BFRP-FRCM復(fù)合層彎曲性能試驗研究*

廖維張,王 瀅,王俊杰,馬 超

(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)北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心,北京 100044)

0 引言

纖維增強復(fù)合水泥基材料(fiber reinforced cementitious matrix,FRCM)具有抗拉強度高、變形能力強、耗能能力強等優(yōu)異性能,極限拉應(yīng)變可達(dá)3%以上[1-3],廣泛應(yīng)用于水工、橋梁、道路、既有結(jié)構(gòu)加固修復(fù)及各類前沿技術(shù)中[4-7]。

纖維編織網(wǎng)是通過一系列特殊的編制工藝(退捻、織造等)編織而成的網(wǎng)狀增強材料,材質(zhì)包括碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等。碳纖維具有強度高、雙向受力等優(yōu)異性能,但其售價較高;玻璃纖維在堿性水泥基材中易被腐蝕;玄武巖纖維網(wǎng)格(basalt fabric reinforced polymer,BFRP)具有強度高、自重小、耐腐蝕、經(jīng)濟性較好等優(yōu)點[8],用于結(jié)構(gòu)修復(fù)和加固時,能有效阻止裂縫開展[9-10]。在FRCM內(nèi)配置BFRP網(wǎng)格組合而成的復(fù)合加固材料,即BFRP-FRCM,具有耐高溫、耐腐蝕潮濕、兼容性強、黏結(jié)強度高等優(yōu)點,能克服傳統(tǒng)加固材料耐久性差的缺點,逐漸成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)FRP外貼、抹面砂漿加固的加固修復(fù)方法。BFRP-FRCM復(fù)合層較強的耐腐蝕性使其厚度僅需滿足錨固厚度即可作為保護(hù)層,適用于老舊砌體、混凝土結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)、橋梁的加固和改造。

國內(nèi)外學(xué)者針對BFRP-FRCM復(fù)合層的基體材料[11-14]、配網(wǎng)率[15]、纖維摻量[16]、基體材料之間的黏結(jié)強度[17-18],復(fù)合材料的抗拉強度[19-20]等開展了系統(tǒng)研究。BFRP網(wǎng)格能有效提高BFRP-FRCM試件的軸向抗拉剛度和極限抗拉強度,彌補了基體強度不足的缺點,對試件的強化作用在其開裂后才愈加凸顯[17],內(nèi)摻聚乙烯(PE)纖維復(fù)合層最大極限拉應(yīng)變可達(dá)3.95%[21],且BFRP網(wǎng)格層數(shù)與試件極限抗拉強度成正相關(guān)[21-23]。

當(dāng)加固結(jié)構(gòu)受平面外荷載作用時,加固層將承受彎曲荷載。李赫[24]開展了內(nèi)置BFRP網(wǎng)格FRCM板的多點彎曲試驗,結(jié)果表明在較高配網(wǎng)率下,試件呈多裂縫開裂的破壞模式;而顏祥程等[25]發(fā)現(xiàn)基體中粗骨料最大粒徑較小時,可明顯提高FRCM抗彎強度。網(wǎng)格有效應(yīng)力、利用率均與網(wǎng)格層數(shù)成負(fù)相關(guān),抗彎承載力與網(wǎng)格層數(shù)成正相關(guān)[26-28]。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

1.1.1FRCM基體材料

試驗采用的復(fù)合水泥基材料配合比如表1所示。參考廖維張等[21]開展的BFRP-FRCM單軸拉伸試驗結(jié)果,選取PP,PVA 2種纖維,纖維最佳體積摻量為2%,水膠比(W/B)分別為0.30,0.35。FRCM基體材料28d實測強度如表2所示。

表1 基體配合比Table 1 Mixture proportion of the FRCM g/L

表2 纖維水泥基材料28d實測強度Table 2 The 28d measured strength of FRCM

1.1.2BFRP網(wǎng)格

試驗采用雙向編織BFRP網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸如圖1a所示,網(wǎng)格物理參數(shù)與基本力學(xué)參數(shù)如表3所示。對10片BFRP網(wǎng)格開展單軸拉伸試驗,獲得的網(wǎng)格破壞模式、單束BFRP纖維與BFRP網(wǎng)格承載力如表4所示,試驗測得的BFRP纖維拉伸荷載-位移曲線如圖1b所示。

圖1 BFRP網(wǎng)格尺寸及拉伸荷載-位移曲線Fig.1 BFRP mesh size and tensile load-displacement curve

