钢纤维及预应力对BTRC板抗弯性能的影响

杜运兴 ，张忻颖 ，周芬 1，，张蒙蒙

（1.湖南大学绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室，湖南长沙410082；2.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙410082）

纤维编织网增强混凝土（TRC）作为一种新型复合材料，在建筑领域备受关注.TRC结合了高性能混凝土和纤维编织网的优点，具有承载力高、延性好、自重轻、耐久性好的特点[1].同时，TRC可根据建筑需要制作成各种形状，具有较高的灵活性[2].可见，TRC作为受弯构件相比于传统混凝土材料更具潜力，而充分了解TRC的抗弯性能有利于其在工程中的广泛应用[3-5].

一些学者已对TRC板的抗弯性能进行了一定的试验研究，表明短纤维有助于改善TRC受弯构件的抗弯承载力和裂缝形态，预应力有助于延缓TRC受弯构件开裂.Li等[6]的研究发现，在基体中掺入短切聚乙烯醇（PVA）纤维改善了基体的抗裂能力，显著提高了试件的韧性，增加了试件裂缝数目.王激扬等[7]的研究发现，钢纤维提高了TRC板常温下的抗弯承载力和刚度，而钢纤维的长径比对TRC板抗弯性能没有明显影响.卜良桃等[8]研究发现，钢纤维可以显著改善水泥基体的性能，使其具备高强度和良好的韧性及抗裂性能.Vilkner[9]的研究发现，预应力延缓了TRC板开裂，提高了板开裂后的抗弯刚度和板的承载力，但降低了板的延性.

玄武岩纤维作为一种绿色环保材料，在TRC领域具有广阔的应用前景[10-11].目前对TRC抗弯性能的研究多为纤维种类、短纤维掺量、预应力水平、表面处理等单一影响因素.本文将玄武岩纤维编织网作为筋材、精细混凝土作为基体，采用三点弯曲试验，研究了编织网层数、编织网上预拉力水平和钢纤维掺量对玄武岩纤维编织网混凝土（BTRC）板抗弯性能和裂缝形态的影响.

1 试验材料

1.1 玄武岩纤维编织网和钢纤维

试验中采用的玄武岩纤维编织网表面经苯丙乳液浸渍处理，如图1（a）所示.试件的承载力主要由经向纤维束提供，因此制备了宽40 mm、标距为100 mm的编织网条带（图1（b））以测试其经向纤维束的力学性能.在条带两端粘贴铝片，通过夹具将其夹持在MTS C43.304万能试验机上，以0.5 mm/min的加载速率进行测试[12].表1为玄武岩纤维编织网的材料参数，图2给出了玄武岩纤维编织网条带的拉伸应力-应变曲线.

图1 玄武岩纤维编织网及钢纤维Fig.1 Characteristics of basalt textile and steel fibers

表1 玄武岩纤维编织网条带的材料参数Tab.1 Properties of basalt textile strip

图2 编织网条带的拉伸应力-应变曲线Fig.2 Tensile stress-strain curves of basalt textile strips

试验采用表面镀铜的钢纤维，其形态如图1（c）所示，其力学及几何参数见表2.

表2 钢纤维的力学和几何参数Tab.2 Mechanical properties and geometric characteristics of steel fibers

1.2 精细混凝土基体

试验中的基体采用具有较好流动性和自密实能力的精细混凝土.预应力试件采用先张法制作，在基体中加入硅灰使其具有较高的早期强度以减小预拉力损失.混凝土基体的配合比见表3，材料性能见表4.

