玄武巖纖維網(wǎng)增強(qiáng)混凝土軸拉力學(xué)性能研究

高孟冉，吳學(xué)乾，成全喜，榮 輝，呂 楊

（天津城建大學(xué)a.天津市土木建筑結(jié)構(gòu)防護(hù)與加固重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300384）

在我國(guó)的建筑工程發(fā)展過(guò)程中，砌體結(jié)構(gòu)因?yàn)槿〔姆奖?、?gòu)造簡(jiǎn)單和便于施工等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用. 但是由于早期建筑設(shè)計(jì)不完善，結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中由于地基沉降、伸縮縫設(shè)置不當(dāng)出現(xiàn)裂縫，裂縫出現(xiàn)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)承載力產(chǎn)生影響，建筑安全和使用性能都有所降低，因此砌體結(jié)構(gòu)加固對(duì)保障建筑安全使用至關(guān)重要.砌體結(jié)構(gòu)加固主要有水泥砂漿加固、鋼筋混凝土加固法.水泥砂漿易風(fēng)化，加固效果并不明顯；鋼筋混凝土加固，鋼筋需要較厚的混凝土保護(hù)層，而且在多雨地區(qū)，長(zhǎng)期的雨水侵蝕會(huì)導(dǎo)致修復(fù)后的墻體損壞加快[1].這兩種加固方法都不太理想. 玄武巖纖維（basalt fiber，BF）是天然玄武巖經(jīng)過(guò)熔融紡絲拉伸工藝得到的連續(xù)纖維，天然玄武巖資源豐富，且生產(chǎn)過(guò)程不產(chǎn)生其他廢料，沒(méi)有環(huán)境壓力，得到的玄武巖纖維有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和較高的力學(xué)強(qiáng)度，耐久性也很好.

纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土（textilereinforcedconcrete，TRC）是一種新型復(fù)合材料，可以根據(jù)需求和厚度進(jìn)行加工和控制，與鋼筋混凝土相比，纖維網(wǎng)不需要一定的保護(hù)層厚度，這樣可以節(jié)省材料并減輕自重[2].國(guó)外學(xué)者對(duì)TRC 材料性能做了大量的研究[3].在我國(guó)，有關(guān)TRC 的研究已經(jīng)起步，徐世烺、李慶華等人對(duì)用于TRC 基體的混凝土進(jìn)行了詳盡的研究，結(jié)果表明：在自密實(shí)混凝土基礎(chǔ)上配置的OPT 混凝土具有高流動(dòng)性、自密實(shí)能力以及良好的力學(xué)性能，完全可以用來(lái)作為纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土的基體[4]；徐世烺對(duì)低配網(wǎng)率纖維編織網(wǎng)混凝土軸拉力學(xué)性能也進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明配網(wǎng)率是影響TRC 極限承載力的一個(gè)重要因素[5].田穩(wěn)苓等人對(duì)TRC 增強(qiáng)磚砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗剪性能研究[6]；李耀、尹世平進(jìn)行了TRC 加固RC柱恢復(fù)力模型研究[7]；Ali Nassir Al-Gemeel 進(jìn)行了FRP 約束混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)改善混凝土柱膨脹和軸向性能的可行性研究[8]，這些研究表明，TRC 都能有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能.本文在前人研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行玄武巖纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土（BFN-TRC）與素混凝土軸向拉伸試驗(yàn)，研究配網(wǎng)率對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土薄板的抗拉性能和變形能力的影響.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試件制備

本文采用雙向玄武巖纖維網(wǎng)（256 g/m2），單根截面積0.313 mm2，網(wǎng)格尺寸5 mm×5 mm，如圖1 所示.為保證混凝土能順利通過(guò)玄武巖纖維編織網(wǎng)，采用不含粗骨料的自密實(shí)混凝土[4]. 混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)選用砂子的最大粒徑為1.2 mm，由粒徑為0～0.6 mm 和0.6～1.2 mm 的兩種石英砂1 ∶1 摻和以保證連續(xù)級(jí)配.采用42.5R 硅酸鹽水泥和硅灰，同時(shí)添加適量超細(xì)粉煤灰以提高混凝土的流動(dòng)性. 混凝土的水膠比是0.34，以水泥為基準(zhǔn)，配合比為水泥∶粉煤灰∶硅灰∶水∶砂（0～0.6mm）∶砂（0.6～1.2mm）∶減水劑=1 ∶0.2 ∶0.05 ∶0.42 ∶0.621 ∶1.24 ∶0.018 8.