表3 BFRP網(wǎng)格物理性質(zhì)指標(biāo)Table 3 Physical property indexes for BFRP mesh

表4 BFRP網(wǎng)格物理力學(xué)性能Table 4 Physical property parameters for BFRP mesh

1.2 BFRP-FRCM試件制備

參考JC/T 2461—2018《高延性纖維增強水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗方法》,制作BFRP-FRCM薄板形彎曲試件,試件尺寸為400mm×100mm×20mm。分別摻入PP纖維、PVA纖維,網(wǎng)格層數(shù)分別為1,2,3層。試件的具體制作步驟為:支模并清洗模具→鋪設(shè)底層FRCM基體→鋪設(shè)BFRP網(wǎng)格→鋪設(shè)上層FRCM基體、振搗密實并養(yǎng)護(hù)。試驗工況如表5所示,表中配網(wǎng)率ρ為受拉方向所有單束纖維的橫截面積α1與有效觀測區(qū)域的橫截面積α0之比,未配置網(wǎng)格的試件標(biāo)注為0層網(wǎng)格,每個工況有4個相同試件,取接近平均值的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表5 BFRP-FRCM彎曲試驗工況Table 5 Cases for BFRP-FRCM bend tests

1.3 加載方式

試驗采用100kN量程的MTS多功能試驗機進(jìn)行BFRP-FRCM復(fù)合層四點彎曲性能試驗,試驗裝置如圖2所示。采用位移計測量試件跨中撓度的變化,試驗采用靜力加載方式,位移控制,加載速率為0.25mm/min。試驗出現(xiàn)以下現(xiàn)象之一時停止加載:①試件抗彎承載力下降至最大承載力的75%;②試件主裂縫寬度大于5mm;③機器采集的抗彎荷載呈直線下降趨勢。

圖2 試驗裝置Fig.2 Experimental device

2 試驗結(jié)果

2.1 試件破壞模式

內(nèi)摻PP纖維BFRP-FRCM試件的破壞模式如圖3所示。未置BFRP網(wǎng)格試件在達(dá)到峰值荷載后,裂縫迅速發(fā)展為1條主裂縫,試件由于喪失彎曲承載力而發(fā)生破壞。與未配置BFRP網(wǎng)格試件相比,配置1層BFRP網(wǎng)格試件發(fā)生破壞時,出現(xiàn)3～4條主裂縫(見圖3b);當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加至3層時,試件破壞時的裂縫數(shù)量增多,但寬度減小,分布區(qū)域更廣,如圖3d所示。隨著網(wǎng)格層數(shù)的增加,試件底部裂縫數(shù)量逐漸增多,分布區(qū)域更廣,裂縫寬度呈減小的趨勢。

圖3 內(nèi)摻PP纖維BFRP-FRCM試件破壞模式Fig.3 Failure modes of BFRP-FRCM with PP fibers

內(nèi)摻PVA纖維BFRP-FRCM試件的破壞模式如圖4所示。由圖4可知,隨著網(wǎng)格層數(shù)的增加,主裂縫寬度逐漸減小,細(xì)密裂縫數(shù)量增加,大部分裂縫出現(xiàn)在純彎區(qū)段。對比圖3,4可知,在纖維摻量與網(wǎng)格層數(shù)均相同時,摻入PVA纖維試件較摻入PP纖維試件細(xì)密裂縫數(shù)量更多,分布區(qū)域更廣,說明摻入PVA纖維能更好地改善試件的延性,試件呈現(xiàn)出延性破壞模式。

在竹書的起源敘述中，汪忍坡被塑造成傈僳族反抗不平等的民族英雄，強調(diào)了本土的力量和智慧，并且與其本土宗教活動有密切聯(lián)系，但這也是在特殊歷史背景下表現(xiàn)出來的反抗意識。盡管如此，無論是西方傳教士創(chuàng)造的拼音文字還是本土所造的字，都與宗教有著千絲萬縷的聯(lián)系。

圖4 內(nèi)摻PVA纖維BFRP-FRCM試件破壞模式Fig.4 Failure modes of BFRP-FRCM with PVA fibers

2.2 荷載-位移曲線

水膠比為0.30和0.35工況下的內(nèi)摻PP纖維試件的荷載-位移曲線如圖5所示。由圖5可知,未配置BFRP網(wǎng)格試件的峰值荷載對應(yīng)位移最小,即延性較差。隨著BFRP網(wǎng)格層數(shù)的增加,曲線逐漸呈典型的應(yīng)變硬化趨勢,配置2,3層網(wǎng)格后曲線的應(yīng)變硬化趨勢更加明顯,鋸齒狀波動幅度明顯提高,且峰值荷載對應(yīng)的位移增大,說明BFRP網(wǎng)格能有效提高試件延性,這是由于試件受拉區(qū)開裂后,基材無法承擔(dān)彎曲荷載,轉(zhuǎn)為由BFRP網(wǎng)格承擔(dān)。

