無(wú)機(jī)膠浸漬纖維束夾片式錨具錨固機(jī)理研究

杜運(yùn)興, 湯紫云

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

0 引言

纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土(TRC)性能優(yōu)異，在建筑領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1]。作為TRC構(gòu)件主要材料之一的纖維編織網(wǎng)，其本身具有高強(qiáng)、耐久、耐腐蝕、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。纖維編織網(wǎng)的種類、是否涂層處理、配網(wǎng)率、是否施加預(yù)應(yīng)力和施加預(yù)應(yīng)力的大小等對(duì)TRC的優(yōu)良性能有重要影響[2 -4]。其中，對(duì)纖維編織網(wǎng)施加預(yù)拉力可以顯著提高TRC構(gòu)件的開(kāi)裂荷載和極限承載力、減小變形、提高纖維編織網(wǎng)的利用率[5-6]。因此，對(duì)預(yù)應(yīng)力TRC構(gòu)件展開(kāi)充分研究很有實(shí)際價(jià)值。

目前，對(duì)纖維編織網(wǎng)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉采用的皆為多根張拉方式。杜運(yùn)興[7]等采用2根滾軸利用自鎖原理對(duì)纖維布材進(jìn)行纏繞，對(duì)布材實(shí)現(xiàn)錨固后置于張拉臺(tái)座上對(duì)纖維布材施加預(yù)應(yīng)力。ERNEST BERNAT-MASO[8]等使用木板纏繞纖維布材，對(duì)纖維布材進(jìn)行張拉。劉平成[9]等改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種碳纖維束夾具系統(tǒng)，利用環(huán)氧樹(shù)脂將帶齒夾板和碳纖維粘接，再用夾緊螺栓為齒板和纖維束之間提供壓力錨固碳纖維束。由此可見(jiàn)，多根張拉可以實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力施加，但是由于纖維網(wǎng)上各纖維束幾何特性有差異，此方法無(wú)法保證各纖維束受拉應(yīng)力大小一致，影響預(yù)應(yīng)力施加的效果和大小。因此可以考慮設(shè)計(jì)一種錨具對(duì)纖維網(wǎng)各纖維束實(shí)現(xiàn)單根錨固，調(diào)節(jié)其初應(yīng)力一致后再進(jìn)行張拉。

夾片式錨具設(shè)計(jì)靈活，施工方便，可重復(fù)使用，對(duì)使用環(huán)境要求低于粘結(jié)式錨具。2014年，鄧?yán)誓輀10]等設(shè)計(jì)了一種夾片式錨具，對(duì)其受力機(jī)理進(jìn)行分析，利用摩阻錨固原理實(shí)現(xiàn)了纖維板的錨固。蔣田勇[11]通過(guò)對(duì)錨具的靜力分析, 根據(jù)Von Mises屈服準(zhǔn)則，確定了CFRP預(yù)應(yīng)力筋錨具的尺寸。本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上, 對(duì)水玻璃浸漬碳纖維束夾片式錨具進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)錨具進(jìn)行了靜載錨固試驗(yàn)，分析了影響錨固效果、纖維斷裂和滑出的原因，研究了推力、夾片潤(rùn)滑度、纖維束粗糙度和端部涂層性質(zhì)這4個(gè)因素對(duì)錨固性能的影響。

1 錨具尺寸確定

1.1 夾片錐角尺寸

本文借鑒碳纖維板夾片式錨具的原理，設(shè)計(jì)了一種碳纖維束夾片式錨具，錨具由夾片、錨筒、U槽、套筒和螺桿組成，如圖1所示。碳纖維束的最大寬度為6 mm左右，取夾片的寬度為7 mm。

圖1 夾片式錨具

用θ表示夾片和錨筒的傾角，μ1、μ2表示夾片-纖維界面摩擦系數(shù)、夾片-錨筒界面摩擦系數(shù)。則張拉時(shí)要求夾片能夠跟進(jìn)應(yīng)滿足以下關(guān)系[12]：

