玄武巖纖維編織網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸對(duì)混凝土拉伸性能的影響

張?zhí)砥?，王伯?/p>

(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)是21世紀(jì)在我國(guó)逐漸興起的新型建筑材料，相比普通混凝土，由于纖維編織網(wǎng)能夠起到分散應(yīng)力集中[1]的重要作用，決定了它能夠有效地增強(qiáng)混凝土的基本力學(xué)性能[2-4]、耐久性能[5-6]等，同時(shí)還能夠使混凝土由脆性破壞變成延性破壞[1-4,7-13]。現(xiàn)有研究表明，纖維種類[5,7]、含量[14-15]等，混凝土組成成分[13]、配合比[5]等，以及二者結(jié)合界面處性能，例如纖維束埋置長(zhǎng)度[16]，均對(duì)TRC性能產(chǎn)生一定的影響。徐世烺和尹世平等[17-18]用環(huán)氧樹(shù)脂膠浸漬纖維編織網(wǎng)，并通過(guò)拉伸單束纖維增強(qiáng)混凝土薄板與纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土薄板，得出了浸膠纖維束增強(qiáng)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。Monaco等[19]基于玄武巖纖維增強(qiáng)水泥基體(BFRCM)的單軸拉伸試驗(yàn)，生成了能夠表征BFRCM拉伸行為的有限元模型。在現(xiàn)有研究中，大多數(shù)學(xué)者采用粉煤灰和硅灰等材料代替粗骨料來(lái)制備混凝土，從而忽略網(wǎng)格尺寸對(duì)基體流動(dòng)性產(chǎn)生的影響，而在實(shí)際工程中，粗骨料仍在大量使用。在TRC結(jié)構(gòu)中，纖維編織網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸大小決定了粗骨料是否能夠有效通過(guò)網(wǎng)格產(chǎn)生流動(dòng)性，從而使基體與纖維編織網(wǎng)的黏結(jié)性能發(fā)生變化來(lái)影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。本文通過(guò)玄武巖纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土(basalt textile reinforced concrete， BTRC)薄板的單軸拉伸試驗(yàn)以及掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試，從宏觀與細(xì)觀角度分析了玄武巖纖維編織網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸對(duì)混凝土拉伸性能的影響，并驗(yàn)證了ACK模型對(duì)BTRC薄板拉伸性能計(jì)算的適用性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

膠凝材料采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，為保證混凝土基體在纖維編織網(wǎng)中有良好的流動(dòng)性及黏結(jié)性，粗骨料采用公稱粒徑4.75～10 mm的石灰?guī)r碎石，細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)均值為2.5的優(yōu)質(zhì)河砂，采用Sika第三代聚羧酸鹽混凝土超塑化劑改善拌合物工作性能，拌合水為純凈水。混凝土基體配合比見(jiàn)表1。

表1 混凝土基體配合比Table 1 Mix proportion of concrete matrix

試驗(yàn)采用玄武巖纖維，網(wǎng)格尺寸分別為20 mm×20 mm、30 mm×30 mm、40 mm×40 mm。為保證結(jié)構(gòu)整體性，在玄武巖纖維表面涂刷環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑以及無(wú)水乙醇混合的膠結(jié)劑，其中環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑按照體積比5 ∶1 添加。環(huán)氧樹(shù)脂滲透到纖維束內(nèi)部，待環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑充分反應(yīng)后，可有效提高編織網(wǎng)與混凝土基體的協(xié)同受力能力。浸膠纖維束力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 浸膠纖維束力學(xué)性能參數(shù)Table 2 Mechanical performance parameters of epoxy impregnated fiber bundle

將浸膠處理后的纖維編織網(wǎng)裁剪成20 mm×20 mm、30 mm×30 mm、40 mm×40 mm尺寸，并對(duì)其進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，測(cè)試其整體的變形能力，示意圖如圖1所示，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖1 浸膠纖維編織網(wǎng)力學(xué)性能測(cè)定示意圖Fig.1 Determination diagram of mechanical properties of epoxy impregnated textile

表3 浸膠纖維編織網(wǎng)力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of epoxy impregnated textile

1.2 試件制備流程

制作尺寸為800 mm×400 mm×20 mm的薄板試件，如圖2所示。制作試件之前，先制作木制模具，在下表面覆蓋一層保鮮膜防止漏漿，在寬為400 mm的邊選擇20 mm厚度的木板進(jìn)行固定，在長(zhǎng)為800 mm的邊選擇10 mm厚的木板進(jìn)行固定，然后將纖維編織網(wǎng)鋪設(shè)在上面，再在長(zhǎng)為800 mm的邊上固定10 mm厚的木板，然后澆筑新拌混凝土，輕微振搗后將表面輕輕抹平，上表面覆蓋保鮮膜防止水分蒸發(fā)流失。

