玄武岩纤维网增强混凝土轴拉力学性能研究

2020-11-05高孟冉吴学乾成全喜

天津城建大学学报 2020年5期

高孟冉，吴学乾，成全喜，荣辉，吕杨

（天津城建大学a.天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室；b.材料科学与工程学院，天津300384）

在我国的建筑工程发展过程中，砌体结构因为取材方便、构造简单和便于施工等优点被广泛应用. 但是由于早期建筑设计不完善，结构在使用过程中由于地基沉降、伸缩缝设置不当出现裂缝，裂缝出现会对结构承载力产生影响，建筑安全和使用性能都有所降低，因此砌体结构加固对保障建筑安全使用至关重要.砌体结构加固主要有水泥砂浆加固、钢筋混凝土加固法.水泥砂浆易风化，加固效果并不明显；钢筋混凝土加固，钢筋需要较厚的混凝土保护层，而且在多雨地区，长期的雨水侵蚀会导致修复后的墙体损坏加快[1].这两种加固方法都不太理想. 玄武岩纤维（basalt fiber，BF）是天然玄武岩经过熔融纺丝拉伸工艺得到的连续纤维，天然玄武岩资源丰富，且生产过程不产生其他废料，没有环境压力，得到的玄武岩纤维有良好的化学稳定性和较高的力学强度，耐久性也很好.

纤维编织网增强混凝土（textilereinforcedconcrete，TRC）是一种新型复合材料，可以根据需求和厚度进行加工和控制，与钢筋混凝土相比，纤维网不需要一定的保护层厚度，这样可以节省材料并减轻自重[2].国外学者对TRC 材料性能做了大量的研究[3].在我国，有关TRC 的研究已经起步，徐世烺、李庆华等人对用于TRC 基体的混凝土进行了详尽的研究，结果表明：在自密实混凝土基础上配置的OPT 混凝土具有高流动性、自密实能力以及良好的力学性能，完全可以用来作为纤维编织网增强混凝土的基体[4]；徐世烺对低配网率纤维编织网混凝土轴拉力学性能也进行了试验研究，结果表明配网率是影响TRC 极限承载力的一个重要因素[5].田稳苓等人对TRC 增强砖砌体结构进行了抗剪性能研究[6]；李耀、尹世平进行了TRC 加固RC柱恢复力模型研究[7]；Ali Nassir Al-Gemeel 进行了FRP 约束混凝土结构对改善混凝土柱膨胀和轴向性能的可行性研究[8]，这些研究表明，TRC 都能有效增强结构的力学性能.本文在前人研究的基础上，进行玄武岩纤维编织网增强混凝土（BFN-TRC）与素混凝土轴向拉伸试验，研究配网率对玄武岩纤维增强混凝土薄板的抗拉性能和变形能力的影响.

1 试验部分

1.1 试件制备

本文采用双向玄武岩纤维网（256 g/m2），单根截面积0.313 mm2，网格尺寸5 mm×5 mm，如图1 所示.为保证混凝土能顺利通过玄武岩纤维编织网，采用不含粗骨料的自密实混凝土[4]. 混凝土配合比设计时选用砂子的最大粒径为1.2 mm，由粒径为0～0.6 mm 和0.6～1.2 mm 的两种石英砂1 ∶1 掺和以保证连续级配.采用42.5R 硅酸盐水泥和硅灰，同时添加适量超细粉煤灰以提高混凝土的流动性. 混凝土的水胶比是0.34，以水泥为基准，配合比为水泥∶粉煤灰∶硅灰∶水∶砂（0～0.6mm）∶砂（0.6～1.2mm）∶减水剂=1 ∶0.2 ∶0.05 ∶0.42 ∶0.621 ∶1.24 ∶0.018 8.

