玄武巖纖維編織網的網格尺寸對混凝土拉伸性能的影響

張添奇，王伯昕

(吉林大學建設工程學院，長春 130021)

0 引 言

纖維編織網增強混凝土(textile reinforced concrete， TRC)是21世紀在我國逐漸興起的新型建筑材料，相比普通混凝土，由于纖維編織網能夠起到分散應力集中[1]的重要作用，決定了它能夠有效地增強混凝土的基本力學性能[2-4]、耐久性能[5-6]等，同時還能夠使混凝土由脆性破壞變成延性破壞[1-4,7-13]?，F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，以及二者結合界面處性能，例如纖維束埋置長度[16]，均對TRC性能產生一定的影響。徐世烺和尹世平等[17-18]用環氧樹脂膠浸漬纖維編織網，并通過拉伸單束纖維增強混凝土薄板與纖維編織網增強混凝土薄板，得出了浸膠纖維束增強混凝土的應力-應變關系。Monaco等[19]基于玄武巖纖維增強水泥基體(BFRCM)的單軸拉伸試驗，生成了能夠表征BFRCM拉伸行為的有限元模型。在現有研究中，大多數學者采用粉煤灰和硅灰等材料代替粗骨料來制備混凝土，從而忽略網格尺寸對基體流動性產生的影響，而在實際工程中，粗骨料仍在大量使用。在TRC結構中，纖維編織網的網格尺寸大小決定了粗骨料是否能夠有效通過網格產生流動性，從而使基體與纖維編織網的黏結性能發生變化來影響復合材料的力學性能。本文通過玄武巖纖維編織網增強混凝土(basalt textile reinforced concrete， BTRC)薄板的單軸拉伸試驗以及掃描電子顯微鏡(SEM)測試，從宏觀與細觀角度分析了玄武巖纖維編織網的網格尺寸對混凝土拉伸性能的影響，并驗證了ACK模型對BTRC薄板拉伸性能計算的適用性。

1 實 驗

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中有良好的流動性及黏結性，粗骨料采用公稱粒徑4.75～10 mm的石灰巖碎石，細骨料采用細度模數均值為2.5的優質河砂，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?；炷粱w配合比見表1。

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

試驗采用玄武巖纖維，網格尺寸分別為20 mm×20 mm、30 mm×30 mm、40 mm×40 mm。為保證結構整體性，在玄武巖纖維表面涂刷環氧樹脂、固化劑以及無水乙醇混合的膠結劑，其中環氧樹脂與固化劑按照體積比5 ∶1 添加。環氧樹脂滲透到纖維束內部，待環氧樹脂與固化劑充分反應后，可有效提高編織網與混凝土基體的協同受力能力。浸膠纖維束力學性能參數見表2。

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

將浸膠處理后的纖維編織網裁剪成20 mm×20 mm、30 mm×30 mm、40 mm×40 mm尺寸，并對其進行單軸拉伸試驗，測試其整體的變形能力，示意圖如圖1所示，結果見表3。

圖1 浸膠纖維編織網力學性能測定示意圖Fig.1 Determination diagram of mechanical properties of epoxy impregnated textile

表3 浸膠纖維編織網力學性能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厚度的木板進行固定，在長為800 mm的邊選擇10 mm厚的木板進行固定，然后將纖維編織網鋪設在上面，再在長為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流失。

圖2 木制模具和養護完成的混凝土板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，然后在標準養護箱中養護28 d后取出，然后對板材進行切割，分割成160 mm×60 mm×20 mm的測試試件，試件分組情況見表4。

表4 試件分組Table 4 Specimen grouping

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

切割完成的BTRC薄板試件在試驗進行前需進行端部保護，用環氧樹脂膠對兩端進行刷膠處理，如圖3所示，防止在夾持過程中混凝土兩端被夾碎。

1.3 單軸拉伸試驗

單軸拉伸試驗的夾持保護端長50 mm，有效拉伸測量區的長度為60 mm。采用DNS300型電子萬能試驗機，加載速率為1.0 mm/min，荷載由試驗機自帶負載傳感器測量。拉伸變形采用量程為10 mm的線性可變差動變壓器(linear variable differential transformer, LVDT)(精度0.1 μm)測量，由整合內存控制器(integrated memory controller， IMC)動態數據采集儀自動采集試驗數據。試驗裝置如圖4所示。

