钢-PVA高性能混凝土单轴受压应力-应变全曲线试验

许成祥 ,  李世尚 ,  许奇琦 ,  姜学鹏

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (10) :4352-4363

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科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (10) :4352-4363 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503680
建筑科学

钢-PVA高性能混凝土单轴受压应力-应变全曲线试验

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Stress-strain Curve of Steel-PVA High Performance Concrete under Uniaxial Compression

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摘要

为研究钢纤维体积率、聚乙烯醇(polyvinyl alcohols, PVA)纤维体积率和矿粉取代率对钢-PVA混杂纤维高性能混凝土(steel-PVA hybrid fiber high performance concrete,S-PVA HFHPC)单轴受压应力-应变全曲线的影响,依据钢纤维、PVA纤维和矿粉的掺量不同,共设计了84个混凝土试件,完成了单轴受压全过程试验,揭示了S-PVA HFHPC从弹性、屈服到破坏的全阶段力学行为。试验结果表明:钢纤维与PVA纤维协同作用显著提高了混凝土的力学性能,与高性能混凝土(high perfor-mance concrete,HPC)试件相比,S-PVA HFHPC试件的峰值应力和弹性模量分别最高提升了42%和36.7%,并显著改善了混凝土的纵向应变和横向应变;混杂纤维的协同作用使混凝土的脆性系数降低了18.38%,韧性系数增加了16.38%,使得试件的破坏模式由脆性的劈裂破坏转变为具有明显延性特征的剪切破坏,其中钢纤维起主要作用;建立了一种适用于描述S-PVA HFHPC在单轴受压条件下应力-应变全曲线的数学模型。

Abstract

In order to investigate the effects of steel fiber volume fractions, PVA (polyvinyl alcohols) fiber volume fractions and slag powder replacement ratios on the uniaxial compression stress-strain curve of S-PVA HFHPC (steel-PVA hybrid fiber high performance concrete). A total of 84 specimens were designed and fabricated, with steel fibers, PVA fibers, and slag powder dosage serving as the primary test variables. Comprehensive uniaxial compression tests were to evaluate the performance of the specimens throughout the entire loading process, which revealed the full-stage mechanical behaviors of S-PVA HFHPC from the elastic phase and yield phase to the failure phase. The results show that the synergistic interaction of S-PVA fibers significantly enhances the mechanical properties of concrete. Compared with HPC (high performance concrete) specimens, the peak stress and elastic modulus of the S-PVA HFHPC specimens increase by up to 42% and 36.7%, respectively, and significantly improve the vertical and transverse strains of concrete. Hybrid fiber interaction reduces the brittleness coefficient by 18.38% and increases the toughness coefficient by 16.38%. Additionally, the failure mode of S-PVA HFHPC transitions from brittle splitting failure to shear failure, characterized by enhanced ductility, owing to the key role of steel fibers in reinforcing the matrix. Furthermore, a practical mathematical model is developed to describe the uniaxial compression stress-strain curve of S-PVA HFHPC.

Graphical abstract

关键词

钢-PVA高性能混凝土 / 应力-应变 / 单轴受压 / 力学性能

Key words

S-PVA high performance concrete / stress-strain / uniaxial compression / mechanical properties

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许成祥, 李世尚, 许奇琦, 姜学鹏. 钢-PVA高性能混凝土单轴受压应力-应变全曲线试验[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(10): 4352-4363 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503680
XU Cheng-xiang, LI Shi-shang, XU Qi-qi, JIANG Xue-peng. Stress-strain Curve of Steel-PVA High Performance Concrete under Uniaxial Compression[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(10): 4352-4363 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503680

