基于同心環(huán)形縫隙流理論的纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土抗?jié)B性能研究

王詩(shī)煜，王伯昕

(吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130021)

0 引 言

纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土(textile reinforced concrete, TRC)作為一種新型材料，具有耐腐蝕[1-3]、高韌性[4-5]、高承載力[6-7]等優(yōu)點(diǎn)，可以有效限制混凝土構(gòu)件開裂[8-10]，起到良好的修復(fù)與加固功能，具有廣闊的應(yīng)用前景[11-12]。TRC廣泛應(yīng)用于水工結(jié)構(gòu)中，故其抗?jié)B性能尤為重要[13]。為了探究TRC的抗?jié)B性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了諸多研究。張?zhí)m芳等[14]對(duì)摻加不同體積含量玄武巖纖維混凝土的抗?jié)B性和抗硫酸鹽腐蝕性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)纖維摻量控制在0.3%(體積分?jǐn)?shù))時(shí)，混凝土的抗?jié)B性最佳。Sheng等[15]對(duì)連續(xù)荷載及鹽蝕環(huán)境下，TRC加固混凝土梁的耐久性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，TRC對(duì)裂縫擴(kuò)展有較好的控制能力，抗?jié)B性較好。Mechtcherine等[16]研究TRC梁在多重開裂情況下，裂縫的毛細(xì)作用對(duì)水和氣體在其中滲透性的影響，并建立在應(yīng)力作用下，開裂TRC中水滲透性的數(shù)學(xué)模型。Pourasee等[17]研究了纖維編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)對(duì)開裂水泥復(fù)合材料傳輸性能的影響。結(jié)果表明，膠凝材料中的裂縫顯著增加流體的滲透能力。綜上所述，目前對(duì)于纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土的抗?jié)B性已有部分研究，但有關(guān)水灰比和纖維單絲含量對(duì)壓力水作用下TRC抗?jié)B性能影響的研究較少。因此，本文通過混凝土滲透試驗(yàn)和掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)，研究TRC在不同水灰比及纖維單絲含量情況下的抗?jié)B性能及內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的差異，并基于同心環(huán)形縫隙流理論，建立了壓力水作用下，TRC試件滲透率的計(jì)算公式，為TRC材料在水工結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)選用長(zhǎng)春亞泰水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用優(yōu)質(zhì)河砂，平均細(xì)度模數(shù)為2.9；粗骨料采用石灰?guī)r碎石，粒徑5～10 mm；拌和用水選用純凈水。

高鋯耐堿玻璃無(wú)捻粗紗如圖1所示，一束纖維的纖維單絲含量為9.2 k(9.2 k代表每束含9 200根纖維單絲)，纖維束力學(xué)性能如表1所示。采用平織的方法將纖維束編制成網(wǎng)格尺寸40 mm×40 mm的纖維編織網(wǎng)，如圖2所示。在纖維束表面涂刷由固化劑、環(huán)氧樹脂、無(wú)水乙醇配制而成的膠結(jié)劑，用于提高纖維束與混凝土間的黏結(jié)力。

圖1 高鋯耐堿玻璃無(wú)捻粗紗Fig.1 Alkali-resistant glass fiber

表1 耐堿玻璃纖維材料性能參數(shù)Table 1 Material properties of the alkali-resistant glass fiber

纖維編織網(wǎng)表面均勻涂刷膠結(jié)劑后，斷面近似為圓形，纖維束的斷面面積可用式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Sf為纖維束斷面面積，mm2；Tex為纖維束單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，g·km-1；ρf為纖維束密度，g·cm-3。

不同纖維單絲含量的纖維束等效半徑及斷面面積計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同纖維單絲含量的纖維束等效半徑及斷面面積Table 2 Equivalent radius and sectional area of fiber bundles with different fiber number of per bundle

1.2 TRC試件制備

TRC試件配合比符合《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)[18]要求，配合比如表3所示。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)抗?jié)B圓臺(tái)試件[19]，上、下底尺寸分別是175 mm、185 mm，高度為150 mm。纖維編織網(wǎng)沿試件縱向布置。每個(gè)試件布置3片平行的纖維編織網(wǎng)，分別以上底直徑4等分點(diǎn)進(jìn)行定位，如圖3所示。

表3 混凝土基體配合比Table 3 Mixture proportions of concrete

圖3 纖維網(wǎng)布置圖(單位：mm)Fig.3 Fiber mesh layout (unit： mm)

將澆筑完成的TRC試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d后取出，進(jìn)行壓力水滲透試驗(yàn)。試件共計(jì)96塊，試件分組及編號(hào)如表4所示。

表4 試件分組及編號(hào)Table 4 Specimen parameters and numbers

1.3 試驗(yàn)步驟

采用標(biāo)準(zhǔn)混凝土抗?jié)B儀。試驗(yàn)前用融化的石蠟(內(nèi)加少量松香)均勻包裹并密封試件側(cè)面，然后用壓力機(jī)將試件壓入滲透儀鋼模中，使試件與鋼模底部平齊。將密封好的鋼模與試件安裝于抗?jié)B儀上，設(shè)置抗?jié)B儀壓強(qiáng)恒定為0.5 MPa，試驗(yàn)時(shí)間24 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 TRC試件滲透試驗(yàn)結(jié)果及分析

