碳纖維織物增強(qiáng)UHPFRC(PE)薄板抗彎性能試驗(yàn)研究

黃政宇，許卓

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

纖維編織物早在20世紀(jì)80年代就開(kāi)始作為增強(qiáng)混凝土的材料，最開(kāi)始的研究主要是網(wǎng)格狀編織物用于增強(qiáng)輕質(zhì)混凝土或石膏材料。隨著研究的深入，織物優(yōu)秀的力學(xué)性能和耐久性能讓織物增強(qiáng)混凝土建筑有了極大的可能性[1]。近年來(lái)，織物增強(qiáng)混凝土構(gòu)件應(yīng)用于實(shí)際工程如外墻面板、陽(yáng)臺(tái)墻面掛架、板材、殼體結(jié)構(gòu)等，但目前 TRC還主要應(yīng)用于加強(qiáng)和修復(fù)已有的混凝土結(jié)構(gòu)。[2]在很多結(jié)構(gòu)中織物增強(qiáng)混凝土還是未經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的建筑材料，織物增強(qiáng)混凝土作為未來(lái)極具潛力的建筑材料仍需要進(jìn)一步的研究[3]。碳纖維織物增強(qiáng)混凝土薄板具有良好的力學(xué)性能和耐久性能[4]，與傳統(tǒng)混凝土相比，UHPFRC高強(qiáng)度、高韌性以及優(yōu)異的耐久性更適用于制作成輕薄板殼結(jié)構(gòu)[5]。本文對(duì)碳纖維增強(qiáng)UHPFRC(PE)薄板的抗彎性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)材料

1.1 混凝土原材料

薄板試驗(yàn)用超高性能混凝土水泥采用“南方牌”P(pán).O42.5普通硅酸鹽水泥；硅灰采用山西忻州鐵合金有限公司生產(chǎn)，灰白色粉末，平均粒徑為 88 nm，比表面積為1.85×104m2/g；石英粉采用長(zhǎng)沙環(huán)宇石英砂有限公司，平均粒徑為50.2 um，325目，密度：2.625 g/cm3；石英砂采用長(zhǎng)沙環(huán)宇有限公司生產(chǎn)的20~40目石英砂；高效減水劑采用聚羧酸減水劑，粉紅色粉末，減水率在30%以上。

1.2 配合比

本文試驗(yàn)研究所用 UHPC材料配合比是在Ranada等[6]研究基礎(chǔ)上結(jié)合湖南大學(xué)的進(jìn)一步研究進(jìn)行修正(見(jiàn)表1)。

表1 試驗(yàn)用UHPC配合比Table 1 Mix ratio of the UHPC used in this article

1.3 纖維

試驗(yàn)中纖維采用湖南中泰特種裝備有限公司提供6 mm短切PE纖維；根據(jù)文獻(xiàn)[7]綜合考慮流動(dòng)性和力學(xué)性能，纖維體積參量定為 1.5%。短切PE纖維主要力學(xué)和物理性能見(jiàn)表2。

表2 PE纖維的物理及力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of PE-fiber

1.4 UHFRPC(PE)材料力學(xué)性能

試驗(yàn)方法按照《活性粉末混凝土》(GB/T 31387—2015)對(duì)UHFRPC(PE)的立方體抗壓強(qiáng)度、棱柱體軸壓強(qiáng)度、棱柱體抗彎強(qiáng)度以及彈性模量進(jìn)行了測(cè)試。材料力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3 UHPFRC(PE)材料力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of the UHPFRC(PE) used in this article

1.5 織物

1)實(shí)驗(yàn)中采用的織物為碳纖維網(wǎng)格狀雙向編織物。碳纖維織物的主要參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 碳纖維織物的主要參數(shù)Table 4 Main parameters of carbon fiber textile

2) 參照《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材》(GBT 21490-2008)對(duì)浸潤(rùn)環(huán)氧樹(shù)脂膠的碳纖維織物進(jìn)行抗拉承載力以及受拉彈性模量的測(cè)試。將碳纖維織物剪成長(zhǎng)23 cm寬1.5 cm(寬度方向取4股粗紗)的長(zhǎng)條狀織物，分位A和B 2組，每組3條，A組為1層、B組為2層；2層織物用環(huán)氧樹(shù)脂膠黏貼，織物端頭兩面貼上鋁片。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 浸膠織物的力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of dipped textile