圖5 內(nèi)摻PP纖維試件的荷載-位移曲線Fig.5 Load-deflection curves of BFRP-FRCM with PP fibers

內(nèi)摻PVA纖維試件的荷載-位移曲線如圖6所示。由圖6可知,曲線的應(yīng)變硬化特征明顯,各水膠比下的曲線抗彎剛度相近。當(dāng)水膠比為0.30時,試件峰值荷載對應(yīng)的位移顯著提高,摻入2層BFRP網(wǎng)格的PVA纖維試件峰值荷載對應(yīng)的位移可達(dá)15.24mm,較未配置網(wǎng)格的試件提高78.2%,配置2層BFRP網(wǎng)格對試件延性改善最優(yōu)。當(dāng)水膠比為0.35時,試件峰值荷載和對應(yīng)的位移均有所提高,并隨著網(wǎng)格層數(shù)的增加而增大,即BFRP網(wǎng)格提升了試件抗彎性能。

圖6 內(nèi)摻PVA試件的荷載-位移曲線Fig.6 Load-deflection curves of BFRP-FRCM with PVA fibers

2.3 BFRP-FRCM抗彎強度

開裂荷載為采集儀上荷載-位移曲線出現(xiàn)的第1個明顯下降段時的荷載;極限荷載為可施加的峰值荷載。其極限抗彎強度計算如下:

(1)

式中:M為抗彎強度;P為峰值荷載,取實測值均值;b為試件寬度,為100mm;h為試件厚度,為20mm;l0為加載跨度,為300mm。

內(nèi)摻PP纖維和PVA纖維BFRP-FRCM試件的極限抗彎強度如圖7所示。內(nèi)摻PVA試件的極限抗彎強度平均值遠(yuǎn)高于內(nèi)摻PP試件,這主要是由于PVA纖維自身的抗拉強度約為PP纖維的3倍,且PVA纖維的基體黏結(jié)力遠(yuǎn)大于PP纖維,在基體裂縫發(fā)展時有良好的橋聯(lián)作用,增強了水泥基材料的強度。對于內(nèi)摻PP纖維的試件,水膠比為0.35時,內(nèi)摻PP纖維試件極限抗彎強度隨著BFRP網(wǎng)格層數(shù)增加而提高。

圖7 內(nèi)摻PP纖維和PVA纖維BFRP-FRCM試件極 限抗彎強度Fig.7 Ultimate bending strength of BFRP-FRCM with PVA fibers and PP fibers

對于內(nèi)摻PVA纖維的試件,水膠比為0.30試件的極限抗彎強度均大于水膠比為0.35試件的極限抗彎強度,說明水膠比為0.30時,基體材料流變性較好,纖維分散更均勻,且BFRP網(wǎng)格與基材黏結(jié)性能更優(yōu),使其能發(fā)揮更大作用,增大水膠比對FRCM基材的極限抗彎強度有明顯的削弱作用。隨著網(wǎng)格層數(shù)的增加,內(nèi)摻PVA纖維試件的極限抗彎強度并非呈單調(diào)增加,水膠比為0.30工況下,配置1層網(wǎng)格試件極限抗彎強度較無網(wǎng)格試件提升了22.6%,配置2層網(wǎng)格試件極限抗彎強度較1層網(wǎng)格試件下降了7%,配置3層網(wǎng)格試件的極限抗彎強度提高不多。水膠比為0.35時,配置2層網(wǎng)格試件的極限抗彎強度較無網(wǎng)格試件提升了24.5%,即BFRP-FRCM在各配合比下存在一個最優(yōu)配網(wǎng)率,網(wǎng)格數(shù)量較小時無法承受基材斷裂后的拉伸荷載,而過大的配網(wǎng)率會造成基體在網(wǎng)格上、下面的分層效應(yīng),降低內(nèi)部FRCM基體自身的連續(xù)性,削弱了基體與網(wǎng)格之間的黏結(jié)力,影響試件的抗彎強度。

3 BFRP-FRCM彎曲韌性評價

彎曲韌性能反映試件彎曲破壞過程中吸收能量的多少,即利用荷載-位移曲線下的面積與初裂點所對應(yīng)的荷載-位移曲線下的面積Ωδ的比值評價復(fù)合層的彎曲韌性(見圖8)[29],可用于評價纖維對基體開裂后的增韌效果,彎曲韌性指數(shù)I5,I10,I20,I30的定義如下:

圖8 BFRP-FRCM復(fù)合層彎曲韌性指數(shù)確定方法Fig.8 Definition of flexural toughness index of BFRP-FRCM