圖1 玄武巖纖維網(wǎng)

試件設(shè)計(jì)尺寸250 mm×25 mm×10 mm（長(zhǎng)×寬×厚）.以配網(wǎng)率為試驗(yàn)變量，分別布設(shè)1 層、2 層和3 層玄武巖纖維編織網(wǎng)，并制作相同尺寸的素混凝土試件為參照組.試件受拉方向每層有5 支纖維束，且上下每層排列均勻，配網(wǎng)率分別為0.57%，1.14%，1.66%.為減小離散性，在制作時(shí)，每種配網(wǎng)率的試件先做成一個(gè)大板，然后切割成所需尺寸.本試驗(yàn)3 種配網(wǎng)率試件設(shè)計(jì)厚度均為10 mm，試驗(yàn)過(guò)程以實(shí)際厚度為準(zhǔn)；設(shè)置1 層纖維網(wǎng)的試件，BFN 位于薄板中間；2 層纖維網(wǎng)和3 層纖維網(wǎng)的試件，BFN 間距為4 mm 和2 mm，保護(hù)層厚度為3 mm.在澆筑試件之前，先將纖維網(wǎng)用螺絲和不銹鋼壓片固定在不銹鋼板上，并張拉均勻，然后澆筑混凝土并充分振搗至試件表面不產(chǎn)生氣泡.澆筑過(guò)程如圖2 所示.脫模后，為保證試件強(qiáng)度和減少收縮變形，將試件置于溫度（20 ± 3）℃、相對(duì)濕度95%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)[9].相同養(yǎng)護(hù)條件下測(cè)量得到標(biāo)準(zhǔn)試件3，7，28 d 的抗壓強(qiáng)度分別為29.5，41.4，63.0 MPa.

共設(shè)計(jì)制作了4 組12 個(gè)試驗(yàn)構(gòu)件，構(gòu)件參數(shù)如表1 所示.

圖2 試驗(yàn)構(gòu)件制作

表1 BFN-TRC 試件物理參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

薄板拉伸試件兩端各粘貼75 mm×25 mm×1 mm（長(zhǎng)×寬×厚）的加強(qiáng)鋼片，如圖3a 所示.試驗(yàn)用島津電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)AGS-X300kN，采樣頻率60 Hz；標(biāo)距段長(zhǎng)度150 mm，加載裝置見(jiàn)圖3b.為保證試件初始狀態(tài)相同，試驗(yàn)分兩階段加載.第一階段先施加2 N 預(yù)緊力；第二階段采用位移加載，加載速度為0.3 mm/min.

圖3 拉伸試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗拉強(qiáng)度

試驗(yàn)以配網(wǎng)率為主要參數(shù).表2 顯示了計(jì)算后試件的力學(xué)性能. 隨著試件配網(wǎng)率的增加，開(kāi)裂強(qiáng)度增強(qiáng). CS1、CS2、CS3 相比CS0 開(kāi)裂強(qiáng)度分別增加了15.15%，65.80%和38.53%，CS3 的開(kāi)裂強(qiáng)度相比CS2降低，這是因?yàn)樵诔跏技虞d階段，內(nèi)部纖維網(wǎng)與精細(xì)混凝土基體共同承擔(dān)外力，隨著纖維網(wǎng)層數(shù)的增加，試件橫向纖維束也增加，橫向纖維束的引入增加了基體與纖維之間的界面，此界面為相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)試件局部有削弱作用；試件CS1、CS2、CS3 斷裂強(qiáng)度相對(duì)CS0 分別增加23.38%，115.15%和172.73%，添加2 層和3 層BFN 的混凝土試件相比添加1 層BFN 的強(qiáng)度增加明顯.

