李风雷1，孙 敏1，2
（1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011；2.江苏省结构工程重点实验室，江苏 苏州215011）
摘 要：通过同体积率下单掺和混掺纤维的方式，将PVA和钢纤维掺入普通C30混凝土中形成纤维混凝土。对PVA-钢混杂纤维弯曲韧性进行研究。结果表明，0.9%体积掺量（0.8%钢纤维+0.1%PVA）的PVA-钢混杂纤维混凝土呈“正混杂效应”，钢和PVA纤维起到良好的协同作用；同纤维体积掺量下，混杂纤维混凝土弯曲韧性指数、弯曲韧度比均优于单掺纤维混凝土，其耗能能力、延性和增韧效果均高于单掺钢纤维和单掺PVA纤维混凝土。
关键词：PVA纤维；混杂纤维；弯曲韧性；增韧效果
增加混凝土的韧性，使混凝土向低脆高强方向发展是现代混凝土研究的必然趋势。在混凝土中掺入纤维能够提高混凝土的抗拉强度，是抑制混凝土早期裂缝的产生和裂缝的开展、降低其脆性、提高混凝土韧性的有效途径[1-4]。在混凝土中掺入不同类型的纤维会产生混杂效应、协同效应和叠加效应，采用不同性质不同尺寸的PVA-钢混杂纤维能够充分发挥这两种纤维的尺寸效应和增强作用，较细的PVA纤维可以抑制微细裂纹的产生和发展，尺寸较大的钢纤维可以抑制较大裂纹的扩张，纤维混凝土在每一个开裂级别上都会有相应尺寸相应性能的纤维发挥作用，这就提高了纤维混凝土的力学性能和耐久性能[5-8]。
PVA纤维不仅广泛运用于道路桥梁工程、铁道工程、隧道工程、水利及能源工程、机场道面、基础工程等领域，还可用于预制铁道轨枕、电杆和各种管道等[9-10]。PVA纤维与水泥基粘结性能良好，对施工无不良影响。目前，对钢纤维混凝土（SFRC）及其他合成纤维混凝土的研究比较多，对PVA纤维混凝土（PFRC）的力学性能的研究已经从抗压、抗拉、抗折性能过渡到部分构件的研究；但对PVA-钢混杂纤维（PSFRC）的研究还较少。因此该文对PVA-钢混杂纤维混凝土的弯曲韧性进行研究。
1.1 试验原材料
本试验采用张家港海螺水泥有限公司生产的海螺牌42.5普通硅酸盐水泥，钢纤维采用宜兴市华源金属纤维有限公司生产的钢丝型钢纤维，PVA纤维采用日本可乐丽高强高模聚乙烯醇纤维，纤维符合相应的检测指标要求。钢纤维和PVA纤维物理性质见表1与表2。
表 1 钢纤维物理性能
表2 PVA纤维物理性能
1.2 混凝土配合比及试件制作
试验根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）[11]配置C30普通混凝土，其配合比见表3。各类型试件及纤维掺入体积率见表4。
表3 混凝土配合比 kg/m3
材料 水 水泥 砂 石子 砂率 水灰比数值 205 380 657 1 158 36% 0.53
表 4 试件类型
材料类型 钢纤维体积掺量 /% PVA纤维体积掺量 /% 纤维总体积掺量 /%普通混凝土(C） 0 0 0 PVA纤维混凝土(PFRC） 0 0.9 0.9钢纤维混凝土(SFRC） 0.9 0 0.9 PVA-钢纤维混凝土(PSFRC） 0.8 0.1 0.9
根据《纤维混凝土试验方法标准》（CECS13：2009）[12],对于纤维长度不大于40 mm时，采用100 mm×100 mm×400 mm的梁式试件。按照该标准的规定，每组试块数量均取3个。
由于纤维在混凝土内的分散性受到搅拌机搅拌方式、投料先后顺序、搅拌时间长短等因素的影响，进而影响混凝土的性能，所以在制备试件时使用强制式搅拌机，以保证纤维的均匀分散和试件的质量。混凝土试件的成型及养护均按照《DL/T5150-2001水工混凝土试验规程》[13]在实验室完成。
1.3 试验方法