2 UHPC薄板的彎曲試驗(yàn)

2.1 薄板試件的制作

1) 薄板的尺寸為 1 000 mm×700 mm×20 mm；分為 UHPC薄板，UHPFRC(PE)薄板，碳纖維織物增強(qiáng)UHPFRC(PE)薄板，其中碳纖維織物分為1層碳纖維織物和2層碳纖維織物。2層碳纖維織物用環(huán)氧樹(shù)脂膠黏貼在一起，在織物表面均勻的撒上石英砂。將制備好的薄板試件常溫養(yǎng)護(hù)48 h后拆模，熱水(90°)養(yǎng)護(hù)72 h。

2)將養(yǎng)護(hù)好的4類(lèi)薄板試件切為600 mm×100 mm×20 mm的實(shí)驗(yàn)試件，分為3組，每組3件。分別按照薄板類(lèi)型進(jìn)行編號(hào)如UHPC-1，UHPC-2，UHPC-3；UHPFRC-1…；1-TR-UHPFRC-1…；2-TRUHPFRC-1…依此類(lèi)推。

2.2 試驗(yàn)方法

薄板試件抗彎試驗(yàn)中板跨為560 mm，取板跨1/3點(diǎn)作為加載點(diǎn)分別距離兩端支座186.7 mm。薄板試驗(yàn)中在板跨中設(shè)有2只百分表，在兩端支座分別設(shè)有1只百分表。加載方式為位移控制，加載速度為2 mm/min，如圖1所示。

圖1 薄板彎曲試驗(yàn)Fig. 1 Bending test of the slabs

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 UHPC和UHPFRC(PE)薄板的試驗(yàn)結(jié)果

抗彎強(qiáng)度按式(1)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果精確至 0.1 MPa。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 6。荷載-撓度曲線見(jiàn)圖 2和圖3。

式中：Mf為抗彎強(qiáng)度；N為破壞荷載；L為試塊跨距；b為試塊寬度；h為試塊厚度。

2.3.2 纖維織物增強(qiáng)UHPC薄板的試驗(yàn)結(jié)果

薄板抗彎承載力根據(jù)式(2)進(jìn)行計(jì)算：

式中：M為抗彎承載力；N為破壞荷載；L為薄板跨距。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。荷載-撓度曲線見(jiàn)圖4~5。

表6 UHPC薄板試件和UHPFRC(PE)薄板試件的抗彎強(qiáng)度Table 6 Flexural strength of slab specimen used UHPC and UHPFRC (PE)

圖2 UHPC薄板荷載-撓度曲線Fig. 2 Load-deflection curve of UHPC

圖3 UHPFRC(PE)薄板荷載-撓度曲線Fig. 3 Load-deflection curve of UHPFRC(PE)

圖4 1層織物增強(qiáng)薄板荷載-撓度曲線Fig. 4 Load-deflection curve of 1-layer textile reinforced slabs

圖5 2層織物薄板荷載-撓度曲線Fig. 5 Load-deflection curve of 2-layer fabric reinforced slabs

表7 碳纖維織物增強(qiáng)UHPFRC (PE)薄板試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 7 Experimental data of carbon fiber reinforced UHPFRC (PE) sheet specimen

圖6 單層織物增強(qiáng)薄板受彎破壞圖Fig. 6 Bending failure details of the 1-layer fabric reinforced slabs

圖7 2層織物增強(qiáng)薄板受彎破壞圖Fig. 7 Bending failure details of the 2-layer fabric reinforced slabs

3 結(jié)果分析

3.1 UHPC和UHPFRC(PE)薄板試驗(yàn)結(jié)果分析

短纖維對(duì)混凝土基體的增強(qiáng)機(jī)理主要考慮到纖維本身的力學(xué)性能和物理性能、體積摻量、分布狀況、纖維與基體的黏結(jié)強(qiáng)度這幾個(gè)因素。纖維的長(zhǎng)徑比：當(dāng) σfAf >1/2(τpl) 即 l/d<1/2(σf/τ)時(shí)，式中：σf為纖維極限抗拉強(qiáng)度；Af為纖維截面積；p為纖維的截面周長(zhǎng)；τ為界面平均黏結(jié)強(qiáng)度，l為纖維的長(zhǎng)度。試驗(yàn)用 6 mm PE纖維的抗拉強(qiáng)度大于從UHPC中的拔出應(yīng)力。纖維的分布：短纖維在基體中為三維亂向分布，在考慮UHPFRC(PE)受拉作用時(shí)需考慮纖維的利用率。纖維的摻量：纖維體積摻量將影響到應(yīng)力方向有效纖維的數(shù)量，當(dāng)纖維摻量不足時(shí)，纖維只對(duì)基體韌性的起到增強(qiáng)的效果，而對(duì)強(qiáng)度沒(méi)有增強(qiáng)效果。中等體積纖維摻量(1%~2%)對(duì)于基體的強(qiáng)度、韌度和抗沖擊性均有增強(qiáng)效果[8]。

