預(yù)應(yīng)力碳纖維編織網(wǎng)與混凝土界面粘結(jié)性能研究★

潘永燦

(鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇鹽城 224003)

預(yù)應(yīng)力纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土是將碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維或碳/玻、碳/芳綸混雜纖維縫編織物網(wǎng)張拉后與配入一定摻量短切纖維的高性能細(xì)骨料混凝土(骨料最大粒徑為1 mm，也稱為高性能砂漿)結(jié)合形成的復(fù)合材料［1］。預(yù)應(yīng)力纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土具有重量輕、韌性好、耐腐蝕及良好的抗裂性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有良好的抗拉、抗折和抗彎性能。預(yù)應(yīng)力纖維編織網(wǎng)能否與混凝土基體協(xié)同工作，取決于兩者之間的界面粘結(jié)性能。預(yù)應(yīng)力纖維編織網(wǎng)與混凝土基體的界面粘結(jié)性能是研究預(yù)應(yīng)力纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土增強(qiáng)機(jī)理的基礎(chǔ)，對(duì)其各項(xiàng)力學(xué)性能有著重要影響，需對(duì)其增強(qiáng)機(jī)理做大量深入的研究，本文就是結(jié)合課題對(duì)預(yù)應(yīng)力纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土薄板界面粘結(jié)性能所作的初步研究。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的原材料包括:1)水泥:P.O52.5普通硅酸鹽水泥;2)細(xì)集料:細(xì)度模數(shù)2.80中砂;3)摻合料:Ⅰ級(jí)粉煤灰;4)正交碳/玻璃纖維編織網(wǎng)(見圖1，主要參數(shù)指標(biāo)見表1);5)外加劑:超塑化劑FM38;6)懸浮硅灰m硅灰∶m水=1∶1;7)水:自來水。

表1 正交碳/玻璃纖維編織網(wǎng)的主要參數(shù)

試驗(yàn)所采用細(xì)骨料混凝土的稠度應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配合比調(diào)整，對(duì)纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土配比時(shí)應(yīng)考慮混凝土應(yīng)具有早期強(qiáng)度高、低收縮性、與纖維編織網(wǎng)有較高的粘結(jié)力等方面的一些要求。試驗(yàn)用混凝土質(zhì)量配合比見表2。

表2 試驗(yàn)用混凝土質(zhì)量配合比

2 試驗(yàn)方法

2.1 預(yù)應(yīng)力張拉試驗(yàn)裝置

為了滿足試驗(yàn)對(duì)纖維編織網(wǎng)施加預(yù)應(yīng)力的需要，與柳州歐維姆公司合作研制出預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備(見圖2)，該套預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備包括張拉臺(tái)座和張拉泵站兩部分，通過張拉泵站提供油壓對(duì)反力臺(tái)架上纖維編織網(wǎng)施加預(yù)應(yīng)力，再在工作平臺(tái)上澆筑混凝土，通過安裝、調(diào)試和初次使用，滿足試驗(yàn)要求。

2.2 試件制作

為測(cè)試預(yù)應(yīng)力纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土薄板界面粘結(jié)性能，按照表2中混凝土質(zhì)量配合比制作了三塊試驗(yàn)薄板，薄板試件采用的纖維編織網(wǎng)布置方案如下:薄板S1:板厚20 mm，薄板中間鋪設(shè)未施加預(yù)應(yīng)力未浸膠正交碳/玻璃纖維編織網(wǎng)，測(cè)試經(jīng)向碳纖維與混凝土粘結(jié)性能。薄板S2:板厚20 mm，薄板中間鋪設(shè)浸膠后正交碳/玻璃纖維編織網(wǎng)，測(cè)試浸膠碳纖維與混凝土粘結(jié)性能。薄板S3:板厚20 mm，薄板中間鋪設(shè)未浸膠正交碳/玻璃纖維編織網(wǎng)，對(duì)經(jīng)向碳纖維施加2 kN預(yù)應(yīng)力，測(cè)試預(yù)應(yīng)力碳纖維與混凝土粘結(jié)性能。預(yù)應(yīng)力纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土薄板制作完成后24 h拆模，放在溫度為20℃的水中養(yǎng)護(hù)28 d，將其切割成140 mm×40 mm×20 mm的試件。

圖1 正交碳/玻璃纖維編織網(wǎng)

