玄武岩织物增强水泥基复合材料拉伸力学性能

朱德举　高炎鑫　李高升　徐新华

摘要：利用美特斯（MTS）万能试验机研究了掺入不同体积掺量（0、0.5%、1.0%、1.5%）短切碳纤维、玻璃纤维、钢纤维的2层和3层玄武岩纤维织物增强水泥基复合材料的拉伸力学性能.结果表明： 短切碳纤维、玻璃纤维、钢纤维均可明显增加玄武岩纤维织物增强水泥基复合材料的开裂强度，并且存在最优体积掺量；在0～1.5%掺量范围内、2层织物时，开裂强度随着3种短纤维掺量的增加而增加，掺量1.5%时最大；3层织物时，开裂强度随着碳纤维、钢纤维掺量的增加先增加后减小，掺量1.0%时达到最大值，而随着玻璃纤维掺量的增加持续增加，掺量1.5%时最大.短切碳纤维、玻璃纤维不能增加其峰值荷载，而钢纤维则明显提高其峰值荷载，2层织物时最优掺量为1.5%，3层织物时最优掺量为0.5%.

关键词：玄武岩织物；水泥基复合材料；拉伸试验； 短切纤维；最优体积掺量

中图分类号：TB332； TU599文献标志码：A

Tensile Mechanical Properties of Basalt Fabric Reinforced

Cementitious Matrix Composite

ZHU Deju1， GAO Yanxin1，LI Gaosheng1， XU Xinhua2

（1.College of Civil Engineering， Hunan University， Changsha410082， China；

2.Nantong Dawntine New Energy Equipment Co Ltd， Qidong226200， China）

Abstract：Tensile mechanical properties of two and three layers basalt fabric reinforced cementitious matrix composite（BFRCM） with different volume fractions （0，0.5%， 1.0% and 1.5%） short carbon，alkaliresistant glass and steel fiber， were tested utilizing a MTS loads frame . The experimental results show that an obvious increase in crack stress is observed in all case when short carbon， glass， steel fibers had been added， and volume fraction exists an optimal value. Within the range of 0～1.5% content， the crack stress increases， reaching a maximum at 1.5%， with increasing volume fraction for 2 layers BFRCM. For 3 layers BFRCM with short carbon or steel fibers， the crack stress firstly increases and then decreases with increasing volume fraction， but the crack stress increases， peaking at 1.5%， with increasing volume fraction for 3 layers BFRCM with short glass fibers. Short carbon and glass fibers cannot increase loadbearing capacity of BFRCM， but a pronounced increase in loadbearing capacity is observed with short steel fibers，reaching a maximum at 1.5% for 2 layers BFRCM and 0.5% for 3 layers.

Key words：basalt fabric； cementitious matrix composite； tensile test； short fiber； optimal volume fraction

織物增强水泥基复合材料（Fabric Reinforced Cementitious Matrix Composite，简称FRCM；或称为Textile Reinforced Concrete，简称TRC），是一种以纤维织物作为增强相、水泥砂浆或精细混凝土作为基体的新型复合材料.TRC具有承载力高、延性好、轻质高强等优点[1-2]，正逐渐运用于结构加固等领域[3-4].与纤维增强树脂基复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）相比，TRC高温下依然保持高强度[5]，而FRP强度显著下降[6].同时，TRC基体为精细混凝土，和被加固混凝土构件有很好的相容性，不易老化，耐久性好[7].多裂缝开展使得TRC具有强度高、应变硬化特点，对结构耗能和抗冲击性能有利[8].

玄武岩纤维是一种无污染、无毒害的可再生材料，具有良好的耐腐蚀和耐火性，并且价格相比碳纤维明显便宜，因而玄武岩织物增强水泥基复合材料（Basalt Fabric Reinforced Cementitious Matrix Composite，简称BFRCM；或称为Basalt Textile Reinforced Cementitious Matrix，简称BTRC）具有很高的工程应用价值.然而，与碳纤维织物相比，玄武岩纤维织物拉伸强度较低，需要采取措施改善BTRC的力学性能，本文主要研究短切纤维对BTRC拉伸力学性能的影响.

