织物增强混凝土的纤维协同等代效应对约束混凝土的影响分析

2021-07-21翟梦超王景全姚一鸣

建筑科学与工程学报 2021年4期

翟梦超，王景全，姚一鸣

(东南大学土木工程学院，江苏南京 211100)

0 引言

织物增强混凝土(Textile Reinforced Concrete,TRC)是由连续的耐碱纤维网格增强高性能细骨料混凝土的一种新型复合材料，具有多缝开裂的特点和优异的拉伸性能[1]。TRC轻质高强的特性与薄壁构件具有良好的匹配度，同时其材料本身具有高耐久性，因此可将TRC用于已有结构的维修加固改造或用作永久模壳快速施工。

研究发现，在TRC中混合掺入短纤维，如钢纤维、玻璃纤维、合成纤维等，利用短纤维与织物的交织穿插，可以提升织物与基体的界面黏结性能[2-3]，进而减小裂缝宽度，增加裂缝数量，增强材料的裂缝控制能力。同时，短纤维的掺入有效改善了细骨料混凝土的内部缺陷，提升了基体的开裂强度，使得复合材料整体取得更高的拉伸强度和韧性[3-5]。从另外的角度分析，连续织物与短切分布纤维的混合使用起到了协同增强增韧效果，在短纤维增强混凝土中使用织物可降低短纤维掺量，改善拌合物的工作性能，从而优化施工过程，有利于保障硬化混凝土的力学性能。

TRC的工程应用多用于薄壁构件，使用TRC加固混凝土柱能够有效提升结构的承载力、延性和耐久性能。Al-Gemeel等[6]研究了3种不同的玄武岩纤维网格增强水泥基复合材料(Engineering Cementitious Composite，ECC)加固混凝土柱的轴压性能；Ortlepp等[7]使用TRC部分和全包加固柱，分析了各组分的承载性能；尹世平等[8]研究了纤维网层数、织物搭接长度等因素对加固混凝土柱轴心受压性能的影响；江佳斐等[9]研究了织物增强ECC加固柱的轴压性能，并提出了加固柱承载力的计算方法；荀勇等[10]研究TRC预制柱模板后浇混凝土加固柱的轴压性能。

关于TRC加固混凝土柱的有限元模拟研究较少，王新玲等[11]通过有限元研究了ECC层厚度、网格尺寸对织物增强ECC加固柱轴压性能的影响；陆新征等[12]通过有限元对纤维增强复合材料(FRP)布约束混凝土方柱的轴心受压性能进行了分析，并对FRP布约束混凝土柱的机理进行了分析；戎芹等[13]对钢管加固高强混凝土短柱的轴压性能进行了有限元分析，揭示了套箍系数、核心混凝土强度对短柱轴压性能的影响。

目前关于TRC材料及应用方面的研究中，TRC材料参数的选取，如织物的种类和层数布置、短纤维的掺量等具有多样性。各组分协同工作机制和等代关系的确定将是TRC进一步推广应用的关键。

本文通过数值计算，研究织物层数和短纤维掺量对织物增强ECC(Textile Reinforced Engineering Cementitious Composite,TR-ECC)和织物增强UHPC(Textile Reinforced Ultra High Performance Concrete,TR-UHPC)拉伸性能的影响，并在结构层面研究TR-UHPC的约束能力及其对不同强度核心混凝土的约束效率以及织物与纤维的替代关系。

1 织物增强纤维混凝土拉伸本构

1.1 TRC模型验证

对文献[5]中的玄武岩增强复合材料(BFRP)织物增强ECC薄板拉伸试件进行数值模拟，模型具体尺寸如图1所示。BFRP织物网格参数如表1所示，将其视为线弹性材料，使用T3D2单元建模并按设定织物层数嵌入到ECC加固层中，模型不考虑织物和混凝土间的滑移。ECC材料本构采用塑性损伤模型，其单轴受拉应力-应变曲线采用Kanda等[14]提出的双线性模型，抗拉弹性模量为16.6 GPa，极限拉应力为7.28 MPa。

表1 纤维织物网格参数Tab.1 Mesh Parameters of Fabric

有限元计算结果如图2所示，模拟试件破坏以纤维织物断裂为限，数值计算结果和试验结果在试验试件失效前拟合较好，其中因模拟过程未考虑纤维织物的黏结滑移效应，有限元计算中试件的受力更均匀，因此极限承载力和位移更大。

1.2 TR-ECC拉伸本构

更换TRC有限元模型中的ECC本构参数，研究不同体积掺量超高分子量聚乙烯(PE)短纤维和织物网格的协同工作响应。ECC材料本构采用文献[15]中给出的根据试验得到的简化双线性模型，模型对应参数见表2，所用PE短纤维参数如表3所示。