(1)

式中：μ1通常為0.1～0.3[13]；μ2為0.1。本文中夾片錐角為2.86°，滿足式(1)。

1.2 錨杯尺寸

由文獻(xiàn)[10]可知，錨筒的應(yīng)力計(jì)算如圖2所示，錨筒的應(yīng)力狀態(tài)為σ1=0，σ2=-σ2(x)，σ3=-σ′(x)，根據(jù)Von Mises屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則，有：

圖2 錨杯應(yīng)力計(jì)算圖

σs

(2)

試驗(yàn)得到水玻璃浸漬纖維束的極限拉伸荷載平均值為2 262 N。假設(shè)取P=4 kN，μ2=0.1，σS=850 MPa，lB=60 mm，b=7 mm，θ=2.86°，錨筒在自由端的最小厚度t2=3 mm，為加工方便，取t2=5 mm。則根據(jù)幾何關(guān)系可取錨筒張拉端厚度為：t2b=t2+lBtanθ=8 mm。

1.3 夾片尺寸

根據(jù)圖2，令?yuàn)A片的長(zhǎng)度等于錨筒長(zhǎng)度，?。簍1b=t2=5 mm，則t1=t1b+lBtanθ=8 mm。

1.4 U形夾尺寸

張拉時(shí)U形夾受力分析如圖3所示，R為錨筒作用于U形夾擋板上的力。取擋板厚度t為3 mm，寬度等于錨筒寬度B，其抗剪承載力fv=125 N/mm2，則其承受剪切力滿足式(3)。

圖3 張拉時(shí)U形夾受力分析圖

V=fv×t×B≥R

(3)

2 錨具系統(tǒng)拉伸試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

錨具材料選用Q235鋼材，圖1為夾片式錨具。試驗(yàn)中采用的碳纖維編織網(wǎng)經(jīng)水玻璃浸漬處理。試件為單根徑向碳纖維束，纖維寬度為4～6 mm，長(zhǎng)度為220 mm，標(biāo)距為100 mm，兩端的錨固長(zhǎng)度為60 mm，碳纖維性能的材料參數(shù)如下：類型為TC-36S12K，直徑0.7 μm，抗拉強(qiáng)度3 400 MPa，抗拉彈性模量240 GPa，伸長(zhǎng)率0.7%，線密度1.8 g/m。

2.2 試驗(yàn)裝置及加載方案

張拉錨固試驗(yàn)采用如圖4所示的MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)用2.5 mm/min速率位移控制加載。

圖4 拉伸試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了15組工況，見(jiàn)表1。為研究纖維表面的粗糙度的影響，對(duì)浸漬后碳纖維束端部進(jìn)行粘砂，將細(xì)砂與水玻璃按0.2、0.6、1.0的比例混合，攪拌均勻后刷在硬化碳纖維束兩端，35 ℃恒溫固化24 h后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，這樣纖維束表面粗糙度與砂含量相關(guān)，砂含量越高，纖維表面的粘砂越多，纖維表面越粗糙，試件編號(hào)分別為B0.2、B0.6、B1.0；采用520速干膠水，刷到纖維束兩端上后，沾上細(xì)砂，固化后拂去表面浮砂，試件編號(hào)為C。對(duì)纖維端部進(jìn)行涂砂漿處理、涂水玻璃、涂環(huán)氧膠處理，研究纖維表面涂層性能對(duì)錨固性能的影響，試件編號(hào)分別為D、E、F。對(duì)試件端部固定卡扣，拉伸試驗(yàn)時(shí)卡扣可以對(duì)夾片產(chǎn)生推力，并將其與未做處理的碳纖維束進(jìn)行對(duì)比，研究施加推力對(duì)錨固性能的影響，試件編號(hào)為G，A表示未處理試件。用數(shù)字表示夾片處理方式研究夾片與錨筒之間的潤(rùn)滑度對(duì)錨固性能的影響，0表示未涂石墨層，1表示已涂石墨層。

