凍融循環(huán)作用對玄武巖纖維編織網(wǎng)與混凝土粘結性能的影響

白子龍，王伯昕，林建宏

（吉林大學 建設工程學院，吉林 長春 130021）

0 引言

玄武巖纖維編織網(wǎng)增強混凝土（basalt textile reinforced concrete，BTRC）是一種新型水泥基復合材料，由玄武巖纖維編織網(wǎng)和細?；炷翗嫵?，具有高韌性、高承載力、質量輕等優(yōu)點，廣泛應用于薄壁輕質結構和混凝土結構的加固中[1-3]。

近年來國內(nèi)外學者對TRC的粘結性能和抗凍性進行了一定的研究[4-5]。Kira Heins等[6]通過拉伸試驗發(fā)現(xiàn)，在凍融循環(huán)條件下，纖維表面涂層處理可顯著提高織物與混凝土的粘結強度；并通過對比得出，凍融循環(huán)破壞對TRC的抗拉強度影響度不大。Yin等[7]研究發(fā)現(xiàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，纖維束與混凝土的粘結強度呈下降趨勢，在凍融循環(huán)超過90次后下降幅度更大。徐世烺和李赫[8]通過四線段模型對TRC拉拔性能進行分析，并與試驗結果進行對比，證明了黏結拉拔解析解的正確性。金賀楠等[9]研究發(fā)現(xiàn)，隨著纖維束埋置長度的增加，試件的極限拉拔荷載不斷提高，并提出了纖維束基本錨固長度計算公式。

我國東北和西北等季凍區(qū)，混凝土結構處于凍融環(huán)境中。纖維編織網(wǎng)增強混凝土結構處于凍融環(huán)境中，定向纖維束與混凝土基體的黏結性能將出現(xiàn)劣化，所以本文研究凍融循環(huán)作用下BTRC中定向纖維束與混凝土基體的黏結性能，建立了凍融循環(huán)后玄武巖纖維束與混凝土的粘結強度理論計算公式，為北方寒冷地區(qū)的BTRC的應用提供設計參考依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗原材料及配合比

水泥：P·O42.5水泥；碎石：4.75～10 mm石灰?guī)r碎石；砂：細度模數(shù)2.7，平均粒徑為0.315～0.6 mm，中砂；高效減水劑：聚羧酸鹽混凝土超塑化劑；引氣劑：三萜皂苷粉末；拌合水：純凈水?；炷僚浜媳热绫?所示。

表1 混凝土的配合比 kg/m3

玄武巖纖維束：外觀形貌如圖1（a）所示，每股纖維束的物理性能見表2。纖維編織網(wǎng)網(wǎng)格尺寸為20 mm×20 mm，如圖1（b）所示。為增強各纖維束之間協(xié)同受力的作用，在纖維表面均勻涂覆膠結劑。該膠結劑由1∶5的固化劑與環(huán)氧樹脂以及適量無水乙醇配制而成。

表2 玄武巖纖維束的物理性能

圖1 玄武巖纖維束與玄武巖纖維編織網(wǎng)

1.2 試件制作

為了減小試驗的離散性，在制作標準拉拔試件時，首先制作大尺寸的木制模具，尺寸為800 mm×400 mm×20 mm。將纖維網(wǎng)用小木條夾于中間并固定，澆筑混凝土并輕微振搗，隨后噴水并覆蓋薄膜，養(yǎng)護24 h后脫模，如圖2所示。在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d后取出，并用切割機從中切出160 mm×60 mm×20 mm的標準拉拔試件，設計12組試件，每組試件12塊，共計144塊。

圖2 自制木模具與澆筑完成的試件

1.3 試驗方法

為了防止隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加，拉拔試驗過程中夾頭處混凝土被夾碎的現(xiàn)象出現(xiàn)，在將試件放入快速凍融機之前，將所有拉拔試件的兩端用環(huán)氧樹脂膠涂抹均勻，涂抹尺寸為60 mm×50 mm，如圖3所示。

