玄武岩纤维编织网的网格尺寸对混凝土拉伸性能的影响

张添奇，王伯昕

(吉林大学建设工程学院，长春 130021)

0 引 言

纤维编织网增强混凝土(textile reinforced concrete， TRC)是21世纪在我国逐渐兴起的新型建筑材料，相比普通混凝土，由于纤维编织网能够起到分散应力集中[1]的重要作用，决定了它能够有效地增强混凝土的基本力学性能[2-4]、耐久性能[5-6]等，同时还能够使混凝土由脆性破坏变成延性破坏[1-4,7-13]。现有研究表明，纤维种类[5,7]、含量[14-15]等，混凝土组成成分[13]、配合比[5]等，以及二者结合界面处性能，例如纤维束埋置长度[16]，均对TRC性能产生一定的影响。徐世烺和尹世平等[17-18]用环氧树脂胶浸渍纤维编织网，并通过拉伸单束纤维增强混凝土薄板与纤维编织网增强混凝土薄板，得出了浸胶纤维束增强混凝土的应力-应变关系。Monaco等[19]基于玄武岩纤维增强水泥基体(BFRCM)的单轴拉伸试验，生成了能够表征BFRCM拉伸行为的有限元模型。在现有研究中，大多数学者采用粉煤灰和硅灰等材料代替粗骨料来制备混凝土，从而忽略网格尺寸对基体流动性产生的影响，而在实际工程中，粗骨料仍在大量使用。在TRC结构中，纤维编织网的网格尺寸大小决定了粗骨料是否能够有效通过网格产生流动性，从而使基体与纤维编织网的黏结性能发生变化来影响复合材料的力学性能。本文通过玄武岩纤维编织网增强混凝土(basalt textile reinforced concrete， BTRC)薄板的单轴拉伸试验以及扫描电子显微镜(SEM)测试，从宏观与细观角度分析了玄武岩纤维编织网的网格尺寸对混凝土拉伸性能的影响，并验证了ACK模型对BTRC薄板拉伸性能计算的适用性。

1 实 验

1.1 材 料

胶凝材料采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，为保证混凝土基体在纤维编织网中有良好的流动性及黏结性，粗骨料采用公称粒径4.75～10 mm的石灰岩碎石，细骨料采用细度模数均值为2.5的优质河砂，采用Sika第三代聚羧酸盐混凝土超塑化剂改善拌合物工作性能，拌合水为纯净水。混凝土基体配合比见表1。

表1 混凝土基体配合比Table 1 Mix proportion of concrete matrix

试验采用玄武岩纤维，网格尺寸分别为20 mm×20 mm、30 mm×30 mm、40 mm×40 mm。为保证结构整体性，在玄武岩纤维表面涂刷环氧树脂、固化剂以及无水乙醇混合的胶结剂，其中环氧树脂与固化剂按照体积比5 ∶1 添加。环氧树脂渗透到纤维束内部，待环氧树脂与固化剂充分反应后，可有效提高编织网与混凝土基体的协同受力能力。浸胶纤维束力学性能参数见表2。

表2 浸胶纤维束力学性能参数Table 2 Mechanical performance parameters of epoxy impregnated fiber bundle

将浸胶处理后的纤维编织网裁剪成20 mm×20 mm、30 mm×30 mm、40 mm×40 mm尺寸，并对其进行单轴拉伸试验，测试其整体的变形能力，示意图如图1所示，结果见表3。

图1 浸胶纤维编织网力学性能测定示意图Fig.1 Determination diagram of mechanical properties of epoxy impregnated textile

表3 浸胶纤维编织网力学性能Table 3 Mechanical properties of epoxy impregnated textile

1.2 试件制备流程

制作尺寸为800 mm×400 mm×20 mm的薄板试件，如图2所示。制作试件之前，先制作木制模具，在下表面覆盖一层保鲜膜防止漏浆，在宽为400 mm的边选择20 mm厚度的木板进行固定，在长为800 mm的边选择10 mm厚的木板进行固定，然后将纤维编织网铺设在上面，再在长为800 mm的边上固定10 mm厚的木板，然后浇筑新拌混凝土，轻微振捣后将表面轻轻抹平，上表面覆盖保鲜膜防止水分蒸发流失。

图2 木制模具和养护完成的混凝土板Fig.2 Wooden mold and cured concrete slab

将制作好的试件放置于室温中24 h后拆模，然后在标准养护箱中养护28 d后取出，然后对板材进行切割，分割成160 mm×60 mm×20 mm的测试试件，试件分组情况见表4。