圖2 木制模具和養(yǎng)護(hù)完成的混凝土板Fig.2 Wooden mold and cured concrete slab

將制作好的試件放置于室溫中24 h后拆模，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d后取出，然后對(duì)板材進(jìn)行切割，分割成160 mm×60 mm×20 mm的測(cè)試試件，試件分組情況見(jiàn)表4。

表4 試件分組Table 4 Specimen grouping

圖3 端部保護(hù)后的BTRC薄板試件Fig.3 BTRC sheet specimen with end protection

切割完成的BTRC薄板試件在試驗(yàn)進(jìn)行前需進(jìn)行端部保護(hù)，用環(huán)氧樹(shù)脂膠對(duì)兩端進(jìn)行刷膠處理，如圖3所示，防止在夾持過(guò)程中混凝土兩端被夾碎。

1.3 單軸拉伸試驗(yàn)

單軸拉伸試驗(yàn)的夾持保護(hù)端長(zhǎng)50 mm，有效拉伸測(cè)量區(qū)的長(zhǎng)度為60 mm。采用DNS300型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載速率為1.0 mm/min，荷載由試驗(yàn)機(jī)自帶負(fù)載傳感器測(cè)量。拉伸變形采用量程為10 mm的線性可變差動(dòng)變壓器(linear variable differential transformer, LVDT)(精度0.1 μm)測(cè)量，由整合內(nèi)存控制器(integrated memory controller， IMC)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 BTRC薄板單軸拉伸試驗(yàn)裝置Fig.4 Uniaxial tensile test device of BTRC sheet

1.4 掃描電子顯微鏡測(cè)試

為研究BTRC薄板單軸拉伸后的細(xì)觀破壞形態(tài)，取10 mm×10 mm×10 mm的內(nèi)含纖維束的試樣塊進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試，放大倍數(shù)為500，觀察并分析混凝土基體、纖維束以及二者界面處的破壞行態(tài)。

1.5 軟件模擬

計(jì)算機(jī)模擬采用Ansys輔助分析，由于纖維編織網(wǎng)和混凝土在達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限值之前未產(chǎn)生滑移，所以采用整體式建模方法。采用Solid65單元來(lái)模擬混凝土基體，對(duì)混凝土單元進(jìn)行不同網(wǎng)格尺寸的實(shí)常數(shù)設(shè)置來(lái)模擬對(duì)應(yīng)網(wǎng)格尺寸的玄武巖纖維編織網(wǎng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)作用，并且將復(fù)合材料單元視為連續(xù)均勻材料。分析過(guò)程中，取用受拉區(qū)半結(jié)構(gòu)60 mm×30 mm作為分析對(duì)象，劃分10×10單元網(wǎng)格，在上表面施加均布荷載，下表面中部節(jié)點(diǎn)施加固定鉸支座約束，兩側(cè)節(jié)點(diǎn)施加滑動(dòng)鉸支座約束。BTRC薄板單軸拉伸試驗(yàn)屬于平面應(yīng)力問(wèn)題，采用Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

表5列出了BTRC薄板單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果，其中開(kāi)裂應(yīng)力、開(kāi)裂應(yīng)變、極限應(yīng)力與極限應(yīng)變均為每組12個(gè)試件的平均值。

表5 BTRC薄板單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Uniaxial tensile test results of BTRC sheet

2.1 單軸受拉全過(guò)程分析

在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著位移的增加，PC在達(dá)到開(kāi)裂強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生裂縫，裂縫便迅速貫穿截面使其斷裂，變形能力較差。BTRC在達(dá)到開(kāi)裂強(qiáng)度時(shí)兩端產(chǎn)生微小裂紋，隨著位移持續(xù)增加，承載力繼續(xù)提高，裂紋不斷擴(kuò)展直至斷裂。BTRC20的破壞形態(tài)與BTRC30、BTRC40和PC相比，表現(xiàn)出了典型的多裂縫開(kāi)展階段，其中BTRC40、BTRC30和BTRC20脫黏時(shí)的荷載分別為0.176 kN、0.256 kN和0.325 kN，與浸膠玄武巖纖維編織網(wǎng)拉伸脫黏時(shí)的荷載較為相符。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，BTRC20在試驗(yàn)后的破壞形態(tài)與其余組存在明顯差異，即在單一裂縫的基礎(chǔ)上存在細(xì)小微裂縫的發(fā)展過(guò)程。各組試件破壞形態(tài)見(jiàn)圖5。

