纖維格柵增強(qiáng)水泥混凝土的研究與應(yīng)用

龍?zhí)靷?楊嘉霖 陳曉彬 黃婉蓉 廖蔚彬 鄭東萍

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院）

混凝土材料是應(yīng)用最為廣泛的建筑材料，但是普通混凝土材料的抗拉強(qiáng)度一般只有抗壓強(qiáng)度的十分之一，甚至更小，導(dǎo)致混凝土材料在受拉時(shí)容易產(chǎn)生裂縫，并且其在受拉破壞時(shí)呈現(xiàn)的是脆性破壞[1]，危害結(jié)構(gòu)安全。雖然隨著混凝土材料的發(fā)展，其抗壓強(qiáng)度不斷得到提高，但其抗拉強(qiáng)度依然較低，并且不能明顯改善混凝土脆性破壞的缺點(diǎn)。為了提高混凝土的抗拉強(qiáng)度及改善脆性破壞的缺點(diǎn)，主要有通過(guò)在水泥基體中摻入短切纖維、薄膜、編織布等纖維增強(qiáng)材料的方法，從而得到抗拉強(qiáng)度更高，延性更好的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。對(duì)于各種纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，纖維格柵由于其纖維具有更加規(guī)整的排列，在相同纖維含量的條件下，其纖維對(duì)水泥基的增強(qiáng)效率更高[2-3]。以下分別就纖維格柵-基體界面粘貼性能、纖維格柵增強(qiáng)水泥混凝土的抗拉性能以及纖維格柵增強(qiáng)水泥混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用三個(gè)方面對(duì)纖維格柵增強(qiáng)水泥混凝土材料進(jìn)行介紹。

1 纖維格柵與水泥基體之間的界面粘貼性能

纖維格柵與混凝土的協(xié)同工作主要是由纖維格柵和混凝土之間的粘貼界面決定的，因此纖維格柵和混凝土之間的粘貼界面直接決定了纖維格柵增強(qiáng)水泥混凝土的力學(xué)性能。為了探討纖維格柵和水泥混凝土之間的界面粘貼性能，周臻等[4]對(duì)網(wǎng)格增強(qiáng)UHPC 薄板進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，如圖1 所示。研究結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂浸漬，并在表面進(jìn)行粘砂處理的網(wǎng)格能保證其與水泥基有效粘貼。此外，使用粒徑為0.15～0.30mm 的砂粒對(duì)纖維編織網(wǎng)進(jìn)行粘砂處理時(shí)，纖維格柵與水泥基體的粘貼效果最好[5]。Peled 等人[6-8]對(duì)編織方式為平織的纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維束之間表面帶有波紋形狀的節(jié)點(diǎn)能很好地提高纖維編織網(wǎng)和基體的界面粘貼性能，不同的纖維編織網(wǎng)幾何特性可導(dǎo)致粘貼性能提高和較低彈性模量的纖維束獲得應(yīng)變硬化行為，也可能會(huì)降低纖維束的工作效率。由此可見(jiàn)，纖維格柵與水泥基體之間的界面粘貼性能主要受纖維格柵表面形式、格柵的幾何網(wǎng)格特性等的影響。

圖1 薄板試件尺寸示意圖[4]

2 纖維格柵增強(qiáng)混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能

纖維格柵增強(qiáng)混凝土構(gòu)件可用于加固現(xiàn)有的混凝土結(jié)構(gòu)，如橋墩等，為探究纖維格柵增強(qiáng)混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能，朱忠鋒等人[9]以玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Basalt fiber reinforced polymer，簡(jiǎn)稱：BFRP）格柵的層數(shù)和水泥基的配合比為變量，制作了33 個(gè)棒骨試件，如圖2 所示，并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：隨著格柵層數(shù)的增加，棒骨試件的極限抗拉強(qiáng)度顯著增大。表面經(jīng)過(guò)粘砂處理的玄武巖格柵與基體的粘貼性能顯著提高，破壞時(shí)，玄武巖格柵的平均應(yīng)變?yōu)槠錁O限抗拉應(yīng)變的95%。朱忠鋒等人[10]還研究了在反復(fù)荷載作用下，BFRP 格柵增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料平板的抗拉性能，研究結(jié)果表明：在反復(fù)荷載作用下纖維格柵與基體的粘貼性能保持良好，平板的外包絡(luò)線與靜力荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線保持一致，破壞時(shí)格柵的平均抗拉應(yīng)變?yōu)楦駯艠O限抗拉應(yīng)變的85%，平板的延性得到提高。鄭宇宙等人[11]研究了4 組24 塊截面尺寸為100mm×30mm、長(zhǎng)度為400mm 的薄板試件的抗拉性能，每組的格柵的厚度分別為0mm、1mm、3mm、5mm，試驗(yàn)結(jié)果表明：與對(duì)照組（格柵厚度為0mm）相比，格柵厚度為1mm、3mm、5mm 的薄板試件的開(kāi)裂荷載的平均值分別增長(zhǎng)了12%、3%、14%，極限荷載的平均值分別增長(zhǎng)了43%、100%、177%，其極限應(yīng)變的平均值分別增長(zhǎng)了9%、47%、77%，這表明纖維格柵增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的軸向剛度、極限拉應(yīng)變和抗拉強(qiáng)度都得到了較大提高。為了探究纖維格柵增強(qiáng)水泥基材料作為混凝土約束材料，特別是結(jié)構(gòu)柱的約束材料的力學(xué)性能，Ali N. Al-Gemeel 等人[12]首次對(duì)玄武巖格柵增強(qiáng)面向工程的水泥基復(fù)合材料（Engineered cementitious composite，簡(jiǎn)稱：ECC）進(jìn)行環(huán)向拉伸實(shí)驗(yàn)研究，共5 組，分別為織物纖維體積摻量為0、0.5%、0.8%、1%的ECC 試件和織物纖維體積摻量為0.8%的常規(guī)水泥砂漿試件，結(jié)果表明：與不含織物纖維的ECC 構(gòu)件相比，織物纖維體積摻量為0.5%、0.8%、1%的ECC 試件的初裂荷載和峰值荷載分別增加了77%和50%、202%和103%、90%和69%，這也表明織物纖維的體積摻量不是越大越好，在本實(shí)驗(yàn)中，玄武巖格柵增強(qiáng)ECC 試件的最優(yōu)織物纖維體積摻量是0.8%。