表4 试件分组Table 4 Specimen grouping

图3 端部保护后的BTRC薄板试件Fig.3 BTRC sheet specimen with end protection

切割完成的BTRC薄板试件在试验进行前需进行端部保护，用环氧树脂胶对两端进行刷胶处理，如图3所示，防止在夹持过程中混凝土两端被夹碎。

1.3 单轴拉伸试验

单轴拉伸试验的夹持保护端长50 mm，有效拉伸测量区的长度为60 mm。采用DNS300型电子万能试验机，加载速率为1.0 mm/min，荷载由试验机自带负载传感器测量。拉伸变形采用量程为10 mm的线性可变差动变压器(linear variable differential transformer, LVDT)(精度0.1 μm)测量，由整合内存控制器(integrated memory controller， IMC)动态数据采集仪自动采集试验数据。试验装置如图4所示。

图4 BTRC薄板单轴拉伸试验装置Fig.4 Uniaxial tensile test device of BTRC sheet

1.4 扫描电子显微镜测试

为研究BTRC薄板单轴拉伸后的细观破坏形态，取10 mm×10 mm×10 mm的内含纤维束的试样块进行扫描电子显微镜(SEM)测试，放大倍数为500，观察并分析混凝土基体、纤维束以及二者界面处的破坏行态。

1.5 软件模拟

计算机模拟采用Ansys辅助分析，由于纤维编织网和混凝土在达到抗拉强度极限值之前未产生滑移，所以采用整体式建模方法。采用Solid65单元来模拟混凝土基体，对混凝土单元进行不同网格尺寸的实常数设置来模拟对应网格尺寸的玄武岩纤维编织网对混凝土结构的增强作用，并且将复合材料单元视为连续均匀材料。分析过程中，取用受拉区半结构60 mm×30 mm作为分析对象，划分10×10单元网格，在上表面施加均布荷载，下表面中部节点施加固定铰支座约束，两侧节点施加滑动铰支座约束。BTRC薄板单轴拉伸试验属于平面应力问题，采用Mises强度准则进行计算。

2 结果与讨论

表5列出了BTRC薄板单轴拉伸试验结果，其中开裂应力、开裂应变、极限应力与极限应变均为每组12个试件的平均值。

表5 BTRC薄板单轴拉伸试验结果Table 5 Uniaxial tensile test results of BTRC sheet

2.1 单轴受拉全过程分析

在试验过程中，随着位移的增加，PC在达到开裂强度时产生裂缝，裂缝便迅速贯穿截面使其断裂，变形能力较差。BTRC在达到开裂强度时两端产生微小裂纹，随着位移持续增加，承载力继续提高，裂纹不断扩展直至断裂。BTRC20的破坏形态与BTRC30、BTRC40和PC相比，表现出了典型的多裂缝开展阶段，其中BTRC40、BTRC30和BTRC20脱黏时的荷载分别为0.176 kN、0.256 kN和0.325 kN，与浸胶玄武岩纤维编织网拉伸脱黏时的荷载较为相符。通过对比发现，BTRC20在试验后的破坏形态与其余组存在明显差异，即在单一裂缝的基础上存在细小微裂缝的发展过程。各组试件破坏形态见图5。

图5 BTRC薄板单轴拉伸破坏形态Fig.5 Uniaxial tensile failure mode of BTRC sheets

通过表5数据分析可知，随着试件网格尺寸的减小，开裂强度有较小程度的提高。BTRC40与PC的开裂强度相差不大，而BTRC30和BTRC20的开裂强度较PC分别增加了6.47%和7.65%；BTRC40、BTRC30和BTRC20的极限抗拉强度较PC分别增加了17.06%、23.53%和28.24%。纤维编织网的存在不能有效提高基体开裂强度，但能显著提高试件的极限抗拉强度,与杜运兴等[20]和吴学乾等[21]得出的关于BTRC薄板单轴拉伸试验的结果一致。

PC由于不具备纤维编织网所以承载能力较低，表现为典型的脆性破坏。而BTRC在单轴拉伸试验过程中，随着混凝土基体产生裂纹，裂缝处的基体退出工作，不再承担拉力，但开裂区的纤维编织网可继续承担拉力；随着位移继续增加，在纤维编织网的黏结作用下，基体将应力传递给纤维编织网，纤维编织网依靠界面的黏结强度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，直至BTRC薄板达到极限抗拉强度，完全开裂，即纤维编织网与基体脱黏，表现为典型的延性破坏；且纤维编织网的网格尺寸越小，主裂缝旁发展的细小裂纹越多，变形能力越强。

2.2 本构关系分析

图6为BTRC薄板应力-应变曲线。由表5和图6可知，PC和BTRC拉伸时的破坏过程存在明显差异。PC的拉伸过程只存在一个阶段，当其应变达到43.7 με时，试件开裂并迅速断裂；BTRC40在应变达到48.5 με时，产生裂缝，在应变达到52.5 με时，试件断裂，纤维编织网与基体脱黏；BTRC30在应变达到47.2 με时，产生裂缝，在应变达到54.9 με时，试件断裂，纤维编织网与基体脱黏；BTRC20在应变达到48.0 με时，产生裂缝，在应变达到58.1 με时，试件断裂，纤维编织网与基体脱黏，此时极限应变较PC提高了32.93%。同时从图6中可以发现，BTRC20的极限应力与极限应变增加得最为显著，说明纤维编织网的存在能够有效增加极限应力与极限应变，网格尺寸越小，增加幅度越大，与杜运兴等[20]和吴学乾等[21]得出的随着配网率的增加，极限应力与极限应变越大的结果相符。

