纖維增強(qiáng)多層水泥板結(jié)構(gòu)性能研究的試驗方法

孫曉林，蘇幼坡，丁 峰

(1.河北聯(lián)合大學(xué)河北省地震工程研究中心，河北唐山063009;2.河北聯(lián)合大學(xué)校園規(guī)劃建設(shè)處，河北唐山063009)

隨著社會科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，土木工程結(jié)構(gòu)學(xué)科的發(fā)展，在很大程度上得益于性質(zhì)優(yōu)異的新材料、新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer、簡稱FRP)以其優(yōu)異的力學(xué)性能及適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載、輕質(zhì)發(fā)展的需求，正被越來越廣泛地應(yīng)用于橋梁工程、各類民用建筑、海洋工程、地下工程中，受到結(jié)構(gòu)工

程界廣泛關(guān)注。

根據(jù)對纖維加壓水泥板的抗拉、抗壓、抗彎的試驗性能研究，研發(fā)一種可用于建筑外墻、樓板的結(jié)構(gòu)板。纖維(碳纖維，芳綸纖維或玄武巖纖維)增強(qiáng)多層水泥板由2～3層水泥加壓板和1～2層網(wǎng)狀纖維由粘結(jié)劑粘接組成結(jié)構(gòu)板。此種結(jié)構(gòu)板為國內(nèi)外首次提出，其結(jié)構(gòu)性能(抗彎承載力、抗沖擊強(qiáng)度、剛度)均需進(jìn)行研究。

1 試驗材料

2.1 水泥加壓板

水泥加壓板采用高強(qiáng)高密度纖維水泥壓力板，如圖1。此種水泥板以優(yōu)質(zhì)的高標(biāo)號水泥為基本材料，并配以天然纖維及輔助材料來對水泥進(jìn)行改性，經(jīng)過先進(jìn)生產(chǎn)工藝成型，加壓、蒸養(yǎng)等特殊技術(shù)處理制成，具有防火絕緣、防水防潮、質(zhì)輕高強(qiáng)、施工簡易、經(jīng)濟(jì)美觀、安全無害、壽命超長、可加工及二次裝修性能好等優(yōu)點。

2.2 玄武巖纖維網(wǎng)格布

玄武巖網(wǎng)格布是以耐堿耐酸強(qiáng)的玄武巖纖維為原料，編織成格柵布，再經(jīng)過瀝青處理后烘干成型，玄武巖纖維混凝土在常溫下彈性模量與瀝青混凝土彈性模量比高達(dá)24:1，具有很高的抗變形能力，斷裂延伸率在3.4%左右。玄武巖纖維具有耐高溫、抗凍融(－260～650℃)、與瀝青混凝土熱膨脹系數(shù)一致、抗拉強(qiáng)度高、防紫外線、耐化學(xué)穩(wěn)定性好、抗老化等優(yōu)點，是增強(qiáng)砂漿混凝土防滲抗裂的優(yōu)良建筑材料。

圖1 纖維水泥壓力板

2.3 玻璃纖維土工格柵的特點:

采用玻璃纖維土工格柵進(jìn)行試驗，玻璃纖維土工格柵如圖2。玻璃纖維具有高抗拉強(qiáng)度、低延伸率、無長期蠕變、熱穩(wěn)定性、與瀝青混合的相容性、物理化學(xué)穩(wěn)定性及集料嵌鎖和限制等優(yōu)點。

3 試驗儀器及加載方案

3.1 抗拉試驗

水泥加壓板屬于混凝土薄板，因此不能采用混凝土塊進(jìn)行抗拉試驗，所以將水泥板切割成啞鈴形狀，為了避免集中應(yīng)力對試驗的影響，將水泥板進(jìn)行了圓角處理，如圖3(Ⅰ)，試驗結(jié)果如圖3(Ⅰa)。試驗尺寸為25 mm×50 mm(標(biāo)距)×5 mm，如圖3(Ⅱ)。

圖2 玻璃纖維土工格柵

抗拉實驗利用萬能試驗儀和位移計，水泥板上貼豎向應(yīng)變片，應(yīng)變由萬能試驗儀自動采取，位移計用來測量水泥板的荷載—位移曲線，通過抗壓強(qiáng)度試驗可以得到纖維加壓水泥板的抗拉強(qiáng)度?？估瓘?qiáng)度計算公式如下:

F—水泥板的最大拉力;

b—水泥板的有效寬度;

h—水泥板的有效厚度。

3.2 抗壓試驗

纖維加壓水泥板的厚度為5 mm或10 mm，直接在試驗機(jī)上進(jìn)行加壓，勢必會造成水泥板的彎曲而影響試驗，因此，焊制了纖維加壓水泥板的加壓夾具。

抗壓實驗利用萬能試驗儀和位移計，應(yīng)變由萬能試驗儀自動采取，位移計用來測量水泥板的荷載—位移曲線，通過抗壓強(qiáng)度試驗可以得到纖維加壓水泥板的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。

通過計算公式

σ—抗壓強(qiáng)度，MPa(N/mm2);

Pc—破壞荷載，kN;

S—受壓面積，m2。

彈性模量計算公式如下:

3.3 粘結(jié)試驗

單板的試驗性能可以通過抗拉、抗壓試驗得到，復(fù)板的性能主要有水泥板單板和纖維格柵的性能綜合決定，通過粘結(jié)試驗可以確定單板之間以及單板與纖維格柵之間的粘結(jié)性能。粘結(jié)試驗試件如圖4所示。

圖4 粘結(jié)試驗試件

粘結(jié)劑采用水泥基材料粘結(jié)劑，乙烯聚醋酸乙烯和水泥(42.5)按0.6:1進(jìn)行拌和，涂抹在單板之間進(jìn)行粘結(jié)。

計算公式

τ—剪切應(yīng)力;

V—粘結(jié)面剪力;

A—粘結(jié)面面積。

3.4 抗彎試驗

本實驗中試件采用復(fù)合纖維板，即兩層水泥板單板之間添加纖維格柵。試件尺寸為360 mm×60 mm× 20 mm，抗彎試驗在萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，該實驗的主要參數(shù)是:薄板凈跨度270 mm;兩個加載點分別距支座90 mm;加載速度2 mm/min。抗彎試驗加載方式如圖5所示。

圖5 抗彎加載示意圖

荷載的大小和中心點的位移被測量，試件的裂縫寬度同時也被測量?？箯澇休d力計算公式如下:

fTAT—板的極限強(qiáng)度;

h0—薄板截面的有效高度;

α1fc—混凝土的強(qiáng)度系數(shù)和軸心抗壓強(qiáng)度;

b—板的截面寬度。

3.5 抗沖擊試驗

沖擊韌性試驗參照美國混凝土學(xué)會委員會提出的彎曲沖擊試驗法，采用自制的自由落球裝置。落球重1.5 kg，沖擊高度400 mm。為防止落球直接沖擊試件引起應(yīng)力集中造成試件損傷，在試件上表面墊有一塊100 mm×100 mm×5 mm鋼板。試驗裝置如圖6所示。試件尺寸為100 mm×20 mm×400 mm，每組4個。在試驗過程中把長度100 mm的電阻應(yīng)變片連接到動態(tài)應(yīng)變儀上隨時采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。應(yīng)變片貼在試件底部受拉區(qū)的中部。兩端為簡支，凈跨340 mm。

實驗方法:把應(yīng)變片和加速度儀用導(dǎo)線連接到動態(tài)應(yīng)變儀上，計算機(jī)自動采集數(shù)據(jù)。落球的沖擊荷載通過鋼板傳遞到試件上，如圖6。每次沖擊從落球自由下落開始，至落球完全靜止為結(jié)束。進(jìn)行多次循環(huán)，當(dāng)應(yīng)變產(chǎn)生突變時的沖擊次數(shù)為初裂次數(shù)，當(dāng)裂縫貫穿整個截面延伸到試件上表面時的沖擊次數(shù)視為破壞沖擊次數(shù)。纖維混凝土薄板的沖擊性能用沖擊能W和延性指標(biāo)β表示，分別利用下式計算:

圖6 抗沖擊實驗裝置圖

Nc—為初裂沖擊次數(shù);

Nf—為破壞沖擊次數(shù);

m—為鋼球質(zhì)量;

h—為落錘沖擊高度;

g—為重力加速度，取9.8m/s2。

β值表示纖維混凝土從出現(xiàn)裂紋到破壞階段所需要的沖擊能量與混凝土初裂之前所需能量的比例，它直觀上反映了纖維混凝土試件在初裂之后的延性。

3 試驗存在問題

(1)抗拉試驗加載過程中，試件兩端的加持可能會由于加持過松而滑動影響試驗，還有可能由于加持過緊而導(dǎo)致試件加持端被壓碎。

(2)由于纖維水泥加壓板厚度為5 mm或10 mm，抗壓試驗試件容易受到彎曲變形的影響，或受壓時受偏心力的影響。

(3)由于纖維水泥板受壓容易損壞，粘結(jié)試驗加載過程中可能產(chǎn)生的效果是:粘結(jié)未破壞，但受壓端的水泥纖維板已經(jīng)被壓壞。

(4)粘結(jié)復(fù)合板時，由于水泥板干燥且吸水，導(dǎo)致水泥基粘結(jié)劑的水分被水泥板吸收，嚴(yán)重影響水泥基粘結(jié)劑的配合比。

(5)抗沖擊試驗中，落球彈落后不能保證落在試件上。

4 采用的解決方法

(1)加持兩端兩側(cè)再貼一層水泥板，加持盡量緊一些。

(2)焊制水泥板加持模具，加載過程中使試件受軸心壓力。

(3)將現(xiàn)有試件的粘結(jié)面積減小，將三層水泥板端側(cè)鋸出縫隙，而外觀尺寸不變，具體方法如圖7。

(4)粘結(jié)復(fù)合板時，提前24小時在水泥板的粘結(jié)側(cè)涂抹界面劑防止水泥板吸收水泥基粘結(jié)劑中水分。

(5)使用套管，將落球置于套管中，落球每次落到同一落點。

圖7 粘結(jié)試驗試件處理示意圖

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