在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著位移的增加，CS0 和CS1 在整個(gè)過(guò)程中，試件承載能力較低，裂縫一旦產(chǎn)生便急速開(kāi)展，裂縫截面處的拉力全部由纖維網(wǎng)承擔(dān)，纖維網(wǎng)因不能承擔(dān)突然增加的應(yīng)力而破壞，試件立即發(fā)生破壞；CS2 和CS3 試件在位移剛開(kāi)始加載時(shí)，截面內(nèi)力很小，應(yīng)力、應(yīng)變成正比，隨著加載位移不斷增大，混凝土出現(xiàn)塑性變形，當(dāng)荷載增大到某一數(shù)值時(shí)，試件受拉區(qū)域混凝土達(dá)到抗拉強(qiáng)度和抗拉極限應(yīng)變；位移繼續(xù)增加，截面立即開(kāi)裂，應(yīng)力發(fā)生重分布，裂縫處混凝土不再承受拉力，拉力由玄武巖纖維網(wǎng)承受，纖維網(wǎng)拉應(yīng)力突然增大，試件表面出現(xiàn)明顯裂縫；隨著位移的繼續(xù)加載，在纖維網(wǎng)的連接作用下，混凝土將應(yīng)力傳遞給纖維網(wǎng)，纖維網(wǎng)依靠界面粘連再將應(yīng)力傳遞給未開(kāi)裂的混凝土，應(yīng)力在兩者之間互相傳遞，當(dāng)纖維網(wǎng)傳遞的應(yīng)力達(dá)到周?chē)炷恋拈_(kāi)裂強(qiáng)度時(shí)，出現(xiàn)新的裂縫，位移加載到某一數(shù)值，混凝土完全不能承載應(yīng)力，全部應(yīng)力由纖維網(wǎng)承擔(dān)；隨著應(yīng)變的增加，纖維網(wǎng)逐漸從混凝土基體拔出，表現(xiàn)為裂縫寬度增加，纖維網(wǎng)達(dá)到抗拉強(qiáng)度，試件產(chǎn)生斷裂面而破壞.另外，由于試件兩端用AB 膠粘貼加強(qiáng)片，產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)力集中，斷裂面在試件有效測(cè)試段靠近加強(qiáng)片處產(chǎn)生，這種現(xiàn)象在CS1 和CS3 中相對(duì)較多.

表2 BFN-TRC 試件力學(xué)性能

2.2 破壞模式

各組試件破壞模式見(jiàn)圖4 所示.試件CS0 和CS1斷裂時(shí)只有一條裂縫.試件開(kāi)裂前，拉力由混凝土和纖維網(wǎng)共同承擔(dān)；混凝土開(kāi)裂后，所有拉力全部轉(zhuǎn)移由纖維網(wǎng)承擔(dān).由于試件CS0 無(wú)纖維網(wǎng)，試件開(kāi)裂同時(shí)發(fā)生拉斷破壞；試件CS1 由于配網(wǎng)率較低，纖維網(wǎng)不足以承擔(dān)試件開(kāi)裂前的拉力而發(fā)生拉斷破壞.隨著配網(wǎng)率提高，試件CS2 產(chǎn)生多條裂縫，但其破壞模式由主裂縫控制；試件CS3 混凝土開(kāi)裂后，因?yàn)槔w維網(wǎng)層數(shù)較多，配網(wǎng)率最高，應(yīng)力在混凝土與纖維網(wǎng)之間傳遞次數(shù)最多，產(chǎn)生均勻分布的細(xì)小裂縫，在混凝土不能承受應(yīng)力之后，纖維網(wǎng)逐漸從混凝土中拔出，應(yīng)力逐漸增大，直至達(dá)到自身抗拉強(qiáng)度，試件整體變形能力增強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度提高.試件最終在靠近夾頭附近破壞，原因是夾頭處混凝土在試驗(yàn)過(guò)程中處于拉壓雙向受力狀態(tài)，壓應(yīng)力的存在削弱了混凝土抗拉強(qiáng)度.

圖4 試件裂縫形態(tài)

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

不同配網(wǎng)率應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖5.試件拉伸過(guò)程主要有兩個(gè)階段：第一階段，混凝土和BFN 同時(shí)受拉，表現(xiàn)為圖中應(yīng)力均勻上升階段，本階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)可視為線(xiàn)性增長(zhǎng)；第二階段，混凝土開(kāi)裂至BFN 斷裂，應(yīng)力上下波動(dòng)，并有不同程度的增加，在試驗(yàn)過(guò)程中觀察分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力的波動(dòng)對(duì)應(yīng)著裂縫的產(chǎn)生，波動(dòng)次數(shù)多于試件表面可觀察到的裂縫數(shù)量，說(shuō)明在試件內(nèi)部和表面還有一些微小裂縫.