按照纤维混凝土试验方法标准（CECS13：2009），采用简支梁三分点加载方式。试验前将试件擦拭干净，检查外观并测量其尺寸画上标记线。调整好支座的间距，将试件平放在支座上，按照画好的标记线调整试件的位置，确保试件平稳正中。试件上方固定荷载传感器，测定试件所承受的荷载。试件安装好后，缓缓加荷至1 kN，停机检查试件与压头及支座的接触情况，确保试件不扭动，然后安装测量跨中挠度的位移计，记录试件跨中挠度δ。加载制度按照《纤维混凝土试验方法标准》（CECS13：2009）执行。若试件在受拉面跨度三分点以外开裂，则该试件试验结果作废。加载方式如图1所示。
图 1 试件弯曲试验简图
2.1 破坏形态及荷载挠曲线分析
2.1.1 普通混凝土试验曲线及破坏形态 由图2（a）所示，素水泥混凝土在达到极限破坏荷载之前，荷载-挠度曲线呈线性，这一阶段的荷载-挠度关系服从胡克定律，为弹性变形阶段；在达到极限承载力后，普通水泥混凝土的承载力迅速降低至0。从图3（a）试验破坏图可以看出，普通混凝土在加载过程中，在基体底部出现一条裂缝，随即裂缝迅速扩展到顶部，瞬间破坏，出现一裂即断的现象，表现出明显的脆性破坏。
2.1.2 纤维混凝土试验曲线及破坏形态 由图2（b）、图2（c）、图2（d）可以看出，在承载力达到第一个峰值前，PFRC、SFRC、PSFRC的荷载-挠度曲线呈线性，服从胡克定律，为弹性变形阶段。在这一阶段水泥基体和纤维共同承担外力，其中水泥基体所承担的荷载比例大于纤维。
（1）PVA纤维混凝土试验曲线及破坏形态。PFRC在接近达到第一次峰值时，试件中部底端开始出现第一条微裂缝。由图2（b）可知，当荷载降低到16 kN左右时，裂缝处的PVA纤维发挥其桥接作用，有效地阻止了承载力的下降，荷载趋于稳定并开始出现回升现象。此时挠度的增长快于荷载的增长，荷载-挠度曲线不再呈线性规律，试件产生了塑性变形。
随着荷载的增加，PVA纤维通过桥接作用传递给周围没有开裂的基体的应力也随之增大，直至超过该部分基体的承载力， 纤维周围的基体又出现新的裂缝，并沿着主裂缝分支出另外两条细微裂缝，承载力也随之提高直至达到第二次峰值。第二次峰值过后，试件主要靠PVA纤维与基体的粘结力承担外部荷载。随着荷载的继续施加，试件底部出现细微混凝土剥落现象，此时的PVA纤维拔断部分被拔出，承载力急剧下降，荷载的下降速度快于挠度的增长速度。试件分支裂缝交汇于主裂缝继续向试件顶部扩展，试件快速破坏，如图3（b）所示。
图2 混凝土荷载-挠度曲线
图 3 混凝土弯拉破坏图
（2）钢纤维混凝土试验曲线及破坏形态。当荷载达到23 kN左右时，肉眼可见在离标记线2/3处和1/6处出现两条弯曲状裂缝，随着荷载的增加，以其中一条为主裂缝开始向顶部延伸。由图2（c）可知，当荷载达到第一次峰值以后，裂缝处的钢纤维发挥其桥接作用，有效地阻止了承载力的下降，荷载趋于稳定并有一定程度的下降，而后出现荷载-挠曲线回升现象。此时挠度的增长快于荷载的增长，荷载-挠度曲线不再呈线性规律，试件产生了塑性变形；随着荷载的增加，钢纤维通过桥接作用将应力传递给周围没有开裂的基体的应力也随之增大，直至超过基体的承载力，钢纤维周围的基体又出现新的裂缝，承载力也随之提高直到达到第二次峰值。第二次峰值过后，试件主要靠钢纤维与基体的粘结力承担外部荷载。当荷载下降到约27.5 kN左右时，底部出现混凝土剥落现象。左侧裂缝出现分支，并随着荷载继续增大而扩展迅速，此时右侧的一条微裂缝变化不大，显然左侧裂缝已发展成为试件破坏的主要裂缝。挠度的增长速度大于荷载的下降速度。在下降过程中可以明显地观察到钢纤维逐渐被拔出，伴随着“吱吱”声混凝土剥落越来越快，剥落的碎块粒径大于含有PVA纤维的混凝土所剥落的碎块粒径。当荷载下降到15 kN左右时，两侧的裂缝均已延伸到顶部；荷载继续下降到10 kN时，试件发生的弯曲现象已经非常明显；最终当荷载下降到2 kN左右时，裂缝处的钢纤维全部拔出，试件断裂达到最终破坏。整个过程中，试件表现出明显的塑性破坏，如图3（c）、图3（d）所示。
