纖維聚合物在水利工程結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用研究

毛景暉

(廣東華迪工程管理有限公司，廣東 廣州 510600)

0 引言

近年來興起的紡織增強(qiáng)混凝土，又稱紡織增強(qiáng)復(fù)合材料，為開發(fā)輕質(zhì)和定制結(jié)構(gòu)提供了機(jī)會[1]，由天然纖維制成的紡織品在工程應(yīng)用方面獲得了很大的關(guān)注[2]。在各種基于植物的天然纖維中，亞麻紡織品已被證明在紡織增強(qiáng)混凝土的結(jié)構(gòu)應(yīng)用中具有潛在的適用性[3]。然而，作為纖維素纖維，亞麻纖維在水泥基體中對堿性環(huán)境的抗降解能力較低。為了保護(hù)亞麻纖維不受混凝土中堿性環(huán)境的影響，有必要在紡織品上涂抹聚合物，因此在應(yīng)用于混凝土之前，應(yīng)將亞麻織物制作成亞麻纖維增強(qiáng)聚合物(FFRPs)。使用FFRP而不是直接使用亞麻織物作為混凝土的加固物的進(jìn)一步原因有兩方面：將纖維捆綁在一起，減少纖維的分散性，提高加固效率；提高加固的剛度和尺寸穩(wěn)定性。

應(yīng)用于紡織增強(qiáng)混凝土的FRP通常是開放式網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，以確保水泥基質(zhì)通過開口良好滲透[4]。應(yīng)用相對較小的開口尺寸，或所謂的網(wǎng)眼尺寸(通常在10mm以下)是比較好的，該尺寸的紡織品更穩(wěn)定，更容易處理。但是，較密的紡織品結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致較低的基質(zhì)滲透率，導(dǎo)致FRP和基質(zhì)之間的粘合性能不佳。許多研究人員已經(jīng)報道了紡織增強(qiáng)混凝土在拉伸載荷下的界面脫粘失敗[5]。為保持新混凝土的良好工作性和FRP與混凝土之間的充分粘合，在紡織增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的基體中應(yīng)使用高含量的粘合劑，通常為整個混合物體積的40%～50%。同時，最大的骨料尺寸應(yīng)在2mm以下。然而，細(xì)粒混凝土最大的問題之一是低骨料含量和高細(xì)顆粒含量造成的高收縮值。在文獻(xiàn)中，沒有研究過增加集料尺寸對FRP和混凝土之間的粘結(jié)性能、拉伸性能或彎曲性能的影響[6-7]。

因此，本研究采用了較大網(wǎng)孔尺寸的FFRP，研究加固網(wǎng)孔大小和基體中添加中等再生骨料對紡織增強(qiáng)混凝土的拉伸和彎曲性能的影響及破壞機(jī)制。

1 材料和方法

1.1 材料

兩種亞麻網(wǎng)狀織物(即網(wǎng)目尺寸為14mm和28mm)，織物內(nèi)緯紗和經(jīng)紗在兩個正交方向上與第三根線粘合在一起。然后用德國卡塞爾的Gurit公司生產(chǎn)的雙組分環(huán)氧樹脂AMPREGTM對織物進(jìn)行浸漬，就可以手工鋪設(shè)工藝制造FFR。FFRP網(wǎng)格的網(wǎng)目尺寸分別為12mm和26mm，所有批次的FFRP的纖維體積分?jǐn)?shù)在25%到27%之間。為了確定單個FFRP棒的拉伸性能，對從大網(wǎng)目尺寸(FL)和小網(wǎng)目尺寸(FS)的FFRP網(wǎng)格上切割下來的棒(在加固方向)進(jìn)行了拉伸試驗。根據(jù)ASTM D3039標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置了150mm的測量長度和2mm/min的測試速度。結(jié)果顯示，F(xiàn)L桿的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別為103.3(±14%)MPa和8.9(±13%)GPa，F(xiàn)S桿的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別為133.7(±17%)MPa和10.3(±12%)GPa。

在研究中，制造了兩種不同的混凝土基質(zhì)。除了傳統(tǒng)的細(xì)粒混凝土(所謂的砂漿類型)，再生骨料的范圍從2mm到10mm的RAC被用作紡織增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的基體。這些再生骨料是回收的混凝土骨料，從建筑和拆除廢物中回收并交由本地工廠加工。表1展示了與相同粒徑的天然骨料(NAs)相比，再生骨料的烘箱干燥密度和吸水率。本研究中使用的粘合劑是普通波特蘭水泥CEM I 42.5N。

表1 RA和NA的物理特性

1.2 混凝土混合比例和樣品制作程序

混凝土的混合比例見表2。考慮到再生骨料相對較高的吸水率，添加額外的水以保持兩個不同基體組之間相似的工作性能。根據(jù)再生骨料的吸水率和含水率，確定了3.7%的再生骨料附加水(重量)。

