織物增強(qiáng)混凝土的纖維協(xié)同等代效應(yīng)對約束混凝土的影響分析

翟夢超，王景全，姚一鳴

(東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

0 引 言

織物增強(qiáng)混凝土(Textile Reinforced Concrete,TRC)是由連續(xù)的耐堿纖維網(wǎng)格增強(qiáng)高性能細(xì)骨料混凝土的一種新型復(fù)合材料，具有多縫開裂的特點(diǎn)和優(yōu)異的拉伸性能[1]。TRC輕質(zhì)高強(qiáng)的特性與薄壁構(gòu)件具有良好的匹配度，同時(shí)其材料本身具有高耐久性，因此可將TRC用于已有結(jié)構(gòu)的維修加固改造或用作永久模殼快速施工。

研究發(fā)現(xiàn)，在TRC中混合摻入短纖維，如鋼纖維、玻璃纖維、合成纖維等，利用短纖維與織物的交織穿插，可以提升織物與基體的界面黏結(jié)性能[2-3]，進(jìn)而減小裂縫寬度，增加裂縫數(shù)量，增強(qiáng)材料的裂縫控制能力。同時(shí)，短纖維的摻入有效改善了細(xì)骨料混凝土的內(nèi)部缺陷，提升了基體的開裂強(qiáng)度，使得復(fù)合材料整體取得更高的拉伸強(qiáng)度和韌性[3-5]。從另外的角度分析，連續(xù)織物與短切分布纖維的混合使用起到了協(xié)同增強(qiáng)增韌效果，在短纖維增強(qiáng)混凝土中使用織物可降低短纖維摻量，改善拌合物的工作性能，從而優(yōu)化施工過程，有利于保障硬化混凝土的力學(xué)性能。

TRC的工程應(yīng)用多用于薄壁構(gòu)件，使用TRC加固混凝土柱能夠有效提升結(jié)構(gòu)的承載力、延性和耐久性能。Al-Gemeel等[6]研究了3種不同的玄武巖纖維網(wǎng)格增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(Engineering Cementitious Composite，ECC)加固混凝土柱的軸壓性能；Ortlepp等[7]使用TRC部分和全包加固柱，分析了各組分的承載性能；尹世平等[8]研究了纖維網(wǎng)層數(shù)、織物搭接長度等因素對加固混凝土柱軸心受壓性能的影響；江佳斐等[9]研究了織物增強(qiáng)ECC加固柱的軸壓性能，并提出了加固柱承載力的計(jì)算方法；荀勇等[10]研究TRC預(yù)制柱模板后澆混凝土加固柱的軸壓性能。

關(guān)于TRC加固混凝土柱的有限元模擬研究較少，王新玲等[11]通過有限元研究了ECC層厚度、網(wǎng)格尺寸對織物增強(qiáng)ECC加固柱軸壓性能的影響；陸新征等[12]通過有限元對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)布約束混凝土方柱的軸心受壓性能進(jìn)行了分析，并對FRP布約束混凝土柱的機(jī)理進(jìn)行了分析；戎芹等[13]對鋼管加固高強(qiáng)混凝土短柱的軸壓性能進(jìn)行了有限元分析，揭示了套箍系數(shù)、核心混凝土強(qiáng)度對短柱軸壓性能的影響。

目前關(guān)于TRC材料及應(yīng)用方面的研究中，TRC材料參數(shù)的選取，如織物的種類和層數(shù)布置、短纖維的摻量等具有多樣性。各組分協(xié)同工作機(jī)制和等代關(guān)系的確定將是TRC進(jìn)一步推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

本文通過數(shù)值計(jì)算，研究織物層數(shù)和短纖維摻量對織物增強(qiáng)ECC(Textile Reinforced Engineering Cementitious Composite,TR-ECC)和織物增強(qiáng)UHPC(Textile Reinforced Ultra High Performance Concrete,TR-UHPC)拉伸性能的影響，并在結(jié)構(gòu)層面研究TR-UHPC的約束能力及其對不同強(qiáng)度核心混凝土的約束效率以及織物與纖維的替代關(guān)系。

1 織物增強(qiáng)纖維混凝土拉伸本構(gòu)

1.1 TRC模型驗(yàn)證

對文獻(xiàn)[5]中的玄武巖增強(qiáng)復(fù)合材料(BFRP)織物增強(qiáng)ECC薄板拉伸試件進(jìn)行數(shù)值模擬，模型具體尺寸如圖1所示。BFRP織物網(wǎng)格參數(shù)如表1所示，將其視為線彈性材料，使用T3D2單元建模并按設(shè)定織物層數(shù)嵌入到ECC加固層中，模型不考慮織物和混凝土間的滑移。ECC材料本構(gòu)采用塑性損傷模型，其單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用Kanda等[14]提出的雙線性模型，抗拉彈性模量為16.6 GPa，極限拉應(yīng)力為7.28 MPa。