表2 ECC单轴拉伸试验结果Tab.2 Results of ECC Uniaxial Tensile Test

表3 PE纤维参数Tab.3 Parameters of PE Fiber

布置1层BFRP织物，不同PE短纤维掺量的计算结果见图3，模型均失效于BFRP网格断裂，其中除PE-0.75%外，其余掺量的ECC基体极限拉伸应变均大于织物网格的失效应变，故试件峰值应变均位于2.31%左右。模型B1PE-0.75%在基体材料过早达到抗拉强度后失去承载力，某处织物网格提前承担截面全部的力，随即达到极限强度，故模型的名义拉伸应变小于织物的极限应变值。

虽然PE纤维体积掺量为1.5%和2%时的ECC具有更高的极限强度和更好的延性，但是PE纤维体积掺量为1%时短纤维分散程度更好，具有更高的初裂强度，因此，在和BFRP纤维网格协同工作下，获得了更优异的拉伸性能，极限强度为11.83 MPa。

如图4所示，2层纤维织物显著提高模型的拉伸强度，纤维体积掺量为0.75%和1%时抗拉强度分别提升了69%和49%。其中更高的织物承载能力使得B2PE-0.75%峰值应变提升了21.8%。

1.3 TR-UHPC拉伸本构

TR-UHPC的制备方法同普通TRC，采用层压技术，如图5所示，这个过程从在模具底部浇注1层薄薄的UHPC开始。然后在新浇混凝土层上铺设1层织物，并进行适当的按压，以确保织物与基体之间的接触。在布置好第1层织物后，浇注第2层UH-PC。反复操作，直到最后1层织物铺好。

UHPC具有高抗压强度和拉伸强度，但其延性指标略显不足，使用织物增强UHPC能够进一步提升材料拉伸强度，并且明显改善其延性和裂后应力。试验测得的2%钢纤维体积掺量配置碳纤维网格的TR-UHPC拉伸应力-应变曲线如图6所示。

采用文献[16]中的UHPC拉伸试验结果，更改有限元模型中的本构参数。考虑到UHPC较高的初裂强度，依据文献[17]选取高于临界配网率的织物层数，即2层BFRP网格或1层CFRP网格，确保裂后织物的承载力大于基体的开裂强度，以达到多缝开裂的破坏模式和进一步的强度提升。

如图7所示，在复合材料基体达到开裂荷载后，复合材料基体和织物相同变形共同受力的弹性阶段结束，裂缝处的织物开始承担更多的外力，同时依靠织物和基体间的黏结传力和短纤维对于裂缝的桥连传力作用，在距离此裂缝一段距离处，基体会重新达到开裂应力，因而产生多缝开裂，对应TR-UHPC拉伸曲线的平台段。对高性能织物的拉伸和拔出使得复合材料取得更高的拉伸强度。因此，替代了1%体积掺量钢纤维的TR-UHPC相比2.5%体积掺量钢纤维的UHPC取得了更高的拉伸强度和延性。C1UHPC-S1.5相比2%体积掺量钢纤维的UHPC极限强度和峰值应变分别提升了15.8%和65.9倍。

2 织物增强混凝土加固柱有限元模型验证

目前关于TR-UHPC加固柱的试验研究较少，故通过ABAQUE模拟织物增强ECC加固柱轴压的试验研究进行建模方法的验证。

对文献[18]中加固柱进行数值模拟，并和试验结果进行对比。文献中加固柱素混凝土尺寸为110 mm×300 mm，加固层ECC厚度为20 mm，ECC材料采用双线性模型[14]，抗拉强度取6.61 MPa[9]。所用玄武岩织物网格尺寸为25 mm×25 mm，抗拉强度为658.7 MPa。

模型不考虑加固层和素混凝土界面的滑移，模型一端固定，一端采用位移控制加载。得到加固柱有限元计算结果和试验结果对比，如图8所示。选取文献中的核心混凝土32.2 MPa等级的普通混凝土(RC)柱和C-ECC-TB系列加固柱验证模型的正确性。其中RC柱模拟结果与试验结果的峰值压应变相差稍大，原因在于，在采用CDP模型模拟时，普通混凝土的本构采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[19]中提供的混凝土拉、压应力-应变曲线公式，其中32.2 MPa的单轴抗压强度对应峰值压应变取规范给定的1.67×10-3，而非文献[18]试验中测得的2.11×10-3。采用网格增强ECC加固柱C-ECC-TB的模拟结果与试验结果拟合较好。