表2 混凝土配合比

在澆筑混凝土之前，F(xiàn)FRP網(wǎng)格被放置在涂油的木模中。厚度為5mm的小砂漿塊被用來作為支撐物，以保持FFRP在基體中的垂直位置。對砂漿和RAC采用了不同的混合程序。普通的混合方法用于制備砂漿糊，其中沙子、水泥、水和超塑化劑被混合120s。為了獲得更高的RAC質(zhì)量，在制備RAC漿料時參考了兩階段混合方法。首先將再生骨料、沙子和額外的水混合60s，然后再加入水泥，再混合60s。最后，加入其余的水和超塑化劑，混合180s。在混凝土澆注后，用振動器搖動模具，所有的樣品都用塑料薄膜覆蓋。混凝土澆注兩天后，樣品脫模并在室溫下浸沒水中儲存28天。砂漿和RAC在28天時的抗壓強(qiáng)度分別為25.0(±9%)MPa和35.6(±11%)MPa。砂漿和RAC在28天時的彈性模量分別為20.2(±10%)GPa和21.8(±12%)GPa。

1.3 測試設(shè)置

差示掃描量熱法(DSC)在TA儀器Q200上進(jìn)行，使用鋁制樣品盤，以評估復(fù)合材料中PLA的結(jié)晶程度。玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)、冷結(jié)晶和熔化溫度(Tm)也被確定。用刀片將聚乳酸粉碎，從復(fù)合板的表面劃過。重量在5到10毫克之間的粉末狀樣品被裝入一個不銹鋼高容量DSC鍋中并密封。五個樣品被測試，在氮氣環(huán)境下以1℃/min的速度在25℃和200℃之間加熱。為了更好地了解材料的轉(zhuǎn)變，其中兩個樣品還以同樣的速度進(jìn)行了冷卻測試。

混凝土壓縮試驗的式樣尺寸為150mm×150mm×150mm，對于每一配合比，均有6個立方體試塊按照加載速率為1MPa/s進(jìn)行測試。單軸拉伸試驗的試樣尺寸為500mm×100mm×15mm，參考RILEM制定的232-DT標(biāo)準(zhǔn)[18]長寬比應(yīng)至少為5∶1，厚度應(yīng)大于6mm，并在每個紡織增強(qiáng)混凝土樣品的中間層放置一層FFRP鋼筋。FL-Mortar、FS-Mortar、FL-RAC和FS-RAC樣品在加載方向(縱向)的加固率分別為1.3%、2.0%、1.2%和1.1%。加強(qiáng)率是以加載方向的FFRP棒與整個紡織增強(qiáng)混凝土樣品之間的橫截面比率計算的。測試設(shè)置參考了RILEM技術(shù)委員會232-DT規(guī)程，其中測量長度被設(shè)定為340mm，測試速度被設(shè)定為0.5mm/min。

用于四點彎曲試驗的試樣尺寸為500mm×100mm×25mm，每個試樣都用單層的FFRP加固。為了保持拉伸區(qū)的加固，并考慮到FFRP的厚度，因此在FFRP和紡織增強(qiáng)混凝土底部之間增加6mm。FL-Mortar、FS-Mortar、FL-RAC和FS-RAC試樣縱向的加固率分別為0.9%、1.5%、1.0%和0.8%。參照BS EN 1170-5[19]跨度和中跨分別設(shè)定為450mm和150mm，測試速度為1mm/min，安裝線性可變差分變壓傳感器(LVDT)來測量變形。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 亞麻纖維的DSC熱圖與加熱速率

結(jié)晶度的百分比與半結(jié)晶聚合物表現(xiàn)出的許多關(guān)鍵特性直接相關(guān)，包括脆性、韌性、剛度或模量、光學(xué)清晰度等。為了計算聚乳酸的結(jié)晶度百分比，并將其與后來測量的機(jī)械性能聯(lián)系起來，DSC研究在25～220℃的溫度范圍和可變的加熱速率下進(jìn)行。所有樣品的玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)(單位：℃)、熔化溫度(Tm)、冷結(jié)晶溫度(Tcc)以及熔化熱(Hm)(單位：J/kg)和結(jié)晶熱(Hc)都被測定。然后利用以下關(guān)系計算結(jié)晶度

(1)

其中ΔHm和ΔHc分別是通過對熔化和結(jié)晶過程中相應(yīng)的內(nèi)熱和外熱峰的積分得到的，ΔHm%是完全結(jié)晶的亞麻纖維樣品的熔化焓。在放熱轉(zhuǎn)變之后，只有一小部分未知的無定形材料被結(jié)晶。本實驗從復(fù)合材料中獲得的亞麻纖維的DSC熱圖與加熱速率的關(guān)系如圖2所示。