表1 纖維織物網(wǎng)格參數(shù)Tab.1 Mesh Parameters of Fabric

有限元計(jì)算結(jié)果如圖2所示，模擬試件破壞以纖維織物斷裂為限，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果在試驗(yàn)試件失效前擬合較好，其中因模擬過程未考慮纖維織物的黏結(jié)滑移效應(yīng)，有限元計(jì)算中試件的受力更均勻，因此極限承載力和位移更大。

1.2 TR-ECC拉伸本構(gòu)

更換TRC有限元模型中的ECC本構(gòu)參數(shù)，研究不同體積摻量超高分子量聚乙烯(PE)短纖維和織物網(wǎng)格的協(xié)同工作響應(yīng)。ECC材料本構(gòu)采用文獻(xiàn)[15]中給出的根據(jù)試驗(yàn)得到的簡化雙線性模型，模型對應(yīng)參數(shù)見表2，所用PE短纖維參數(shù)如表3所示。

表2 ECC單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of ECC Uniaxial Tensile Test

表3 PE纖維參數(shù)Tab.3 Parameters of PE Fiber

布置1層BFRP織物，不同PE短纖維摻量的計(jì)算結(jié)果見圖3，模型均失效于BFRP網(wǎng)格斷裂，其中除PE-0.75%外，其余摻量的ECC基體極限拉伸應(yīng)變均大于織物網(wǎng)格的失效應(yīng)變，故試件峰值應(yīng)變均位于2.31%左右。模型B1PE-0.75%在基體材 料過早達(dá)到抗拉強(qiáng)度后失去承載力，某處織物網(wǎng)格提前承擔(dān)截面全部的力，隨即達(dá)到極限強(qiáng)度，故模型的名義拉伸應(yīng)變小于織物的極限應(yīng)變值。

雖然PE纖維體積摻量為1.5%和2%時(shí)的ECC具有更高的極限強(qiáng)度和更好的延性，但是PE纖維體積摻量為1%時(shí)短纖維分散程度更好，具有更高的初裂強(qiáng)度，因此，在和BFRP纖維網(wǎng)格協(xié)同工作下，獲得了更優(yōu)異的拉伸性能，極限強(qiáng)度為11.83 MPa。

如圖4所示，2層纖維織物顯著提高模型的拉伸強(qiáng)度，纖維體積摻量為0.75%和1%時(shí)抗拉強(qiáng)度分別提升了69%和49%。其中更高的織物承載能力使得B2PE-0.75%峰值應(yīng)變提升了21.8%。

1.3 TR-UHPC拉伸本構(gòu)

TR-UHPC的制備方法同普通TRC，采用層壓技術(shù)，如圖5所示，這個(gè)過程從在模具底部澆注1層薄薄的UHPC開始。然后在新澆混凝土層上鋪設(shè)1層織物，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)陌磯?，以確保織物與基體之間的接觸。在布置好第1層織物后，澆注第2層UH-PC。反復(fù)操作，直到最后1層織物鋪好。

UHPC具有高抗壓強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，但其延性指標(biāo)略顯不足，使用織物增強(qiáng)UHPC能夠進(jìn)一步提升材料拉伸強(qiáng)度，并且明顯改善其延性和裂后應(yīng)力。試驗(yàn)測得的2%鋼纖維體積摻量配置碳纖維網(wǎng)格的TR-UHPC拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。

采用文獻(xiàn)[16]中的UHPC拉伸試驗(yàn)結(jié)果，更改有限元模型中的本構(gòu)參數(shù)。考慮到UHPC較高的初裂強(qiáng)度，依據(jù)文獻(xiàn)[17]選取高于臨界配網(wǎng)率的織物層數(shù)，即2層BFRP網(wǎng)格或1層CFRP網(wǎng)格，確保裂后織物的承載力大于基體的開裂強(qiáng)度，以達(dá)到多縫開裂的破壞模式和進(jìn)一步的強(qiáng)度提升。