圖2 預(yù)應(yīng)力張拉試驗(yàn)裝置

2.3 試驗(yàn)方法

傳統(tǒng)測(cè)試材料界面粘結(jié)性能的方法是做拔出試驗(yàn)，但對(duì)纖維編織網(wǎng)與混凝土基體間界面粘結(jié)測(cè)試，這種直接拔出試驗(yàn)有幾點(diǎn)難于控制的問題:1)難于對(duì)纖維編織施加預(yù)應(yīng)力;2)易對(duì)露出基體的編織網(wǎng)的根部產(chǎn)生界面微觀損傷;3)與測(cè)試?yán)w維方向垂直方向的纖維束對(duì)界面粘結(jié)的影響難于測(cè)定。為了能較真實(shí)測(cè)定纖維編織網(wǎng)與混凝土基體之間影響粘結(jié)性能的因素，借鑒斯圖加特大學(xué)采用從薄板試件中切取小單元的方法［2］，將增強(qiáng)混凝土薄板切割成140 mm×40 mm×20 mm的試件，根據(jù)端頭露出碳纖維粗紗位置，在薄板大約中間位置切割成一個(gè)1 cm×3 mm的“頸”，保證“頸”部有碳纖維粗紗存在［3］。切割后測(cè)試試件形狀尺寸見圖3。

3 試驗(yàn)過程與試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)過程

界面粘結(jié)試驗(yàn)在液壓傳動(dòng)的萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，為避免試件在夾具片間滑移，先在測(cè)試試件上夾持部位涂上膠，再安上夾具，使膠上壓出夾具片的內(nèi)齒齒痕，當(dāng)膠體硬化后，將試件安裝在試驗(yàn)機(jī)上，試驗(yàn)的主要參數(shù)是:試件凈距離100 mm;加載速度0.3 mm/min;纖維編織網(wǎng)與混凝土基體間的滑移以及相應(yīng)荷載的大小通過計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)得試件S1和S2粘結(jié)滑移對(duì)比曲線見圖4;試件S1和S3粘結(jié)滑移對(duì)比曲線見圖5。

圖3 測(cè)試試件尺寸（N形）

圖4 試件S1和S2粘結(jié)滑移對(duì)比曲線

圖5 試件S1和S3粘結(jié)滑移對(duì)比曲線

4 試驗(yàn)分析

4.1 浸膠對(duì)界面粘結(jié)性能的影響

由圖4可知，對(duì)纖維編織網(wǎng)浸漬環(huán)氧樹脂后，測(cè)試試件最大抗拉負(fù)荷為1 160 N，而未浸漬環(huán)氧樹脂試件最大抗拉負(fù)荷為575 N，浸膠后試件纖維編織網(wǎng)與混凝土基體間界面粘結(jié)性能好于未浸膠纖維編織網(wǎng)與混凝土基體間界面粘結(jié)性能。

纖維編織網(wǎng)與混凝土基體間的界面粘結(jié)力包括:1)纖維編織網(wǎng)與混凝土基體間的化學(xué)膠結(jié)力;2)纖維編織網(wǎng)與混凝土基體間的摩阻力;3)纖維編織網(wǎng)與混凝土基體間的機(jī)械咬合力。纖維編織網(wǎng)是由一根根很細(xì)的纖維絲組成的，未浸漬環(huán)氧樹脂纖維絲中存在斷頭缺陷，當(dāng)承受荷載時(shí)，外層纖維絲不能有效地把荷載傳到內(nèi)層核心部位纖維絲上，從而使內(nèi)外層纖維絲受力不均［4］;對(duì)纖維編織網(wǎng)浸漬環(huán)氧樹脂后，每根纖維絲緊緊結(jié)合在一起，提高了纖維束協(xié)同受力能力。

4.2 預(yù)應(yīng)力對(duì)界面粘結(jié)性能的影響

由圖5可知，對(duì)纖維編織網(wǎng)施加預(yù)應(yīng)力后，測(cè)試試件最大抗拉負(fù)荷為1 105 N，而未施加預(yù)應(yīng)力試件最大抗拉負(fù)荷為730 N，對(duì)碳纖維施加預(yù)應(yīng)力后試件纖維編織網(wǎng)與混凝土基體間界面粘結(jié)性能好于未施加預(yù)應(yīng)力纖維編織網(wǎng)與混凝土基體間界面粘結(jié)性能。

對(duì)非預(yù)應(yīng)力試件在測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，測(cè)試試件的位移不斷增加，而所增加的荷載卻較小，纖維編織網(wǎng)在混凝土基體中發(fā)生拔出現(xiàn)象，說明纖維編織網(wǎng)與混凝土基體間的粘結(jié)力不夠，對(duì)纖維編織網(wǎng)施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力，能增大纖維束內(nèi)部纖維絲與混凝土基體間的接觸面積，增大兩者之間的粘結(jié)力;同時(shí)對(duì)纖維編織網(wǎng)施加預(yù)應(yīng)力后，使混凝土基體縱向產(chǎn)生壓縮，其橫向按泊松比發(fā)生膨脹，對(duì)纖維編織網(wǎng)就會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而提高了纖維編織網(wǎng)與混凝土基體間的界面摩阻力［5］。