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混杂纤维混凝土是将多种纤维按特定比例掺入混凝土基质中制成的高性能复合材料。通过纤维的多样性和比例优化,混凝土力学性能能够得到提升,包括但不限于增强强度、改善韧性、提高抗裂性能以及耐久性等关键指标[1-4]。混杂纤维的引入能够在混凝土内部形成多维度的增强网络,有效抑制微裂缝的形成与扩展,从而延长材料的使用寿命[5-7]。
既往研究已证实,钢纤维与聚乙烯醇(polyviny lalcohols, PVA)纤维,凭借其卓越的弹性模量特性及优异的协同增效作用,常被用作混凝土中的增强纤维,旨在优化并提升混凝土的整体性能[8-10]。众多国内学者针对混杂纤维混凝土的力学性能开展了深入的试验研究。Ju等[11]通过研究表明,钢纤维、PVA纤维及混合纤维可以在不同尺度上发挥桥梁作用,以提高HPC的韧性和强度。钟光淳等[12]建立了混杂纤维混凝土轴心受力应力-应变曲线。贾毅等[13]通过单轴拉伸试验,构建了聚丙烯纤维增强水泥基复合材料抗拉特征的损伤本构模型。Wang等[14]建立了考虑钢-聚丙烯混杂纤维的超高性能混凝土三轴压缩应力-应变模型。周海波等[15]研究表明,混杂纤维的掺入增强了梁的承载力、延性和韧性,并减缓了裂缝发展。武斌等[16]和Alguhi等[17]通过弯曲、准静态和动态劈裂拉伸试验研究表明,混杂纤维的掺入能显著增强高强度混凝土韧性,在动态和准静态条件下,复合材料的弯曲韧性和劈裂韧性均显著提高。Ahmed等[18]通过研究表明混杂纤维复合材料中,聚乙烯(polyethylene, PE)纤维增强拉伸应变,钢纤维提高强度,长PE纤维使混凝土拉应变能力显著提高。Manso-Morato等[19]和Liang等[20]提出了混杂纤维混凝土韧性评价体系。为了获得更好的效果,适量掺入矿粉可以优化混凝土的孔隙结构,有效提高混凝土的劈裂抗拉强度与韧性[21]。
基于钢纤维体积率、PVA纤维体积率和矿粉替代率的不同,现共设计84个试件并采用先进的全曲线测试技术完成单轴受压全过程试验并准确获取关键的下降段曲线。通过系统研究钢纤维与PVA纤维的协同增强效应,突破单一纤维改性的局限。提出并验证适用于钢-PVA高性能混凝土的应力-应变全曲线数学模型,更精准地预测其在不同应力阶段的力学行为,为混杂纤维混凝土结构的设计与非线性分析构建坚实的理论基础,并指导其在高抗震、大跨度等重大工程中的安全设计与应用。

1 试验概况

1.1 试验材料性能

试验原材料采用P·Ⅱ52.5型硅酸盐水泥,粗骨料选用5~20 mm的连续级配碎石,细骨料选用普通河沙。选用减水率为25%的高效聚羧酸减水剂,矿粉采用S95级矿粉,密度为3.1 g/cm3,含水量为0.43%,烧失量为0.87%,试验用水采用普通自来水。试验中采用的钢纤维、PVA纤维和矿粉如图1所示,纤维的特性参数如表1所示。

1.2 试件设计与配合比

依据前期研究成果[22-23]以及美国混凝土协会(American Concrete Institute, ACI)的报告ACI544.1R-96[24]建议纤维体积率应小于2%。为探究钢纤维体积率VS、PVA纤维体积率VP和矿粉取代率M(等质量取代水泥的百分比)3种因素对HPC棱柱体单轴受压应力-应变全曲线的影响规律,采用全试验方式,共设计81个钢-PVA混杂纤维高性能混凝土(steel-PVA hybrid fiber high performance concrete,S-PVA HFHPC)试件和3个普通高性能混凝土(high performance concrete,HPC)对照组。每个试件浇筑尺寸为100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体,各试件纤维体积率以及矿粉取代率如表2所示。试件编号中S为钢纤维体积率,下标0.5、1.0、1.5分别表示0.5%、1.0%、1.5%,P为PVA纤维体积率,0.1、0.2、0.3分别表示0.1%、0.2%、0.3%,M为矿粉取代率,10、20、30分别表示10%、20%、30%,例如,S0.5P0.2M10表示钢纤维体积率为0.5%、PVA纤维体积率为0.2%、矿粉取代率为10%。根据规范《纤维混凝土应用技术规程》(JGJ/T 221—2010)[25]和《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)[26]设计了HPC配合比,如表3所示。