（3）PVA-钢混杂纤维混凝土试验曲线及破坏形态。当荷载到达19 kN左右时，肉眼可以观察到在中间标记线1/5处出现一条裂缝。此时，PSFRC的承载力降低，当荷载降低到某一值时，裂缝处的PVA纤维与钢纤维发挥其桥接作用，有效地阻止了承载力的下降，由图2（d）所示，荷载又开始回升。此时挠度的增长快于荷载的增长，荷载－挠度曲线不再呈线性规律，试件产生了塑性变形。随着荷载的增加混杂纤维通过桥接作用将应力传递给周围没有开裂的基体，其应力也随之增大，直至超过基体的承载力。当荷载达到20.5 kN左右时，第一条裂缝出现分支，并且随着荷载的继续增大，微裂缝向上延伸，梁底部表面出现少量混凝土剥落现象。随着荷载增加，承载力也随之提高直到达到第二次峰值。第二次峰值过后，试件主要靠钢纤维和PVA纤维与基体的粘结力承担外部荷载。在荷载下降到15 kN左右时，裂缝延伸到试件顶部。继续受力后，伴随着“吱吱”声，PSFRC的主裂缝处可以明显看到钢纤维拔出和PVA纤维拔出、拔断现象，混凝土出现少量剥落，且剥落的碎块数量少于PFRC和SFRC所剥落的碎块数量。这主要是因为与混凝土基体粘结良好的PVA纤维将被压碎的部分混凝土碎块粘聚在一起，通过钢纤维粘结在混凝土基体上，从而使混凝土碎块没有大量的剥落。当荷载下降到10 kN左右时，梁试件弯曲现象明显，主裂缝分支出来的微裂缝各自增长并继续分支出4条裂缝。随着荷载的继续施加，混凝土继续剥落，分支裂缝交汇于主裂缝，梁弯曲幅度增大，接近破坏。如图3（e）、图 3（f）所示。
图 4 混凝土荷载-挠度曲线
2.2 纤维混凝土弯曲试验现象对比
如图4所示的混凝土荷载-挠度曲线中可以看出，PFRC、SFRC和PSFRC的曲线比较平稳，都有明显的下降段，曲线越平稳则表示纤维的连接作用越好，混凝土韧性越高，吸收的能量越多。但在某一时刻，PFRC会出现挠度突然增大的现象，断裂的速度比SFRC和PSFRC快得多，相比SFRC和PSFRC有明显的脆性特征，原因是含有钢纤维的混凝土，在试件断裂裂缝较大时，仍能承担较大的荷载，不会使试件突然断裂。而较细的PVA纤维所能承受的荷载较低，在基体逐渐丧失了承载能力的同时，PVA纤维与基体的粘结力承担外部荷载的能力有限，因此PVA纤维很容易被拔出或者拔断，从而使承载力急剧下降或断裂。PSFRC较SFRC曲线更为平缓，是因为与混凝土基体粘结良好的PVA纤维与钢纤维产生了正混杂效应。在曲线下降段，基体裂缝的扩张过程中不仅需要克服钢纤维的抗拉性能，而且在形成新裂缝过程中还需要不断地抵抗PVA纤维新一轮抑制新裂缝产生的能力。PSFRC在每一个开裂级别上都会有相应尺寸、相应性能的纤维发挥作用，这样就会使纤维混凝土的韧性得到更好的发挥。
三种纤维混凝土试件断裂过程中都有多条裂缝产生，由于纤维的存在，裂缝一般会发生拐弯、分支和分叉现象，出现与配筋混凝土梁的裂缝出现形式相似的特征。普通混凝土一旦出现一条裂缝就会瞬间延伸到试件顶部并发生脆性断裂。说明纤维的加入能起到增加延性和吸收能量的作用，提高了混凝土的韧性。
SFRC和PSFRC的中点挠度到达6～7 mm，而PFRC的中点挠度都在3 mm以下，原因是钢纤维有很好的抗拉性能，在试件出现较大裂缝后，能够起到桥接混凝土的作用，使试件在保持承载力的同时，中点挠度有较大变化。拥有PVA的混杂纤维混凝土，同时具备了两种纤维的协同能力，PVA纤维不仅能帮助基体和钢纤维一同抵抗外部荷载，而且可以在整个开裂过程中对抑制基体新裂缝的产生发挥重大的作用。由此可见，PSFRC和SFRC相比于PFRC，它们的韧性比PFRC大很多。