2.3 细观分析

图7为BTRC薄板单轴拉伸试验后混凝土基体的细观形态，基体中仅存在少许小孔洞和微裂缝。图8为BTRC薄板单轴拉伸试验后浸胶纤维束的细观形态，环氧树脂胶与纤维束黏结情况仍然良好，并未出现大量脱黏现象。图9为BTRC薄板单轴拉伸试验后破坏处的细观形态，裂缝出现在混凝土基体与纤维编织网间，属于二者之间的脱黏破坏，与宏观现象吻合。

图6 BTRC薄板应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of BTRC sheets

图7 混凝土基体细观形态Fig.7 Microscopic morphology of concrete matrix

2.4 模型验证

Aveston-Cooper-Kelly(ACK)线性化模型分为三个不同但互补的阶段，可用于表达TRC的应力-应变响应。就BTRC薄板的单轴拉伸过程而言，从应力开始到达到复合材料的极限拉伸应力阶段可以近似视为线性，因此本试验采用ACK模型[22]理论进行验证。

图8 浸胶纤维束细观形态Fig.8 Microscopic morphology of epoxy impregnated fiber bundle

图9 脱黏破坏细观形态Fig.9 Microscopic morphology of debonding failure

首先，将BTRC薄板分割成1 mm×1 mm×1 mm的立方体单元,即体积VT=1 mm3，其中单元表面积上纤维含量为AF(mm2)，按式(1)进行计算，式中Tex为纤维束单位长度质量(g/km)，ρ为纤维束密度(g/cm3)；通过式(2)和式(3)可分别求出不同网格尺寸BTRC薄板单位体积内纤维含量VF(mm3)以及混凝土基体含量VC(mm3)，式中lF为单位BTRC内嵌纤维束长度(mm)。

(1)

VF=AF×lF

(2)

VC=VT-AF×lF

(3)

式中：F代表纤维；T代表BTRC；C代表混凝土。

其次，由式(4)可分别求出不同网格尺寸BTRC薄板的弹性模量。

ET×VT=EC×VC+EF×VF

(4)

式中：ET为复合材料弹性模量,MPa；EF为受力纤维束拉伸模量,MPa；EC为混凝土弹性模量,MPa。

最后，由式(5)可求出σT1(MPa)，即ACK模型理论计算值，由式(6)可求出σT2(MPa)，即试验测得值。理论计算值与试验测得值对比如表6所示。

σT1=ET×ε

(5)

(6)

式中：ε为复合材料应变值,με;AT为复合材料单位面积,mm2；Fst为峰值拉力,N。

表6 理论计算值与试验测得值对比Table 6 Comparison of theoretical calculation values and experimental values

经过计算得到的理论计算值与试验测得值的相对误差在1%～5%，ACK模型可适用于BTRC薄板的单轴拉伸试验计算。

2.5 有限元模拟结果分析

Ansys建模分析如图10所示，软件模拟值与试验测得值对比如表7所示。Ansys结果中显示PC(图10(a))破坏时位移为0.001 406 mm，对应应变(εa)值为46.87 με，与试验测得应变(εt)值43.7 με相比，误差控制在7.25%；BTRC40(图10(d))破坏时位移为0.001 796 mm，对应应变值为59.87 με，与试验结果52.5 με相比，误差控制在14.04%；BTRC30(图10(c))破坏时位移为0.001 732 mm，对应应变值为57.73 με，与试验结果54.9 με相比，误差控制在5.15%；BTRC20(图10(b))破坏时位移为0.001 643 mm，对应应变值为54.77 με，与试验结果58.1 με相比，误差控制在5.73%。

图10 Ansys建模分析Fig.10 Ansys modeling analysis

通过表7数据可知，Ansys结果与试验测得值的相对误差在5%～15%，吻合程度较高。

表7 软件模拟值与试验测得值对比Table 7 Comparison of software simulation values and experimental values

3 结 论

(1)ACK模型可应用于不同网格尺寸的BTRC薄板单轴拉伸性能的计算，适用性较好。

(2)玄武岩纤维编织网的存在不能明显提高基体开裂强度，但可显著提高混凝土的极限抗拉强度和变形能力。网格尺寸为20 mm×20 mm时，极限抗拉强度相比素混凝土提高了28.24%，极限应变提高了32.93%；且网格尺寸为20 mm×20 mm的BTRC薄板的破坏形态已由单一裂缝形态向单裂缝多裂纹形态转变，表现出更好的变形能力。

(3)网格尺寸是BTRC复合材料受拉变形的重要影响因素，网格尺寸越小对基体的约束能力越强。基体的开裂强度提高程度较小，但极限抗拉强度和变形能力有显著提高。