1.3 测试装置和测试方法

在混凝土单轴受压应力-应变试验中,混凝土棱柱体试件有4个非加载面,其中B面、D面为浇筑面和底面,在A面、C面中部100 mm处分别设置2个应变片和1个位移计,如图2所示。采用微机控制电液伺服 YAW-2000 kN 压力机进行加载,采用TZT3827E高速动静态信号测试分析系统采集试件的荷载、应变和位移,加载装置及测量方式如图3所示。采用普通压力机刚度无法满足获取应力-应变下降段曲线,故选用两个钢制支座和一个钢板组成附加刚性元件,使试验装置的总体刚度超过试件下降段的最大线刚度,防止混凝土急速破坏。试件在正式加载试验之前对试件进行预加载以清除加载装置和试件之间的空隙,并检测试验设备和加载装置的正常工作。预加载过程采用力加载方式,加载速率为12 kN/s,将荷载加到预估极限荷载值的20%,确定一切工作正常后开始正式加载。正式加载全过程速率采用3 kN/s速率直至试件破坏。

2 试验结果与分析

2.1 试件破坏形态

在单轴受压加载时,HPC试件和S-PVA HFHPC试件表现出不同的破坏形态。HPC试件表现为明显的脆性破坏,当达到混凝土试件的峰值荷载时,试件发生破坏,发出爆裂声且试件有碎块剥落,最后混凝土试件被劈裂成两半,表现为脆性劈裂破坏,如图4(a)所示。而掺入混杂纤维的混凝土当达到极限荷载后表现出较为延性的破坏同时发出明显的开裂声,其表面产生一条沿对角线发展的贯穿主裂缝并伴有密集的竖向裂缝,发生破坏时试件只有少量小块混凝土脱落,且试件并未被劈开,具有较好的完整形态,如图4(b)~图4(d)所示。S-PVA HFHPC试件在单轴受压破坏形式中表现出延性剪切破坏,这主要是由于纤维提高了混凝土基体的阻裂能力和桥接作用。

2.2 全曲线形态分析

选取部分S-PVA HFHPC的应力-应变全曲线与HPC应力-应变全曲线做对比,结果如图5所示。混杂纤维高性能混凝土的应力-应变行为可分为4个典型阶段。在线弹性阶段,即在应力达到0.4σc(σc为峰值应力)之前,全曲线接近直线,在这一阶段,曲线斜率具有不明显的提高,说明混杂纤维的掺入对混凝土的刚度有一定的增加作用。进入非线性增长阶段后(0.4σc~σc),应力-应变全曲线偏离直线,在这一阶段,由于纤维通过桥接效应延缓裂缝扩展,显著减缓应力-应变曲线的非线性偏离。软化阶段中,纤维的拉拔和桥接作用使混凝土峰值后承载力下降更为平缓,说明S-PVA HFHPC试件表现出优异的韧性,脆性有显著的改善。在残余承载阶段,纤维持续传递荷载并抑制裂缝贯通,使混凝土保持显著残余强度。相较HPC试件,S-PVA HFHPC试件展现出更优的抗裂性、延性和损伤容限,其中钢纤维的掺加起主导作用,钢纤维和PVA纤维的协同作用实现了混凝土力学性能的显著提升。

2.3 峰值应力

取单轴受压应力-应变曲线的峰值应力σc作为S-PVA HFHPC试件的轴心抗压强度值fc。试件的峰值应力试验结果如图6所示,各试件峰值应力极差分析如表4所示。

如图6(a)所示,当钢纤维和PVA纤维体积率一定时,矿粉掺量对混凝土强度变化表现为先降后升的趋势。当钢纤维为1.0%和PVA纤维为0.1%时,矿粉掺量对混凝土呈先升后降的趋势,原因是初期矿粉促进了纤维与水泥浆体的结合,提高了强度。但过多矿粉会稀释水泥浆体,导致强度下降。如图6(b)所示,当钢纤维体积率和矿粉掺量一定时,不同PVA纤维的体积率对强度的变化表现为单调递减趋势。当钢纤维为0.5%,矿粉掺量为20%和30%时,PVA纤维体积率对混凝土强度的变化为轻微递增趋势,是因为纤维与混凝土基体的接触面积增大,提高了纤维与基体之间的黏结力。如图6(c)所示,当PVA纤维体积率和矿粉掺入量一定时,不同钢纤维的体积率对强度的变化表现为先增再减趋势。当PVA纤维为0.3%和矿粉为10%时,不同的钢纤维体积率对混凝土强度的变化为先减后增趋势。说明较低掺量的钢纤维未能充分发挥其增强作用,导致混凝土强度有所下降。