Barhum等[9]研究了短切碳纤维、玻璃纤维的分散方式对TRC拉伸力学性能的影响.分散的短切纤维可以提高TRC开裂强度，但拉伸强度没有明显提高；短纤维以束形式掺入基体对开裂强度作用不大，而明显提高拉伸强度.徐世烺等[10]研究了不同掺量PVA纤维对碳纤维织物增强水泥基复合材料弯曲性能的影响，1.5%掺量（体积分数，下同）PVA纤维较1.0%掺量对裂缝控制有显著作用.尹世平等[11]研究了不同掺量聚丙烯纤维对TRC弯曲性能的影响，适当掺量的聚丙烯纤维可以提高弯曲承载力，改变弯曲破坏模式.织物与基体的界面粘结性能对TRC性能影响巨大，粘砂[12]、施加预应力[13]、掺入纳米颗粒[14]、加入短切纤维[9]等可以改善界面性能.目前短切纤维对TRC性能影响研究主要集中在纤维种类、掺量等单一影响因素，同时将纤维种类及掺量作为变量的研究较少.本文在前人工作基础上研究短切碳纤维、玻璃纤维、钢纤维的体积掺量变化（0、0.5%、1.0%和1.5%）对2层和3层玄武岩织物增强水泥基复合材料（BFRCM或BTRC）拉伸力学性能影响.

1试验测试

1.1试件制备

试件所选材料：水泥采用普通硅酸盐水泥P.O 42.5；Ⅰ级粉煤灰，密度2.3 g/cm3，比表面积≥600 m2/kg；硅灰，密度2.35 g/cm3，比表面积≥2 000 m2/kg；砂子，粒径0～0.6 mm；水，自来水.外加剂采用HSC聚羧酸高性能减水剂（固含量40%）、XS-2510水泥砂浆消泡剂和羟丙基甲基纤维素（HPMC）增稠剂.玄武岩织物采用经纬编织方式，网格间距10 mm×10 mm，织物厚度0.5～0.6 mm，如图1所示（经向为受力方向）.表1给出了TRC水泥砂浆基体组分，表2给出了试验所用短切碳纤维、玻璃纤维、钢纤维性能指标.短纤维长度均为6 mm，采用与文献[9，15]相同的短纤维长度.考虑短纤维分散困难，同时保证搅拌过程一致，所用水泥砂浆基体均按照文献[16]方法搅拌.试件采用分层浇筑[17]，每铺一层织物施加0.1 kN的预拉力，防止织物褶皱，试件制备装置如图2所示，振捣成型养护24 h后拆模，制得薄板尺寸为270 mm×300 mm×10 mm，随后标准养护（温度为20±2 ℃，湿度不低于95%）28 d，最后沿网格间隙中部切割成尺寸为230 mm×30 mm×10 mm的待测试件，确保试件宽度方向织物纤维束数量相同.

1.2测试仪器与方法

采用MTS微机控制电子万能试验机（型号C43.304）进行静态拉伸试验[18-19]，加载速率为0.5 mm/min，试件测试前端部使用铝片加固，试件中部标距为100 mm，试件表面刷白，使用引伸计测量标距内变形，测试装置见图3，并参考文献[20]对所用玄武岩织物进行拉伸试验，采用与TRC试件相同的加载速率及标距.试验中短纤维为碳纤维、玻璃纤维和钢纤维3种类别，体积掺量包括0、0.5%、1.0%和1.5% 4种掺量，织物层数包含2层和3层.试件编号规则为NT织物层数（包含0、2、3）短切纤维类别（不加短纤维N，碳纤维C，玻璃纤维G，钢

纤维S）短纤维体积掺量（包括0、05、10、15），例如NT3C05指加入0.5%体积掺量短切碳纤维的3层玄武岩织物增强混凝土，每组测试6个试件.

2结果与讨论

2.1应力应变曲线

图4给出了玄武岩织物经向单束、3束拉伸荷载位移曲线.可以看出：单束与3束玄武岩织物拉伸曲线有明显差异.单束经向纤维束拉伸荷载位移曲线上升段有波动，而3束经向纤维束拉伸荷载位移曲线没有波动段平滑上升，这是因为经向纤维束为两股，将纬向纤维束环绕固定（如图1），单束纤维束拉伸时会旋转（如图4（a）），旋转会使纬向纤维束剥落导致荷载下降，上升曲线进而出现波动段；3束纤维束拉伸时经向纤维束受到纬向纤维束的约束不会转动（如图4（b）），上升曲线平滑.