圖3 凍融前試塊預處理

1.3.1 凍融循環(huán)試驗

依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的快凍法進行凍融循環(huán)試驗。試驗采用快速凍融箱，將試件中心的最低和最高溫度分別控制在（-17±2）℃和（5±2）℃。每次凍融循環(huán)時間為4 h（凍結3 h，融化1 h），每20次凍融循環(huán)測量其荷載-位移曲線。

1.3.2 拉拔試驗

凍融循環(huán)完成后將試件取出，為保證試件在規(guī)定位置發(fā)生破壞，確定纖維束位置，用切割機在板長方向中間處切開長約25 mm的細縫作為誘導縫，保證其中只存在一根縱向纖維束，試驗選用DNS300型電子式萬能試驗機，兩端采用鋼板夾持，夾持長度為100 mm，加載速率設為1.0 mm/min，如圖4所示。

圖4 拉拔試驗

2 試驗結果與分析

2.1 破壞形態(tài)（見圖5）

圖5 試件破壞形態(tài)

試驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過凍融循環(huán)后BTRC試件的破壞形態(tài)均為滑移破壞，纖維網(wǎng)與混凝土之間的界面受到了一定的凍融損傷，導致纖維束與混凝土的粘結力下降。在纖維束產(chǎn)生滑移的過程中，試件未發(fā)生劈裂等破壞，這也說明了BTRC試件的破壞主要是由于纖維網(wǎng)與混凝土的滑移破壞導致的。由圖5可見，當凍融循環(huán)在0~40次時，混凝土表面無明顯破壞，當凍融循環(huán)超過60次時，試件表面混凝土出現(xiàn)明顯脫落。試件的失效是由于纖維束與混凝土界面產(chǎn)生較大的裂縫（見圖6），導致纖維束與混凝土之間的粘結性能下降，進而產(chǎn)生相對滑移使結構失效。

圖6 試件斷口狀態(tài)

2.2 粘結性能變化規(guī)律

根據(jù)試驗分析，BTRC的位移荷載拉伸曲線基本上可以分為5個階段，如圖7所示（纖維規(guī)格為2400 tex，凍融循環(huán)次數(shù)為0次）：（a）微觀裂縫發(fā)展階段：混凝土與纖維束共同承擔荷載，二者之間的黏結應力不斷增大，但是無相對滑移，主要由化學膠著力提供，此階段承受的荷載較小，當?shù)竭_混凝土的極限抗拉強度時此階段結束；（b）纖維束彈性階段：此階段混凝土基體不再受力，荷載主要由纖維束承擔，該階段纖維束發(fā)生一定的彈性變形，纖維束與基體之間發(fā)生微小滑移，荷載小幅度下降；（c）上升滑移階段：此階段的位移荷載曲線趨于線性關系，二者之間的粘結力除化學膠著力之外，還存在一部分的滑動摩擦力，且摩擦力逐漸向自由端傳遞；（d）殘余平滑階段：當荷載達到極限抗拉強度后，荷載位移曲線發(fā)生轉折，荷載緩慢下降，同時纖維束與基體之間的滑移逐漸增大，基體化學膠著力逐漸消失，二者間的粘結力主要由滑動摩擦力提供；（e）破壞階段：當荷載位移曲線進入破壞階段后，玄武巖纖維束與混凝土基體之間的相對滑移量迅速增大，纖維束被迅速拔出，而兩者之間的粘結應力主要由滑動摩擦承擔，且大小基本保持不變。

圖7 荷載-位移曲線

不同凍融循環(huán)次數(shù)時的荷載-位移曲線如圖8所示。

圖8 凍融循環(huán)次數(shù)對BTRC拉拔力的影響

由圖8可見，隨著混凝土凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件初始開裂荷載與位移都逐漸減小，極限荷載也隨之減小。當荷載超過極限荷載后曲線逐漸平緩，下降速度逐漸趨近于0，滑動摩擦力約為極限荷載的80%，纖維束與基體之間產(chǎn)生較大的滑移，導致構件失效。