表1 試件結(jié)果匯總Table 1 Test specimens results工況組號(hào)試件編號(hào)最大張拉力(標(biāo)準(zhǔn)差)/kN破壞方式是否跟進(jìn)1A-01.51(0.24)滑移否2B0.2-0—滑移否3B0.6-01.60(0.15)滑移否4B1.0-01.84(0.13)夾斷是5C-01.78(0.33)夾斷是6D-01.67(0.21)夾斷是7A-11.70(0.27)夾斷是8G-01.47(0.05)夾斷否9B0.2-12.18(0.19)夾斷是10B0.6-11.65(0.09)夾斷是11B1.0-11.78(0.14)夾斷是12C-12.14(0.28)夾斷是13D-11.78(0.30)夾斷是14E-11.96(0.25)夾斷是15F-12.33(0.24)拉斷是

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 極限荷載和破壞模式

表1為各試件極限荷載、其對(duì)應(yīng)的破壞形式和夾片的跟進(jìn)情況，表中數(shù)值表示平均值，括號(hào)內(nèi)表示標(biāo)準(zhǔn)差。試件破壞分為滑移、夾斷和拉斷破壞共3種形式。根據(jù)圖5(a)、 圖5(b)可以看出，試件在拉伸端部夾斷，端部端口不整齊，伴隨著撕裂現(xiàn)象；這是由于纖維在制作、操作過(guò)程中存在差異，且拉伸過(guò)程中纖維無(wú)法保證完全對(duì)中錨具等原因，導(dǎo)致纖維束并不能達(dá)到理想的斷裂。本試驗(yàn)中纖維在中部炸裂，是最理想的破壞形式，如圖5(c)、 圖5(d)所示。

(a) 破壞模式 1

3.2 推力的影響

試驗(yàn)時(shí)，試件A-0發(fā)生滑移破壞。試件G-0進(jìn)行拉伸時(shí)，出現(xiàn)夾片跟進(jìn)不齊、卡扣偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，隨著拉伸荷載的增加，此現(xiàn)象更明顯，如圖6所示，破壞時(shí)纖維在端部夾斷并撕裂。

圖6 卡扣發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象

張拉時(shí)夾片的受力分析如圖7所示，纖維束和錨板對(duì)夾片的擠壓應(yīng)力為N1、N2，纖維束和錨板對(duì)夾片的摩擦力為μ1N1、μ2N2，實(shí)現(xiàn)跟進(jìn)條件為：

圖7 夾片式錨具受力分析圖

未加卡扣：

μ1N1≥N2sinθ+μ2N2cosθ

(4)

加卡扣：

μ1N1+T≥N2sinθ+μ2N2cosθ

(5)

由此可知，試件A-0滑出錨具是由于纖維束與夾片之間的摩擦系數(shù)μ1小，不滿足式(4)。而固定卡扣后，拉伸時(shí)夾片在推力T作用下逐漸跟進(jìn)，此時(shí)壓力N1、N2作用小，容易滿足式(5)；隨著夾片跟進(jìn)，壓力N1、N2作用逐漸增大，摩擦力作用增大，兩側(cè)摩擦系數(shù)μ1、μ2一旦未滿足式(5)，便導(dǎo)致夾片停止跟進(jìn)，于是很容易出現(xiàn)夾片跟進(jìn)不齊現(xiàn)象；隨著夾片跟進(jìn)不齊現(xiàn)象顯著，卡扣出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致推力T作用于跟進(jìn)側(cè)夾片，從而加劇夾片跟進(jìn)不齊現(xiàn)象。

