凍融循環作用對玄武巖纖維編織網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和細?；炷翗嫵桑哂懈唔g性、高承載力、質量輕等優點，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]通過拉伸試驗發現，在凍融循環條件下，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，凍融循環破壞對TRC的抗拉強度影響度不大。Yin等[7]研究發現，隨著凍融循環次數的增加，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]研究發現，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，混凝土結構處于凍融環境中。纖維編織網增強混凝土結構處于凍融環境中，定向纖維束與混凝土基體的黏結性能將出現劣化，所以本文研究凍融循環作用下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，為北方寒冷地區的BTRC的應用提供設計參考依據。

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石灰巖碎石；砂：細度模數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。纖維編織網網格尺寸為20 mm×20 mm，如圖1（b）所示。為增強各纖維束之間協同受力的作用，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

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，養護24 h后脫模，如圖2所示。在標準養護條件下養護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次數的不斷增加，拉拔試驗過程中夾頭處混凝土被夾碎的現象出現，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 凍融循環試驗

依據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）℃。每次凍融循環時間為4 h（凍結3 h，融化1 h），每20次凍融循環測量其荷載-位移曲線。

1.3.2 拉拔試驗

凍融循環完成后將試件取出，為保證試件在規定位置發生破壞，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（見圖5）

圖5 試件破壞形態

試驗發現，經過凍融循環后BTRC試件的破壞形態均為滑移破壞，纖維網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。在纖維束產生滑移的過程中，試件未發生劈裂等破壞，這也說明了BTRC試件的破壞主要是由于纖維網與混凝土的滑移破壞導致的。由圖5可見，當凍融循環在0~40次時，混凝土表面無明顯破壞，當凍融循環超過60次時，試件表面混凝土出現明顯脫落。試件的失效是由于纖維束與混凝土界面產生較大的裂縫（見圖6），導致纖維束與混凝土之間的粘結性能下降，進而產生相對滑移使結構失效。

圖6 試件斷口狀態

2.2 粘結性能變化規律

根據試驗分析，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（纖維規格為2400 tex，凍融循環次數為0次）：（a）微觀裂縫發展階段：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，當到達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，該階段纖維束發生一定的彈性變形，纖維束與基體之間發生微小滑移，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

不同凍融循環次數時的荷載-位移曲線如圖8所示。

圖8 凍融循環次數對BTRC拉拔力的影響

由圖8可見，隨著混凝土凍融循環次數的增加，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生較大的滑移，導致構件失效。

圖9為凍融循環次數對BTRC極限拉拔力的影響。

圖9 凍融循環次數對BTRC極限拉拔力的影響

由圖9可見，在0~40次凍融循環作用下，極限拉拔力迅速下降；而在40~100次凍融循環作用下，極限拉拔力的下降速度趨于平緩；當凍融循環達到100次時，含2400 tex和7200 tex纖維束的BTRC極限拉拔力較凍融循環0次時分別下降了57.2%和59.2%。在相同凍融循環條件下，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作用，建立在凍融循環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；

P1——混凝土受纖維束均勻內壓力，MPa。

在圖11中，根據靜力平衡得：

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的半徑為b，當r=b時，混凝土受到最大環向拉應力σθmax：

設當環向最大拉應力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：

聯立式（3）~（8）得出P的最大值：

將式（9）代入式（1），即得凍融循環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μ和凍融損傷系數γ。其中μ是待定常數，γ與凍融循環次數有關。通過試驗數據統計分析，并結合式（10）計算得出摩擦系數μ為0.55，凍融損傷系數γ計算結果見表3。

表3 凍融損傷系數γ計算結果

3 結論

（1）通過拉拔試驗得出，BTRC的拉拔破壞形態主要以滑移破壞為主。

（2）隨著凍融循環次數的增加，試件的極限拉拔力均有不同程度的降低，凍融循環對BTRC拉拔性能影響明顯；在相同凍融循環條件下，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受均勻內壓作用的厚壁圓筒力學模型，建立了在凍融循環作用下纖維束與混凝土之間的粘結強度計算模型。