由表4可知钢纤维对强度影响相对较小。HPC试件的峰值应力为39.7 MPa,S-PVA HFHPC试件峰值应力与HPC试件对比可知,S0.5P0.3M30、S1.0P0.1M10、S1.0P0.1M20和S1.0P0.1M30试件的峰值应力分别增长了42%、40%、36%和39%,具有明显的强度提高现象。

2.4 荷载-应变

如图7所示,不同钢纤维、PVA纤维和矿粉的掺量对混凝土的纵向应变和横向应变的变化规律较为复杂。纵向应变和横向应变均是反映混凝土在受力过程中形变特征的重要参数,钢纤维掺量从0.5%增加至1.5%时,纵向应变整体呈上升趋势,其中1.0%掺量时效果最优,纵向应变达1 504.8,较HPC试件提高15.9%。而横向应变显著降低,最低降至422.5,降幅达77.5%。表明钢纤维显著改善了混凝土的形变特性,尤其是横向应变的显著减少,这主要是因为钢纤维能够提高混凝土的抗裂和抗拉性能,限制了混凝土在受力过程中的过度形变。PVA纤维掺量变化对应变的影响表现为非线性,PVA纤维掺量从0.1%增加至0.3%时,纵向应变提升了5.9%,横向应变为762.62降至215.84,这是由于尽管PVA纤维提高了混凝土的韧性,但其对形变的控制作用相对较小,矿粉掺量增加时,纵向应变和横向应变分别下降了16.3%和44.4%,表明矿粉的适量掺入有助于改善混凝土的密实性,提高抗形变能力,但过量会限制纤维增强效果。如表5 所示,根据对纵向应变和横向应变极差分析R值显示钢纤维对纵向应变和横向应变的抑制效果最为显著,而PVA纤维和矿粉的影响较为稳定。

2.5 弹性模量

为了分析试件在不同的钢纤维体积率、PVA纤维体积率和矿粉取代率对混凝土试件弹性模量的影响,取应力-应变曲线上升段0.4σc点处的切线作为试件的弹性模量值。试件弹性模量极差分析如表6所示。试件的弹性模量值如图8所示。

如图8(a)所示,在钢纤维与PVA纤维体积率保持一定时,混凝土弹性模量随矿粉掺量的增加而单调增长。是因为矿粉与水泥发生二次水化反应,生成的水化产物,提高混凝土的弹性模量。如图8(b) 所示,当钢纤维体积率与矿粉掺量保持一定时,PVA纤维体积率对混凝土弹性模量的影响呈现先增后减趋势。是因为随着PVA纤维的增加提高了混凝土的韧性,混凝土的弹性模量增加,但超过一定值后,过多的纤维可能会导致混凝土内部结构紊乱,削弱混凝土弹性模量。如图8(c)所示,当PVA纤维体积率与矿粉掺量保持一定时,钢纤维体积率对混凝土弹性模量的影响展现出先增后减的趋势。是因为钢纤维本身具有较高的弹性模量,当钢纤维掺量过多时,因纤维的聚集、分布不均,导致混凝土的弹性模量下降。当PVA纤维为0.3%和矿粉取为30%时,试件的弹性模量随着钢纤维的体积率增大而单调递减。因钢纤维分布不均和界面薄弱区的增加,导致弹性模量下降。

如表6所示,PVA纤维对混凝土试件的弹性模量影响最大。HPC试件的弹性模量为38 798 MPa,S-PVA HFHPC试件中的S1.0P0.2M30、S1.0P0.2M20、S0.5P0.2M30、S0.5P0.2M20和S0.5P0.1M30弹性模量较HPC试件分别增长了36.7%、36.1%、34.4%、33.9%和32.1%,表现出明显的提升现象。同时,其他不同掺量的S-PVA HFHPC试件也呈现出不同程度的提高。

