纤维增强高强钢绞线聚合物砂浆复合层单轴拉伸试验研究*

廖维张，王秋婉，王红炜，王俊杰

(1.北京建筑大学工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心，北京 100044；2.北京建筑大学北京未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044)

0 引言

近年来，既有结构加固成为国内外研究热点，纤维增强水泥基材料在加固方面应用广泛，国内外学者已对纤维增强砂浆复合材料力学性能进行了大量研究。Carmelo等对3种不同玄武岩纤维增强率和2种不同砂浆试件进行拉伸试验，结果表明复合材料中间织物层可削弱织物与基体的黏合，并促进织物在达到纤维拉伸强度前过早滑动。朱忠锋等研究掺粉煤灰或矿粉BFRP网格增强水泥基复合材料(ECC)复合层抗拉力学性能，结果表明同配合比掺矿粉制成的ECC抗压强度、开裂应变及应力高于掺粉煤灰。

高强钢绞线-聚合物砂浆复合层加固技术是近年来应用在加固工程中的新兴技术，具有施工方便、不影响外观和使用、加固层黏结性好、抗腐蚀和耐高温等优点。聂建国等研究预应力高强不锈钢绞线网-高性能砂浆加固技术对RC梁的适用性，证明其可有效提高梁抗弯承载力和刚度，有效控制裂缝发展。毛荣一等对高强钢绞线网-聚合物砂浆加固层与混凝土界面剥离破坏特征进行了研究，结果表明在界面植入抗剪钢筋能提高聚合物砂浆加固层抗剪承载力及抗剪强度。贾天宇、曹忠民和黄群贤等研究表明，钢绞线网-聚合物砂浆复合层加固构件开裂荷载和刚度均显著提高。朱俊涛等进行了基于单根高强不锈钢钢绞线在ECC中的黏结锚固试验，结果表明高强不锈钢钢绞线网和ECC黏结强度随ECC强度的降低而减小。黄华等和姚秋来等对加固RC梁抗爆性能进行数值模拟分析，模拟与试验结果吻合良好。目前对于复合层模拟拉伸本构模型及力学性能的影响因素有待进一步研究。通过万能试验机对高强钢绞线网-纤维增强聚合物砂浆材料(HSS-FRCM)复合层试件进行单轴拉伸试验，研究PP纤维及钢纤维增强砂浆对HSS-FRCM复合层试件单轴拉伸力学性能的影响。

1 试验概况

1.1 试验材料

1)纤维增强聚合物砂浆基体为高强聚合物改性水泥砂浆，配合比为水泥∶硅灰∶粉煤灰∶水∶砂∶胶粉5010∶减水剂=0.8∶0.1∶0.1∶1∶2∶0.02∶0.006。无纤维砂浆28d标准养护实测强度59.0MPa，短切PP纤维67.1MPa，短切钢纤维84.9MPa。PP纤维体积掺量0.16%，钢纤维为镀铜钢纤维，直径0.2mm，长径比50～60，体积掺量1.5%。

2)高强镀锌钢绞线单丝直径0.8mm，钢绞线直径2.4mm，标准抗拉强度1 650MPa，实测抗拉强度1 971MPa，拉伸应力-应变曲线如图1所示。

图1 高强钢绞线拉伸应力-应变曲线

1.2 试验方法

参考JGJ 337—2015《钢绞线网片聚合物砂浆加固技术规程》，将钢绞线保护层厚度设为15mm；钢绞线网经向间距和纬向间距分别为20，50mm，用铜丝绑扎固定经纬向钢绞线交接处。共设无纤维、短切PP纤维和短切钢纤维3种砂浆基体，12种试件。每种砂浆基体复合层试件长度包括500，550，600，650mm，厚30mm，宽100mm(见图2)。不同工况用试件编号表示，如“无-500”表示长500mm的无纤维砂浆基体试件。采用万能试验机对HSS-FRCM复合层进行单轴拉伸，拉伸过程中复合层端部夹持区域易发生夹碎破坏，因此需对夹持区域进行加固。加载方式为位移控制和静力加载，加载速率为0.3mm/min，采用DH3820静态采集系统。当出现以下现象时表示已发生破坏，停止加载：①夹持区域出现夹碎现象；②HSS-FRCM整体复合层拉断失效；③高强钢绞线相较于砂浆层发生了滑移失效。

图2 HSS-FRCM复合层示意

2 结果与分析

2.1 现象与结果

试件无-500-2破坏模式为钢绞线滑移破坏，无-550-2，无-650-2，PP-550-1，S-550-2，S-650-2试件破坏模式为复合层夹碎破坏，其余均为复合层拉断破坏。复合层中部拉断破坏为最理想的破坏模式，拉断破坏包括纵横向钢绞线节点处拉断和纵向钢绞线拉断，能充分发挥材料优势，表现出整体良好的拉伸性能。加载初期钢绞线与纤维增强聚合物砂浆基质协同工作，试件处于弹性变形阶段，接着试件表面出现细小裂缝，荷载持续增大，细小裂缝开始扩展至主裂缝，主裂缝处钢绞线被拉断。夹持区域夹碎破坏是由于试件养护条件未达到标准要求，或端部环氧树脂胶固化处理工艺未达到要求。加载过程中，复合层表面仍会相继产生裂缝。