綜上，PE纖維體積摻量為1.5%時(shí)，在UHPC開(kāi)裂以后，荷載仍在上升直至纖維的拉應(yīng)力大于纖維的拔出應(yīng)力，纖維不斷被拔出，薄板承載力不斷下降直至最終破壞。纖維對(duì)UHPC的抗彎強(qiáng)度及韌度均有增強(qiáng)效果。試驗(yàn)結(jié)果可得，薄板的抗彎強(qiáng)度提高了41.3%，峰值撓度提高了91.7%。在分析織物增強(qiáng)UHPFRC(PE)薄板時(shí)需考慮UHPFRC(PE)材料的受拉作用。

3.2 碳纖維織物增強(qiáng) UHPFRC(PE)薄板試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 破壞過(guò)程分析

從圖4~5中可以看出織物增強(qiáng)UHPFRC(PE)薄板受彎破壞過(guò)程大致分為3個(gè)階段：1)在基體開(kāi)裂之前，拉應(yīng)力主要由基體承擔(dān)，撓度隨著荷載的增長(zhǎng)近似呈比例增長(zhǎng)，此階段與纖維混凝土類(lèi)似，開(kāi)裂荷載無(wú)明顯增加。2)當(dāng)UHPC達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度后，薄板純彎段出現(xiàn)第一條豎向裂縫，此時(shí)拉應(yīng)力由織物和PE纖維共同承擔(dān)，隨著荷載的增長(zhǎng)，裂縫的數(shù)量逐漸增長(zhǎng)，纖維的拉應(yīng)力達(dá)到其拔出應(yīng)力后，纖維的拉應(yīng)力將不再增加。因?yàn)榭椢锏拇嬖?，?gòu)件未破壞,纖維沒(méi)有拔出，仍承擔(dān)拉力，但隨著荷載的增大，裂縫寬度的增長(zhǎng)，纖維的受拉作用逐漸降低，但裂縫的寬度遠(yuǎn)小于纖維的長(zhǎng)度，因此在構(gòu)件完全破壞之前，纖維仍能承擔(dān)部分拉力。3)在纖維應(yīng)力達(dá)到其拔出應(yīng)力后，隨著荷載的增長(zhǎng)，抗拉承載力將完全由織物承擔(dān)。撓度近似呈比例增長(zhǎng)，屬于彈性變形。此階段偶有新裂縫產(chǎn)生，裂縫寬度隨著荷載的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)直至織物達(dá)到極限拉應(yīng)變而發(fā)生斷裂時(shí)，某條主裂縫寬度驟然增大，隨著所有粗紗完全被拉斷，薄板最終受彎破壞如圖 6~7所示。

1層織物增強(qiáng)UHPFRC(PE)薄板在上述第2階段出現(xiàn)明顯的位移-應(yīng)變軟化現(xiàn)象。主要原因是織物摻量過(guò)低，當(dāng)纖維拉應(yīng)力等于拔出應(yīng)力受拉能力開(kāi)始下降后，此時(shí)1層織物的拉應(yīng)力仍較低，不足以提供足夠的受拉作用。同時(shí)低織物摻量的薄板荷載-撓度曲線波動(dòng)明顯，裂縫數(shù)量增長(zhǎng)迅速。2層織物增強(qiáng)UHPFRC(PE)薄板純彎段豎向裂縫的數(shù)量明顯減少，薄板整體性良好，荷載-撓度曲線光滑。

3.2.2 正截面受彎承載力計(jì)算

織物在受拉全過(guò)程直至斷裂應(yīng)力-應(yīng)變基本保持線彈性沒(méi)有明顯的塑性屈服階段，破壞形式可分為 3種[9]：1)受拉破壞：織物摻量不足，織物達(dá)到其極限拉應(yīng)變而斷裂，UHPFRC(PE)未達(dá)到其極限壓應(yīng)變，未被壓碎。2)界限破壞：織物摻量一定，織物達(dá)到其極限拉應(yīng)變斷裂，UHPFRC(PE)達(dá)到其極限壓應(yīng)變被壓碎，織物和基體均有效發(fā)揮其作用。3)受壓破壞：織物摻量足夠，織物未達(dá)到其極限拉應(yīng)變，UHPFRC(PE)達(dá)到其極限壓應(yīng)變被壓碎而破壞。