表3 混凝土基体的配合比Tab.3 Fine-grained concrete matrix composition kg·m-3

表4 混凝土基体的力学性能Tab.4 Mechanical properties of fine-grained concrete matrix

2 试件制备及试验方法

2.1 试件的制备

为了减少试件的离散性，本试验中采用的尺寸为 280 mm（长）×50 mm（宽）×12 mm（厚）的 BTRC试件是由尺寸为300 mm（长）×180 mm（宽）×12 mm（厚）的大板切割而得，每种工况制备了6个试件.BTRC试件内的编织网沿试件厚度对称布置，如图3示，采用具有特定厚度的钢条来控制试件保护层厚度和相邻编织网间距.试件的具体制作步骤如下：将编织网拉直并固定于张拉装置上，保证每层编织网的经向纤维束对齐；通过张拉装置对编织网施加预拉力，保持张拉状态24 h后，根据预拉力损失情况将编织网的预拉力重新加至预设预拉力值；将配好的基体浇筑到模板中，进行充分振捣后，抹平表面；对于预应力试件，5 d后拆模，并将此时的预拉力值作为实际施加的预拉力值Fcon，对于非预应力试件，2 d后拆模；拆模后，板放置于标准养护室继续养护至28 d；将养护完成的大板切割成标准试件；最后，为便于观察裂缝的开展，在试件受拉底面涂上白色涂料.

图3 不同编织网层数的BTRC试件横截面示意图（单位：mm）Fig.3 Illustration of the cross section of the BTRC specimens with different textile layers（unit：mm）

2.2 试验方法

三点弯曲试验在MTS C43.304万能试验机上进行，加载示意图如图4所示.由位移控制加载，加载速率0.5 mm/min.荷载P由力传感器测定，跨中挠度f由引伸计测定.试验过程中观测到的挠度和荷载受试件尺寸影响较大，因此通过弯曲应力和跨中挠度对比不同工况试件的抗弯性能，绘制弯曲应力-跨中挠度曲线（以下简称弯曲应力-挠度曲线）.等效弯曲应力的计算采用式（1）.

式中：σ表示弯曲应力；P表示荷载；L表示板跨；b表示试件的宽度；h表示试件的厚度.

图4 三点弯曲试验示意图（单位：mm）Fig.4 Diagram of three-point bending test（unit：mm）

2.3 试验工况

本试验以编织网层数为变量，研究1～5层BTRC板的抗弯性能.其中，3层BTRC试件掺入0.8%、1.6%体积含量的钢纤维，研究钢纤维对BTRC板抗弯性能的影响；对3层BTRC试件编织网施加20.7%、32.9%的预拉力，对4层BTRC试件编织网施加14.6%、18.9%的预拉力，对5层BTRC试件编织网施加14.1%、17.6%的预拉力，研究编织网上预拉力水平对BTRC板抗弯性能的影响；还研究了钢纤维对预应力BTRC板抗弯性能的影响.

本文试件的编号规则如下：L代表编织网层数，P代表预拉力水平，S代表钢纤维的体积掺量.其中预拉力水平是由实际施加的预拉力值（Fcon）与编织网本身抗拉承载力（Ft）的比值来衡量，Ft为单层编织网的抗拉承载力与编织网层数的乘积.

3 试验结果与讨论

3.1 弯曲应力-挠度曲线

在拉伸荷载作用下，编织网条带的应力随应变线性增长，当编织网条带拉伸应变到达极限应变时发生脆性断裂，如图2所示.图5汇总了不同工况BTRC试件的弯曲应力-挠度曲线，可以看出曲线呈现典型的4个阶段.

图5 不同工况BTRC试件的弯曲应力-跨中挠度曲线Fig.5 Flexural stress versus mid-span deflection curves of BTRC specimens from different cases

阶段Ⅰ：弯曲应力随挠度的增长线性增大，此阶段BTRC试件未开裂，荷载由基体和编织网共同承担.当试件受拉区出现第1条裂缝时，试件抗弯刚度突降，阶段Ⅰ结束.

阶段Ⅱ：BTRC试件多缝开裂阶段，此阶段试件受拉区不断出现新的裂缝，弯曲应力-挠度曲线呈波浪状.编织网层数和钢纤维增加使BTRC试件此阶段曲线变得平滑.