如图9，10所示，轴压下有限元模型和试验均会呈现腰鼓型破坏，随着加载过程的进行，柱的中间高度处首先萌生多道微裂缝，并缓慢对称地向两端发展。一旦达到峰值强度，裂纹进一步扩展，并且裂纹失效发生在加固层。加固层中的织物会在环向的膨胀变形下对核心区混凝土产生环形的压应力，约束核心区混凝土的变形。相比RC混凝土，加固模型的轴向应力-应变曲线在弹性阶段结束后出现明显的应变硬化。总体来看，对试验结果的模拟情况较好，说明本文的有限元模型选取正确，为本文织物增强UHPC加固柱的数值分析奠定基础。

3 混合增强TRC模壳加固混凝土柱轴压性能参数分析

3.1 试件设计

在数值分析中，素混凝土圆柱的尺寸取200 mm×600 mm，长细比为3；TR-UHPC模壳的厚度取20 mm。研究参数选取如下：织物布置层数为0，2，4；核心区混凝土强度为C40，C50，C60；UHPC钢纤维体积掺量为1.5%，2.0%，2.5%。具体试件设计参数如表4所示。

表4 试件设计参数Tab.4 Design Parameter of Specimen

普通混凝土和UHPC材料使用塑性损伤模型模拟，其中UHPC的单轴受拉和单轴受压应力-应变曲线分别取文献[20]和文献[16]中的试验结果；所用织物CFRP的力学指标见表1。不考虑截面滑移，外力共同作用在UHPC和普通混凝土断面。

3.2 织物层数

选择核心区混凝土强度C40和1.5%的钢纤维体积掺量，通过UHPC中嵌入网格的层数不同，研究其对整体抗压性能的提升。如图11所示，使用UHPC包裹增强普通混凝土对其承载力提升显著，且随着纤维网格的增加，其峰值应力σp和峰值应变εp均有所提升。

如图12所示，得益于织物层数的增加，TR-UHPC模壳的拉伸强度和刚度进一步提升，在相同的轴向变形下，模型的环向应变依次减小。纤维织物的存在同时改善了模型的延性，因此在更大的峰值应变εpm下，随着织物层数的增加取得了更大的环向应变，模壳承受更大的拉力，相应对核心混凝土产生更好的环向约束力。

如图13所示(σp，σp0分别为加固柱与素混凝土柱的抗压强度，εp，εp0分别为加固柱与素混凝土柱的峰值应变)，相比素混凝土，纤维网格布置0，2，4层时，轴压强度分别提高了41.8%，51.2%，56.8%。峰值应变除在纯UHPC时有小幅下降，其余随着织物层数的增加而增加，且织物的存在使得曲线的下降段更加平缓，表现出更好的延性。

3.3 核心混凝土强度

布置相同的2层织物网格和1.5%钢纤维体积掺量，改变核心混凝土强度等级为C40，C50，C60时的试件轴压应力-应变曲线如图14所示。随着核心区混凝土强度的增加，试件的刚度略微增加，峰值承载力也越大，但是曲线的下降段更为陡峭。

分析发现，TR-UHPC模壳对素混凝土柱的约束效率随着混凝土强度等级的提升而下降。如图15所示，不同核心混凝土强度虽然具有不同的峰值应变，但却得到了几乎相等的环向应变，模壳在同样材料特性下对不同强度核心混凝土发挥了基本一致的约束力，但其与轴向应力的比值却随着混凝土强度的提高而下降。

(1)

在不同核心混凝土强度下峰值应力各自相比RC40，RC50和RC60的提高率略有下降，核心混凝土强度等级为C40时提高率达到47%，而对应C60时仅为33.6%，如图16所示。

3.4 UHPC钢纤维掺量

在UHPC中添加钢纤维是提高其抗拉强度和延性的主要措施之一，但是过高的纤维掺量不仅提高了材料自重和成本，还带来了施工的困难，特别是薄壁的板件。可以使用连续的纤维网格部分替代钢纤维，在降低钢纤维的掺量下，仍取得较好的力学性能。

如图17所示，采用4层织物1.5%钢纤维体积掺量的试件T4C40S1.5取得了最高的峰值强度和峰值应变，曲线下降段更为平缓。图18给出了相对于试件T0C40S1.5单一变换织物层数或钢纤维掺量后的加固柱峰值应力提升情况，σp1为试件T0C40S1.5的抗压强度，可近似得出每2层纤维网格能够充分取代0.5%的钢纤维含量。根据模拟可知，加固柱的环向变形量较小，故不能充分发挥纤维织物的拉伸性能。可以预见，在变形量较大的构件(如加固梁)中，纤维织物的钢纤维替代量能够进一步提升，取得更高的收益。