玄武巖織物增強水泥基復合材料拉伸力學性能

朱德舉　高炎鑫　李高升　徐新華

摘要：利用美特斯（MTS）萬能試驗機研究了摻入不同體積摻量（0、0.5%、1.0%、1.5%）短切碳纖維、玻璃纖維、鋼纖維的2層和3層玄武巖纖維織物增強水泥基復合材料的拉伸力學性能.結果表明： 短切碳纖維、玻璃纖維、鋼纖維均可明顯增加玄武巖纖維織物增強水泥基復合材料的開裂強度，并且存在最優體積摻量；在0～1.5%摻量范圍內、2層織物時，開裂強度隨著3種短纖維摻量的增加而增加，摻量1.5%時最大；3層織物時，開裂強度隨著碳纖維、鋼纖維摻量的增加先增加后減小，摻量1.0%時達到最大值，而隨著玻璃纖維摻量的增加持續增加，摻量1.5%時最大.短切碳纖維、玻璃纖維不能增加其峰值荷載，而鋼纖維則明顯提高其峰值荷載，2層織物時最優摻量為1.5%，3層織物時最優摻量為0.5%.

關鍵詞：玄武巖織物；水泥基復合材料；拉伸試驗； 短切纖維；最優體積摻量

中圖分類號：TB332； TU599文獻標志碼：A

Tensile Mechanical Properties of Basalt Fabric Reinforced

Cementitious Matrix Composite

ZHU Deju1， GAO Yanxin1，LI Gaosheng1， XU Xinhua2

（1.College of Civil Engineering， Hunan University， Changsha410082， China；

2.Nantong Dawntine New Energy Equipment Co Ltd， Qidong226200， China）

Abstract：Tensile mechanical properties of two and three layers basalt fabric reinforced cementitious matrix composite（BFRCM） with different volume fractions （0，0.5%， 1.0% and 1.5%） short carbon，alkaliresistant glass and steel fiber， were tested utilizing a MTS loads frame . The experimental results show that an obvious increase in crack stress is observed in all case when short carbon， glass， steel fibers had been added， and volume fraction exists an optimal value. Within the range of 0～1.5% content， the crack stress increases， reaching a maximum at 1.5%， with increasing volume fraction for 2 layers BFRCM. For 3 layers BFRCM with short carbon or steel fibers， the crack stress firstly increases and then decreases with increasing volume fraction， but the crack stress increases， peaking at 1.5%， with increasing volume fraction for 3 layers BFRCM with short glass fibers. Short carbon and glass fibers cannot increase loadbearing capacity of BFRCM， but a pronounced increase in loadbearing capacity is observed with short steel fibers，reaching a maximum at 1.5% for 2 layers BFRCM and 0.5% for 3 layers.

Key words：basalt fabric； cementitious matrix composite； tensile test； short fiber； optimal volume fraction

織物增強水泥基復合材料（Fabric Reinforced Cementitious Matrix Composite，簡稱FRCM；或稱為Textile Reinforced Concrete，簡稱TRC），是一種以纖維織物作為增強相、水泥砂漿或精細混凝土作為基體的新型復合材料.TRC具有承載力高、延性好、輕質高強等優點[1-2]，正逐漸運用于結構加固等領域[3-4].與纖維增強樹脂基復合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）相比，TRC高溫下依然保持高強度[5]，而FRP強度顯著下降[6].同時，TRC基體為精細混凝土，和被加固混凝土構件有很好的相容性，不易老化，耐久性好[7].多裂縫開展使得TRC具有強度高、應變硬化特點，對結構耗能和抗沖擊性能有利[8].

玄武巖纖維是一種無污染、無毒害的可再生材料，具有良好的耐腐蝕和耐火性，并且價格相比碳纖維明顯便宜，因而玄武巖織物增強水泥基復合材料（Basalt Fabric Reinforced Cementitious Matrix Composite，簡稱BFRCM；或稱為Basalt Textile Reinforced Cementitious Matrix，簡稱BTRC）具有很高的工程應用價值.然而，與碳纖維織物相比，玄武巖纖維織物拉伸強度較低，需要采取措施改善BTRC的力學性能，本文主要研究短切纖維對BTRC拉伸力學性能的影響.