滲透試驗(yàn)結(jié)束后，在TRC試件上表面觀察到有規(guī)則排列的水珠沁出，如圖4所示。沿纖維編織網(wǎng)布置方向?qū)⒃嚰_，用梯形板測(cè)量每組試件的水分滲透高度，如圖5所示。

從圖5中可以看出，水痕在4條縱向纖維編織網(wǎng)與混凝土基體的界面處出現(xiàn)明顯的水紋波峰，表明在壓力作用下自由水主要沿縱向纖維編織網(wǎng)進(jìn)行遷移，距離纖維網(wǎng)越遠(yuǎn)，則遷移速度越慢。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得平均滲水高度，計(jì)算得到相對(duì)滲透率，如圖6所示。比較纖維單絲含量相同、水灰比不同試件組的平均滲水高度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維單絲含量為9.2 k時(shí)，水灰比0.45的試件平均滲水高度為30.67 mm，而水灰比0.55的試件平均滲水高度為34.23 mm，滲水高度增長(zhǎng)率約為11.61%，其他相同纖維單絲含量下水灰比0.55的試件平均滲水高度均比0.45的高。由此可見，當(dāng)纖維編織網(wǎng)沿試件縱向布置時(shí)，纖維單絲含量一定，隨著水灰比增加，混凝土試件的抗?jié)B性下降。

圖4 TRC試件滲水現(xiàn)象Fig.4 Water seepage of TRC specimen

圖5 TRC試件水痕路徑Fig.5 Water penetration path of TRC specimen

比較水灰比相同，纖維單絲含量不同試件組的平均滲水高度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水灰比為0.45時(shí)，纖維單絲含量為9.2 k混凝土試件的平均滲水高度為30.67 mm，纖維單絲含量為27.6 k混凝土試件的平均滲水高度為56.32 mm，滲水高度增長(zhǎng)率約為83.63%。當(dāng)水灰比為0.55時(shí)，纖維單絲含量為9.2 k混凝土試件的平均滲水高度為34.23 mm，纖維單絲含量為27.6 k混凝土試件的平均滲水高度為60.73 mm，滲水高度增長(zhǎng)率約為77.42%。由此可見，當(dāng)纖維編織網(wǎng)沿試件縱向布置時(shí)，水灰比一定，隨纖維單絲含量增加，TRC試件的抗?jié)B性下降。

圖6 TRC平均滲水高度Fig.6 Average water seepage height of TRC

需要指出的是，上述結(jié)論是使纖維編織網(wǎng)平行于壓力水方向得到的，即壓力水在TRC試件中的遷移方向與纖維編織網(wǎng)布置方向一致。當(dāng)纖維編織網(wǎng)垂直于壓力水方向布置時(shí)，TRC試件具有良好的抗裂性和抗?jié)B性，因此壓力水在其中的遷移速率以及平均滲水高度會(huì)比纖維編織網(wǎng)豎向布置的情況大幅降低。但纖維編織網(wǎng)橫向布置TRC試件的水灰比以及纖維單絲含量對(duì)于水在其中的遷移情況是否仍有上述規(guī)律有待研究。

2.2 TRC試件細(xì)觀試驗(yàn)結(jié)果及分析

為從細(xì)觀角度解釋TRC中的水分遷移規(guī)律，取滲透試驗(yàn)后的TRC試件，沿縱向纖維束取芯(尺寸：10 mm×10 mm×10 mm)，進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)試驗(yàn)，放大倍數(shù)為500倍。

圖7和圖8分別為水灰比為0.45和0.55時(shí)不同TRC試件的環(huán)形裂隙寬度。從圖7～圖8中可以看出，纖維編織網(wǎng)與混凝土基體間存在環(huán)形裂隙。比較纖維單絲含量相同、水灰比不同的試件組的環(huán)形裂隙寬度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維單絲含量為9.2 k時(shí)，水灰比0.45試件的環(huán)形裂隙寬度為54.2 μm，而水灰比0.55試件的環(huán)形裂隙寬度為73.2 μm，增大了19 μm，增長(zhǎng)率約35.06%。對(duì)比圖7(b)和圖8(b)、圖7(c)和圖8(c)也可發(fā)現(xiàn)，環(huán)形裂隙寬度均隨水灰比增大而增大。結(jié)合前節(jié)分析，纖維單絲含量一定時(shí)，隨水灰比增大，環(huán)形裂隙寬度增大，TRC試件抗?jié)B性降低。