2.6 抗裂韧性

抗裂韧性是指混凝土在发生塑性变形后能够继续承受载荷而不断变形的能力。采用韧性系数α来描述S-PVA HFHPC试件单轴受压韧性能力,公式为

α=$\frac{{S}_{OBCD}}{{S}_{OAD}}$

式(1)中:SOBCD为应变到达3倍峰值应变与应力-应变曲线和X轴包围的面积;SOAD为峰值应变与应力-应变曲线和X坐标轴包围的面积,如图9所示。

如图10所示,S-PVA HFHPC试件的韧性系数介于3.18~4.36,HPC试件的韧性系数为3.378。在钢纤维体积率与PVA纤维体积率一定的情况下,韧性系数整体随矿粉掺量的增加表现出单调递减的趋势。试件在不同矿粉取代率下分别相较于HPC试件提高了14.06%、13.30%、9.58%。在钢纤维体积率与矿粉取代率保持一定时,S-PVA HFHPC试件在不同PVA纤维体积率下表现出先增后减的趋势,分别相较于HPC试件提高了10.74%、14.20%、12.0%。在PVA体积率与矿粉取代率保持一定的情况下,S-PVA HFHPC试件韧性系数在钢纤维体积率为1%时表现最佳为16.38%,之后钢纤维体积率的增加对韧性系数并没有较大的变化,分别为10.43%、10.14%。

由此表明在HPC试件中适当添加钢纤维、PVA纤维和矿粉可以增强混凝土的韧性。如表7所示,根据极差分析得出其中钢纤维增强混凝土韧性的作用最大,使其在破坏时的变形相对较大。

2.7 抗裂脆性

抗裂脆性是指混凝土在受到荷载作用时抵抗裂缝产生和扩展的能力。采用脆性系数γ来描述S-PVA HFHPC试件单轴受压抗裂脆性能力,公式为

γ=$\frac{{S}_{ABCD}}{{S}_{OAD}}$

式(2)中:SABCD为从峰值应变到达3倍应变与应力-应变曲线和X轴包围的面积,如图11所示。

如图12所示,S-PVA HFHPC试件的脆性系数介于0.30%~0.49%,HPC试件的脆性系数为0.420 5。在钢纤维和PVA纤维体积分数一定的情况下,当矿渣粉取代率分别为10%和20%时,脆性系数与HPC试样相比表现出相对稳定的变化,分别降低了15.96%和15.44%。相比之下,当矿粉取代率为30%时,S-PVA HFHPC的脆性系数比HPC试样降低了10.11%。在钢纤维体积率与矿粉取代率保持一定时,S-PVA HFHPC试件在不同PVA纤维体积率下表现出先减后增的趋势,脆性系数分别相较于HPC试件减小了12.01%、16.07%、13.42%。在PVA体积率与矿粉取代率保持一定的情况下,S-PVA HFHPC试件脆性系数在钢纤维体积率为0.5时表现最佳,相较于HPC试件减小了为18.38%,之后钢纤维体积率的增加对脆性系数并没有较大的变化,分别较HPC试件减小了11.43%、11.7%。

如表8所示,对脆性系数的极差分析表明在HPC试件中适当添加钢纤维、PVA纤维和矿粉都有不同程度的减小混凝土脆性,钢纤维具有较强减小试件脆性的效果,使试件在破坏时的延性相对增大。

3 混杂纤维增强效应

3.1 钢纤维增强效应

混凝土试件的破坏是由初始微裂纹的不稳定扩展引起的。当施加单轴压缩载荷σ时,在预先存在的断裂面上产生剪切应力τ,形成剪切型裂纹[27],如图13(a)所示。当外部载荷超过裂纹表面的摩擦力时,桥接裂纹的钢纤维为裂纹滑动提供了额外的阻力。随着单轴应力的增加,裂纹界面处的相对剪切滑移在初始裂纹的两端产生拉伸分量F,导致拉伸裂纹的形成[28]。这些拉伸裂纹与其他传播的裂纹相互作用,导致裂纹聚结。最终,由于这些裂纹之间的相互作用而发生破坏。在此过程中,桥接纤维通过纤维拔出和脱粘所需的额外力提高了混凝土的韧性[29]。如图13(b)所示,当沿主裂缝切割破坏后的混合纤维混凝土试样时,破坏表面的钢纤维变形并被拔出,且看到密集的裂纹。这表明钢纤维有助于提高混凝土的断裂能,并有效地桥接裂缝。