Barhum等[9]研究了短切碳纖維、玻璃纖維的分散方式對TRC拉伸力學性能的影響.分散的短切纖維可以提高TRC開裂強度，但拉伸強度沒有明顯提高；短纖維以束形式摻入基體對開裂強度作用不大，而明顯提高拉伸強度.徐世烺等[10]研究了不同摻量PVA纖維對碳纖維織物增強水泥基復合材料彎曲性能的影響，1.5%摻量（體積分數，下同）PVA纖維較1.0%摻量對裂縫控制有顯著作用.尹世平等[11]研究了不同摻量聚丙烯纖維對TRC彎曲性能的影響，適當摻量的聚丙烯纖維可以提高彎曲承載力，改變彎曲破壞模式.織物與基體的界面粘結性能對TRC性能影響巨大，粘砂[12]、施加預應力[13]、摻入納米顆粒[14]、加入短切纖維[9]等可以改善界面性能.目前短切纖維對TRC性能影響研究主要集中在纖維種類、摻量等單一影響因素，同時將纖維種類及摻量作為變量的研究較少.本文在前人工作基礎上研究短切碳纖維、玻璃纖維、鋼纖維的體積摻量變化（0、0.5%、1.0%和1.5%）對2層和3層玄武巖織物增強水泥基復合材料（BFRCM或BTRC）拉伸力學性能影響.

1試驗測試

1.1試件制備

試件所選材料：水泥采用普通硅酸鹽水泥P.O 42.5；Ⅰ級粉煤灰，密度2.3 g/cm3，比表面積≥600 m2/kg；硅灰，密度2.35 g/cm3，比表面積≥2 000 m2/kg；砂子，粒徑0～0.6 mm；水，自來水.外加劑采用HSC聚羧酸高性能減水劑（固含量40%）、XS-2510水泥砂漿消泡劑和羥丙基甲基纖維素（HPMC）增稠劑.玄武巖織物采用經緯編織方式，網格間距10 mm×10 mm，織物厚度0.5～0.6 mm，如圖1所示（經向為受力方向）.表1給出了TRC水泥砂漿基體組分，表2給出了試驗所用短切碳纖維、玻璃纖維、鋼纖維性能指標.短纖維長度均為6 mm，采用與文獻[9，15]相同的短纖維長度.考慮短纖維分散困難，同時保證攪拌過程一致，所用水泥砂漿基體均按照文獻[16]方法攪拌.試件采用分層澆筑[17]，每鋪一層織物施加0.1 kN的預拉力，防止織物褶皺，試件制備裝置如圖2所示，振搗成型養護24 h后拆模，制得薄板尺寸為270 mm×300 mm×10 mm，隨后標準養護（溫度為20±2 ℃，濕度不低于95%）28 d，最后沿網格間隙中部切割成尺寸為230 mm×30 mm×10 mm的待測試件，確保試件寬度方向織物纖維束數量相同.

1.2測試儀器與方法

采用MTS微機控制電子萬能試驗機（型號C43.304）進行靜態拉伸試驗[18-19]，加載速率為0.5 mm/min，試件測試前端部使用鋁片加固，試件中部標距為100 mm，試件表面刷白，使用引伸計測量標距內變形，測試裝置見圖3，并參考文獻[20]對所用玄武巖織物進行拉伸試驗，采用與TRC試件相同的加載速率及標距.試驗中短纖維為碳纖維、玻璃纖維和鋼纖維3種類別，體積摻量包括0、0.5%、1.0%和1.5% 4種摻量，織物層數包含2層和3層.試件編號規則為NT織物層數（包含0、2、3）短切纖維類別（不加短纖維N，碳纖維C，玻璃纖維G，鋼

纖維S）短纖維體積摻量（包括0、05、10、15），例如NT3C05指加入0.5%體積摻量短切碳纖維的3層玄武巖織物增強混凝土，每組測試6個試件.