PSFRC的初裂强度和峰值强度均低于SFRC，原因是SFRC含有比PSFRC更多的钢纤维，从而在前期SFRC可以表现出更好的抗拉性能，使试件的受承载能力更强。但由于PSFRC有PVA纤维的存在，PVA纤维与混凝土基体的粘结力更好，并且将破碎的混凝土碎块紧紧地抱团在一起，同时给混凝土单位基体裂缝的开展提供更大的阻力。基体、钢纤维和PVA纤维三种的协同作用所表现出来的承担拉力的能力优于单一钢纤维混凝土。由上述荷载-挠度曲线可以清楚的看到PSFRC的下降段比SFRC更加平缓和丰满。最终SFRC破坏后的最大裂缝达到2.5 cm，大于PSFRC最后破坏的裂缝宽度2 cm。
3.1 弯曲韧性计算方法
文中采用我国《纤维混凝土试验方法标准》（CECS 13：2009）中弯曲韧性的计算方法，通过弯曲韧性指数和弯曲韧性比进行评价混凝土的弯曲韧性。
3.1.1 弯曲强度计算公式 弯曲强度计算公式为
其中，ff为混凝土抗折强度，MPa；fcr为纤维混凝土的抗折初裂强度，MPa；fe为混凝土等效弯曲强度，MPa；Fmax为试件破坏荷载，N；Ωk为跨中挠度为l/150的荷载-挠曲线下的面积，N·mm；δk-跨中挠度为l/150的挠度值，mm；l为两支座跨度，mm；b为试件截面宽度，mm；h为试件截面高度，mm。
3.1.2 弯曲韧性比 弯曲韧性比Re为
3.1.3 弯曲韧性指数 如图5所示，以O为原点，选用初裂挠度δ的倍数作为终点挠度，即δ、3δ、5.5δ、10.5δ所对应的荷载-挠度曲线的面积Ωδ、Ω3δ、Ω5.5δ、Ω10.5δ，计算相应的韧性指数，分别用I5、I10、I20表示，即
其中，理想弹塑性体的I5、I10、I20系数分别是5、10、20；理想脆性材料的都等于1；纤维混凝土的韧性系数一般介于理想弹塑性体和理想脆性体之间，和理想弹塑性体的值越接近，说明纤维对混凝土的增韧效果越好。
图5 荷载-挠度曲线
3.2 弯曲韧性评价
混凝土弯曲韧性试验及计算结果见表5。
表 5 混凝土弯曲韧性计算
试件编号 初裂荷载 /kN 峰值荷载 /kN 抗折强度 /MPa I I R C-0 13.77 13.77 / 1 1 / / / C-1 15.38 15.38 / 1 1 / / / C-2 13.98 13.98 / 1 1 / / / C平均值 14.38 14.38 / 1 1 / / / PVA-0 10.19 10.73 3.06 / / 1.35 3.06 0.44 PVA-1 17.13 18.57 5.58 4.28 / 3.07 5.14 0.60 PVA-2 15.83 16.72 5.02 3.42 / 2.73 4.75 0.57 PFRC平均值 16.48 17.65 5.30 3.85 / 2.90 4.95 0.59 S-0 23.20 28.74 8.62 - - 5.27 6.96 0.76 S-1 23.01 29.21 8.76 6.50 8.85 5.41 6.90 0.78 S-2 25.10 26.58 7.97 4.68 6.36 5.88 7.53 0.78 SFRC平均值 23.77 28.18 8.45 5.59 7.61 5.52 7.13 0.77 PS-0 19.39 21.15 6.34 5.30 - 4.63 5.82 0.80 PS-1 19.98 20.84 6.24 5.17 8.93 4.83 5.99 0.81 PS-2 18.98 22.02 6.61 4.68 8.08 4.60 5.69 0.81 PSFRC平均值 19.45 21.34 6.40 5.05 8.51 4.69 5.83 0.81
图6（a）与图6（b）为28 d龄期四种混凝土韧性指数I5、I10对比图。由表5和图6可知，PFRC、SFRC、PSFRC的韧性指数I5均接近理想弹塑性体值，SFRC和PSFRC的韧性指数I10均接近理想弹塑性体值，说明加入纤维后，混凝土可以吸收更多的能量，改善素混凝土的脆性，从而纤维可以明显地提高混凝土的韧性。