如圖7所示，在復(fù)合材料基體達(dá)到開裂荷載后，復(fù)合材料基體和織物相同變形共同受力的彈性階段結(jié)束，裂縫處的織物開始承擔(dān)更多的外力，同時(shí)依靠織物和基體間的黏結(jié)傳力和短纖維對于裂縫的橋連傳力作用，在距離此裂縫一段距離處，基體會重新達(dá)到開裂應(yīng)力，因而產(chǎn)生多縫開裂，對應(yīng)TR-UHPC拉伸曲線的平臺段。對高性能織物的拉伸和拔出使得復(fù)合材料取得更高的拉伸強(qiáng)度。因此，替代了1%體積摻量鋼纖維的TR-UHPC相比2.5%體積摻量鋼纖維的UHPC取得了更高的拉伸強(qiáng)度和延性。C1UHPC-S1.5相比2%體積摻量鋼纖維的UHPC極限強(qiáng)度和峰值應(yīng)變分別提升了15.8%和65.9倍。

2 織物增強(qiáng)混凝土加固柱有限元模型驗(yàn)證

目前關(guān)于TR-UHPC加固柱的試驗(yàn)研究較少，故通過ABAQUE模擬織物增強(qiáng)ECC加固柱軸壓的試驗(yàn)研究進(jìn)行建模方法的驗(yàn)證。

對文獻(xiàn)[18]中加固柱進(jìn)行數(shù)值模擬，并和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。文獻(xiàn)中加固柱素混凝土尺寸為110 mm×300 mm，加固層ECC厚度為20 mm，ECC材料采用雙線性模型[14]，抗拉強(qiáng)度取6.61 MPa[9]。所用玄武巖織物網(wǎng)格尺寸為25 mm×25 mm，抗拉強(qiáng)度為658.7 MPa。

模型不考慮加固層和素混凝土界面的滑移，模型一端固定，一端采用位移控制加載。得到加固柱有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對比，如圖8所示。選取文獻(xiàn)中的核心混凝土32.2 MPa等級的普通混凝土(RC)柱和C-ECC-TB系列加固柱驗(yàn)證模型的正確性。其中RC柱模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的峰值壓應(yīng)變相差稍大，原因在于，在采用CDP模型模擬時(shí)，普通混凝土的本構(gòu)采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[19]中提供的混凝土拉、壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線公式，其中32.2 MPa的單軸抗壓強(qiáng)度對應(yīng)峰值壓應(yīng)變?nèi)∫?guī)范給定的1.67×10-3，而非文獻(xiàn)[18]試驗(yàn)中測得的2.11×10-3。采用網(wǎng)格增強(qiáng)ECC加固柱C-ECC-TB的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果擬合較好。

如圖9，10所示，軸壓下有限元模型和試驗(yàn)均會呈現(xiàn)腰鼓型破壞，隨著加載過程的進(jìn)行，柱的中間高度處首先萌生多道微裂縫，并緩慢對稱地向兩端發(fā)展。一旦達(dá)到峰值強(qiáng)度，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，并且裂紋失效發(fā)生在加固層。加固層中的織物會在環(huán)向的膨脹變形下對核心區(qū)混凝土產(chǎn)生環(huán)形的壓應(yīng)力，約束核心區(qū)混凝土的變形。相比RC混凝土，加固模型的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線在彈性階段結(jié)束后出現(xiàn)明顯的應(yīng)變硬化?？傮w來看，對試驗(yàn)結(jié)果的模擬情況較好，說明本文的有限元模型選取正確，為本文織物增強(qiáng)UHPC加固柱的數(shù)值分析奠定基礎(chǔ)。

3 混合增強(qiáng)TRC模殼加固混凝土柱軸壓性能參數(shù)分析

3.1 試件設(shè)計(jì)

在數(shù)值分析中，素混凝土圓柱的尺寸取200 mm×600 mm，長細(xì)比為3；TR-UHPC模殼的厚度取20 mm。研究參數(shù)選取如下：織物布置層數(shù)為0，2，4；核心區(qū)混凝土強(qiáng)度為C40，C50，C60；UHPC鋼纖維體積摻量為1.5%，2.0%，2.5%。具體試件設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

表4 試件設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.4 Design Parameter of Specimen

普通混凝土和UHPC材料使用塑性損傷模型模擬，其中UHPC的單軸受拉和單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別取文獻(xiàn)[20]和文獻(xiàn)[16]中的試驗(yàn)結(jié)果；所用織物CFRP的力學(xué)指標(biāo)見表1。不考慮截面滑移，外力共同作用在UHPC和普通混凝土斷面。

3.2 織物層數(shù)

選擇核心區(qū)混凝土強(qiáng)度C40和1.5%的鋼纖維體積摻量，通過UHPC中嵌入網(wǎng)格的層數(shù)不同，研究其對整體抗壓性能的提升。如圖11所示，使用UHPC包裹增強(qiáng)普通混凝土對其承載力提升顯著，且隨著纖維網(wǎng)格的增加，其峰值應(yīng)力σp和峰值應(yīng)變εp均有所提升。