2結果與討論

2.1應力應變曲線

圖4給出了玄武巖織物經向單束、3束拉伸荷載位移曲線.可以看出：單束與3束玄武巖織物拉伸曲線有明顯差異.單束經向纖維束拉伸荷載位移曲線上升段有波動，而3束經向纖維束拉伸荷載位移曲線沒有波動段平滑上升，這是因為經向纖維束為兩股，將緯向纖維束環繞固定（如圖1），單束纖維束拉伸時會旋轉（如圖4（a）），旋轉會使緯向纖維束剝落導致荷載下降，上升曲線進而出現波動段；3束纖維束拉伸時經向纖維束受到緯向纖維束的約束不會轉動（如圖4（b）），上升曲線平滑.

圖5為摻入不同體積摻量短纖維時，2層和3層玄武巖織物增強水泥基復合材料（簡稱為NT2BTRC和NT3BTRC）的拉伸應力應變曲線.應力的計算考慮每個試件的實際尺寸，運用 Matlab程序處理得到.可以看出：短纖維種類、摻量及織物層數對BTRC拉伸力學性能影響不同.NT3BTRC較NT2BTRC拉伸應力應變曲線強化段更明顯，拉伸強度更高；對于NT2BTRC，拉伸曲線形態隨著短纖維的摻入明顯改變，3種短纖維均明顯提高開裂強度，臨界配網率隨開裂強度的提高而增大，摻入短切纖維后2層織物達不到臨界配網率，因而曲線強化段消失；對于NT3BTRC，3種短纖維同樣可以提高開裂強度，3層織物滿足臨界配網率要求，與未摻短纖維試樣相比，曲線強化段有所縮短但并沒有完全消失.

2.2不同短纖維類別及摻量下拉伸力學性能分析

基于單束及3束經向玄武巖織物拉伸荷載位移曲線，對所測試件參數取均值，測得經向單束承載力分別為232±34 N和246±12 N，可見3束拉伸時承載力更高些，這是由于緯向纖維束的約束使得經向纖維束拉伸性能得以充分發揮，由于BTRC中玄武巖織物經向纖維束不會轉動，因此取單束經向纖維束的承載力為246±12 N.

基于拉伸試驗獲得BTRC拉伸力學性能參數：開裂荷載、開裂應力、峰值強度、峰值荷載、韌性、裂縫條數和裂縫間距，具體參數值見表3.鑒于BTRC開裂前玄武巖織物受力很小，荷載主要由基體承擔，開裂荷載受試件實際厚度的影響，開裂強度考慮了每個試件實際厚度的影響，因而對開裂強度分析比開裂荷載更加合理；恰恰相反，試件拉伸破壞后，斷裂截面處裂縫很寬，基體不承受荷載，荷載主要由織物承擔，因而分析峰值荷載比峰值強度更加合理.開裂荷載取荷載位移曲線線性段最大值，對應的強度取為開裂強度；峰值荷載取荷載位移曲線線性段后的峰值點，對應的強度取為峰值強度；韌性取拉伸應力應變曲線下的面積[20]，裂縫間距由裂縫所圍面積與試件寬度的比計算所得，使用軟件ImageJ對破壞試件照片分析可以測得裂縫間面積.各參數取每組有效試件加權平均值.

圖6給出了BTRC開裂強度與短纖維種類及摻量的關系.短纖維種類及摻量對BTRC開裂強度影響不同，可以看出：2層織物時，BTRC開裂強度均隨著3種短纖維摻量增加持續增加，摻量1.5%時開裂強度最大；3層織物時，隨著碳纖維、鋼纖維摻量增加，開裂強度表現出先增加后降低的趨勢，摻量1.0%時最大，而隨著玻璃纖維摻量增加開裂強度持續增加，摻量1.5%時最大.可見短切纖維存在最優體積摻量[11]，最優摻量與織物層數及短纖維種類表現出相關性，體積摻量在0～1.5%范圍內，2層織物時，3種纖維最優摻量均為1.5%，3層織物時，碳纖維、鋼纖維體積摻量1.0%最好，而玻璃纖維依然在1.5%體積摻量最優.