图1 玄武岩纤维网

试件设计尺寸250 mm×25 mm×10 mm（长×宽×厚）.以配网率为试验变量，分别布设1 层、2 层和3 层玄武岩纤维编织网，并制作相同尺寸的素混凝土试件为参照组.试件受拉方向每层有5 支纤维束，且上下每层排列均匀，配网率分别为0.57%，1.14%，1.66%.为减小离散性，在制作时，每种配网率的试件先做成一个大板，然后切割成所需尺寸.本试验3 种配网率试件设计厚度均为10 mm，试验过程以实际厚度为准；设置1 层纤维网的试件，BFN 位于薄板中间；2 层纤维网和3 层纤维网的试件，BFN 间距为4 mm 和2 mm，保护层厚度为3 mm.在浇筑试件之前，先将纤维网用螺丝和不锈钢压片固定在不锈钢板上，并张拉均匀，然后浇筑混凝土并充分振捣至试件表面不产生气泡.浇筑过程如图2 所示.脱模后，为保证试件强度和减少收缩变形，将试件置于温度（20 ± 3）℃、相对湿度95%的环境中养护[9].相同养护条件下测量得到标准试件3，7，28 d 的抗压强度分别为29.5，41.4，63.0 MPa.

共设计制作了4 组12 个试验构件，构件参数如表1 所示.

图2 试验构件制作

表1 BFN-TRC 试件物理参数

1.2 试验设置

薄板拉伸试件两端各粘贴75 mm×25 mm×1 mm（长×宽×厚）的加强钢片，如图3a 所示.试验用岛津电子式万能试验机AGS-X300kN，采样频率60 Hz；标距段长度150 mm，加载装置见图3b.为保证试件初始状态相同，试验分两阶段加载.第一阶段先施加2 N 预紧力；第二阶段采用位移加载，加载速度为0.3 mm/min.

图3 拉伸试验

2 试验结果与分析

2.1 抗拉强度

试验以配网率为主要参数.表2 显示了计算后试件的力学性能. 随着试件配网率的增加，开裂强度增强. CS1、CS2、CS3 相比CS0 开裂强度分别增加了15.15%，65.80%和38.53%，CS3 的开裂强度相比CS2降低，这是因为在初始加载阶段，内部纤维网与精细混凝土基体共同承担外力，随着纤维网层数的增加，试件横向纤维束也增加，横向纤维束的引入增加了基体与纤维之间的界面，此界面为相对薄弱环节，对试件局部有削弱作用；试件CS1、CS2、CS3 断裂强度相对CS0 分别增加23.38%，115.15%和172.73%，添加2 层和3 层BFN 的混凝土试件相比添加1 层BFN 的强度增加明显.

在试验过程中，随着位移的增加，CS0 和CS1 在整个过程中，试件承载能力较低，裂缝一旦产生便急速开展，裂缝截面处的拉力全部由纤维网承担，纤维网因不能承担突然增加的应力而破坏，试件立即发生破坏；CS2 和CS3 试件在位移刚开始加载时，截面内力很小，应力、应变成正比，随着加载位移不断增大，混凝土出现塑性变形，当荷载增大到某一数值时，试件受拉区域混凝土达到抗拉强度和抗拉极限应变；位移继续增加，截面立即开裂，应力发生重分布，裂缝处混凝土不再承受拉力，拉力由玄武岩纤维网承受，纤维网拉应力突然增大，试件表面出现明显裂缝；随着位移的继续加载，在纤维网的连接作用下，混凝土将应力传递给纤维网，纤维网依靠界面粘连再将应力传递给未开裂的混凝土，应力在两者之间互相传递，当纤维网传递的应力达到周围混凝土的开裂强度时，出现新的裂缝，位移加载到某一数值，混凝土完全不能承载应力，全部应力由纤维网承担；随着应变的增加，纤维网逐渐从混凝土基体拔出，表现为裂缝宽度增加，纤维网达到抗拉强度，试件产生断裂面而破坏.另外，由于试件两端用AB 胶粘贴加强片，产生相对应力集中，断裂面在试件有效测试段靠近加强片处产生，这种现象在CS1 和CS3 中相对较多.