由表5可知，PFRC的韧性指数I5比普通混凝土提高了2.85倍；SFRC的韧性指数I5比普通混凝土提高了4.59倍，PSFRC的韧性指数I5比普通混凝土提高了4.05倍。SFRC的韧性指数I5比PSFRC提高了10.7%，说明同百分比纤维掺量下单掺钢纤维的混凝土的弯曲韧性指数I5相对于素混凝土提高幅度更大。SFRC的韧性指数I10比普通混凝土提高了6.61倍，PSFRC的韧性指数I10比普通混凝土提高了7.51倍；PSFRC的韧性指数I10比SFRC提高了11.8%，说明同百分比纤维掺量下PSFRC的弯曲韧性指数I10相对于素混凝土提高幅度更大。
PFRC在达到峰值后期，相对于SFRC和PSFRC纤维混凝土仍然具有一定的脆性性质，本实验所得曲线并没有得出PVA纤维混凝土试件的I10。由图6可知，与PFRC和SFRC两种纤维混凝土相比，PSFRC的韧性指数I5、I10与理想弹塑性体的差值均最小，是三者中最接近理想弹塑性体的一种材料，说明加入混杂纤维的混凝土比单掺的PVA纤维或钢纤维的混凝土吸收能量更多，增韧效果最好。
弯曲韧度比可看成是纤维混凝土小梁试件跨中挠度为2 mm时的平均弯曲强度和普通混凝土弯曲强度的比值，以此来表明纤维对混凝土的增强作用，不受小掺量纤维混凝土的荷载-挠曲线的影响，可以很好地反应小掺量的韧性[4]。如图7所示，PSFRC和SFRC的弯曲韧性比Re明显大于PFRC，说明PVA-钢混杂纤维混凝土和钢纤维混凝土的韧性在同百分比纤维掺量下明显优于单掺PVA纤维的混凝土。其中，SFRC的弯曲韧性比较之PFRC提高了30.5%，PSFRC的弯曲韧性比较之PFRC提高了37.3%。PSFRC和SFRC的弯曲韧性比较为接近，但是PSFRC还是略优于SFRC，且PSFRC的弯曲韧性比较之SFRC提高了5.2%。
图 6 纤维混凝土韧性指数、对比图
图 7 纤维混凝土弯曲韧性比
（1）纤维混凝土的荷载-挠曲线比较平稳，都有明显的下降段。相同纤维体积掺量下，钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土比PVA纤维混凝土曲线平稳，试验过程中跨中挠度大，纤维连接作用较好，混凝土韧性高，吸收的能量多，表现出明显的延性破坏。其中PVA-钢混杂纤维混凝土延性优于钢纤维混凝土和PVA纤维混凝土。
（2）纤维混凝土有多条裂缝产生，裂缝一般会出现拐弯、分支和分叉现象。普通混凝土一旦出现一条裂缝就会瞬间延伸到顶部并脆性断裂。说明纤维的加入能起到增加延性和吸收能量的作用，提高了试件的韧性。
（3）对于同百分比纤维体积掺量的混凝土，钢纤维混凝土初裂强度、峰值强度和抗折强度大于混杂纤维混凝土。混杂纤维混凝土的耗能能力、延性和增韧性能却优于单掺钢纤维混凝土。
（4）SFRC的韧性指数I5比PSFRC提高了10.7%，说明同百分比纤维掺量下单掺钢纤维的混凝土的弯曲韧性指数I5相对于素混凝土提高幅度更大；PSFRC的韧性指数I10比SFRC提高了11.8%，说明同百分比纤维掺量下PSFRC的弯曲韧性指数I10相对于素混凝土提高幅度更大。
（5）与PFRC和SFRC两种纤维混凝土相比，PSFRC的韧性指数I5、I10与理想弹塑性体的差值均最小，是三者中最接近理想弹塑性体的一种材料，说明加入混杂纤维的混凝土比单掺PVA纤维或钢纤维混凝土吸收能量更多，增韧效果最好。
（6）PSFRC和SFRC的弯曲韧性比明显大于PFRC，说明PVA-钢混杂纤维混凝土和钢纤维混凝土的韧性在同百分比纤维掺量下明显优于单掺PVA纤维的混凝土。其中，与PFRC相比，SFRC的弯曲韧性比提高了30.5%，PSFRC的提高了37.3%。PSFRC和SFRC的弯曲韧性比较为接近，但是PSFRC还是略优于SFRC，且PSFRC的弯曲韧度比较之SFRC提高了5.2%。