圖8給出了BTRC韌性與短纖維種類及摻量的關系.圖9給出了裂縫條數與短纖維種類、摻量及織物層數的關系，圖9（a）中NT2BTRC加入碳纖維后裂縫條數減少至1條，裂縫間距無法統計.圖9給出了不同短纖維種類及摻量下BTRC裂縫形態.可以看出：加入碳纖維、玻璃纖維后韌性有降低趨勢，而鋼纖維則有所增加.韌性和拉伸試件裂縫條數及峰值荷載有關，隨著碳纖維、玻璃纖維摻量的增加，裂縫條數均有所減少（如圖10所示），同時拉伸峰值荷載沒有明顯提高，因而韌性呈下降趨勢；對于鋼纖維，隨著摻量增加裂縫條數有所減少，但峰值荷載明顯提高，因而韌性并不會明顯降低，反而在3層織物時表現出提高趨勢.圖10還可以看出摻入短切鋼纖維后裂縫形態有所不同，部分裂縫附近形成了局部的短裂縫，尤其在1.5%摻量時，這是由于鋼纖維的長徑比大，裂縫處鋼纖維的橋聯作用使裂縫附近的局部基體開裂.

2.3短切纖維及摻量的影響

圖11給出了加入短切纖維TRC試件開裂強度的增強系數與文獻[11]的比較.為便于對比，本文及文獻[11]的數據均進行了歸一化處理.可以看出：文獻[11]中保護層厚度為5 mm和3 mm時，纖維最優摻量分別為0.5%和1.0%；本試驗中2層織物時，3種短切纖維最優摻量均為1.5%，3層織物時，短切玻璃纖維的最優摻量依然為1.5%，而短切碳纖維、鋼纖維的最優摻量均為1.0%.不同纖維種類、摻量對BTRC開裂強度的影響不同，根據試驗結果進行以下分析：

1）短切纖維種類.3種短切纖維均可提高BTRC的開裂強度，但是三者增強機理有所不同.從圖6可知碳纖維、玻璃纖維可以提高基體開裂強度，進而提高了BTRC的開裂強度，而低摻量鋼纖維并不能明顯提高基體開裂強度，卻顯著提高了BTRC的開裂強度，這是因為分散在基體中的鋼纖維插入到織物網格空隙中，銷栓作用改善了織物基體間協同受力性能（如圖12），使得基體開裂前織物就承擔了較大荷載，進而提高了BTRC開裂強度.

2）最優體積摻量.短切纖維對BTRC開裂強度增強作用存在最優摻量，和短切纖維種類及纖維織物的層數有關.從攪拌狀態（攪拌狀態指短切纖維在基體中的分散狀態）和澆筑制備狀態（澆筑制備狀態指澆筑制備后試件內部密實狀態）兩個方面分析，隨著摻量增加，碳纖維攪拌狀態變差，對開裂強度的增強幅度逐漸減弱，2層織物摻量1.5%時達到最優值，3層織物時澆筑制備狀態也變差，摻量1.0%時便達到最優值；玻璃纖維較易分散，摻量0～1.5%范圍內，2、3層織物時攪拌狀態和澆筑制備狀態基本不變，最優摻量均為1.5%；鋼纖維易分散，攪拌狀態基本不變，但織物層數增加會使織物間隔變小，澆筑制備狀態變差，因而2層時最優摻量為1.5%，3層時只有1.0%.

3結論

通過本文的試驗研究可以得到以下結論：

1） 加入短切碳纖維、玻璃纖維、鋼纖維均可明顯增加開裂強度.短切纖維對BTRC的開裂強度增強效果存在最優體積摻量，最優摻量和短纖維種類及織物層數有關.摻量在0～1.5%范圍內，2層織物時，開裂強度隨短纖維體積摻量增加而持續增加，在體積摻量為1.5%時，開裂強度達到最大值；3層織物時，隨著碳纖維、鋼纖維的摻量增加，開裂強度呈先增加后減小趨勢，在摻量為1.0%時，開裂強度達到最大值，而玻璃纖維增強趨勢和2層織物時一致，1.5%摻量達到最大值.