3.3 夾片潤(rùn)滑度的影響

石墨由于其層狀晶體結(jié)構(gòu)[14]，層間黏接力較弱，常被用來(lái)做固體潤(rùn)滑劑，可以起到很好的減摩作用。因此石墨可以減小錨杯和夾片之間的摩擦系數(shù)，增加夾片滑移，使夾片與錨筒、夾片與纖維束之間接觸更加充分，有利于提高錨具的極限承載能力。

3.4 纖維束粗糙度的影響

研究了粗糙度對(duì)錨固性能的影響。結(jié)果表明，試件B0.2-0纖維束表面附著細(xì)砂顆粒少，纖維束與夾片之間的摩擦系數(shù)小，纖維加載至83、845、310 N時(shí)便會(huì)發(fā)生滑移；試件B0.6-0拉伸過(guò)程中夾片會(huì)逐漸出現(xiàn)跟進(jìn)不齊現(xiàn)象，并且拉伸荷載越增加，此現(xiàn)象越嚴(yán)重，最后到1 600 N左右便會(huì)發(fā)生滑移；B01.0-0試件纖維表面會(huì)形成厚厚的水玻璃與砂?；旌蠈樱傲７植际杳懿痪?，拉伸纖維時(shí)夾片跟進(jìn)，破壞時(shí)纖維在夾片內(nèi)部被夾斷。夾片涂上石墨層后拉伸時(shí)夾片均能實(shí)現(xiàn)同步跟進(jìn)；但當(dāng)纖維含砂量增大時(shí)，纖維拉伸荷載將減小，試件B0.6-1和試件B01.0-1的拉伸荷載較試件B0.2-1分別降低了27.6%和21.9%。

纖維典型的破壞形貌如圖8所示，圖8(a)為B0.2-1，圖8(b)為B0.6-1，圖8(c)為B01.0-1。從圖中可以看出，部分水玻璃-砂粒混合層被壓碎掉落，纖維表面均仍有水玻璃砂?；旌蠈託堄?；試件B0.6-1和試件B01.0-1的纖維破壞斷面整齊，且纖維表面纖維絲有被整齊切斷的現(xiàn)象。如圖9(b)所示，當(dāng)錨固系統(tǒng)受到拉力后，夾片滑移，纖維束產(chǎn)生變形，纖維表面混合層被壓碎，纖維表層纖維絲被砂粒剪斷形成薄弱截面進(jìn)而被拉斷。

(a) 受拉力前

試件C的拉伸結(jié)果表明，其破壞荷載較試件B0.2-1、試件B0.6-1和試件B01.0-1分別小1.8%、大22.9%和大16.8%；在顯微鏡觀測(cè)下能明顯看出破壞后502黏接劑仍能將砂粒粘接于纖維束表面，這是因?yàn)樗Ａюそ觿┳鳛闊o(wú)機(jī)膠黏接劑不似強(qiáng)力有機(jī)膠以共價(jià)鍵作用，而是以離子鍵作用，其黏接主體是膠體二氧化硅，結(jié)構(gòu)相對(duì)剛性，質(zhì)脆，因此黏接性相對(duì)較低[15]。502黏接劑會(huì)與纖維束的碳纖維絲牢固粘接，增強(qiáng)其整體性。試件C破壞形貌如圖8(d)所示，其斷面較為整齊，說(shuō)明砂粒會(huì)將纖維絲剪斷，對(duì)纖維束造成損傷。

(a) 破壞形貌1

3.5 端部涂層材料的影響

從表1可以看出，纖維束的拉伸破壞荷載與端部涂層材料性質(zhì)有關(guān)，試件D-1、E-1、F-1較試件A-1的拉伸荷載均有所提高，分別提高了4.7%、15.3%、37.1%。A-1的破壞斷面如圖8(e)所示，可以看到纖維表面無(wú)膠層，纖維斷面參差不齊，因此其拉伸荷載不高。試件D-1經(jīng)表面涂抹砂漿處理后，拉伸破壞時(shí)纖維在夾片內(nèi)部被夾碎，夾片內(nèi)側(cè)附著有砂漿粉末，其破壞形貌如圖8(f)所示，纖維被剪斷，斷面處表面附著砂漿脫落，并未形成保護(hù)層，因此其破壞荷載較A-1提升并不明顯。

