纖維增強(qiáng)高強(qiáng)鋼絞線聚合物砂漿復(fù)合層單軸拉伸試驗(yàn)研究*

廖維張，王秋婉，王紅煒，王俊杰

(1.北京建筑大學(xué)工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高等學(xué)校工程研究中心，北京 100044；2.北京建筑大學(xué)北京未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044)

0 引言

近年來(lái)，既有結(jié)構(gòu)加固成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，纖維增強(qiáng)水泥基材料在加固方面應(yīng)用廣泛，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)纖維增強(qiáng)砂漿復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究。Carmelo等對(duì)3種不同玄武巖纖維增強(qiáng)率和2種不同砂漿試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明復(fù)合材料中間織物層可削弱織物與基體的黏合，并促進(jìn)織物在達(dá)到纖維拉伸強(qiáng)度前過(guò)早滑動(dòng)。朱忠鋒等研究摻粉煤灰或礦粉BFRP網(wǎng)格增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(ECC)復(fù)合層抗拉力學(xué)性能，結(jié)果表明同配合比摻礦粉制成的ECC抗壓強(qiáng)度、開(kāi)裂應(yīng)變及應(yīng)力高于摻粉煤灰。

高強(qiáng)鋼絞線-聚合物砂漿復(fù)合層加固技術(shù)是近年來(lái)應(yīng)用在加固工程中的新興技術(shù)，具有施工方便、不影響外觀和使用、加固層黏結(jié)性好、抗腐蝕和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。聶建國(guó)等研究預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)不銹鋼絞線網(wǎng)-高性能砂漿加固技術(shù)對(duì)RC梁的適用性，證明其可有效提高梁抗彎承載力和剛度，有效控制裂縫發(fā)展。毛榮一等對(duì)高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固層與混凝土界面剝離破壞特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在界面植入抗剪鋼筋能提高聚合物砂漿加固層抗剪承載力及抗剪強(qiáng)度。賈天宇、曹忠民和黃群賢等研究表明，鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿復(fù)合層加固構(gòu)件開(kāi)裂荷載和剛度均顯著提高。朱俊濤等進(jìn)行了基于單根高強(qiáng)不銹鋼鋼絞線在ECC中的黏結(jié)錨固試驗(yàn)，結(jié)果表明高強(qiáng)不銹鋼鋼絞線網(wǎng)和ECC黏結(jié)強(qiáng)度隨ECC強(qiáng)度的降低而減小。黃華等和姚秋來(lái)等對(duì)加固RC梁抗爆性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析，模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。目前對(duì)于復(fù)合層模擬拉伸本構(gòu)模型及力學(xué)性能的影響因素有待進(jìn)一步研究。通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-纖維增強(qiáng)聚合物砂漿材料(HSS-FRCM)復(fù)合層試件進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，研究PP纖維及鋼纖維增強(qiáng)砂漿對(duì)HSS-FRCM復(fù)合層試件單軸拉伸力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

1)纖維增強(qiáng)聚合物砂漿基體為高強(qiáng)聚合物改性水泥砂漿，配合比為水泥∶硅灰∶粉煤灰∶水∶砂∶膠粉5010∶減水劑=0.8∶0.1∶0.1∶1∶2∶0.02∶0.006。無(wú)纖維砂漿28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)實(shí)測(cè)強(qiáng)度59.0MPa，短切PP纖維67.1MPa，短切鋼纖維84.9MPa。PP纖維體積摻量0.16%，鋼纖維為鍍銅鋼纖維，直徑0.2mm，長(zhǎng)徑比50～60，體積摻量1.5%。

2)高強(qiáng)鍍鋅鋼絞線單絲直徑0.8mm，鋼絞線直徑2.4mm，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度1 650MPa，實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度1 971MPa，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 高強(qiáng)鋼絞線拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2 試驗(yàn)方法