后文中 h和 h0分別為薄板厚度和有效截面高度；εc，εcu，ε0，εt和 εtu分別為 UHFRPC(PE)的壓應(yīng)變，極限壓應(yīng)變，峰值壓應(yīng)力應(yīng)變、織物拉應(yīng)變和織物極限拉應(yīng)變；σc，和 fc和 ftc分別為UHPFRC(PE)的壓應(yīng)力，棱柱體抗壓強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度；T為織物極限抗拉承載力；K為PE纖維的抗拉強(qiáng)度等效系數(shù)[10]。

[11]結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù) UHPFRC(PE)的壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為：

式中： y =σc/fc；x=εc/ε0；εc，ε0，σc和fc均同上文。

織物增強(qiáng) UHFRP(PE)薄板正截面受力計(jì)算符合以下假定：1)平截面假定2)織物和基體黏結(jié)可靠。

1) 受拉破壞

如圖6(a)所示，受拉破壞分為2種：①受壓區(qū)混凝土未達(dá)到峰值壓應(yīng)力應(yīng)變?chǔ)?；②受壓區(qū)混凝土達(dá)到峰值壓應(yīng)力應(yīng)變?chǔ)?但未達(dá)到其極限壓應(yīng)變?chǔ)與u。根據(jù)平截面假定可得：

情況 1：取式(4)0≤x＜1段函數(shù)根據(jù)平截面合力平衡方程，進(jìn)行條狀積分簡(jiǎn)化后可得：

根據(jù)式(5)和平截面力矩平衡方程，進(jìn)行積分化簡(jiǎn)可得受壓區(qū)合力點(diǎn)距離中性軸距離xc計(jì)算式為：

則薄板極限承載力：

情況2：結(jié)合式(5)根據(jù)平截面合力平衡方程，可得：

對(duì)于式(8)不定積分式過(guò)于復(fù)雜未給出，用MATLAB計(jì)算其定積分。同樣根據(jù)力矩平衡求得xc。從而得到極限抗彎承載力Mu。

2) 界限破壞

界限破壞時(shí)受拉破壞與受壓破壞的臨界狀態(tài)。基于平截面假定，可得：

聯(lián)立式(9)~(10)可得：

式(11)中：εcu根據(jù)實(shí)測(cè)取 0.41；T織物界限抗拉承載力；根據(jù)合力大小和作用點(diǎn)不變得原則，可得合力大小Fc為：

合力距中性軸距離xc：

聯(lián)立式(9)，(12)和(13)可得：a1=0.87，β1=0.72。代入式(10) 得界限織物抗拉承載力：T=18.42bh0-1.83bh。對(duì)于試驗(yàn)薄板尺寸及織物布置方式，織物的界限抗拉承載力計(jì)算值：T=25 860 N。

3) 受壓破壞

根據(jù)平截面假定：

則

根據(jù)受力平衡：

其中：At為織物總面積計(jì)算值。

聯(lián)立式(14)~(15)得：

代入式(15)得：

則截面受彎承載力計(jì)算公式：

綜上，考慮到織物在薄板中受力時(shí)，纖維自身缺陷和浸膠相對(duì)不均勻，導(dǎo)致每股粗紗的抗拉承載力并非完全相同。多股粗紗協(xié)同受力時(shí)會(huì)出現(xiàn)受力不均現(xiàn)象：某股或某幾股粗紗提前斷裂；某股或者某幾股粗紗未達(dá)到其極限拉應(yīng)變而織物整體斷裂而隨之?dāng)嗔?。因此，在?jì)算織物極限抗拉承載力時(shí)需考慮折減系數(shù)K1，即：

式中：T為薄板所添加織物的極限抗拉承載力計(jì)算值；Tt為薄板所添加織物的極限抗拉承載力理論值；K1為折減系數(shù)，當(dāng)K1=0.86時(shí)薄板極限抗彎承載力的理論計(jì)算值與試驗(yàn)值較為符合。根據(jù)實(shí)測(cè)1層織物和2層織物極限抗拉承載力分別為13 870 N和27 565 N(10 cm寬織物粗紗取20股)，分別乘上K1，得11 928 N和23 706 N均小于界限抗拉承載力25 860 N，均屬于受拉破壞，符合試驗(yàn)結(jié)果。

表8為試驗(yàn)薄板的極限抗彎承載力計(jì)算值Mc,u與實(shí)驗(yàn)值Mc,t比較。

表8 正截面受彎試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比Table 8 Comparison between the bending test value and the calculated value

4 結(jié)論

1) PE纖維的摻入使薄板的抗彎強(qiáng)度提高了41.3%，峰值荷載所對(duì)應(yīng)的跨中撓度提高了91.7%，同時(shí)也提高了UHPC的抗壓強(qiáng)度。在碳纖維織物增強(qiáng)UHPFRC(PE)薄板受彎破壞過(guò)程中，從薄板基體開(kāi)裂到完全破壞仍一直承擔(dān)拉力。