圖5 BTRC薄板單軸拉伸破壞形態(tài)Fig.5 Uniaxial tensile failure mode of BTRC sheets

通過(guò)表5數(shù)據(jù)分析可知，隨著試件網(wǎng)格尺寸的減小，開(kāi)裂強(qiáng)度有較小程度的提高。BTRC40與PC的開(kāi)裂強(qiáng)度相差不大，而B(niǎo)TRC30和BTRC20的開(kāi)裂強(qiáng)度較PC分別增加了6.47%和7.65%；BTRC40、BTRC30和BTRC20的極限抗拉強(qiáng)度較PC分別增加了17.06%、23.53%和28.24%。纖維編織網(wǎng)的存在不能有效提高基體開(kāi)裂強(qiáng)度，但能顯著提高試件的極限抗拉強(qiáng)度,與杜運(yùn)興等[20]和吳學(xué)乾等[21]得出的關(guān)于BTRC薄板單軸拉伸試驗(yàn)的結(jié)果一致。

PC由于不具備纖維編織網(wǎng)所以承載能力較低，表現(xiàn)為典型的脆性破壞。而B(niǎo)TRC在單軸拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，隨著混凝土基體產(chǎn)生裂紋，裂縫處的基體退出工作，不再承擔(dān)拉力，但開(kāi)裂區(qū)的纖維編織網(wǎng)可繼續(xù)承擔(dān)拉力；隨著位移繼續(xù)增加，在纖維編織網(wǎng)的黏結(jié)作用下，基體將應(yīng)力傳遞給纖維編織網(wǎng)，纖維編織網(wǎng)依靠界面的黏結(jié)強(qiáng)度再將應(yīng)力傳遞給未開(kāi)裂的混凝土，應(yīng)力在兩者之間互相傳遞，直至BTRC薄板達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度，完全開(kāi)裂，即纖維編織網(wǎng)與基體脫黏，表現(xiàn)為典型的延性破壞；且纖維編織網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸越小，主裂縫旁發(fā)展的細(xì)小裂紋越多，變形能力越強(qiáng)。

2.2 本構(gòu)關(guān)系分析

圖6為BTRC薄板應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由表5和圖6可知，PC和BTRC拉伸時(shí)的破壞過(guò)程存在明顯差異。PC的拉伸過(guò)程只存在一個(gè)階段，當(dāng)其應(yīng)變達(dá)到43.7 με時(shí)，試件開(kāi)裂并迅速斷裂；BTRC40在應(yīng)變達(dá)到48.5 με時(shí)，產(chǎn)生裂縫，在應(yīng)變達(dá)到52.5 με時(shí)，試件斷裂，纖維編織網(wǎng)與基體脫黏；BTRC30在應(yīng)變達(dá)到47.2 με時(shí)，產(chǎn)生裂縫，在應(yīng)變達(dá)到54.9 με時(shí)，試件斷裂，纖維編織網(wǎng)與基體脫黏；BTRC20在應(yīng)變達(dá)到48.0 με時(shí)，產(chǎn)生裂縫，在應(yīng)變達(dá)到58.1 με時(shí)，試件斷裂，纖維編織網(wǎng)與基體脫黏，此時(shí)極限應(yīng)變較PC提高了32.93%。同時(shí)從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，BTRC20的極限應(yīng)力與極限應(yīng)變?cè)黾拥米顬轱@著，說(shuō)明纖維編織網(wǎng)的存在能夠有效增加極限應(yīng)力與極限應(yīng)變，網(wǎng)格尺寸越小，增加幅度越大，與杜運(yùn)興等[20]和吳學(xué)乾等[21]得出的隨著配網(wǎng)率的增加，極限應(yīng)力與極限應(yīng)變?cè)酱蟮慕Y(jié)果相符。

2.3 細(xì)觀分析

圖7為BTRC薄板單軸拉伸試驗(yàn)后混凝土基體的細(xì)觀形態(tài)，基體中僅存在少許小孔洞和微裂縫。圖8為BTRC薄板單軸拉伸試驗(yàn)后浸膠纖維束的細(xì)觀形態(tài)，環(huán)氧樹(shù)脂膠與纖維束黏結(jié)情況仍然良好，并未出現(xiàn)大量脫黏現(xiàn)象。圖9為BTRC薄板單軸拉伸試驗(yàn)后破壞處的細(xì)觀形態(tài)，裂縫出現(xiàn)在混凝土基體與纖維編織網(wǎng)間，屬于二者之間的脫黏破壞，與宏觀現(xiàn)象吻合。

圖6 BTRC薄板應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of BTRC sheets

圖7 混凝土基體細(xì)觀形態(tài)Fig.7 Microscopic morphology of concrete matrix

2.4 模型驗(yàn)證

Aveston-Cooper-Kelly(ACK)線性化模型分為三個(gè)不同但互補(bǔ)的階段，可用于表達(dá)TRC的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)。就BTRC薄板的單軸拉伸過(guò)程而言，從應(yīng)力開(kāi)始到達(dá)到復(fù)合材料的極限拉伸應(yīng)力階段可以近似視為線性，因此本試驗(yàn)采用ACK模型[22]理論進(jìn)行驗(yàn)證。