對(duì)比圖7(a)和(c)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于水灰比相同、纖維單絲含量不同試件組的環(huán)形裂隙寬度，當(dāng)水灰比為0.45時(shí)，纖維單絲含量為9.2 k的環(huán)形裂隙寬度為54.2 μm，而纖維單絲含量為27.6 k時(shí)的環(huán)形裂隙寬度為103 μm，增大了48.8 μm，增長(zhǎng)率為90.04%。同樣，對(duì)比圖8(a)和(c)也可發(fā)現(xiàn)，隨纖維單絲含量增大，環(huán)形裂隙寬度逐漸增大，TRC試件抗?jié)B性降低。對(duì)比纖維單絲含量不同的纖維束的等效半徑后還發(fā)現(xiàn)，纖維單絲含量由9.2 k增大到27.6 k時(shí)，纖維束等效半徑由0.577 mm增加到0.965 mm，增長(zhǎng)率為67.24%，等效半徑顯著增大。由此可見，隨著纖維束等效半徑的增大，纖維束與混凝土基體界面處的環(huán)形裂隙寬度逐漸增大，TRC試件的整體性變?nèi)酢?/p>

圖7 不同TRC試件的環(huán)形裂隙寬度(水灰比為0.45)Fig.7 Annular crack width of different TRC specimens (water-cement ratio is 0.45)

圖8 不同TRC試件的環(huán)形裂隙寬度(水灰比為0.55)Fig.8 Annular crack width of different TRC specimens (water-cement ratio is 0.55)

2.3 TRC滲透率的理論計(jì)算公式

由細(xì)觀結(jié)果分析表明，在混凝土基體與纖維束的界面間有環(huán)形裂隙存在。外加壓力水情況下，自由水沿縱向纖維束與混凝土基體間的環(huán)形裂隙遷移。這種纖維束周圍的裂隙與同心環(huán)形縫隙類似，如圖9所示。由此，基于同心環(huán)形縫隙流理論，建立TRC試件滲透率的計(jì)算公式。

圖9 同心環(huán)形縫隙Fig.9 Annular crack

2.3.1 基本假定

(1)纖維束與混凝土基體間的同心環(huán)形縫隙均勻分布；

(2)不考慮混凝土裂縫的自愈合效應(yīng)；

(3)在壓力作用下，自由水僅沿縱向纖維束遷移，且方向與壓力方向一致；

(4)圓柱管內(nèi)水以勻速uz運(yùn)動(dòng)，且為恒定流。

2.3.2 公式的建立

壓力水在同心環(huán)形裂隙中的遷移過程可用Navier-storkes方程表述，動(dòng)邊界條件下僅考慮軸向運(yùn)動(dòng)的同心環(huán)形縫隙流控制方程[20]為：

(2)

式中：fz為質(zhì)量力；P為動(dòng)水壓強(qiáng)；ux、uy、uz分別為沿x、y、z軸的軸向縫隙流速；ρ為流體密度；ν為運(yùn)動(dòng)粘度；t為時(shí)間。

對(duì)于這種情況下的水流，粘性力起主要作用，質(zhì)量力近似為0，因此fz=0，由連續(xù)性方程可將式(2)簡(jiǎn)化為：

(3)

圓具有軸對(duì)稱特性，將式(3)中的變量x、y化簡(jiǎn)為r，并積分可得：

(4)

式中：ΔP為液體通過環(huán)形裂隙前后的壓差；L為環(huán)形裂隙長(zhǎng)度；μ為動(dòng)力粘度；C1、C2為常數(shù)。

代入邊界條件可解得uz，故單根纖維束斷面的總流量(q)為：

(5)

式中：r0為纖維束半徑；R為環(huán)形裂隙外半徑。

將式(5)代入滲透率公式[21]，可求得TRC的滲透率(k)：

(6)

式中：A為液體通過纖維束的截面積；Δz為試件的軸向長(zhǎng)度；j為一個(gè)混凝土試件中縱向纖維束的總數(shù)；i為第i根縱向纖維束；Ri為第i根纖維束的環(huán)形裂隙外半徑；ri為第i根纖維束的半徑。

2.3.3 公式的驗(yàn)證

由SEM試驗(yàn)測(cè)得的環(huán)形裂隙寬度結(jié)合滲透率計(jì)算公式，可求解出不同纖維單絲含量以及不同水灰比下TRC試件滲透率的理論值，S1和S2組試驗(yàn)值與理論值對(duì)比如表5所示。由表5數(shù)據(jù)繪制兩組試件的柱狀對(duì)比圖，如圖10所示。由圖可以看出，理論值與試驗(yàn)值基本吻合，計(jì)算公式對(duì)于纖維單絲含量較高的試件吻合效果更佳。

表5 試驗(yàn)值與理論值對(duì)比Table 5 Comparison between experimental values and theoretical values

圖10 試驗(yàn)值與理論值對(duì)比Fig.10 Comparison between experimental values and theoretical values

3 結(jié) 論

(1)混凝土基體與纖維束間存在環(huán)形裂隙。自由水在壓力作用下主要沿著混凝土基體與纖維束間界面在TRC試件中遷移。

(2)裂隙寬度隨著混凝土水灰比及纖維單絲含量增加而增大。隨著混凝土水灰比以及纖維單絲含量的增大，TRC的抗?jié)B性能降低。

(3)基于同心環(huán)形縫隙流理論，建立了TRC試件的滲透率計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好。