2) 碳纖維織物浸膠后對(duì)其抗拉強(qiáng)度和彈性模量均有提高，織物的摻入使薄板的抗彎性能有了顯著的提高。碳纖維織物在薄板中極限抗拉承載力非所有粗紗極限受力的線性疊加而是有一定折減，宜考慮折減系數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)和理論分析折減系數(shù)取K1=0.86?？椢镆诉x擇抗拉承載力高，單股粗紗截面積大，編織孔徑適宜的纖維編織物。

3) 薄板的破壞形式有3種：受拉破壞，界限破壞和受壓破壞。基于試驗(yàn)所用織物和基體材料給出了織物的界限抗拉承載力T與薄板厚度h，薄板有效截面高度h0之間的關(guān)系：T=18.42bh0-1.83bh；對(duì)于試驗(yàn)薄板尺寸及織物布置方式給出織物的界限抗拉承載力計(jì)算值：T=25 860 N，試驗(yàn)薄板均屬受拉破壞可參照上文分析計(jì)算。界限破壞和受壓破壞均可按式(19)~(20)聯(lián)立計(jì)算，其中 α1=0.87，β1=0.72。

參考文獻(xiàn)：

[1] Silke Scditz, Manfred Curbach, Frank Schladitz. Textile reinforced concrete-from the idea to a high performance material[C]// FERRO-11-11th International Symposium on Ferrocement and 3rd ICTRC-International Conference on Textile Reinforced Concrete, 2015: 21-23.

[2] Evy Verwimp, Tine Tysmans, Svetlana Verbruggen, et al.Experimental and numerical analysis of textile reinforced cement composites as tensile reinforcement[C]// Concrete Shells In: FERRO-11-11th International Symposium on Ferrocement and 3rd ICTRC-International Conference on Textile Reinforced Concrete, 2015: 53-56.

[3] Antoine E Naaman. Progress review and critical need for the future[C]// Wolfgang Brameshuber, FERRO-11-11th International Symposium on Ferrocement and 3rd ICTRC-International Conference on Textile Reinforced Concrete, 2015: 9-14.

[4] 荀勇, 孫偉, Reinhardt H W, 等. 短纖維和織物增強(qiáng)混凝土薄板試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2005, 38(11):1-6.XUN Yong, SUN Wei, Reinhardt H W, et al. An experimental study on short fiber and textile reinforced concrete thin slabs[J]. China Civil Engineering Journal,2005, 38(11): 1-6.

[5] TerMaten R N, Grünewald S, Walraven J C. UHPFRC in large spain shell structure[C]// Toutlemonde F,Resplendino J. RILEM-fib-AFGC International Symposium on Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete, 2013: 327-334.

[6] Ranada Ravi, Stults Michael D, Li Victor C, et al.Development of high strength high ductility concrete[C]//Toledo Filho R D, Silva F A, Koenders E A B, et al. 2nd International RILEM Conference on Strain Hardening Cementitious Composites, Brazil, 2011: 1-8.

[7] 李操旺. 聚乙烯纖維對(duì)超高性能混凝土性能影響的研究[D]. 長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué), 2014.LI Caowang. Study on the effects of polyethylene fiber on the properties of ultra high performance concrete[D].Changsha: Hunan University, 2014.

[8] Kumar Mehta P, Monteiro Paulo J M. Concrete microstructure, properties and materials[M]. America:McGraw-Hill Companies, 2006: 334-343.

[9] 黃政宇, 譚彬. 活性粉末混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€的研究[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 29(5):1-6.HUANG Zhengyu, TAN Bing. Research on stress-strain curves of reactive powder concrete with steel-fiber under uniaxial compression[J]. China Three Gorges Univ(Natural Sciences), 2007, 29(5): 1-6.

[10] 鄭文忠, 盧珊珊, 李莉. GFRP筋活性粉末混凝土梁受力性能試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2011, 32(6): 1-10.ZHENG Wenzhong, LU Shanshan, LI Li. Experimental research on mechanical performance of reactive powder concrete beams reinforced with GFRP bars[J]. Journal of Building Structures, 2011, 32(6): 1-10.

[11] 金凌志, 何來(lái), 吳欣珂. HRB500級(jí)鋼筋活性粉末混凝土梁受彎性能試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2015, 45(15):1-6.JING Lingzhi, HE Lai, WU Xinke. Experimental study on flexural property of reactive powder concrete beams with HRB500 steel[J]. Building Structure, 2015, 45(15):1-6.