阶段Ⅲ：应力强化阶段，此阶段裂缝数目不再增加.此阶段中BTRC试件受拉区的拉力主要由编织网承担，因此试件的弯曲应力随挠度增大趋于线性增长.此阶段曲线的斜率较阶段Ⅰ有所减小，但随编织网层数的增加和编织网上预拉力水平的提高，曲线斜率减小的幅度下降.对于相同层数的BTRC试件，编织网上施加预拉力会缩短这个阶段的长度，而钢纤维会增加这个阶段的长度.

阶段Ⅳ：破坏阶段，主裂缝处的底层编织网拉应变达到极限拉应变而断裂，试件破坏.

3.2 BTRC的参数分析

基于三点弯曲试验得到了BTRC试件的抗弯性能参数包括：开裂应力、开裂挠度、抗弯强度、极限挠度、弯曲韧性和裂缝数目，相应的数据汇总于表5.

3.2.1 编织网层数对BTRC抗弯性能的影响

从图5（a）可以发现，试件L0P0S0达到开裂应力随即发生脆性破坏，因此试件的抗弯强度等于其开裂应力.试件L1P0S0开裂后，并未呈现明显的应变硬化性能，说明1层编织网对基体没有明显的增强效果.2层以上的BTRC试件开裂后表现出明显的应变硬化性能，且随编织网层数的增加，由于试件中参与抵抗试件截面弯矩的编织网增多，试件的抗弯强度增大，试件L2P0S0、L3P0S0、L4P0S0和L5P0S0的抗弯强度与L0P0S0相比，分别提高了35.8%、124.9%、171.5%和216.9%.

BTRC试件开裂后的抗弯刚度较开裂前有所减小，但随编织网层数的增加，抗弯刚度减小的程度降低.裂缝处的拉应力由编织网承担，编织网层数的增加更好地控制试件同一应力水平下的变形.同时，编织网层数的增加更好地限制了裂缝的发展，因此编织网层数的增加可提高试件开裂后的刚度.

结合表 5 和图 6，试件 L2P0S0、L3P0S0、L4P0S0、L5P0S0均表现出多缝开裂的特征.随编织网层数增加，BTRC试件受拉区的裂缝由平直的形态转化为弯弯曲曲的形态，裂缝数目增多，裂缝间距减小，表现为细而密的特点.

图6 不同编织网层数BTRC试件的裂缝形态Fig.6 Crack patterns of BTRC specimens with different textile layers

韧性表征试件破坏过程中吸收能量的能力，是纤维增强水泥基复合材料的一项重要指标.韧性的提高，有助于增进复合材料的抗冲击与抗疲劳等性能.采用BTRC试件荷载-挠度曲线下的面积计算弯曲韧性.编织网层数从1层增加到5层，试件韧性从0.124 N·m增大到2.778 N·m.产生这种现象的原因有2个：其一，随编织网层数的增加，试件开裂后编织网对试件承载力的贡献会增大；其二，编织网层数增加使试件上裂缝数目增多，更多细密裂缝的形成需消耗更多的能量.

3.2.2 编织网上预拉力水平对BTRC抗弯性能的影响

为了便于对比编织网上预拉力对BTRC试件抗弯性能的影响，将数据归一化处理并汇总于图7.结合表5和图7可以看出，对编织网施加预拉力可以提高BTRC试件的开裂应力，且预拉力水平越高，试件的开裂应力越大，对于3层编织网BTRC试件，试件L3P20.7S0和L3P32.9S0的开裂应力较L3P0S0分别提高了22.0%和38.5%；对于4层编织网BTRC试件，试件L4P14.6S0和L4P18.9S0的开裂应力较L4P0S0分别提高了30.9%和55.0%；对于5层编织网BTRC试件，试件L5P14.1S0和L5P17.6S0的开裂应力较L5P0S0分别提高了27.6%、52.4%.编织网的预拉力释放后，预拉力通过编织网的经向纤维束与基体间的粘结传递到了基体横截面上，从而使基体上有了预压力.在荷载作用下，BTRC试件底部开裂所受拉力要先抵消基体的预压力，然后继续增加直至达到基体的开裂荷载.