參考JGJ 337—2015《鋼絞線網(wǎng)片聚合物砂漿加固技術(shù)規(guī)程》，將鋼絞線保護(hù)層厚度設(shè)為15mm；鋼絞線網(wǎng)經(jīng)向間距和緯向間距分別為20，50mm，用銅絲綁扎固定經(jīng)緯向鋼絞線交接處。共設(shè)無(wú)纖維、短切PP纖維和短切鋼纖維3種砂漿基體，12種試件。每種砂漿基體復(fù)合層試件長(zhǎng)度包括500，550，600，650mm，厚30mm，寬100mm(見(jiàn)圖2)。不同工況用試件編號(hào)表示，如“無(wú)-500”表示長(zhǎng)500mm的無(wú)纖維砂漿基體試件。采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)HSS-FRCM復(fù)合層進(jìn)行單軸拉伸，拉伸過(guò)程中復(fù)合層端部夾持區(qū)域易發(fā)生夾碎破壞，因此需對(duì)夾持區(qū)域進(jìn)行加固。加載方式為位移控制和靜力加載，加載速率為0.3mm/min，采用DH3820靜態(tài)采集系統(tǒng)。當(dāng)出現(xiàn)以下現(xiàn)象時(shí)表示已發(fā)生破壞，停止加載：①夾持區(qū)域出現(xiàn)夾碎現(xiàn)象；②HSS-FRCM整體復(fù)合層拉斷失效；③高強(qiáng)鋼絞線相較于砂漿層發(fā)生了滑移失效。

圖2 HSS-FRCM復(fù)合層示意

2 結(jié)果與分析

2.1 現(xiàn)象與結(jié)果

試件無(wú)-500-2破壞模式為鋼絞線滑移破壞，無(wú)-550-2，無(wú)-650-2，PP-550-1，S-550-2，S-650-2試件破壞模式為復(fù)合層夾碎破壞，其余均為復(fù)合層拉斷破壞。復(fù)合層中部拉斷破壞為最理想的破壞模式，拉斷破壞包括縱橫向鋼絞線節(jié)點(diǎn)處拉斷和縱向鋼絞線拉斷，能充分發(fā)揮材料優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)出整體良好的拉伸性能。加載初期鋼絞線與纖維增強(qiáng)聚合物砂漿基質(zhì)協(xié)同工作，試件處于彈性變形階段，接著試件表面出現(xiàn)細(xì)小裂縫，荷載持續(xù)增大，細(xì)小裂縫開(kāi)始擴(kuò)展至主裂縫，主裂縫處鋼絞線被拉斷。夾持區(qū)域夾碎破壞是由于試件養(yǎng)護(hù)條件未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，或端部環(huán)氧樹(shù)脂膠固化處理工藝未達(dá)到要求。加載過(guò)程中，復(fù)合層表面仍會(huì)相繼產(chǎn)生裂縫。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析分析

2.2.1拉伸荷載-位移

HSS-FRCM復(fù)合層在軸向拉伸作用下的本構(gòu)模型如圖3所示，可分為彈性變形、砂漿基質(zhì)開(kāi)裂及開(kāi)裂失效階段。第1階段整體復(fù)合層處于彈性變形階段，鋼絞線與纖維增強(qiáng)聚合物砂漿協(xié)同工作，E1為整體復(fù)合層彈性模量；第2階段為裂縫發(fā)展階段，荷載增長(zhǎng)不明顯；第3階段為開(kāi)裂破壞階段，主要由鋼絞線承受荷載，直至拉伸斷裂，因此E2為鋼絞線抗拉剛度。

圖3 HSS-FRCM復(fù)合層拉伸荷載-位移曲線

通過(guò)對(duì)不同工況下砂漿復(fù)合層荷載-位移曲線進(jìn)行分析，得到不同砂漿種類復(fù)合層拉伸結(jié)果，如表1所示。

表1 不同砂漿種類復(fù)合層拉伸結(jié)果

由表1可知，彈性變形階段復(fù)合層抗拉強(qiáng)度主要受砂漿種類影響，摻入短切PP纖維或鋼纖維后，對(duì)抗拉強(qiáng)度有不同程度的提高，摻入短切鋼纖維后彈性模量增加更明顯。開(kāi)裂破壞階段主要由鋼絞線承受荷載，因此復(fù)合層彈性模量區(qū)別較小。

PP纖維增強(qiáng)砂漿復(fù)合層與鋼纖維增強(qiáng)砂漿復(fù)合層較無(wú)纖維聚合物砂漿復(fù)合層變形能力有所改善，而短切PP纖維改善能力更明顯。摻入短切纖維后，開(kāi)裂荷載提高較顯著，短切鋼纖維較短切PP纖維增強(qiáng)效果更明顯，達(dá)到47.0%的提高效果，短切PP纖維可增大28.0%開(kāi)裂荷載。對(duì)于極限荷載，短切纖維增強(qiáng)效果相對(duì)較弱，短切PP纖維和短切鋼纖維對(duì)極限抗拉強(qiáng)度分別提高14.9%，16.2%。

