Abstract ：In order to explore the effect of PVA fiber incorporation on the improvement of concrete failure mode, five different PVA fiber volume contents (0%, 0.25%, 0.5%, 0.75%, 1%) were selected in this study, and the cubic compressive and prismatic uniaxial compressive fatigue tests were carried out on concrete specimens with different fiber contents using the same fitting ratio. In order to discover the advantages of fiber incorporation, the strength and failure mode of fiber incorporation into the compressive failure of the cube and the morphology of the compressive fatigue failure of the prismatic body were studied.

0 引言

随着城市建设的不断发展和现代建筑技术的不断革新，传统混凝土的物理性能已经无法完全满足现代建筑的需求。如何提升混凝土的力学性能已成为当前备受关注的学术热点。纤维混凝土被认为是一种有效的解决方案，它能够显著改善混凝土的脆弱性，提高其抗拉强度和韧性。 

聚乙烯醇（PVA）纤维作为一种高性能有机材料因其高强度、高弹性模量的特性，所以能够明显改善混凝土的抗裂性能和韧性。高淑玲^[1]研究发现，PVA纤维混凝土的应变率能够达到0.8%到1.5%，是普通混凝土的4到7倍，而极限压缩应变则是普通混凝土的5到10倍，混凝土抗压韧性提升很大。黄勇贵^[2]发现在混凝土中适量的掺入PVA纤维对其抗折、抗拉效果提升明显。许欣^[3]通过实验得出0.1％PVA纤维体积掺量的混凝土能显著改善混凝土的抗压强度、抗折强度，保持混凝土的和易性。

本文对基体强度为45MPa 的混凝土，分别掺入不同体积掺量的PVA 纤维。并对其进行了抗压强度、棱柱体单轴抗压疲劳试验进行探究，以此来探究PVA纤维掺量对混凝土立方体抗压强度、立方体抗压破坏形态以及棱柱体单轴抗压疲劳破坏形态的影响。

1 实验原材料

（1）硅酸盐水泥

  本文所有混凝土试件均采用由青海省祁连山水泥有限公司生产的P.Ⅱ42.5级硅酸盐水泥。

（2）粗骨料

粗骨料为主要粒径 5 ~ 20 mm的碎石。

（3）细骨料

计算得出砂子的细度模数为 2.7 ，判定细骨料为中砂。

（4）PVA纤维

本文试验中使用的PVA纤维是上海影佳实业发展有限公司售卖的长度为12mm，直径为40纳米的聚乙烯醇纤维（又称PVA纤维）。纤维参数如表1所示。

表1  PVA纤维性能参数

基准配合比如表2所示

表2  混凝土试件基准配合比

试验制作5种不同体积百分比掺量（0、0.25% 、0.5%、0.75% 、1%）的 PVA 纤维混凝土立方体试块，每种掺量共3个150mm×150mm×150mm的混凝土试块进行抗压强度测试。

使用内径为70.1mm×70.1mm×210.3mm的模具试验制作5种不同体积百分比掺量（0、0.25% 、0.5%、0.75% 、1%）的 PVA 纤维混凝土棱柱体试块。

所有试件在恒温恒湿养护室内进行养护（温度 20℃左右，相对湿度 95%以上）28天后将试块取出。棱柱体试件在养护室养护28天后，再在常温下养护90天，待其性能稳定后进行疲劳试验。

2 实验方法与分析

2.1  PVA纤维混凝土立方体抗压试验

混凝土立方体抗压通过混凝土立方体的抗压性能来探究不同纤维体积掺量对纤维混凝土破坏形态和强度等级的影响。

在混凝土立方体抗压性能的测定过程中，我们将使用相同的试验方案来确保各个试件的测试条件一致。本试验还旨在探讨纤维掺入对混凝土其他重要性能指标的影响，如裂缝控制、韧性增强等。通过综合观测纤维混凝土的抗压强度与其它性能指标，我们可以更全面地发现不同PVA纤维掺量对混凝土破坏形态和强度等级的综合影响。

将混凝土试块从养护室中取出，清理表面，并标记试块信息。使用测量仪器为美斯特电液伺服压力机。 

（1）立方体抗压破坏形貌分析

对下图各掺量立方体试块破坏形态分析以及汇总的混凝土抗压强度数据可以得出，纤维的添加对立方体抗压强度有一定程度的提高。具体来说，这种小幅的强度增加伴随着破坏形态的显著转变。在没有添加PVA纤维的情况下，立方体试块在承受压力破坏时，常常表现出较为明显的剥落现象，这说明材料在破坏时缺乏足够的韧性和整体性，易于碎裂。

然而，当掺入PVA纤维后，这些立方体试块即使在破坏发生后。尤其是纤维掺量为0.5%的试块，其破坏后小裂纹分布增多，表明材料内部能够分散应力，同时这种分散作用减缓了破坏的进程，使得试块即便在承受极限压力后，依然能保持较为完整的形态。这种现象说明，纤维的加入有效提升了混凝土的韧性和裂缝控制能力，改善了材料的破坏状态。