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:Ωδ,Ω3δ,Ω5.5δ,Ω10δ,Ω15.5δ分別為圖8中OAF,OABG,OACH,OADI,OAEJ的面積(N·mm),即對應(yīng)初裂點位移δ的3.0,5.5,10.5,15.5倍時,荷載-位移曲線下的面積。理想彈塑體的韌性系數(shù)分別為5,10,20,30。韌性系數(shù)越接近理想彈塑體,則表明材料的彎曲韌性越好[30]。由于摻入PP纖維的試件在配網(wǎng)率較低時,計算所得的彎曲韌性指數(shù)較低,故在此不分析PP試件韌性。

BFRP網(wǎng)格層數(shù)、水膠比等對內(nèi)摻PVA纖維試件彎曲韌性指標(biāo)的影響規(guī)律如圖9所示。在相同的配網(wǎng)率下,復(fù)合層試件的彎曲韌性指標(biāo)均滿足I10>10,I20>20,I30>30,說明內(nèi)摻PVA纖維的BFRP-FRCM試件具有較好的彎曲韌性。由圖9a可知,水膠比為0.3時,配置BFRP網(wǎng)格試件的彎曲韌性系數(shù)小于未配置試件,說明在該水膠比下,BFRP網(wǎng)格對試件韌性的提高有限。I5的提高表明材料達(dá)到峰值荷載前的吸能能力提高,使試件達(dá)到峰值荷載的時間延長,開裂所需能量提升。I10的提高能減緩裂縫開展速度,抑制裂縫貫穿。由圖9b可知,未配置網(wǎng)格試件I5>5,I10>10,表明試件彎曲韌性較好;而配置1,2,3層BFRP網(wǎng)格試件彎曲韌性系數(shù)均有所提高,配置1層BFRP網(wǎng)格試件I5提高22%,I10提高29.4%,這是因為隨著荷載的增大,纖維從基材中被拔出、BFRP網(wǎng)格與基材間的黏結(jié)力會消耗能量,延緩破壞過程,起到增韌效果。

圖9 各因素對彎曲韌性指標(biāo)的影響Fig.9 The influence of various factors on the bending toughness index

綜上,在水膠比為0.30時,未配置BFRP網(wǎng)格試件彎曲韌性較好,BFRP網(wǎng)格作用較小。水膠比為0.35的工況下,配置BFRP網(wǎng)格試件韌性較0層試件有所提高,但網(wǎng)格數(shù)量對試件彎曲韌性提升較小。

4 結(jié)語

1)BFRP-FRCM復(fù)合層中配置玄武巖網(wǎng)格可改善試件彎曲破壞模式。未配置BFRP網(wǎng)格時,內(nèi)摻PP纖維復(fù)合層試件呈脆性破壞模式,內(nèi)摻PVA纖維復(fù)合層試件呈多裂縫破壞模式。配置BFRP網(wǎng)格后,受彎區(qū)呈現(xiàn)明顯的細(xì)密裂縫,且網(wǎng)格層數(shù)越多,細(xì)密裂縫數(shù)量越多。在其他參數(shù)相同的情況下,內(nèi)摻PVA纖維復(fù)合層試件的裂縫數(shù)量遠(yuǎn)大于內(nèi)摻PP復(fù)合層纖維試件,內(nèi)摻PVA纖維復(fù)合層試件的彎曲變形能力更強。BFRP-FRCM復(fù)合層能有效改善試件抗裂性能,提升試件延性,可用于加固各類砌體和混凝土結(jié)構(gòu)。

2)水膠比對BFRP網(wǎng)格、纖維與基材的相互作用影響顯著。對于內(nèi)摻PVA纖維復(fù)合層試件,在各水膠比下存在最佳配網(wǎng)率。水膠比為0.30工況下,配置1層BFRP網(wǎng)格試件極限抗彎強度最大;水膠比為0.35時,配置2層網(wǎng)格試件極限抗彎強度最優(yōu)。內(nèi)摻PVA纖維復(fù)合層試件的極限抗彎強度遠(yuǎn)高于內(nèi)摻PP纖維復(fù)合層試件。

3)BFRP網(wǎng)格提高了BFRP-FRCM試件彎曲韌性。尤其是在水膠比為0.35工況下,BFRP網(wǎng)格對試件的增韌作用明顯,但BFRP網(wǎng)格數(shù)量對彎曲韌性影響較小。內(nèi)摻BFRP網(wǎng)格,BFRP-FRCM的峰值位移、斷裂能和彎曲韌性逐漸增大,說明網(wǎng)格能改善材料的彎曲韌性。

4)相較于其他傳統(tǒng)加固材料,BFRP-FRCM復(fù)合層的優(yōu)勢在于其高延性、高抗裂性。采用BFRP-FRCM復(fù)合層作為加固材料,可使加固層厚度減小,減少材料用量和加固工程工作量。