着荷载的增加会逐渐被拉长、拉断和拔出,大裂缝的纤维存在被拉断和被拔出两种并存的破坏形式,这就为PVA-ECC能够具有较高的抗拉强度和韧性提供了基本保证。在首条(批)裂缝出现后,继续增加荷载,试件底面中心周围某几个薄弱点会由于达到了材料的极限拉应变而出现新的裂缝,随即增大的能量一部分也会被桥接于此处的纤维承担,进而增加了材料的延展性,此时便是裂缝稳定扩展阶段。由于PVC纤维的存在增大了材料的延性,裂缝在扩展的同时,除了受到截面应力的作用,还需克服纤维和裂缝两侧基体的粘结应力。所以,相较于空白对照组,合理掺量的PVA纤维能够消耗更多的断裂能,使得基体能够获得更大的延性和更高的韧性。

　　 根据试验所得到的修正数据,采用公式(1)计算试件在破坏过程中的能量吸收值,绘制出了图12所示的试件的能量-挠度曲线。

　　 $W={\displaystyle {\int }_0^{\delta }F}\text{d}\delta (1)$

　　 式中:W为试件吸收的能量值,J;F为试件的荷载值,kN;δ为方试件的挠度值,mm。

　　 观察图12可知:由于空白对照组发生了脆性破坏,并无残余强度,试件一裂即坏,所以该组试件吸收的能量值仅存在于加载初期较小范围内,仅有31.70J;而掺入了PVA纤维的ECC各组吸收能量值均有不同程度的提升;表4给出了各组试件板中心挠度值分别达到5,10,20和25mm时的能量吸收情况,结合图12和表4分析可知,试件吸收的能量值随着PVA纤维体积掺量的增大而增大,P2.0组试件破坏时,能量吸收值是同条件下空白对照组的35.86倍,是P1.5组的1.04倍。

　　 分析方板能量-挠度曲线可知,在PVA纤维合理体积掺量下,试件的能量吸收值会随着PVA纤维体积掺量的增加而增大,但是如果PVC纤维体积掺量超过某一值,试件的耗能能力不再继续增加,图中P2.0组的能量-挠度曲线与P1.5组几近重合,也就意味着当PVA纤维体积掺量超过2.0%时,试件的耗能能力基本保持不变。

　　 通过对比分析表4中P1.5和P2.0组试件板中心挠度分别达到5,10,20和25mm时的能量吸收值可知,同条件下P2.0组能量吸收值相较于P1.5组依次提升了25.00%,31.71%,13.09%和3.70%,从而也证明了合理范围内,PVA纤维体积掺量的增加可有效提高ECC的耗能能力。

　　 依据国外的EFNARC-1996 ^[9],当方板中心挠度值达到25mm时,根据其能量吸收值的大小可将试件的弯曲韧性分为E50,E70和E100三个等级,分别代表板中心挠度值达到规定值时,其能量吸收值达到500,700和1 000J;据此,此次试验除P0组和P0.5组以外,其他各组均达到了EFNARC-1996 ^[9]的最低要求(E50),而P1.0组属于E50级,P1.5组和P2.0组均属于E100级。

　　 (1)立方体抗压强度试验结果显示:基体ECC中掺入不同体积掺量的PVA后,其相较于基体ECC而言,抗压强度提升了4%～15%不等。PVA纤维体积掺量为1.0%,PVC-ECC抗压强度最大。

　　 (2)观察不同PVA纤维体积掺量的ECC板可知,PVC纤维体积掺量的增加,使得板底产生更多的微小裂缝,P1.5组板底出现了3条主裂缝,而P2.0组板底出现了4条,且P2.0组板底裂缝明显窄于P1.5组。

　　 (3)不同体积掺量的PVA-ECC板初裂荷载和挠度值基本相当,峰值荷载会由于PVC纤维体积掺量的不同而明显不同,P2.0组、P1.5组和P1.0组的峰值荷载值分别是P0组的4.85倍、4.24倍和2.69倍。

　　 (4)对比分析P1.5组和P2.0组知:当方板中心挠度值达到5,10,20和25mm时,P2.0组较P1.5组能量吸收值分别提高了25.00%,31.71%,13.09%和3.70%,说明能量的吸收主要集中在裂缝稳定扩展阶段,即PVC纤维和基体ECC的协同作用提高了基体的耗能能力。

　　 (5)在合理范围内,PVA纤维体积掺量越高,试件的弯曲韧性越好,根据数据所绘制出的荷载-挠度曲线更加饱满;当PVA纤维体积掺量超过2.0%时,由于积极内部空隙已经趋近饱满,使得纤维增韧效果减弱,尤其是在加载后期,试件延性明显变差。由此可知:使得PVA-ECC方板韧性最佳的纤维体积掺量为2.0%。