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 张蒙蒙

摘   要：采用三点弯曲试验研究了玄武岩纤维编织网增强混凝土（BTRC）抗弯性能. 试验考虑了编织网层数、编织网上预拉力水平和钢纤维掺量3个影响因素. 试验结果表明：随着编织网层数的增加，BTRC板的抗弯强度和韧性增大. 随编织网上预拉力水平的提高，BTRC板的开裂应力和开裂后抗弯刚度均增大，极限挠度减小，而抗弯强度变化不明显. 钢纤维有助于提升BTRC板的开裂应力、抗弯强度和韧性;对编织网施加预拉力使钢纤维掺量对BTRC板的抗弯强度影响更显著. 编织网层数和钢纤维的增加使BTRC板上的裂缝形态更均匀细密，但对编织网施加预拉力使板上裂缝数目减少且裂缝间距增大.

关键词：玄武岩纤维编织网;BTRC板;抗弯性能;编织网层数;预拉力;钢纤维

中图分类号：TU312                           文献标志码：A

Abstract：The three-point bending tests were conducted to investigate the effects of various textile layers， steel fibers volume contents and prestress levels on the flexural behavior of Basalt Textile Reinforced Concrete（BTRC） plates. With the increase of textile layers， the flexural strength and toughness of BTRC plate are improved. Prestress on the textiles improves the first crack stress and the post-cracking flexural stiffness， but decreases the ultimate deflection of BTRC plate， while no obvious change occurs for the flexural strength. Adding steel fibers in matrix is revealed to positively affect the first crack stress， flexural strength and toughness of BTRC plate， and the effect of steel fibers on the flexural strength is more prominent after applying prestress on the textiles. Moreover， the increase of textile layers and the presence of steel fibers contribute to the crack pattern characterized by more and finer cracks; however， prestress on the textile reduces the crack number and increases the crack spacing.

Key words：basalt textile;BTRC plate;flexural behavior;textile layers;prestress;steel fibers

纖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.

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.

 

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.

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.

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.

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，對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%.

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