圖8 浸膠纖維束細(xì)觀形態(tài)Fig.8 Microscopic morphology of epoxy impregnated fiber bundle

圖9 脫黏破壞細(xì)觀形態(tài)Fig.9 Microscopic morphology of debonding failure

首先，將BTRC薄板分割成1 mm×1 mm×1 mm的立方體單元,即體積VT=1 mm3，其中單元表面積上纖維含量為AF(mm2)，按式(1)進(jìn)行計(jì)算，式中Tex為纖維束單位長(zhǎng)度質(zhì)量(g/km)，ρ為纖維束密度(g/cm3)；通過(guò)式(2)和式(3)可分別求出不同網(wǎng)格尺寸BTRC薄板單位體積內(nèi)纖維含量VF(mm3)以及混凝土基體含量VC(mm3)，式中l(wèi)F為單位BTRC內(nèi)嵌纖維束長(zhǎng)度(mm)。

(1)

VF=AF×lF

(2)

VC=VT-AF×lF

(3)

式中：F代表纖維；T代表BTRC；C代表混凝土。

其次，由式(4)可分別求出不同網(wǎng)格尺寸BTRC薄板的彈性模量。

ET×VT=EC×VC+EF×VF

(4)

式中：ET為復(fù)合材料彈性模量,MPa；EF為受力纖維束拉伸模量,MPa；EC為混凝土彈性模量,MPa。

最后，由式(5)可求出σT1(MPa)，即ACK模型理論計(jì)算值，由式(6)可求出σT2(MPa)，即試驗(yàn)測(cè)得值。理論計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)得值對(duì)比如表6所示。

σT1=ET×ε

(5)

(6)

式中：ε為復(fù)合材料應(yīng)變值,με;AT為復(fù)合材料單位面積,mm2；Fst為峰值拉力,N。

表6 理論計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)得值對(duì)比Table 6 Comparison of theoretical calculation values and experimental values

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的理論計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)得值的相對(duì)誤差在1%～5%，ACK模型可適用于BTRC薄板的單軸拉伸試驗(yàn)計(jì)算。

2.5 有限元模擬結(jié)果分析

Ansys建模分析如圖10所示，軟件模擬值與試驗(yàn)測(cè)得值對(duì)比如表7所示。Ansys結(jié)果中顯示PC(圖10(a))破壞時(shí)位移為0.001 406 mm，對(duì)應(yīng)應(yīng)變(εa)值為46.87 με，與試驗(yàn)測(cè)得應(yīng)變(εt)值43.7 με相比，誤差控制在7.25%；BTRC40(圖10(d))破壞時(shí)位移為0.001 796 mm，對(duì)應(yīng)應(yīng)變值為59.87 με，與試驗(yàn)結(jié)果52.5 με相比，誤差控制在14.04%；BTRC30(圖10(c))破壞時(shí)位移為0.001 732 mm，對(duì)應(yīng)應(yīng)變值為57.73 με，與試驗(yàn)結(jié)果54.9 με相比，誤差控制在5.15%；BTRC20(圖10(b))破壞時(shí)位移為0.001 643 mm，對(duì)應(yīng)應(yīng)變值為54.77 με，與試驗(yàn)結(jié)果58.1 με相比，誤差控制在5.73%。

圖10 Ansys建模分析Fig.10 Ansys modeling analysis

通過(guò)表7數(shù)據(jù)可知，Ansys結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)得值的相對(duì)誤差在5%～15%，吻合程度較高。

表7 軟件模擬值與試驗(yàn)測(cè)得值對(duì)比Table 7 Comparison of software simulation values and experimental values

3 結(jié) 論

(1)ACK模型可應(yīng)用于不同網(wǎng)格尺寸的BTRC薄板單軸拉伸性能的計(jì)算，適用性較好。

(2)玄武巖纖維編織網(wǎng)的存在不能明顯提高基體開(kāi)裂強(qiáng)度，但可顯著提高混凝土的極限抗拉強(qiáng)度和變形能力。網(wǎng)格尺寸為20 mm×20 mm時(shí)，極限抗拉強(qiáng)度相比素混凝土提高了28.24%，極限應(yīng)變提高了32.93%；且網(wǎng)格尺寸為20 mm×20 mm的BTRC薄板的破壞形態(tài)已由單一裂縫形態(tài)向單裂縫多裂紋形態(tài)轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)出更好的變形能力。

(3)網(wǎng)格尺寸是BTRC復(fù)合材料受拉變形的重要影響因素，網(wǎng)格尺寸越小對(duì)基體的約束能力越強(qiáng)?；w的開(kāi)裂強(qiáng)度提高程度較小，但極限抗拉強(qiáng)度和變形能力有顯著提高。