同種砂漿工況、不同拉伸長(zhǎng)度下復(fù)合層在軸向拉伸作用下的拉伸荷載-位移曲線如圖4所示。由圖4可知，無(wú)纖維砂漿試件拉伸長(zhǎng)度對(duì)極限荷載值的影響最大。摻入短切鋼纖維后，開(kāi)裂破壞階段在相同位移情況下荷載差異較大，而無(wú)纖維或摻短切PP纖維后相同位移情況下荷載無(wú)明顯差異。對(duì)于彈性階段抗拉剛度，摻短切PP纖維和短切鋼纖維試件較無(wú)纖維試件分別提高13.36%，23.06%，短切鋼纖維能更有效增強(qiáng)復(fù)合層抗開(kāi)裂能力。對(duì)于開(kāi)裂破壞階段抗拉剛度，3種復(fù)合層較接近，即鋼絞線網(wǎng)抗拉剛度一致。

圖4 不同種類砂漿復(fù)合層拉伸荷載-位移曲線

2.2.2應(yīng)力-伸長(zhǎng)率曲線

(1)

式中：δ為鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿復(fù)合層整體伸長(zhǎng)率;l為復(fù)合層在拉伸荷載作用下的伸長(zhǎng)位移;l0為復(fù)合層整體長(zhǎng)度;le為復(fù)合層端部環(huán)氧樹(shù)脂膠固化長(zhǎng)度。

不同種類砂漿復(fù)合層拉伸應(yīng)力σ1和伸長(zhǎng)率δ之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同種類砂漿復(fù)合層拉伸應(yīng)力-伸長(zhǎng)率曲線

由圖5可知，彈性變形階段荷載由砂漿和鋼絞線共同承擔(dān)；裂縫發(fā)展階段曲線呈鋸齒狀波動(dòng)，曲線斜率與開(kāi)裂破壞階段相差不多，皆近似于鋼絞線彈性模量。開(kāi)裂破壞階段主要由鋼絞線承受拉力，試件表面不再有裂縫產(chǎn)生，主要為鋼絞線網(wǎng)拉伸變形，此階段不受砂漿種類影響。由于復(fù)合層開(kāi)裂破壞僅由鋼絞線承擔(dān)荷載，故開(kāi)裂破壞階段合層拉伸應(yīng)力為鋼絞線拉伸應(yīng)力σ1：

(2)

式中：F為復(fù)合層拉力；d為鋼絞線單絲直徑(每根鋼絞線由7根單絲鋼絞線擰成)。

3 結(jié)語(yǔ)

1)試驗(yàn)中復(fù)合層在軸向拉伸荷載作用下的破壞模式主要為復(fù)合層直接拉斷失效、復(fù)合層發(fā)生鋼絞線較聚合物砂漿層的滑移及復(fù)合層端部夾持區(qū)域出現(xiàn)夾碎現(xiàn)象，其中，復(fù)合層整體拉斷破壞為較理想的破壞模式。

2)砂漿中摻入短切纖維能有效改善復(fù)合層拉伸力學(xué)性能，在基體中摻入短切PP纖維和短切鋼纖維后，試件破壞荷載較無(wú)纖維試件可分別提高12.5%，16.4%，鋼纖維能更有效提高極限抗拉強(qiáng)度。復(fù)合層彈性變形階段力學(xué)性能受纖維種類影響較大，摻入短切PP纖維和短切鋼纖維試件彈性變形階段彈性模量分別提高13.36%，23.06%，開(kāi)裂荷載提高達(dá)28.3%，47.5%。

3)復(fù)合層長(zhǎng)度對(duì)無(wú)纖維試件抗拉能力影響較大，破壞荷載幅值相差約20%，且隨著復(fù)合層長(zhǎng)度的增加，破壞荷載有增長(zhǎng)趨勢(shì)。復(fù)合層長(zhǎng)度為650mm時(shí)，不同種類復(fù)合層破壞荷載較接近。

4)摻短切PP纖維和短切鋼纖維復(fù)合層的平均伸長(zhǎng)率分別為0.027，0.024，較無(wú)纖維時(shí)伸長(zhǎng)率有不同程度的提高。裂縫發(fā)展階段摻短切PP纖維試件在拉伸過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫細(xì)而密，較摻短切鋼纖維試件產(chǎn)生的裂縫更多，摻短切PP纖維較短切鋼纖維更能提高復(fù)合層整體伸長(zhǎng)率，可有效改善整體變形能力。