图5为掺入不同体积掺量短纤维时，2层和3层玄武岩织物增強水泥基复合材料（简称为NT2BTRC和NT3BTRC）的拉伸应力应变曲线.应力的计算考虑每个试件的实际尺寸，运用 Matlab程序处理得到.可以看出：短纤维种类、掺量及织物层数对BTRC拉伸力学性能影响不同.NT3BTRC较NT2BTRC拉伸应力应变曲线强化段更明显，拉伸强度更高；对于NT2BTRC，拉伸曲线形态随着短纤维的掺入明显改变，3种短纤维均明显提高开裂强度，临界配网率随开裂强度的提高而增大，掺入短切纤维后2层织物达不到临界配网率，因而曲线强化段消失；对于NT3BTRC，3种短纤维同样可以提高开裂强度，3层织物满足临界配网率要求，与未掺短纤维试样相比，曲线强化段有所缩短但并没有完全消失.

2.2不同短纤维类别及掺量下拉伸力学性能分析

基于单束及3束经向玄武岩织物拉伸荷载位移曲线，对所测试件参数取均值，测得经向单束承载力分别为232±34 N和246±12 N，可见3束拉伸时承载力更高些，这是由于纬向纤维束的约束使得经向纤维束拉伸性能得以充分发挥，由于BTRC中玄武岩织物经向纤维束不会转动，因此取单束经向纤维束的承载力为246±12 N.

基于拉伸试验获得BTRC拉伸力学性能参数：开裂荷载、开裂应力、峰值强度、峰值荷载、韧性、裂缝条数和裂缝间距，具体参数值见表3.鉴于BTRC开裂前玄武岩织物受力很小，荷载主要由基体承担，开裂荷载受试件实际厚度的影响，开裂强度考虑了每个试件实际厚度的影响，因而对开裂强度分析比开裂荷载更加合理；恰恰相反，试件拉伸破坏后，断裂截面处裂缝很宽，基体不承受荷载，荷载主要由织物承担，因而分析峰值荷载比峰值强度更加合理.开裂荷载取荷载位移曲线线性段最大值，对应的强度取为开裂强度；峰值荷载取荷载位移曲线线性段后的峰值点，对应的强度取为峰值强度；韧性取拉伸应力应变曲线下的面积[20]，裂缝间距由裂缝所围面积与试件宽度的比计算所得，使用软件ImageJ对破坏试件照片分析可以测得裂缝间面积.各参数取每组有效试件加权平均值.

图6给出了BTRC开裂强度与短纤维种类及掺量的关系.短纤维种类及掺量对BTRC开裂强度影响不同，可以看出：2层织物时，BTRC开裂强度均随着3种短纤维掺量增加持续增加，掺量1.5%时开裂强度最大；3层织物时，随着碳纤维、钢纤维掺量增加，开裂强度表现出先增加后降低的趋势，掺量1.0%时最大，而随着玻璃纤维掺量增加开裂强度持续增加，掺量1.5%时最大.可见短切纤维存在最优体积掺量[11]，最优掺量与织物层数及短纤维种类表现出相关性，体积掺量在0～1.5%范围内，2层织物时，3种纤维最优掺量均为1.5%，3层织物时，碳纤维、钢纤维体积掺量1.0%最好，而玻璃纤维依然在1.5%体积掺量最优.

图8给出了BTRC韧性与短纤维种类及掺量的关系.图9给出了裂缝条数与短纤维种类、掺量及织物层数的关系，图9（a）中NT2BTRC加入碳纤维后裂缝条数减少至1条，裂缝间距无法统计.图9给出了不同短纤维种类及掺量下BTRC裂缝形态.可以看出：加入碳纤维、玻璃纤维后韧性有降低趋势，而钢纤维则有所增加.韧性和拉伸试件裂缝条数及峰值荷载有关，随着碳纤维、玻璃纤维掺量的增加，裂缝条数均有所减少（如图10所示），同时拉伸峰值荷载没有明显提高，因而韧性呈下降趋势；对于钢纤维，随着掺量增加裂缝条数有所减少，但峰值荷载明显提高，因而韧性并不会明显降低，反而在3层织物时表现出提高趋势.图10还可以看出掺入短切钢纤维后裂缝形态有所不同，部分裂缝附近形成了局部的短裂缝，尤其在1.5%掺量时，这是由于钢纤维的长径比大，裂缝处钢纤维的桥联作用使裂缝附近的局部基体开裂.

