纤维增强多层水泥板结构性能研究的试验方法

2013-03-21孙晓林苏幼坡

华北理工大学学报(自然科学版) 2013年2期

孙晓林，苏幼坡，丁峰

(1.河北联合大学河北省地震工程研究中心，河北唐山063009;2.河北联合大学校园规划建设处，河北唐山063009)

随着社会科学技术的进步，土木工程结构学科的发展，在很大程度上得益于性质优异的新材料、新技术的应用和发展，而纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer、简称FRP)以其优异的力学性能及适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、轻质发展的需求，正被越来越广泛地应用于桥梁工程、各类民用建筑、海洋工程、地下工程中，受到结构工

程界广泛关注。

根据对纤维加压水泥板的抗拉、抗压、抗弯的试验性能研究，研发一种可用于建筑外墙、楼板的结构板。纤维(碳纤维，芳纶纤维或玄武岩纤维)增强多层水泥板由2～3层水泥加压板和1～2层网状纤维由粘结剂粘接组成结构板。此种结构板为国内外首次提出，其结构性能(抗弯承载力、抗冲击强度、刚度)均需进行研究。

1 试验材料

2.1 水泥加压板

水泥加压板采用高强高密度纤维水泥压力板，如图1。此种水泥板以优质的高标号水泥为基本材料，并配以天然纤维及辅助材料来对水泥进行改性，经过先进生产工艺成型，加压、蒸养等特殊技术处理制成，具有防火绝缘、防水防潮、质轻高强、施工简易、经济美观、安全无害、寿命超长、可加工及二次装修性能好等优点。

2.2 玄武岩纤维网格布

玄武岩网格布是以耐碱耐酸强的玄武岩纤维为原料，编织成格栅布，再经过沥青处理后烘干成型，玄武岩纤维混凝土在常温下弹性模量与沥青混凝土弹性模量比高达24:1，具有很高的抗变形能力，断裂延伸率在3.4%左右。玄武岩纤维具有耐高温、抗冻融(－260～650℃)、与沥青混凝土热膨胀系数一致、抗拉强度高、防紫外线、耐化学稳定性好、抗老化等优点，是增强砂浆混凝土防渗抗裂的优良建筑材料。

图1 纤维水泥压力板

2.3 玻璃纤维土工格栅的特点:

采用玻璃纤维土工格栅进行试验，玻璃纤维土工格栅如图2。玻璃纤维具有高抗拉强度、低延伸率、无长期蠕变、热稳定性、与沥青混合的相容性、物理化学稳定性及集料嵌锁和限制等优点。

3 试验仪器及加载方案

3.1 抗拉试验

水泥加压板属于混凝土薄板，因此不能采用混凝土块进行抗拉试验，所以将水泥板切割成哑铃形状，为了避免集中应力对试验的影响，将水泥板进行了圆角处理，如图3(Ⅰ)，试验结果如图3(Ⅰa)。试验尺寸为25 mm×50 mm(标距)×5 mm，如图3(Ⅱ)。

图2 玻璃纤维土工格栅

抗拉实验利用万能试验仪和位移计，水泥板上贴竖向应变片，应变由万能试验仪自动采取，位移计用来测量水泥板的荷载—位移曲线，通过抗压强度试验可以得到纤维加压水泥板的抗拉强度。抗拉强度计算公式如下:

F—水泥板的最大拉力;

b—水泥板的有效宽度;

h—水泥板的有效厚度。

3.2 抗压试验

纤维加压水泥板的厚度为5 mm或10 mm，直接在试验机上进行加压，势必会造成水泥板的弯曲而影响试验，因此，焊制了纤维加压水泥板的加压夹具。

抗压实验利用万能试验仪和位移计，应变由万能试验仪自动采取，位移计用来测量水泥板的荷载—位移曲线，通过抗压强度试验可以得到纤维加压水泥板的抗压强度和弹性模量。

通过计算公式

σ—抗压强度，MPa(N/mm2);

Pc—破坏荷载，kN;

S—受压面积，m2。

弹性模量计算公式如下:

3.3 粘结试验

单板的试验性能可以通过抗拉、抗压试验得到，复板的性能主要有水泥板单板和纤维格栅的性能综合决定，通过粘结试验可以确定单板之间以及单板与纤维格栅之间的粘结性能。粘结试验试件如图4所示。

图4 粘结试验试件

粘结剂采用水泥基材料粘结剂，乙烯聚醋酸乙烯和水泥(42.5)按0.6:1进行拌和，涂抹在单板之间进行粘结。

计算公式

τ—剪切应力;

V—粘结面剪力;

A—粘结面面积。

3.4 抗弯试验

本实验中试件采用复合纤维板，即两层水泥板单板之间添加纤维格栅。试件尺寸为360 mm×60 mm× 20 mm，抗弯试验在万能试验机上进行，该实验的主要参数是:薄板净跨度270 mm;两个加载点分别距支座90 mm;加载速度2 mm/min。抗弯试验加载方式如图5所示。

图5 抗弯加载示意图

荷载的大小和中心点的位移被测量，试件的裂缝宽度同时也被测量。抗弯承载力计算公式如下:

fTAT—板的极限强度;

h0—薄板截面的有效高度;

α1fc—混凝土的强度系数和轴心抗压强度;

b—板的截面宽度。

3.5 抗冲击试验

冲击韧性试验参照美国混凝土学会委员会提出的弯曲冲击试验法，采用自制的自由落球装置。落球重1.5 kg，冲击高度400 mm。为防止落球直接冲击试件引起应力集中造成试件损伤，在试件上表面垫有一块100 mm×100 mm×5 mm钢板。试验装置如图6所示。试件尺寸为100 mm×20 mm×400 mm，每组4个。在试验过程中把长度100 mm的电阻应变片连接到动态应变仪上随时采集应变数据。应变片贴在试件底部受拉区的中部。两端为简支，净跨340 mm。

实验方法:把应变片和加速度仪用导线连接到动态应变仪上，计算机自动采集数据。落球的冲击荷载通过钢板传递到试件上，如图6。每次冲击从落球自由下落开始，至落球完全静止为结束。进行多次循环，当应变产生突变时的冲击次数为初裂次数，当裂缝贯穿整个截面延伸到试件上表面时的冲击次数视为破坏冲击次数。纤维混凝土薄板的冲击性能用冲击能W和延性指标β表示，分别利用下式计算: