碳纖維織物增強水泥基復合材料試驗研究

周芬，劉玲玲，杜運興

(1.湖南大學 工程結構損傷診斷湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410082；2.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

碳纖維織物增強水泥基復合材料試驗研究

周芬?，劉玲玲，杜運興

(1.湖南大學 工程結構損傷診斷湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410082；2.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

采用軸向拉伸試驗研究了碳纖維織物增強水泥基復合材料(TRC)的靜力力學性能，試驗工況考慮了配網率、短切鋼纖維以及碳纖維織物上的預拉力3個因素. 試驗結果表明：沒有摻加短切鋼纖維的薄板，隨著配網率的增加，碳纖維織物利用率降低，試驗過程中纖維層與水泥基層逐漸分離，最終薄板發生剝離破壞；對碳纖維織物施加預拉力能使薄板的開裂應力提高，從而提高TRC 構件的正常使用壽命；在薄板中摻入短切鋼纖維有助于提高其界面性能，進而使薄板抗拉強度、極限應變均得以提高；與施加預拉力相比，摻入短切鋼纖維對薄板力學性能的改善更加顯著；對碳纖維織物施加預拉力的同時在薄板中摻入1%的短切鋼纖維可顯著提高碳纖維的利用率，薄板破壞時碳纖維被完全拉斷.

織物增強水泥基復合材料；碳纖維織物；抗拉強度；界面性能

織物增強水泥基復合材料(Textile Reinforced Cementitious Composites,簡稱TRC)是指將纖維織物與高性能水泥基體結合的一種新型復合材料. TRC的優點是可以將傳統水泥基體在拉伸荷載下單一裂縫的開裂模式轉化為多條細密裂縫的開裂模式，具有非常顯著的增強增韌特性和優良的耐久性. 近年來，短纖維增強水泥基復合材料已得到廣泛研究和應用[1-3]. 用高性能的短纖維(比如PVA纖維、PE纖維、鋼纖維等)增強水泥基體可生產出高耐久性的薄壁、輕質構件，但由于短切纖維在水泥基體中亂向隨機分布，其纖維利用率較低. 而在TRC結構中，纖維沿水泥基體中的應力主向連續布置，可有效地提高纖維利用率. 由于TRC所采用的纖維材料(比如碳纖維、耐堿玻璃纖維、玄武巖纖維等)具有高耐腐蝕性，不受環境中氯離子和二氧化碳的影響，因而水泥基體保護層厚度可很薄. 這些特性使得TRC可用于薄壁輕質結構、預制免拆除模板、預制夾芯板等[4-5]，還可用于已有結構的加固與修復[6-8].

在TRC構件的推廣和應用過程中，其力學性能的試驗研究十分必要，可為理論研究、數值模擬、設計提供依據. 纖維織物與水泥基體之間的界面性能是TRC能否發揮其力學性能的關鍵. Dvorkin等[9]通過碳纖維織物的拔出試驗發現，碳纖維織物是否浸膠對纖維與水泥基體之間的界面性能影響較大. 碳纖維織物浸膠與不浸膠相比能夠明顯提高纖維與水泥基體之間的界面性能. 尹世平等[10]研究表明，纖維織物經環氧樹脂浸漬并表面粘砂、纖維織物上掛 U形鉤都可提高纖維織物與水泥基體的界面性能. Rambo等[11]研究了布置1層、3層、5層玄武巖織物的TRC薄板的軸拉性能，研究表明，布置3層或5層織物的試件具有典型TRC應力-應變曲線，即三階段的應變強化特性. Barhum和Mechtcherine[12]通過對摻入短切碳纖維和玻璃纖維的TRC板進行單軸拉伸試驗發現，摻入短纖維能使TRC板的初裂應力和抗拉強度得到提高，且摻入碳纖維比摻入玻璃纖維提高明顯. 摻入短纖維的TRC板還改善了裂縫狀態. Reinhardt等[13]通過對TRC板進行四點彎曲試驗發現，對環氧樹脂浸漬處理的碳纖維織物施加預拉力能使TRC板的開裂應力和極限彎拉強度得到提高.

目前，國內外學者對于TRC板的力學特性做了大量的試驗研究，但對于摻入不同含量短切鋼纖維的TRC板及對織物施加預拉力的TRC板的試驗研究較少，尚未見將鋼纖維摻入到預應力TRC板的相關試驗研究.

1 材料和試驗方法

1.1 纖維織物

本文試驗采用經環氧樹脂浸漬的碳纖維織物作為增強材料，網格尺寸5 mm×5mm，環氧樹脂浸漬后的碳纖維織物如圖1所示，其增強作用主要由經向纖維束承擔. 本文測試從纖維織物上截取的單根經向碳纖維束的力學性能，見表1. 纖維束的橫截面積為 0.218 mm2，通過其線密度除以體密度得到. 纖維束的抗拉強度、極限應變、彈性模量通過MTS萬能試驗機準靜態試驗測得，纖維束試件的標距為100 mm，拉伸速率設定為2.5 mm/min，采用1 kN力傳感器，數據采集頻率為20 Hz[14-15]. 試驗還測得了40 mm寬的織物條帶的極限抗拉承載能力為4 kN，抗拉強度為2 293.58 MPa.

圖1 碳纖維織物Fig.1 Carbon textile

類型抗拉強度/MPa彈性模量/GPa極限應變/%密度/(g·cm-3)橫截面積/mm26K229023011.80.218

1.2 鋼纖維

鋼纖維具有高抗拉強度、高彈性模量、在混凝土中不會結球、能夠均勻分布等優點.本文采用鍍銅微絲鋼纖維，表2為試驗所采用的短切鋼纖維的力學及幾何特征參數，鋼纖維形態如圖2所示. 鋼纖維的密度由質量除以體積得到，鋼纖維的體積則由排水法測得.

表2 鋼纖維參數

圖2 鋼纖維Fig.2 Steel fibres

1.3 水泥基體

織物增強水泥基復合材料的基體必須具有高流動性、不離析的自密實能力. 為滿足上述條件并確保水泥基體能夠滲過織物，本文所用水泥基體骨料的最大粒徑不超過2 mm. 本試驗部分工況需對織物施加預拉力，基體還必須具有較高的早期強度. 為此，專門配制了高性能水泥基體，其配合比見表3. 制作40 mm×40 mm×160 mm的試件測試水泥基體的抗折性能，先采用水泥電動抗折試驗機進行抗折試驗，勻速加載直至試件斷裂；再用抗折試驗剩下的殘塊測試水泥基體的抗壓性能，試件尺寸為40 mm×40 mm×40 mm. 試驗分別測得水泥基體齡期為7 d和28 d的力學性能：抗折強度分別為11.5 MPa和12.3 MPa，抗壓強度分別為62.5 MPa和76.7 MPa. 證明了按照本文配合比制備的水泥基體滿足較高早期強度的要求.

表3 基體水泥基配合比

1.4 試驗方案

本次試驗分別以配網率、鋼纖維體積分數、織物的預拉力為變量，考察這些因素對碳纖維TRC薄板力學性能的影響. 具體試驗方案如下：分別布設1層織物和2層織物，探討不同配網率下的薄板力學性能；布設1層織物時考慮摻入不同體積分數(0%，0.5%，1%，2%)的鋼纖維、施加不同水平(10%和20%)預拉力對薄板力學性能的影響；并研究了對纖維織物施加預拉力的同時摻入1%體積分數的鋼纖維對薄板力學性能的改善情況. 本文采用的編號含義如下：以P20C1S1為例，P20代表施加的預拉力為纖維織物極限抗拉承載力的20%，C1代表布設1層碳纖維織物，S1代表摻入鋼纖維的體積分數為1%.

1.5 試件制備

本試驗所有工況均先將碳纖維織物固定在相應位置上并繃緊(織物在板材中均勻布置)，再將水泥基體直接澆筑在織物上，并用平板式震動器震動水泥基體40 s，最后抹平表面. 制作預拉力工況的板材時，先將織物預張拉1 d再澆筑水泥基體，可有效避免織物松弛帶來的預拉力損失；室溫下灑水養護4 d后拆模，隨后將板材放置在標準養護室中養護至28 d，而非預拉力工況的板材澆筑完成1 d后即可拆模. 試件由大板切割而成，試驗前用切割機鋸出所用試件，所有試件的尺寸為240 mm×40 mm×10 mm(長×寬×高)，同樣工況的試件至少保證有6個. 布設1層織物時，試件40 mm寬度內布設了8根碳纖維束，配網率為0.4%，布設2層織物時，配網率為0.8%. 本試驗在制作摻加鋼纖維工況的板材時，將部分鋼纖維豎向或斜向插入織物的網格孔洞中(見圖3)，剩余部分鋼纖維與水泥基體充分混合(見圖4).

圖3 鋼纖維插入碳纖維織物的網格中Fig.3 The mesh of the carbon textile with steel fibres plunged

圖4 鋼纖維與水泥基體混合Fig.4 The mixture of steel fibers and matrix

1.6 試驗方法

試驗在MTS萬能試驗機(C43.304)上進行，試驗裝置如圖5所示. 采用由位移控制的加載，速率為0.5 mm/min. 拉伸試件標距為100 mm，采用引伸計測量標距內的位移，采用力傳感器測量拉力，拉力和標距內位移由試驗機同時采集. 在試件兩端用環氧樹脂膠粘貼鋁片，同一端2塊鋁片保持平行且孔洞對中，如圖6所示. 為避免偏心帶來的附加彎矩，本試驗設計了帶有5個球鉸的特定夾具，以防止偏心. 為便于觀察裂縫的開展，在試件表面涂1層很薄的白色涂料，試驗過程中產生的裂縫由照相機每隔15 s記錄一次.

圖5 軸向拉伸試驗裝置Fig.5 Setup of the uniaxial tensile test

圖6 試件的幾何尺寸(單位：mm)Fig.6 The geometry of the specimen (unit:mm)

2 試驗結果及分析

2.1配網率對織物增強水泥基薄板軸向拉伸性能的影響

圖7給出了素水泥基板和配網率為0.4%和0.8%的TRC板的軸向拉伸應力-應變曲線. 從圖中可看出，素水泥基板在開裂破壞過程中其荷載與變形呈線性增加，出現裂縫時，試件即發生脆性破壞，荷載瞬間下降. TRC試件開裂前，荷載與撓度均近似呈線性增加，試件開裂后，荷載驟減，然后繼續增加，經過數個轉折點后，上升到峰值，試件破壞.

從圖7和表4中可看出板材的極限承載能力隨著配網率的增大而增大. 配網率為0.4%時，板材抗拉強度均值為6.04 MPa，極限承載能力比素水泥基板提高了47.3%，碳纖維的利用率k為60.4%；配網率增大1倍時，板材抗拉強度均值為9.88 MPa，極限承載能力比素水泥基板提高了141%，但碳纖維織物的利用率k僅為49.4%. 隨著配網率的增加，碳纖維的利用率降低，試件破壞時碳纖維織物并沒有被拉斷. 試件P0C1S0和P0C2S0的破壞都是由于織物與水泥基之間發生了剝離. 基于本次試驗結果，僅考慮織物利用率的TRC薄板在單軸拉伸時的極限承載力Fu為：Fu=k×Af×σf，其中k為織物利用率，Af為計算截面內纖維束的橫截面積，σf為單根纖維束的抗拉強度.

試件的破壞模式與圖7的曲線相符，試件P0C1S0和P0C2S0的應力-應變曲線表現出了雙線性的特征，沒有明顯的強化階段，可見剝離破壞時，TRC試件的增強特性和變形能力都沒有充分發揮.

圖7 不同配網率TRC試件的應力-應變曲線Fig.7 Stress-strain curves of the TRC specimens with different reinforcement ratios

圖8所示為試驗過程中拍攝的TRC試件P0C1S0和P0C2S0的開裂情況，從中可清楚地觀察到TRC試件在拉伸荷載作用下產生了多條分布均勻的細密裂縫. 隨著配網率的增大，裂縫數量增多，同時裂縫間距減小.

圖8 TRC試件的開裂狀況Fig.8 Cracking states in TRC specimens

試件P0C1S0和P0C2S0破壞時，碳纖維沒有被拉斷，造成了碳纖維的浪費，在一定程度上此種TRC 板材的經濟性能較差，因此應采取措施提高碳纖維織物與基體水泥基之間的界面性能，進而提高碳纖維織物的利用率.

2.2鋼纖維對織物增強水泥基薄板軸向拉伸性能的影響

圖9和表4顯示了鋼纖維體積分數對TRC薄板軸向拉伸性能的影響. 由圖9可知，摻加鋼纖維對試件的承載力和變形能力均有不同程度的改善. 短切鋼纖維作為次要增強筋，在基體中亂向隨機分布，能與基體形成良好黏結，界面性能的增加主要歸因于穿插在織物網格孔洞中鋼纖維的“銷栓作用”. 摻加鋼纖維提高了基體的抗裂能力，從而進一步提高了試件的承載能力，表現在曲線上為開裂應力大，開裂后剛度降低小,曲線震蕩幅度小，極限承載力高.

P0C1S0.5,P0C1S1和P0C1S2較P0C1S0極限承載能力分別提高了44.2%，60.8%和98.5%；初裂應力也隨著鋼纖維體積分數的增大而增大. P0C1S0.5,P0C1S1和P0C1S2較P0C1S0初裂應力分別提高了4.7%,20.4%和40%，變形能力分別提高了32%,42.6%和54.9%，表明在本試驗摻量范圍內，鋼纖維體積分數越高越有益于改善TRC板的軸拉性能. 隨著鋼纖維摻量的增多，曲線波動的次數和幅度越來越小，表明界面性能得以不斷改善. 鋼纖維在裂縫間的橋接作用顯著，可顯著提高板材的延性，極限應變可達到1.89%.

圖10展示了試件P0C1S0，P0C1S0.5，P0C1S1和P0C1S2在試驗過程中的開裂情況. 從圖中可看出摻加鋼纖維之后微裂縫明顯增多，一條主裂縫可延伸出多條微裂縫. 裂縫開展模式也由較為平直的通長裂縫轉變為含多條不通長裂縫. 這是由于短切鋼纖維在水泥基基體中隨機亂向分布，形成對微觀及宏觀裂縫擴展的阻力，改變了裂縫的發展方向.

圖9 摻入不同體積分數鋼纖維TRC試件的應力-應變曲線Fig.9 Stress-strain curves of the TRC specimens with short steel fibres by varying volume fractions

碳纖維織物層數鋼纖維體積分數/%均值(標準差)初裂應力/MPa抗拉強度/MPa極限應變/%104.66(0.30)6.04(0.49)1.22(0.13)10.54.88(0.10)8.71(0.32)1.61(0.04)115.61(0.11)9.71(0.51)1.74(0.07)126.43(0.11)11.99(0.28)1.89(0.05)204.95(0.36)9.88(0.12)1.03(0.13)

圖10 摻加不同體積分數鋼纖維TRC試件開裂狀況Fig.10 Cracking states in TRC specimens with different volume fractions of steelfibres

另外，圖11還對TRC試件的抗拉強度隨鋼纖維體積分數的變化趨勢進行了曲線擬合，并給出了擬合方程，以便于工程應用.

圖11 鋼纖維體積分數對TRC試件抗拉強度的影響Fig.11 Steel fibres volume fraction effect on tensile strength of TRC specimens

2.3預拉力對織物增強水泥基薄板軸向拉伸性能的影響

圖12和表5給出了預拉力TRC板的軸拉試驗結果，由圖12(a)可知，對織物施加預拉力能夠提高板材的開裂應力和抗拉強度；隨著預拉力值的增加，試件的力學性能均有所提高，但提高幅度較小. 其中，試件P20C1S0較P0C1S0的初裂應力僅提高了25.7%，抗拉強度僅提高了30.5%. 由圖12(b)可知，在對織物施加預張力的同時摻加1%鋼纖維對試件力學性能(開裂應力、承載能力、變形能力)有大幅改善. 其中，P20C1S1較P0C1S0的試件初裂應力提高了51.5%，抗拉強度提高了114%，變形能力提高了57.4%.