2.3短切纤维及掺量的影响

图11给出了加入短切纤维TRC试件开裂强度的增强系数与文献[11]的比较.为便于对比，本文及文献[11]的数据均进行了归一化处理.可以看出：文献[11]中保护层厚度为5 mm和3 mm时，纤维最优掺量分别为0.5%和1.0%；本试验中2层织物时，3种短切纤维最优掺量均为1.5%，3层织物时，短切玻璃纤维的最优掺量依然为1.5%，而短切碳纤维、钢纤维的最优掺量均为1.0%.不同纤维种类、掺量对BTRC开裂强度的影响不同，根据试验结果进行以下分析：

1）短切纤维种类.3种短切纤维均可提高BTRC的开裂强度，但是三者增强机理有所不同.从图6可知碳纤维、玻璃纤维可以提高基体开裂强度，进而提高了BTRC的开裂强度，而低掺量钢纤维并不能明显提高基体开裂强度，却显著提高了BTRC的开裂强度，这是因为分散在基体中的钢纤维插入到织物网格空隙中，销栓作用改善了织物基体间协同受力性能（如图12），使得基体开裂前织物就承担了较大荷载，进而提高了BTRC开裂强度.

2）最优体积掺量.短切纤维对BTRC开裂强度增强作用存在最优掺量，和短切纤维种类及纤维织物的层数有关.从搅拌状态（搅拌状态指短切纤维在基体中的分散状态）和浇筑制备状态（浇筑制备状态指浇筑制备后试件内部密实状态）两个方面分析，随着掺量增加，碳纤维搅拌状态变差，对开裂强度的增强幅度逐渐减弱，2层织物掺量1.5%时达到最优值，3层织物时浇筑制备状态也变差，掺量1.0%时便达到最优值；玻璃纖维较易分散，掺量0～1.5%范围内，2、3层织物时搅拌状态和浇筑制备状态基本不变，最优掺量均为1.5%；钢纤维易分散，搅拌状态基本不变，但织物层数增加会使织物间隔变小，浇筑制备状态变差，因而2层时最优掺量为1.5%，3层时只有1.0%.

3结论

通过本文的试验研究可以得到以下结论：

1） 加入短切碳纤维、玻璃纤维、钢纤维均可明显增加开裂强度.短切纤维对BTRC的开裂强度增强效果存在最优体积掺量，最优掺量和短纤维种类及织物层数有关.掺量在0～1.5%范围内，2层织物时，开裂强度随短纤维体积掺量增加而持续增加，在体积掺量为1.5%时，开裂强度达到最大值；3层织物时，随着碳纤维、钢纤维的掺量增加，开裂强度呈先增加后减小趋势，在掺量为1.0%时，开裂强度达到最大值，而玻璃纤维增强趋势和2层织物时一致，1.5%掺量达到最大值.

2） 短切碳纤维、玻璃纤维、钢纤维对BTRC的峰值荷载影响不同.随着碳纤维掺量增加，峰值荷载呈下降趋势，玻璃纤维掺量对峰值荷载无明显提高，钢纤维可以显著增加峰值荷载，且存在最优掺量，2层时掺量1.5%时峰值荷载最大，3层时峰值荷载在掺量0.5%时达到最大值.

3） 短切碳纤维、玻璃纤维、钢纤维对BTRC的韧性影响不同.碳纤维、玻璃纤维随着掺量增加韧性总体上呈下降趋势，钢纤维在较高掺量或者织物为3层时可以增加韧性.

短切纤维的增强效果不仅与纤维种类、掺量有关，同时与短纤维的长度、长径比、织物编织形式等因素有关，本文仅研究了相同纤维长度下，不同短纤维种类及掺量对给定玄武岩织物的拉伸性能影响，同时体积掺量在1.5%以内，掺量相对较低，对于高于1.5%掺量时短纤维效果以及其他影响因素还需要进行大量的试验.

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