如圖12所示，得益于織物層數(shù)的增加，TR-UHPC模殼的拉伸強(qiáng)度和剛度進(jìn)一步提升，在相同的軸向變形下，模型的環(huán)向應(yīng)變依次減小。纖維織物的存在同時(shí)改善了模型的延性，因此在更大的峰值應(yīng)變εpm下，隨著織物層數(shù)的增加取得了更大的環(huán)向應(yīng)變，模殼承受更大的拉力，相應(yīng)對核心混凝土產(chǎn)生更好的環(huán)向約束力。

如圖13所示(σp，σp0分別為加固柱與素混凝土柱的抗壓強(qiáng)度，εp，εp0分別為加固柱與素混凝土柱的峰值應(yīng)變)，相比素混凝土，纖維網(wǎng)格布置0，2，4層時(shí)，軸壓強(qiáng)度分別提高了41.8%，51.2%，56.8%。峰值應(yīng)變除在純UHPC時(shí)有小幅下降，其余隨著織物層數(shù)的增加而增加，且織物的存在使得曲線的下降段更加平緩，表現(xiàn)出更好的延性。

3.3 核心混凝土強(qiáng)度

布置相同的2層織物網(wǎng)格和1.5%鋼纖維體積摻量，改變核心混凝土強(qiáng)度等級為C40，C50，C60時(shí)的試件軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖14所示。隨著核心區(qū)混凝土強(qiáng)度的增加，試件的剛度略微增加，峰值承載力也越大，但是曲線的下降段更為陡峭。

分析發(fā)現(xiàn)，TR-UHPC模殼對素混凝土柱的約束效率隨著混凝土強(qiáng)度等級的提升而下降。如圖15所示，不同核心混凝土強(qiáng)度雖然具有不同的峰值應(yīng)變，但卻得到了幾乎相等的環(huán)向應(yīng)變，模殼在同樣材料特性下對不同強(qiáng)度核心混凝土發(fā)揮了基本一致的約束力，但其與軸向應(yīng)力的比值卻隨著混凝土強(qiáng)度的提高而下降。

(1)

在不同核心混凝土強(qiáng)度下峰值應(yīng)力各自相比RC40，RC50和RC60的提高率略有下降，核心混凝土強(qiáng)度等級為C40時(shí)提高率達(dá)到47%，而對應(yīng)C60時(shí)僅為33.6%，如圖16所示。

3.4 UHPC鋼纖維摻量

在UHPC中添加鋼纖維是提高其抗拉強(qiáng)度和延性的主要措施之一，但是過高的纖維摻量不僅提高了材料自重和成本，還帶來了施工的困難，特別是薄壁的板件。可以使用連續(xù)的纖維網(wǎng)格部分替代鋼纖維，在降低鋼纖維的摻量下，仍取得較好的力學(xué)性能。

如圖17所示，采用4層織物1.5%鋼纖維體積摻量的試件T4C40S1.5取得了最高的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變，曲線下降段更為平緩。圖18給出了相對于試件T0C40S1.5單一變換織物層數(shù)或鋼纖維摻量后的加固柱峰值應(yīng)力提升情況，σp1為試件T0C40S1.5的抗壓強(qiáng)度，可近似得出每2層纖維網(wǎng)格能夠充分取代0.5%的鋼纖維含量。根據(jù)模擬可知，加固柱的環(huán)向變形量較小，故不能充分發(fā)揮纖維織物的拉伸性能?？梢灶A(yù)見，在變形量較大的構(gòu)件(如加固梁)中，纖維織物的鋼纖維替代量能夠進(jìn)一步提升，取得更高的收益。

4 結(jié) 語

(1)纖維織物能夠進(jìn)一步提升ECC和UHPC的拉伸強(qiáng)度，并且明顯改善UHPC的延性。連續(xù)的長纖維在短纖維體積摻量減少的同時(shí)協(xié)同增韌，在合適的配比下能夠達(dá)到更優(yōu)異的力學(xué)性能。

(2)隨著纖維織物層數(shù)的增加，TR-UHPC模殼能明顯提升加固柱的承載力和延性；相同材性的TR-UHPC模殼對高強(qiáng)度混凝土約束提升效率降低。

(3)在結(jié)構(gòu)層面，對于本研究模型，2層CFRP織物能夠充分取代5%體積摻量的鋼纖維，并取得更優(yōu)異的性能。