表2 BFN-TRC 试件力学性能

2.2 破坏模式

各组试件破坏模式见图4 所示.试件CS0 和CS1断裂时只有一条裂缝.试件开裂前，拉力由混凝土和纤维网共同承担；混凝土开裂后，所有拉力全部转移由纤维网承担.由于试件CS0 无纤维网，试件开裂同时发生拉断破坏；试件CS1 由于配网率较低，纤维网不足以承担试件开裂前的拉力而发生拉断破坏.随着配网率提高，试件CS2 产生多条裂缝，但其破坏模式由主裂缝控制；试件CS3 混凝土开裂后，因为纤维网层数较多，配网率最高，应力在混凝土与纤维网之间传递次数最多，产生均匀分布的细小裂缝，在混凝土不能承受应力之后，纤维网逐渐从混凝土中拔出，应力逐渐增大，直至达到自身抗拉强度，试件整体变形能力增强，抗拉强度提高.试件最终在靠近夹头附近破坏，原因是夹头处混凝土在试验过程中处于拉压双向受力状态，压应力的存在削弱了混凝土抗拉强度.

图4 试件裂缝形态

2.3 应力-应变曲线

不同配网率应力-应变曲线见图5.试件拉伸过程主要有两个阶段：第一阶段，混凝土和BFN 同时受拉，表现为图中应力均匀上升阶段，本阶段应力-应变曲线可视为线性增长；第二阶段，混凝土开裂至BFN 断裂，应力上下波动，并有不同程度的增加，在试验过程中观察分析，发现应力的波动对应着裂缝的产生，波动次数多于试件表面可观察到的裂缝数量，说明在试件内部和表面还有一些微小裂缝.

图5 不同配网率TRC 应力-应变曲线

图5 显示不同配网率的试件受拉过程中应力-应变曲线有很大不同.素混凝土拉伸过程中只有第一阶段，应变达到0.21%左右，试件达到开裂强度并产生一条主裂缝，承载力突然降低，同时试件断裂；配网率0.57%的试件随着位移的持续加载至应变0.23%左右，出现一条主裂缝，并且抗拉强度突然降低，随着位移的继续加载，主裂缝不断扩展，且没有新的裂缝产生，应力-应变曲线只有一个明显的波动，应变达到0.53%左右时，试件断裂破坏，此时抗拉强度提升7%左右，相比开裂强度提升不明显.配网率1.14%的试件相比0.57%试件，在第二阶段，试件产生第一条裂缝时，应变在0.22%左右，出现第一条裂缝，但是抗拉强度没有明显降低，随着位移加载，拉伸应变有持续明显增加，试件抗拉强度随着应变增加反复持续增长，应变达到0.54%左右，试件断裂破坏，断裂强度达到4.97 MPa，相比试件开裂强度3.83 MPa，提高了29%. 配网率0.57%和配网率1.14%两种工况，试件开裂应变和断裂应变都比较接近，断裂应变相比开裂应变增加了130%以上，但配网率1.14%的试件断裂强度更高，产生裂缝数量更多，说明相同变形能力情况下，配网率1.14%的试件变形能力更强，延性更好.

配网率1.66%的试件，出现第一条裂缝时应变在0.26%左右，抗拉强度达到3.20 MPa，在第二阶段拉伸应变有明显增加，应变达到1.26%左右时试件断裂，断裂强度为6.30 MPa；在应变1.05%到1.26%之间，曲线没有明显波动，呈线性增长，说明在这期间纤维网单独承受拉应力，且抗拉强度提高；在整个过程中，断裂应变与断裂强度相比开裂分别增加了384.62%和96.88%，说明配网率1.66%的BFN-TRC 薄板在拉伸过程中变形能力最强，抗拉强度增加明显，而且试件破坏前有明显的试验现象.