（2）立方体抗压强度特征

将试块放入压力机中，并确保试块受力均匀。逐渐增加加载，记录加载值和压碎试块的载荷值。在加载的过程中，记录试块的变形情况和载荷值。当试块破裂时停止加载，并记录破坏载荷值。试验结果如表3所示。其中C代表抗压，后边数字代表纤维掺量，最后数字代表试块编号。

表3  混凝土立方体抗压试验数据

所有立方体抗压试块中，0.5%的PVA纤维掺量试块有最强的抗压强度，相比于未掺加纤维的素混凝土，其抗压强度提升了9.1%，如表5所示。这一结果表现出适量纤维掺入对混凝土性能优化的重要性。通过一系列的观察和分析，我们可以得出结论，PVA纤维的添加在改善混凝土的立方体抗压性能和破坏韧性方面起到了积极作用。

2.2 PVA纤维混凝土棱柱体疲劳压缩形态

（1） 加载方案

在H305型300kN电液伺服疲劳机上进行棱柱体单轴抗压疲劳实验研究，如图2所示。共制作了5组不同PVA纤维掺量（0、0.25％、0.5％、0.75％、1％）的棱柱体试样，每组试样共24个。其中6个用于棱柱体静态抗压试验以得出棱柱体试样的静态极限抗压强度。剩余18个分为三组每组6个试件分别用于应力水平0.7、0.8、0.9下的疲劳试验。疲劳加载时疲劳上限为棱柱体试件静态极限抗压强度的0.7、0.8、0.9，疲劳下限为疲劳上限的0.1倍。疲劳试验时采用10Hz正弦波进行加载。试验主要观察记录 PVA纤维在单向压缩条件下的疲劳破坏形态、变形规律。

（2） 疲劳破坏形态分析

棱柱体单轴受压疲劳破坏一般表现为劈裂破坏、剪切破坏和楔形破坏三种破坏形态。

①劈裂破坏：

劈裂破坏是由混凝土内部的拉应力引起的，当这种拉应力超过材料的抗拉强度时，就会沿着竖直方向产生裂缝。在单轴压缩疲劳荷载作用下，PVA纤维试块内部可能会出现竖向裂缝，这些裂缝随着加载次数的增加而逐渐扩展，最终导致试块沿竖直方向劈开，劈裂破坏形态如图 。

②剪切破坏：

剪切破坏是棱柱体试块在单轴加载时，试块沿着某一斜面发生滑动，形成剪切面。在单轴受压疲劳荷载作用下，PVA纤维试块可能会在斜向45度至70度左右的角度上形成剪切裂缝，这是因为在该角度上剪应力达到最大。PVA纤维能够增强混凝土的剪切强度，通过桥接裂缝，提高材料的整体结构完整性。

③楔形破坏：

楔形破坏是一种复合破坏模式，它可能是由劈裂和剪切破坏共同作用的结果。该破坏形态表现为试块中心形成楔形状，并且在加载过程中逐渐移向试块的一侧。这种破坏形态往往由剪切滑移和劈裂裂缝共同发展形成的。

如图3所示本试验棱柱体试块单轴抗压疲劳试验的裂缝发展均是始于竖向微裂纹的产生，随着疲劳次数的增加竖向裂纹逐渐发展，内部裂纹逐渐贯通最终多数形成劈裂破坏、剪切破坏或者是楔形破坏。PVA纤维在混凝土中桥接形成网状结构最终限制或者延缓裂缝的发展。0掺量的棱柱体试件疲劳破坏过程与其他添加了纤维的棱柱体试件有所不同，0掺量的棱柱体试件在疲劳加载的过程中还伴随着试件边角的破碎、飞溅，如图4所示，掺入纤维的棱柱体试块不会在疲劳过程中出现该现象。

3结论

（1）PVA纤维的掺入对试块的立方体抗压强度有小幅提升，总体变化趋势是随着纤维体积掺量的增大呈先增大后减小趋势，在0.5％纤维掺量下立方体抗压强度提升最大，提升了9.1％。随着纤维掺量的增加，立方体抗压试块的破坏形态经历了从脆性到韧性的显著转变。

（2）在棱柱体单轴抗压疲劳试验中，棱柱体试块的疲劳破坏形态与疲劳加载幅值无关，疲劳加载幅值只会影响棱柱体试块破坏的快慢，并不会影响其最终破坏形态。纤维的掺入并不会影响棱柱体试块最终破坏形式，掺入纤维以后棱柱体试块在疲劳加载过程中不会出现边角破碎、飞溅等现象。

参考文献

[1] 高淑玲,徐世烺.利用水平外力总功研究PVA纤维增强水泥基复合材料韧性[J].东南大学学报(自然科学版),2007,(02):324-329.

[2] 黄勇贵.PVA纤维增强超高性能混凝土的力学性能研究[J].福建建材,2023,(10):6-9.

[3] 许欣,马魁.基于不同掺量的PVA纤维混凝土力学性能研究[J].科技与创新,2023,(02):83-85.