4.3 簡(jiǎn)化的粘結(jié)滑移本構(gòu)模型

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)埋長(zhǎng)越大，纖維編織網(wǎng)與混凝土基體之間的界面粘結(jié)性能越好，越不容易發(fā)生纖維束從基體內(nèi)拔出破壞，但易在測(cè)試試件的“頸”部發(fā)生纖維束的受拉破壞，為防止這種情況發(fā)生，試驗(yàn)時(shí)纖維束與混凝土基體間的埋入長(zhǎng)度不宜過大，從測(cè)試試驗(yàn)情況可知，纖維束埋入混凝土基體長(zhǎng)度為2 cm～4 cm時(shí)可保證纖維束從混凝土基體中拔出。圖6為對(duì)纖維編織網(wǎng)浸漬環(huán)氧樹脂后，對(duì)碳纖維施加2 kN預(yù)應(yīng)力，埋入長(zhǎng)度取為4 cm的試件粘結(jié)滑移曲線。

圖6 埋長(zhǎng)為4 cm試件粘結(jié)滑移曲線

從圖6中可以看出，纖維編織網(wǎng)與混凝土基體間的界面粘結(jié)滑移曲線具有的特點(diǎn)有:1)粘結(jié)滑移曲線主要由上升段和下降段組成，當(dāng)粘結(jié)滑移很大時(shí)，兩者之間的界面粘結(jié)力趨向于零;2)在承受荷載作用時(shí)，由于纖維編織網(wǎng)與混凝土基體間有變形差異，沿纖維束的表面將產(chǎn)生剪力，同時(shí)在纖維束周圍存在界面粘結(jié)薄弱區(qū)，隨著荷載的加大，在界面粘結(jié)薄弱區(qū)的一定范圍內(nèi)會(huì)形成連續(xù)的微細(xì)裂縫，纖維編織網(wǎng)與混凝土界面開始脫粘，相應(yīng)荷載稱為脫粘荷載，在此之前荷載—位移基本上呈彈性變化［6，7］;3)隨著荷載和滑移的增大，纖維編織網(wǎng)與混凝土界面之間會(huì)出現(xiàn)大量微細(xì)裂縫，使截面剛度降低，小于初始截面剛度。

根據(jù)試驗(yàn)得到的粘結(jié)滑移曲線及其特點(diǎn)，可采用如圖7所示簡(jiǎn)化的三線段粘結(jié)滑移的本構(gòu)模型。在荷載達(dá)到峰值Pmax以前，荷載與滑移之間為線性增長(zhǎng)關(guān)系，Pmax對(duì)應(yīng)的滑移為S0;當(dāng)荷載達(dá)到峰值Pmax以后，荷載與滑移之間為線性降低關(guān)系;當(dāng)粘結(jié)滑移超過某一值S1后，纖維編織網(wǎng)與混凝土粘結(jié)界面上僅有摩阻力存在，此時(shí)剪應(yīng)力值為常量，相應(yīng)荷載P0為脫粘荷載。

圖7 三線段粘結(jié)滑移本構(gòu)模型

基于纖維編織網(wǎng)與混凝土基體之間粘結(jié)滑移三線段模型，可以采取分段式方程來描述兩者之間的界面粘結(jié)滑移關(guān)系:

其中，K1，K2均為直線斜率，確定了 Pmax，P0，S0和 S1這4 個(gè)參數(shù)就可以確定纖維編織網(wǎng)與混凝土基體之間粘結(jié)滑移本構(gòu)方程。

5 結(jié)語

采用從大薄板中切取小單元的方法進(jìn)行纖維編織網(wǎng)與混凝土基體界面粘結(jié)性能試驗(yàn)，能較真實(shí)地反映構(gòu)件在受荷過程中纖維編織網(wǎng)和混凝土基體之間的粘結(jié)情況。試驗(yàn)表明，同未浸膠纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土薄板相比，對(duì)纖維編織網(wǎng)浸膠后，纖維編織網(wǎng)和混凝土基體之間的界面粘結(jié)性能明顯提高。對(duì)纖維編織網(wǎng)施加預(yù)應(yīng)力也可提高和改善界面粘結(jié)性能。要使纖維編織網(wǎng)從混凝土基體中拔出而不發(fā)生拉斷破壞，需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦w維埋入長(zhǎng)度(2 cm～4 cm)。根據(jù)實(shí)測(cè)粘結(jié)滑移曲線，并結(jié)合界面粘結(jié)性能分析，提出的簡(jiǎn)化三線段粘結(jié)滑移本構(gòu)模型，可供相關(guān)人員參考。

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