與試件D-1不同，試件E-1和試件F-1表面形成膠層，拉伸試件時(shí)，夾片楔緊產(chǎn)生壓力，膠層被壓縮，這有利于緩和纖維束所受徑向擠壓力不均勻分布程度，提高纖維束的破壞荷載。但是由于水玻璃的抗折強(qiáng)度為4.82 MPa[15]，在夾片內(nèi)部仍然會(huì)被壓碎，因此對(duì)纖維束的破壞荷載提升有限，且纖維束的破壞模式并未得到改善。當(dāng)采用抗壓強(qiáng)度為110～130 MPa，抗折強(qiáng)度90～120 MPa的高溫環(huán)氧膠[16]時(shí)，對(duì)破壞荷載的提升效果更加明顯，達(dá)37.1%。且出現(xiàn)纖維中部炸裂現(xiàn)象。由圖8(g)、 圖8(h)可以看出，膠層薄時(shí)，纖維表面膠層被壓碎，但是其內(nèi)部纖維束并未受到破壞；膠層厚時(shí)，膠層未被壓碎，不影響碳纖維束拉伸性能的發(fā)揮。

3.6 荷載位移曲線

圖10為試件F-1的荷載-位移曲線。由于錨具系統(tǒng)未進(jìn)行預(yù)張拉來(lái)消除夾片纖維錨筒之間的間隙，拉伸試驗(yàn)初期，夾片滑移大，此時(shí)荷載隨位移增大緩慢增加，曲線的斜率??；隨著夾片跟進(jìn)楔緊，纖維夾片間擠壓力增大，夾片跟進(jìn)量減小，曲線的斜率增大；當(dāng)達(dá)到破壞荷載時(shí)，纖維束從中間炸開(kāi)，荷載降至為0。

圖10 試件F-1荷載-位移曲線

纖維的拉伸破壞荷載70%都能達(dá)到2.2 kN以上，有的甚至可以達(dá)到2.7 kN。拉伸破壞荷載未達(dá)2 kN的概率約為20%，但均到達(dá)1.95 kN以上。表明研發(fā)的錨具系統(tǒng)錨固性能良好，能發(fā)揮碳纖維束的靜力性能。

4 結(jié)論

本文通過(guò)靜載錨固試驗(yàn)，研究了推力、夾片潤(rùn)滑度、纖維束粗糙度、端部涂層性質(zhì)對(duì)錨固性能的影響，得到以下結(jié)論：

a.增加推力有利于拉伸前期夾片的跟進(jìn)，但在拉伸后期會(huì)加重夾片不跟進(jìn)現(xiàn)象。

b.增加夾片與錨筒之間潤(rùn)滑度，可以增加夾片的跟進(jìn)性，提高錨具系統(tǒng)的錨固性能。

c.纖維束表面的粗糙度增加對(duì)改善纖維的破壞模式有一定影響，但是粗糙度過(guò)高，纖維表面砂粒會(huì)對(duì)纖維束造成剪切，反而降低其拉伸荷載。當(dāng)夾片涂石墨后，用含砂量為20%的水玻璃混合液涂抹纖維束端部的試件，錨具系統(tǒng)表現(xiàn)出的錨固性能最好。

d.端部涂層材料對(duì)錨固系統(tǒng)有重要影響，材料的抗壓強(qiáng)度越高，對(duì)纖維束的保護(hù)效果越好，可以提高錨具系統(tǒng)的錨固性能，改善碳纖維束的破壞模式。

e.錨具系統(tǒng)拉伸纖維破壞荷載高達(dá)2.7 kN，能充分發(fā)揮纖維束的拉伸性能，滿足錨固要求。