圖5 不同配網(wǎng)率TRC 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖5 顯示不同配網(wǎng)率的試件受拉過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)有很大不同.素混凝土拉伸過(guò)程中只有第一階段，應(yīng)變達(dá)到0.21%左右，試件達(dá)到開(kāi)裂強(qiáng)度并產(chǎn)生一條主裂縫，承載力突然降低，同時(shí)試件斷裂；配網(wǎng)率0.57%的試件隨著位移的持續(xù)加載至應(yīng)變0.23%左右，出現(xiàn)一條主裂縫，并且抗拉強(qiáng)度突然降低，隨著位移的繼續(xù)加載，主裂縫不斷擴(kuò)展，且沒(méi)有新的裂縫產(chǎn)生，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)只有一個(gè)明顯的波動(dòng)，應(yīng)變達(dá)到0.53%左右時(shí)，試件斷裂破壞，此時(shí)抗拉強(qiáng)度提升7%左右，相比開(kāi)裂強(qiáng)度提升不明顯.配網(wǎng)率1.14%的試件相比0.57%試件，在第二階段，試件產(chǎn)生第一條裂縫時(shí)，應(yīng)變?cè)?.22%左右，出現(xiàn)第一條裂縫，但是抗拉強(qiáng)度沒(méi)有明顯降低，隨著位移加載，拉伸應(yīng)變有持續(xù)明顯增加，試件抗拉強(qiáng)度隨著應(yīng)變?cè)黾臃磸?fù)持續(xù)增長(zhǎng)，應(yīng)變達(dá)到0.54%左右，試件斷裂破壞，斷裂強(qiáng)度達(dá)到4.97 MPa，相比試件開(kāi)裂強(qiáng)度3.83 MPa，提高了29%. 配網(wǎng)率0.57%和配網(wǎng)率1.14%兩種工況，試件開(kāi)裂應(yīng)變和斷裂應(yīng)變都比較接近，斷裂應(yīng)變相比開(kāi)裂應(yīng)變?cè)黾恿?30%以上，但配網(wǎng)率1.14%的試件斷裂強(qiáng)度更高，產(chǎn)生裂縫數(shù)量更多，說(shuō)明相同變形能力情況下，配網(wǎng)率1.14%的試件變形能力更強(qiáng)，延性更好.

配網(wǎng)率1.66%的試件，出現(xiàn)第一條裂縫時(shí)應(yīng)變?cè)?.26%左右，抗拉強(qiáng)度達(dá)到3.20 MPa，在第二階段拉伸應(yīng)變有明顯增加，應(yīng)變達(dá)到1.26%左右時(shí)試件斷裂，斷裂強(qiáng)度為6.30 MPa；在應(yīng)變1.05%到1.26%之間，曲線(xiàn)沒(méi)有明顯波動(dòng)，呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，說(shuō)明在這期間纖維網(wǎng)單獨(dú)承受拉應(yīng)力，且抗拉強(qiáng)度提高；在整個(gè)過(guò)程中，斷裂應(yīng)變與斷裂強(qiáng)度相比開(kāi)裂分別增加了384.62%和96.88%，說(shuō)明配網(wǎng)率1.66%的BFN-TRC 薄板在拉伸過(guò)程中變形能力最強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度增加明顯，而且試件破壞前有明顯的試驗(yàn)現(xiàn)象.

3 結(jié) 論

本文開(kāi)展了玄武巖纖維網(wǎng)增強(qiáng)混凝土抗拉性能試驗(yàn)，研究了不同配網(wǎng)率下試件的開(kāi)裂強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度以及破壞模式，主要得出如下結(jié)論：

（1）玄武巖纖維網(wǎng)（BFN）可顯著提高混凝土的斷裂強(qiáng)度和變形能力，配網(wǎng)率為1.66%時(shí)，斷裂強(qiáng)度相比素混凝土提高了172.72%，斷裂應(yīng)變提高了500%.

（2）配網(wǎng)率是BFN-TRC 復(fù)合材料受拉變形的重要影響因素，配網(wǎng)率的增加可以略微提高開(kāi)裂強(qiáng)度，但是能顯著提高變形能力，同時(shí)增加試件斷裂抗拉強(qiáng)度.

（3）復(fù)合材料開(kāi)裂強(qiáng)度隨著配網(wǎng)率增加而提高，當(dāng)配網(wǎng)率提高到一定程度后，由于纖維網(wǎng)與混凝土界面產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)，構(gòu)件開(kāi)裂強(qiáng)度反而下降.