2.2 试验结果分析分析

2.2.1拉伸荷载-位移

HSS-FRCM复合层在轴向拉伸作用下的本构模型如图3所示，可分为弹性变形、砂浆基质开裂及开裂失效阶段。第1阶段整体复合层处于弹性变形阶段，钢绞线与纤维增强聚合物砂浆协同工作，E1为整体复合层弹性模量；第2阶段为裂缝发展阶段，荷载增长不明显；第3阶段为开裂破坏阶段，主要由钢绞线承受荷载，直至拉伸断裂，因此E2为钢绞线抗拉刚度。

图3 HSS-FRCM复合层拉伸荷载-位移曲线

通过对不同工况下砂浆复合层荷载-位移曲线进行分析，得到不同砂浆种类复合层拉伸结果，如表1所示。

表1 不同砂浆种类复合层拉伸结果

由表1可知，弹性变形阶段复合层抗拉强度主要受砂浆种类影响，掺入短切PP纤维或钢纤维后，对抗拉强度有不同程度的提高，掺入短切钢纤维后弹性模量增加更明显。开裂破坏阶段主要由钢绞线承受荷载，因此复合层弹性模量区别较小。

PP纤维增强砂浆复合层与钢纤维增强砂浆复合层较无纤维聚合物砂浆复合层变形能力有所改善，而短切PP纤维改善能力更明显。掺入短切纤维后，开裂荷载提高较显著，短切钢纤维较短切PP纤维增强效果更明显，达到47.0%的提高效果，短切PP纤维可增大28.0%开裂荷载。对于极限荷载，短切纤维增强效果相对较弱，短切PP纤维和短切钢纤维对极限抗拉强度分别提高14.9%，16.2%。

同种砂浆工况、不同拉伸长度下复合层在轴向拉伸作用下的拉伸荷载-位移曲线如图4所示。由图4可知，无纤维砂浆试件拉伸长度对极限荷载值的影响最大。掺入短切钢纤维后，开裂破坏阶段在相同位移情况下荷载差异较大，而无纤维或掺短切PP纤维后相同位移情况下荷载无明显差异。对于弹性阶段抗拉刚度，掺短切PP纤维和短切钢纤维试件较无纤维试件分别提高13.36%，23.06%，短切钢纤维能更有效增强复合层抗开裂能力。对于开裂破坏阶段抗拉刚度，3种复合层较接近，即钢绞线网抗拉刚度一致。

图4 不同种类砂浆复合层拉伸荷载-位移曲线

2.2.2应力-伸长率曲线

(1)

式中：δ为钢绞线网-聚合物砂浆复合层整体伸长率;l为复合层在拉伸荷载作用下的伸长位移;l0为复合层整体长度;le为复合层端部环氧树脂胶固化长度。

不同种类砂浆复合层拉伸应力σ1和伸长率δ之间的关系如图5所示。

图5 不同种类砂浆复合层拉伸应力-伸长率曲线

由图5可知，弹性变形阶段荷载由砂浆和钢绞线共同承担；裂缝发展阶段曲线呈锯齿状波动，曲线斜率与开裂破坏阶段相差不多，皆近似于钢绞线弹性模量。开裂破坏阶段主要由钢绞线承受拉力，试件表面不再有裂缝产生，主要为钢绞线网拉伸变形，此阶段不受砂浆种类影响。由于复合层开裂破坏仅由钢绞线承担荷载，故开裂破坏阶段合层拉伸应力为钢绞线拉伸应力σ1：

(2)

式中：F为复合层拉力；d为钢绞线单丝直径(每根钢绞线由7根单丝钢绞线拧成)。

3 结语

1)试验中复合层在轴向拉伸荷载作用下的破坏模式主要为复合层直接拉断失效、复合层发生钢绞线较聚合物砂浆层的滑移及复合层端部夹持区域出现夹碎现象，其中，复合层整体拉断破坏为较理想的破坏模式。

2)砂浆中掺入短切纤维能有效改善复合层拉伸力学性能，在基体中掺入短切PP纤维和短切钢纤维后，试件破坏荷载较无纤维试件可分别提高12.5%，16.4%，钢纤维能更有效提高极限抗拉强度。复合层弹性变形阶段力学性能受纤维种类影响较大，掺入短切PP纤维和短切钢纤维试件弹性变形阶段弹性模量分别提高13.36%，23.06%，开裂荷载提高达28.3%，47.5%。

3)复合层长度对无纤维试件抗拉能力影响较大，破坏荷载幅值相差约20%，且随着复合层长度的增加，破坏荷载有增长趋势。复合层长度为650mm时，不同种类复合层破坏荷载较接近。

4)掺短切PP纤维和短切钢纤维复合层的平均伸长率分别为0.027，0.024，较无纤维时伸长率有不同程度的提高。裂缝发展阶段掺短切PP纤维试件在拉伸过程中产生的裂缝细而密，较掺短切钢纤维试件产生的裂缝更多，掺短切PP纤维较短切钢纤维更能提高复合层整体伸长率，可有效改善整体变形能力。