3.2 PVA纤维增强机理

沿S-PVA HFHPC试件主裂缝剖开对断裂面进行取样并喷金处理,如图14(a)所示。通过泰斯肯(TESCAN MIRA LMS)场发射扫描电镜对S-PVA HFHPC试件断裂面上的PVA纤维形态照射发现,几乎全部PVA纤维在混凝土破坏后都发生断裂,说明这种低弹模、高延性的纤维是通过自身的延长和断裂吸收能量有效桥接了混凝土微裂缝两侧,对微裂缝的发展起到了抑制作用,如图14(b)所示。对PVA纤维表面进一步观察发现,PVA纤维表面附着了大量混凝土碎屑,这表明,在裂缝扩展过程中,PVA纤维与混凝土之间形成了稳定的粘结界面,使得纤维能够有效地与基体材料协同工作,从而增强混凝土的整体韧性,如图14(c)所示。在微裂缝发展初期,PVA纤维的延展性和断裂特性帮助吸收了裂纹扩展过程中释放的能量,延缓了裂缝的进一步发展。证明了PVA纤维在混凝土中的桥接作用和能量吸收功能对混凝土抗断裂性能的重要贡献。

4 应力-应变全曲线模型

混凝土在单轴受压时的应力-应变全曲线对于结构设计和非线性分析至关重要。尽管国内外研究学者对混杂纤维混凝土的应力-应变曲线模型展开了广泛而深入的研究[30-32]。但对于纤维的多样性,这些模型并不能直接应用于钢-PVA混杂纤维高性能混凝土中。因此,基于过镇海等[33]提出的两段式两参数应力-应变全曲线模型和对Yang等[34]提出的一段式方程改进为一方程两段式应力-应变全曲线模型分别对S-PVA HFHPC的应力-应变全曲线进行拟合分析。

基于过镇海等[33]提出的分段函数形式,对混凝土应力-应变全曲线进行无量纲化处理,构建适用于钢-PVA混杂纤维高性能混凝土在单轴受压下的应力-应变全曲线方程,公式为

$\frac{\sigma }{{\sigma }_{\mathrm{c}}}$=a$\frac{\epsilon }{{\epsilon }_{\mathrm{c}}}$+(3-2a)${\left(\frac{\epsilon }{{\epsilon }_{\mathrm{c}}}\right)}^{2}$+(a-2)${\left(\frac{\epsilon }{{\epsilon }_{\mathrm{c}}}\right)}^{3}$, ε≤εc
$\frac{\sigma }{{\sigma }_{\mathrm{c}}}$=$\frac{\epsilon /{\epsilon }_{c}}{b{\left(\frac{\epsilon }{{\epsilon }_{\mathrm{c}}}-1\right)}^{2}+\frac{\epsilon }{{\epsilon }_{\mathrm{c}}}}$, ε≥εc

Yang等[34]提出的公式数学形式简洁、上升和下降阶段能够通过同一方程式描述,其表达式为

$\frac{\sigma }{{\sigma }_{\mathrm{c}}}$=$\frac{(c+1)\frac{\epsilon }{{\epsilon }_{\mathrm{c}}}}{{\left(\frac{\epsilon }{{\epsilon }_{\mathrm{c}}}\right)}^{c+1}+c}$

式(5)中:σ和ε为单轴受压应力和受压应变;σc和εc为单轴受压峰值应力和对应应变;a为控制曲线上升段的参数,是混凝土初始弹性模量与峰值割线模量的比值;b为控制曲线下降段反映脆性的参数;c为Yang模型[34]中确定曲线上升段和下降段的参数。