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Test and reseach on bending toughness of steel－PVA hybrid fibers concrete
LI Fenglei1,SUN Min1,2
（1.School of Civil Engineering,SUST,Suzhou 215011,China;2.Jiang Su Provincial Key Laboratory of Structural Engineering,Suzhou 215011,China）
Abstract：Through the same volume ratio of the single fiber and mixed fiber,the PVA and steel fiber were mixed with the ordinary C30 concrete to form the hybrid fiber reinforced concrete.The flexural toughness of PVA-steel hybrid fiber reinforced concrete was studied.The results showed that 0.9%volume of PVA-steel hybrid fiber reinforced concrete(0.8%steel fiber,0.1%PVA)was a'positive hybrid effect'and the steel and PVA fibers play a good synergistic effect.The flexural toughness index and flexural toughness ratio of hybrid fiber concrete are better than that of the single fiber reinforced concrete under the same volume ratio of fiber,and the energy dissipation capacity,ductility and toughening effect of hybrid fiber reinforced concrete are better than that of single steel fiber and PVA fiber reinforced concrete with the same volume of fiber content.
Key words：PVA fiber;hybrid fiber;flexural toughness;effect of reinforcing toughness
中图分类号：TU528.572
文献标识码：A
文章编号：2096-3270（2017）01-0019-07
（责任编辑：秦中悦）
[收稿日期] 2016－09-12
[基金项目] 国家自然科学基金项目（51508368）；江苏省结构工程重点实验室课题（ZD1205）
[作者简介] 李风雷（1989-），男，江苏淮安人，硕士研究生。
通信联系人：孙 敏（1970-），女，副教授，博士，从事混凝土桥梁结构研究，Email：sunmin@mail.usts.edu.cn。
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