结合表5和图7可得，随编织网上预拉力水平的提高，BTRC试件的极限挠度减小.预应力BTRC试件的编织网在加载前已存在一定的初始拉应变ε0，而编织网的最大拉应变为一个定值εfu，则在加载过程中底层编织网拉应变的增量最大为（εfu-ε0），这就说明对编织网施加的预拉力水平越大，它在试件加载过程中的拉伸变形增量就越小，从而使试件变形 的 能 力 降 低.试 件 L3P32.9S0、L4P18.9S0和L5P17.6S0的极限挠度分别较试件L3P0S0、L4P0S0和L5P0S0下降了52.2%、54.4%和56.7%.对编织网施加预拉力造成BTRC试件受拉区裂缝减少，裂缝间距相应增大，如图8所示.由于对编织网施加预拉力大大减小了试件的极限挠度，但对试件的抗弯强度没有明显的影响，因此试件的韧性显著下降，如图7所示.

图7 不同预拉力水平BTRC试件的归一化抗弯性能参数Fig.7 Normalized flexural properties of BTRC with different prestress levels

此外，BTRC试件弯曲应力-挠度曲线阶段Ⅲ的斜率较阶段Ⅰ有所减小，但随编织网上预拉力水平提高，曲线斜率减小的幅度下降，说明对编织网施加预拉力提高了BTRC试件开裂后的刚度.预应力BTRC试件底层编织网在加载过程中拉伸变形增量减小，则裂缝宽度受到限制，从而开裂截面的抗弯刚度增大；同时，释放编织网上的预拉力后，经向纤维束由于泊松比效应会沿轴向回缩沿径向扩大，因此经向纤维束与基体间产生挤压，编织网与基体间的摩擦力提高，进而提高编织网与基体间的界面粘结力，使试件在荷载作用下整体性更好，从而开裂截面的抗弯刚度增大.

图8 不同预拉力水平下BTRC试件的裂缝形态Fig.8 Crack patterns of BTRC specimens with different prestress levels

3.2.3 钢纤维掺量对BTRC抗弯性能的影响

由表5可知，钢纤维掺量的增加可以提高BTRC试件的开裂应力和抗弯强度，且钢纤维对抗弯强度的影响更显著.对于非预应力BTRC试件，L3P0S0.8和L3P0S1.6的开裂应力和抗弯强度较L3P0S0分别提高了14.5%、26.6%和17.0%、31.0%；对于预应力BTRC试件，L3P20.7S0.8和L3P20.7S1.6的开裂应力和抗弯强度较L3P20.7S0分别提高了7.7%、17.2%和18.1%、40.3%.在基体中的钢纤维改善了基体的抗裂能力，从而提高了试件的开裂应力；跨接在宏观裂缝处的钢纤维发挥桥联作用，将拉应力传递给裂缝两侧的基体，裂缝扩展需要额外克服钢纤维与基体间的粘结力，同时，插入网格孔中的钢纤维发挥锚固作用，增强编织网与基体间的界面性能，从而提高了试件抗弯强度.然而，试件开裂前应力水平较低，钢纤维限制微观裂缝扩展成宏观裂缝的过程中传递的拉应力较小；开裂后，试件承受的荷载逐渐增大，宏观裂缝处钢纤维上的拉应力也不断增大直至锚固段脱粘拔出，因此钢纤维对抗弯强度的贡献比开裂应力大.

为了便于对比钢纤维对非预应力和预应力BTRC试件抗弯性能的影响，将数据进行归一化处理，并汇总于图9.结合表5和图9可以发现，对编织网施加预拉力使钢纤维对开裂应力的提高程度降低，由于编织网上的预拉力是提高开裂应力的主要因素，因此钢纤维对开裂应力的提升效果不明显.此外，钢纤维掺量对预应力试件抗弯强度的影响比非预应力试件显著，一方面是因为编织网上预拉力使基体中产生预压应力，能够一定程度上消除钢纤维与基体间的初始间隙，进而增大了钢纤维与基体间的界面摩擦力，更好地发挥了钢纤维的作用；另一方面是因为钢纤维增强的基体更好地约束经向纤维束放张后的径向扩大，进一步提高了编织网与基体间的界面性能.