为了验证应力-应变全曲线方程及其参数的准确性,选取部分模型拟合结果与试验数据进行了对照分析,试验数据全曲线与拟合全曲线模型对比结果如图15所示。

分析结果证实,Yang模型[34]和过镇海模型[33]在试验曲线的上升阶段均显示出较高的拟合度。然而,过镇海模型中的参数a超出了该模型规定的合理范围,且Yang模型的整体拟合效果优于过镇海模型。在曲线的下降阶段,过镇海模型的拟合效果显著优于Yang模型。因此,选择将Yang模型的上升阶段和过镇海模型的下降阶段结合起来,作为本次研究的钢-PVA混杂纤维高性能混凝土在轴心受压时的应力-应变全曲线,即

$\frac{\sigma }{{\sigma }_{\mathrm{c}}}$=$\left\{\begin{array}{ll}\frac{(e+1)\frac{\epsilon }{{\epsilon }_{\mathrm{c}}}}{{\left(\frac{\epsilon }{{\epsilon }_{\mathrm{c}}}\right)}^{e+1}+e},& 0\le \epsilon \le {\epsilon }_{\mathrm{c}}\\ \frac{\frac{\epsilon }{{\epsilon }_{\mathrm{c}}}}{g{\left(\frac{\epsilon }{{\epsilon }_{\mathrm{c}}}-1\right)}^{2}+\frac{\epsilon }{{\epsilon }_{\mathrm{c}}}},& \epsilon \ge {\epsilon }_{\mathrm{c}}\end{array}\right.$

式(6)中:e为上升段参数;g为下降段参数。

为计算混杂纤维混凝土关键参数,引入钢纤维特征值λSf和PVA纤维特征值λPf,公式为

$\left\{\begin{array}{l}{\lambda }_{\mathrm{S}\mathrm{f}}={V}_{\mathrm{S}}\frac{{l}_{\mathrm{S}}}{{d}_{\mathrm{S}}}\\ {\lambda }_{\mathrm{P}\mathrm{f}}={V}_{\mathrm{P}}\frac{{l}_{\mathrm{P}}}{{d}_{\mathrm{P}}}\end{array}\right.$

式(7)中:lS/dS为钢纤维长径比;lP/dP为PVA纤维长径比;M为矿粉取代率。

通过对S-PVA HFHPC试件的曲线数据进行最小二乘拟合法得到两个参数的回归方程,如式(8)和式(9)所示。由于HPC没有掺入混杂纤维,所以没有考虑HPC的试验参数。

e=0.215 7f${}_{c}^{0.6311}$(1+0.028 1λSf+0.007 4λPf-

0.000 18λSfλPf+0.002 2M)

g=1.146f${}_{c}^{-0.825}$(1+0.167λSf+0.054λPf-0.000 97λSfλPf-0.067M)

5 结论

通过对钢-PVA混杂纤维高性能混凝土单轴受压加载试验,依据钢纤维体积率、PVA体积率和矿粉取代率的不同,设计了84个混凝土棱柱体试件,完成了单轴受压应力-应变全曲线试验研究,得到以下结论。

(1)在高性能混凝土中添加钢-PVA混杂纤维能够显著提升力学性能,随着钢-PVA混杂纤维的体积率增加和矿粉掺量的增加,S-PVA HFHPC在峰值应力、弹性模量方面分别实现了最高42%和36.7%的增幅,并显著改善了混凝土的横向应变和纵向应变,表现出良好的协同增强作用。

(2)钢-PVA混杂纤维的协同作用显著增强了混凝土的变形能力,混杂纤维的掺入降低了混凝土脆性系数幅度达18.38%,并提升了韧性系数达16.38%,有效控制了裂缝的形成与扩展,使得试件的破坏模式由脆性的劈裂破坏转变为具有明显延性特征的剪切破坏,其中钢纤维起主要作用。PVA纤维由于对宏观裂缝的抑制作用较小,对破坏行为影响有限。

(3)对S-PVA HFHPC单轴受压应力-应变全曲线的分析,建立了基于纤维特征值的单轴压缩应力-应变全曲线方程。该模型能够准确预测S-PVA HFHPC在单轴受压过程中应力-应变行为,为高性能混凝土在工程设计和分析中的实际应用提供了有价值的理论依据。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
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基金资助

国家自然科学基金(52178158)

湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划(T2022002)

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