表5 鋼纖維體積分數為0%和1%對應的預拉力TRC薄板的力學性能

預拉力TRC板開裂應力的提高歸因于釋放預拉力使得基體水泥基具有初始壓應力，預拉力試件開裂需先抵消這部分初始壓應力；而抗拉強度得以提高的原因，一方面是預拉力的施加提高了織物與基體之間的界面性能，另一方面是織物受拉繃直，在制板過程中織物的位置受振搗的影響小，減少了織物位置偏差帶來的初始缺陷. 由表4和表5綜合比較可知，摻入短切鋼纖維對極限荷載的提高比施加預拉力更加顯著.

(a)布設1層碳纖維織物，不摻加鋼纖維

(b)布設1層碳纖維織物，摻加1%鋼纖維圖12 預拉力TRC試件的應力-應變曲線Fig.12 Stress-strain curves of the prestressed TRC specimens

圖13給出了預拉力試件的極限破壞形式，試件P10C1S0和P20C1S0雖然對織物施加了預拉力，可在一定程度上改善織物與水泥基的協同受力能力，但所有試件仍發生剝離破壞. 試件P10C1S1和P20C1S1破壞時碳纖維被完全拉斷，碳纖維利用率達到100%. 表明在對織物施加預拉力的同時摻加1%鋼纖維可更好地改善織物與水泥基之間的界面性能，發揮碳纖維TRC板優異的力學性能.

圖13 預拉力TRC試件的破壞模式Fig.13 Failure modes of the prestressed TRC specimens

3 結 論

本文對碳纖維織物增強水泥基薄板進行軸向拉伸試驗，探討配網率、摻入短切鋼纖維以及預拉力對TRC薄板力學性能、裂縫開展模式以及破壞模式的影響. 通過本文研究可得到如下結論：

1)隨著配網率的增加，碳纖維織物增強水泥基薄板的極限承載力提高，標距內裂縫條數增多，纖維利用率降低.

2)對碳纖維織物施加預拉力、摻入短切鋼纖維都能使薄板的開裂應力、抗拉強度得以提高，且摻入短切鋼纖維對抗拉強度的提高比施加預拉力更加顯著.在本文試驗范圍內，鋼纖維體積分數越大、施加的預拉力越大對薄板軸向拉伸力學性能的改善越明顯.

3)對碳纖維織物施加預拉力的同時摻入1%短切鋼纖維，可顯著改善碳纖維織物與基體水泥基之間的界面黏結性能，使薄板的破壞形式由剝離破壞轉變為碳纖維完全拉斷的破壞形式.

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Experimental Investigations on Carbon Textile ReinforcedCementitious Composites

ZHOU Fen?,LIU Lingling,DU Yunxing

(1. Key Laboratory of Damage Diagnosis for Engineering Structures of Hunan Province,Hunan University,Changsha 410082,China; 2. College of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

Quasi-static uniaxial tensile behavior of carbon textile reinforced cementitious composites (TRC) was studied,and the factors of reinforcement ratio and short steel fibres and prestress were considered in the tests. The test results showed that the efficiency of carbon fibers decreased with the increase of textile ratio for the TRC plates without steel fibres during the tests,the textile layer and matrix layer were gradually separated,and debonding failure of TRC plates occurred ultimately. Applying prestress force to the textile can increase the initial cracking stress of TRC plates,and thus improved the normal service life of TRC components. Adding steel fibres in TRC plates was helpful to improve the interfacial properties,and thus both the tensile strength and ultimate strain of the plates were enhanced. Compared with the application of prestress to the textile,more pronounced enhancements of mechanical properties were achieved by the addition of steel fibres. Applying prestress to the textile and adding 1% of steel fibres in plates at the same time can significantly improve the efficiency of carbon fibers. Eventually,carbon fibers were completely broken when the plates were damaged.

textile reinforced cementitious composites;carbon textile;tensile strength;interfacial properties

TU528.572；TU375.2

A

1674-2974(2017)11-0066-07

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.11.008

2016-08-28

國家自然科學基金資助項目(51378199),National Natural Science Foundation of China(51378199); 長沙市科技計劃項目(kq1701032),Project of Sci-Tech Plan of Changsha City (kq1701032)

周芬(1973—)，女，湖北武漢人，湖南大學副教授

?通訊聯系人，E-mail: zhoufen@hnu.edu.cn