图9 不同钢纤维掺量下BTRC试件的归一化抗弯性能参数Fig.9 Normalized flexural properties of BTRC with different volume contents of steel fibers

随着钢纤维掺量的增加，试件底部的裂缝形态变得更曲折且不贯通，如图10所示，这是由于钢纤维在基体中随机乱向分布阻碍了微观及宏观裂缝的扩展，促使裂缝发展方向发生改变.由表5和图9可发现，随着钢纤维掺量的增加，试件的极限挠度增大，试件L3P0S0.8和L3P0S1.6的极限挠度与L3P0S0相比，分别提高了10.8%、25.6%；L3P20.7S0.8和L3P20.7S1.6的极限挠度比L3P20.7S0分别提高了18.4%、29.2%.而试件裂缝总宽度等于开裂区段内编织网的伸长量减去基体的伸长量，因此极限挠度增大使受拉底部裂缝的总宽度增大.同时，基体中的钢纤维阻碍裂缝向受压区发展，裂缝处的钢纤维发挥桥联作用限制了裂缝宽度的增大，从而使裂缝数目增加，裂缝间距减小，表现为细密的裂缝形态.

图10 不同钢纤维掺量下BTRC试件的裂缝形态Fig.10 Crack patterns of BTRC specimens with different volume contents of steel fibers

此外，钢纤维提高了BTRC试件的韧性，试件L3P0S0.8和L3P0S1.6较L3P0S0分别提高了31.8%和 64.8%；L3P20.7S0.8和 L3P20.7S1.6较 L3P20.7S0分别提高了46.1%和92.5%.由于钢纤维的抗拉强度较高，在荷载作用下跨接在裂缝处的钢纤维不会被拉断，而是随着裂缝宽度的增大被缓慢拔出，此过程需消耗一部分的能量；掺入钢纤维使试件裂缝形态更细密，更多裂缝的形成需要消耗更多的能量；裂缝从受拉区向受压区扩展过程中由一支分叉成多支，使开裂表面积增加，消耗更多的能量.

4 结论

本文通过三点弯曲试验，研究了不同的编织网层数、预拉力水平以及钢纤维掺量对BTRC板抗弯性能的影响，得到以下结论：

1）当编织网层数为2层以上时，BTRC试件表现出多缝开裂的特征.随着编织网层数的增加，BTRC试件的抗弯强度、韧性显著提高，且开裂后抗弯刚度相对开裂前减小的程度降低，其中5层BTRC试件抗弯强度较素混凝土板提高了216.9%.

2）对编织网施加预拉力，提高了BTRC试件的开裂应力和开裂后的抗弯刚度，对4层和5层BTRC试件中编织网分别施加18.9%和17.6%的预拉力水平使试件的开裂应力提高了55.0%和52.4%%.但提高编织网的预拉力水平对试件的抗弯强度没有明显影响，且严重降低BTRC试件的极限挠度和韧性，因此需要合理控制预拉力的大小.

3）钢纤维可以提高BTRC试件的开裂应力和抗弯强度；对编织网施加预拉力使钢纤维对开裂应力提高程度降低；对比非预应力试件，钢纤维掺量对预应力试件抗弯强度的影响更显著.同时，钢纤维改善了试件的裂缝形态，使裂缝分布更细密均匀.因此，对编织网施加合适大小的预拉力的同时，掺入钢纤维可以使BTRC板获得更好的抗弯性能，对3层BTRC板中编织网施加20.7%的预拉力，同时掺入1.6%掺量的钢纤维，可以使试件的开裂应力和抗弯强度提高43.0%和43.3%.