圖9為凍融循環(huán)次數(shù)對BTRC極限拉拔力的影響。

圖9 凍融循環(huán)次數(shù)對BTRC極限拉拔力的影響

由圖9可見，在0~40次凍融循環(huán)作用下，極限拉拔力迅速下降；而在40~100次凍融循環(huán)作用下，極限拉拔力的下降速度趨于平緩；當凍融循環(huán)達到100次時，含2400 tex和7200 tex纖維束的BTRC極限拉拔力較凍融循環(huán)0次時分別下降了57.2%和59.2%。在相同凍融循環(huán)條件下，當纖維束由2400 tex增加到7200 tex時，試件的極限拉拔力都有約20%的提高，原因主要是纖維束的直徑變化較大，由1.83 mm增大至2.79 mm，與混凝土的接觸面積增大，進而與基體的粘結力提高。

2.3 粘結強度理論計算模型

本文基于Tepfers受均勻內(nèi)壓作用的厚壁圓筒力學模型，如圖10所示，并考慮纖維束與混凝土之間的摩擦效應及凍融循環(huán)作用，建立在凍融循環(huán)作用下纖維束與混凝土之間的粘結強度理論計算模型。取光圓玄武巖纖維束及其周圍混凝土作為受力單元，如圖11所示，在破壞面上纖維束對混凝土的擠壓力為P，設摩擦系數(shù)為μ，則粘結摩擦力為μP。

圖10 混凝土部分開裂的力學模型

圖11 混凝土受力單元

由彈性力學得：

式中：τ——纖維束與混凝土間的粘結強度，MPa；

γ——凍融損傷系數(shù)；

P1——混凝土受纖維束均勻內(nèi)壓力，MPa。

在圖11中，根據(jù)靜力平衡得：

式中：P2——混凝土未開裂部分所受的壓應力，MPa；

R——纖維束半徑，mm；

b——纖維束中心到混凝土開裂邊緣距離，mm。

由彈性力學得混凝土基體受到的環(huán)向拉應力為：

式中：c——纖維束限制混凝土開裂的影響范圍，mm。

設混凝土開裂部分圓環(huán)的半徑為b，當r=b時，混凝土受到最大環(huán)向拉應力σθmax：

設當環(huán)向最大拉應力σθmax能達到的最大值為混凝土軸心抗拉強度。

當沒有混凝土軸心抗拉強度實測值ft時，可以采用實測混凝土立方體抗壓強度fcu推算，關系如式（7）所示：

將式（6）代入式（5）中，并對b求導，可以得出混凝土的最大開裂半徑bmax：

聯(lián)立式（3）~（8）得出P的最大值：

將式（9）代入式（1），即得凍融循環(huán)后纖維束與混凝土的粘結強度理論計算公式：

此粘結強度計算公式主要考慮了纖維束與混凝土界面的摩擦系數(shù)μ和凍融損傷系數(shù)γ。其中μ是待定常數(shù)，γ與凍融循環(huán)次數(shù)有關。通過試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并結合式（10）計算得出摩擦系數(shù)μ為0.55，凍融損傷系數(shù)γ計算結果見表3。

表3 凍融損傷系數(shù)γ計算結果

3 結論

（1）通過拉拔試驗得出，BTRC的拉拔破壞形態(tài)主要以滑移破壞為主。

（2）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的極限拉拔力均有不同程度的降低，凍融循環(huán)對BTRC拉拔性能影響明顯；在相同凍融循環(huán)條件下，當玄武巖纖維束由2400 tex增加到7200 tex時，試件的極限拉拔力均有20%左右的提高。

（3）基于Tepfers受均勻內(nèi)壓作用的厚壁圓筒力學模型，建立了在凍融循環(huán)作用下纖維束與混凝土之間的粘結強度計算模型。