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

1.4 掃描電子顯微鏡測試

為研究BTRC薄板單軸拉伸后的細觀破壞形態，取10 mm×10 mm×10 mm的內含纖維束的試樣塊進行掃描電子顯微鏡(SEM)測試，放大倍數為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。

1.5 軟件模擬

計算機模擬采用Ansys輔助分析，由于纖維編織網和混凝土在達到抗拉強度極限值之前未產生滑移，所以采用整體式建模方法。采用Solid65單元來模擬混凝土基體，對混凝土單元進行不同網格尺寸的實常數設置來模擬對應網格尺寸的玄武巖纖維編織網對混凝土結構的增強作用，并且將復合材料單元視為連續均勻材料。分析過程中，取用受拉區半結構60 mm×30 mm作為分析對象，劃分10×10單元網格，在上表面施加均布荷載，下表面中部節點施加固定鉸支座約束，兩側節點施加滑動鉸支座約束。BTRC薄板單軸拉伸試驗屬于平面應力問題，采用Mises強度準則進行計算。

2 結果與討論

表5列出了BTRC薄板單軸拉伸試驗結果，其中開裂應力、開裂應變、極限應力與極限應變均為每組12個試件的平均值。

表5 BTRC薄板單軸拉伸試驗結果Table 5 Uniaxial tensile test results of BTRC sheet

2.1 單軸受拉全過程分析

在試驗過程中，隨著位移的增加，PC在達到開裂強度時產生裂縫，裂縫便迅速貫穿截面使其斷裂，變形能力較差。BTRC在達到開裂強度時兩端產生微小裂紋，隨著位移持續增加，承載力繼續提高，裂紋不斷擴展直至斷裂。BTRC20的破壞形態與BTRC30、BTRC40和PC相比，表現出了典型的多裂縫開展階段，其中BTRC40、BTRC30和BTRC20脫黏時的荷載分別為0.176 kN、0.256 kN和0.325 kN，與浸膠玄武巖纖維編織網拉伸脫黏時的荷載較為相符。通過對比發現，BTRC20在試驗后的破壞形態與其余組存在明顯差異，即在單一裂縫的基礎上存在細小微裂縫的發展過程。各組試件破壞形態見圖5。

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

通過表5數據分析可知，隨著試件網格尺寸的減小，開裂強度有較小程度的提高。BTRC40與PC的開裂強度相差不大，而BTRC30和BTRC20的開裂強度較PC分別增加了6.47%和7.65%；BTRC40、BTRC30和BTRC20的極限抗拉強度較PC分別增加了17.06%、23.53%和28.24%。纖維編織網的存在不能有效提高基體開裂強度，但能顯著提高試件的極限抗拉強度,與杜運興等[20]和吳學乾等[21]得出的關于BTRC薄板單軸拉伸試驗的結果一致。

PC由于不具備纖維編織網所以承載能力較低，表現為典型的脆性破壞。而BTRC在單軸拉伸試驗過程中，隨著混凝土基體產生裂紋，裂縫處的基體退出工作，不再承擔拉力，但開裂區的纖維編織網可繼續承擔拉力；隨著位移繼續增加，在纖維編織網的黏結作用下，基體將應力傳遞給纖維編織網，纖維編織網依靠界面的黏結強度再將應力傳遞給未開裂的混凝土，應力在兩者之間互相傳遞，直至BTRC薄板達到極限抗拉強度，完全開裂，即纖維編織網與基體脫黏，表現為典型的延性破壞；且纖維編織網的網格尺寸越小，主裂縫旁發展的細小裂紋越多，變形能力越強。

2.2 本構關系分析

圖6為BTRC薄板應力-應變曲線。由表5和圖6可知，PC和BTRC拉伸時的破壞過程存在明顯差異。PC的拉伸過程只存在一個階段，當其應變達到43.7 με時，試件開裂并迅速斷裂；BTRC40在應變達到48.5 με時，產生裂縫，在應變達到52.5 με時，試件斷裂，纖維編織網與基體脫黏；BTRC30在應變達到47.2 με時，產生裂縫，在應變達到54.9 με時，試件斷裂，纖維編織網與基體脫黏；BTRC20在應變達到48.0 με時，產生裂縫，在應變達到58.1 με時，試件斷裂，纖維編織網與基體脫黏，此時極限應變較PC提高了32.93%。同時從圖6中可以發現，BTRC20的極限應力與極限應變增加得最為顯著，說明纖維編織網的存在能夠有效增加極限應力與極限應變，網格尺寸越小，增加幅度越大，與杜運興等[20]和吳學乾等[21]得出的隨著配網率的增加，極限應力與極限應變越大的結果相符。