圖2 加熱速率對亞麻纖維的DSC曲線的影響

2.2 單軸拉伸性能

從單軸拉伸試驗中得到的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。在施加拉伸荷載之后，可以觀察到在FS-Mortar樣品中，砂漿和FFRP之間出現(xiàn)了脫粘現(xiàn)象。這種現(xiàn)象也發(fā)生在FS-RAC組，但RAC的剝落只限于小范圍內(nèi)。與FS-Mortar相比，F(xiàn)S-RAC的基體層和FFRP鋼筋之間的粘結(jié)性能趨于改善。破壞模式顯示出中層再生骨料和FS網(wǎng)格中的開口之間相互咬合。這表明由于RA的粒徑接近于FS的網(wǎng)目尺寸，再生骨料可以卡在網(wǎng)格的開口處，很大程度上防止了再生骨料混凝土的剝落。就FL-Mortar和FL-RAC而言，這兩組樣品都是在FFRP中出現(xiàn)斷裂，沒有觀察到脫粘現(xiàn)象。

圖3 拉伸荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變反應(yīng)

從圖3可以清楚地看到，與砂漿組相比，RAC組的抗拉強(qiáng)度有所下降，F(xiàn)L和FS分別下降了21%和30%。砂漿組和RAC組之間的應(yīng)力差異發(fā)生在第一條裂縫之后。根據(jù)Aveston-Cooper-Kelly理論，加固的砂漿在第一條裂縫發(fā)生時達(dá)到了更高的應(yīng)力，而第一條裂縫應(yīng)力主要取決于基體的拉伸性能[20]。正如RAC和砂漿的壓縮試驗表明，RAC的彈性模量略高于砂漿的。這會導(dǎo)致較低的第一裂縫應(yīng)力并進(jìn)一步導(dǎo)致RAC組的抗拉強(qiáng)度降低。在同一基體組中，F(xiàn)L鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度略高于FS鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，砂漿和RAC分別高出10%和24%。一方面，該現(xiàn)象可以用失效模式來解釋，F(xiàn)S鋼筋混凝土樣品的脫粘會限制結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能力。另一方面，F(xiàn)S網(wǎng)格的抗拉強(qiáng)度比FL網(wǎng)格的抗拉強(qiáng)度低56%，這是由500mm×100mm的FFRP網(wǎng)格的拉伸試驗所驗證的。

2.3 彎曲性能

圖4顯示了彎曲應(yīng)力和跨中撓度之間的關(guān)系。所有組別樣品的破壞模式都是撓曲破壞，以FFRP斷裂結(jié)束。FS-Mortar組在拉伸區(qū)遭受了由彎曲裂縫引起的嚴(yán)重的界面脫粘。界面脫粘也發(fā)生在其中一個FS-RAC樣品中，但只有一小塊RAC從FFRP上脫落。其原因可能與單軸拉伸試驗中的原因相同，即FS和再生骨料的開口之間的互鎖效應(yīng)。此外，在其中一個FL-RAC樣品上也出現(xiàn)了壓縮區(qū)的混凝土破碎，但只是在一個小范圍內(nèi)，大約2厘米寬。

圖4 四點彎曲載荷下的應(yīng)力-撓度關(guān)系

在彎曲強(qiáng)度方面，四個組之間沒有相當(dāng)大的差異。更值得注意的是FS-RAC組，它的彎曲強(qiáng)度比FS-Mortar組高9%，比FL-RAC組高16%。一方面，由于RA和FS網(wǎng)格之間的互鎖效應(yīng)，從失效模式可以看出，F(xiàn)S-RAC中的界面結(jié)合得到了改善，因此可以更充分地利用張力區(qū)。另一方面，與砂漿相比，RAC的抗壓強(qiáng)度較高，有助于提高FS-RAC的抗彎強(qiáng)度。

3 結(jié)論

為提高天然亞麻纖維增強(qiáng)聚合物加固水工結(jié)構(gòu)加固效果，本文通過實驗分析FFRP鋼筋網(wǎng)孔大小和混凝土骨料大小對FFRP鋼筋混凝土的拉伸和彎曲性能的影響，得到以下結(jié)論。

(1)骨料和FS網(wǎng)格中的開口尺寸接近，骨料很容易被卡在網(wǎng)格的開口處。網(wǎng)適當(dāng)尺寸的骨料可防止混凝土基體和小網(wǎng)孔尺寸的FFRP之間的界面脫粘。

(2)基體中加入中等的再生骨料導(dǎo)致FFRP加固的RAC的抗拉強(qiáng)度比FFRP加固的砂漿低，用FS加固混凝土(砂漿/RAC)對抗拉強(qiáng)度有負(fù)面影響。

(3)網(wǎng)目尺寸較大的FFRP加固混凝土(砂漿/RAC)的效果更好，建議在結(jié)構(gòu)加固過程中使用較大的網(wǎng)目。

(4)由于實驗測試中的指標(biāo)數(shù)量有限，結(jié)論需通過更全面的指標(biāo)進(jìn)一步分析。