圖2 玄武巖纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（BFGRE）棒骨試件示意圖[9]

3 纖維格柵增強(qiáng)水泥混凝土的應(yīng)用

纖維格柵增強(qiáng)水泥混凝土因其抗拉強(qiáng)度高、抗裂性能好，無(wú)需考慮鋼筋腐蝕問(wèn)題，結(jié)構(gòu)的厚度小，可工廠預(yù)制加工，無(wú)磁性等優(yōu)點(diǎn)，吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究開(kāi)發(fā)其應(yīng)用場(chǎng)景。為解決水工環(huán)境中大保護(hù)層結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫寬度大、耐久性差的問(wèn)題，何化南等人[13]制作了12 根大保護(hù)層鋼筋混凝土梁進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，如圖3 所示。其中9 根在靠近梁底位置布置碳纖維格柵，另外3 根不布置格柵，當(dāng)彎矩達(dá)到特定值時(shí)，配置纖維格柵的試驗(yàn)梁相比于未配置纖維格柵的試驗(yàn)梁，其最大裂縫寬度、平均裂縫間距分別減小19%～47%和24%～41%。研究表明：纖維格柵具有良好的限裂效果，并且隨著格柵網(wǎng)格尺寸的減小和格柵層數(shù)的增加，裂縫數(shù)量增多，裂縫寬度和平均裂縫間距減小，抗裂性能更好。為解決在潮濕環(huán)境下，外貼FRP 加固墩柱施工困難的問(wèn)題，朱忠鋒等人[14]對(duì)玄武巖纖維格柵/ECC 復(fù)合加固鋼筋混凝土圓柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：與對(duì)比柱相比，配置纖維格柵/ECC 復(fù)合加固層的試件開(kāi)裂荷載提高了35.9%～73%，極限荷載提高了44.6%～62.6%，玄武巖纖維格柵與ECC 的復(fù)合加固層能給混凝土圓柱提供有效的約束，從而提高其變性能力和承載能力。幾乎所有的混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆施工，都會(huì)用到混凝土模板體系，然而，現(xiàn)有的模板體系的生產(chǎn)、組裝及循環(huán)利用的成本非常高，通常占混凝土結(jié)構(gòu)總造價(jià)的50%以上[15]。田會(huì)文等人[16]提出一種配置碳纖維格柵的超高性能混凝土永久模板混凝土組合柱，如圖4 所示，并對(duì)該新型組合柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：該模板體系可以顯著提高組合柱的峰值荷載，并在后峰值荷載階段表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性，這種應(yīng)變硬化特性是由于碳纖維格柵對(duì)組合柱提供了充分的約束引起的。有一點(diǎn)值得注意，該新型永久模板組合柱也較不配置該永久模板的對(duì)比柱的脆性增大。

圖3 試驗(yàn)梁橫截面和碳纖維格柵示意圖[13]

圖4 UHPC 永久模板增強(qiáng)混凝土柱[16]

4 結(jié)語(yǔ)與展望

纖維增強(qiáng)混凝土有諸多優(yōu)異的性能，從力學(xué)性能來(lái)看，其具有抗拉強(qiáng)度高、抗裂性能好的特性，除了可以用于加固現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)、制作現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的永久模板外，還可以用于輸送液體、氣體的壓力管道，如市政供水管道。由于纖維格柵增強(qiáng)混凝土不含鋼材，耐腐蝕性好，可減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的保護(hù)層厚度，使造型靈動(dòng)、輕便的建筑設(shè)計(jì)成為可能，滿足人們對(duì)建筑個(gè)性化、建筑美觀的需求，例如建筑的薄殼結(jié)構(gòu)。還由于纖維格柵增強(qiáng)混凝土的防磁化性能，可應(yīng)用在安放精密設(shè)備的建筑建造中，例如醫(yī)院的放射性檢查室。纖維格柵增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研究還比較少，應(yīng)用場(chǎng)景還不多，還有待學(xué)者的進(jìn)一步探究。