2.3 細觀分析

圖7為BTRC薄板單軸拉伸試驗后混凝土基體的細觀形態，基體中僅存在少許小孔洞和微裂縫。圖8為BTRC薄板單軸拉伸試驗后浸膠纖維束的細觀形態，環氧樹脂膠與纖維束黏結情況仍然良好，并未出現大量脫黏現象。圖9為BTRC薄板單軸拉伸試驗后破壞處的細觀形態，裂縫出現在混凝土基體與纖維編織網間，屬于二者之間的脫黏破壞，與宏觀現象吻合。

圖6 BTRC薄板應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of BTRC sheets

圖7 混凝土基體細觀形態Fig.7 Microscopic morphology of concrete matrix

2.4 模型驗證

Aveston-Cooper-Kelly(ACK)線性化模型分為三個不同但互補的階段，可用于表達TRC的應力-應變響應。就BTRC薄板的單軸拉伸過程而言，從應力開始到達到復合材料的極限拉伸應力階段可以近似視為線性，因此本試驗采用ACK模型[22]理論進行驗證。

圖8 浸膠纖維束細觀形態Fig.8 Microscopic morphology of epoxy impregnated fiber bundle

圖9 脫黏破壞細觀形態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)進行計算，式中Tex為纖維束單位長度質量(g/km)，ρ為纖維束密度(g/cm3)；通過式(2)和式(3)可分別求出不同網格尺寸BTRC薄板單位體積內纖維含量VF(mm3)以及混凝土基體含量VC(mm3)，式中lF為單位BTRC內嵌纖維束長度(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)可分別求出不同網格尺寸BTRC薄板的彈性模量。

ET×VT=EC×VC+EF×VF

(4)

式中：ET為復合材料彈性模量,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模型理論計算值，由式(6)可求出σT2(MPa)，即試驗測得值。理論計算值與試驗測得值對比如表6所示。

σT1=ET×ε

(5)

(6)

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

表6 理論計算值與試驗測得值對比Table 6 Comparison of theoretical calculation values and experimental values

經過計算得到的理論計算值與試驗測得值的相對誤差在1%～5%，ACK模型可適用于BTRC薄板的單軸拉伸試驗計算。

2.5 有限元模擬結果分析

Ansys建模分析如圖10所示，軟件模擬值與試驗測得值對比如表7所示。Ansys結果中顯示PC(圖10(a))破壞時位移為0.001 406 mm，對應應變(εa)值為46.87 με，與試驗測得應變(εt)值43.7 με相比，誤差控制在7.25%；BTRC40(圖10(d))破壞時位移為0.001 796 mm，對應應變值為59.87 με，與試驗結果52.5 με相比，誤差控制在14.04%；BTRC30(圖10(c))破壞時位移為0.001 732 mm，對應應變值為57.73 με，與試驗結果54.9 με相比，誤差控制在5.15%；BTRC20(圖10(b))破壞時位移為0.001 643 mm，對應應變值為54.77 με，與試驗結果58.1 με相比，誤差控制在5.73%。

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

通過表7數據可知，Ansys結果與試驗測得值的相對誤差在5%～15%，吻合程度較高。

表7 軟件模擬值與試驗測得值對比Table 7 Comparison of software simulation values and experimental values

3 結 論

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

(2)玄武巖纖維編織網的存在不能明顯提高基體開裂強度，但可顯著提高混凝土的極限抗拉強度和變形能力。網格尺寸為20 mm×20 mm時，極限抗拉強度相比素混凝土提高了28.24%，極限應變提高了32.93%；且網格尺寸為20 mm×20 mm的BTRC薄板的破壞形態已由單一裂縫形態向單裂縫多裂紋形態轉變，表現出更好的變形能力。

(3)網格尺寸是BTRC復合材料受拉變形的重要影響因素，網格尺寸越小對基體的約束能力越強。基體的開裂強度提高程度較小，但極限抗拉強度和變形能力有顯著提高。