2） 短切碳纖維、玻璃纖維、鋼纖維對BTRC的峰值荷載影響不同.隨著碳纖維摻量增加，峰值荷載呈下降趨勢，玻璃纖維摻量對峰值荷載無明顯提高，鋼纖維可以顯著增加峰值荷載，且存在最優摻量，2層時摻量1.5%時峰值荷載最大，3層時峰值荷載在摻量0.5%時達到最大值.

3） 短切碳纖維、玻璃纖維、鋼纖維對BTRC的韌性影響不同.碳纖維、玻璃纖維隨著摻量增加韌性總體上呈下降趨勢，鋼纖維在較高摻量或者織物為3層時可以增加韌性.

短切纖維的增強效果不僅與纖維種類、摻量有關，同時與短纖維的長度、長徑比、織物編織形式等因素有關，本文僅研究了相同纖維長度下，不同短纖維種類及摻量對給定玄武巖織物的拉伸性能影響，同時體積摻量在1.5%以內，摻量相對較低，對于高于1.5%摻量時短纖維效果以及其他影響因素還需要進行大量的試驗.

參考文獻

[1]XU S， KRER M， REINHARDT H， et al. Bond characteristics of carbon， alkali resistant glass， and aramid textiles in mortar[J]. Journal of Materials in Civil Engineering， 2004， 16（4）： 356-364.

[2]劉賽，朱德舉，李安令，等. 應變率和溫度對耐堿玻璃纖維織物增強水泥基復合材料彎曲力學行為的影響[J]. 復合材料學報， 2017，34（3）：675-683.

LIU S ， ZHU D J， LI A L ， et al. Effects of strain rate and temperature on the flexural mechanical properties of alkaliresistant glass fabric reinforced cementitious matrix composite[J]. Acta Materiae Compositae Sinica， 2017，34（3）：675-683.（In Chinese）

[3]TSESARSKY M， KATZ A， PELED A， et al. Textile reinforced concrete （TRC） shells for strengthening and retrofitting of concrete elements： influence of admixtures[J]. Materials and Structures， 2015， 48（1）： 471-484.

[4]EBEAD U， SHRESTHA K C， AFZAL M S， et al. Effectiveness of fabricreinforced cementitious matrix in strengthening reinforced concrete beams[J]. Journal of Composites for Construction，2016， 21（2）：4016084.

[5]RAMBO D A S，SILVA F D A， TOLEDO FILHO R D， et al. Effect of elevated temperatures on the mechanical behavior of basalt textile reinforced refractory concrete[J]. Materials & Design， 2015， 65： 24-33.

[6]OU Y， ZHU D. Tensile behavior of glass fiber reinforced composite at different strain rates and temperatures[J]. Construction and Building Materials， 2015， 96： 648-656.

[7]艾珊霞，尹世平，徐世烺. 纖維編織網增強混凝土的研究進展及應用[J]. 土木工程學報， 2015， 48（1）： 27-40.

AI S X， YIN S P， XU S L. A review on the development of research and application of textile reinforced concrete [J]. China Civil Engineering Journal， 2015， 48（1）： 27-40. （In Chinese）

[8]AWANI O， ELMAADDAWY T， ISMAIL N. Fabricreinforced cementitious matrix： a promising strengthening technique for concrete structures[J]. Construction and Building Materials， 2017，132： 94-111.

[9]BARHUM R， MECHTCHERINE V. Effect of short， dispersed glass and carbon fibres on the behaviour of textilereinforced concrete under tensile loading[J]. Engineering Fracture Mechanics， 2012， 92： 56-71.

[10]LI Q， XU S L. Experimental research on mechanical performance of hybrid fiber reinforced cementitious composites with polyvinyl alcohol short fiber and carbon textile[J]. Journal of Composite Materials，2011， 45（1）： 5-28.

[11]YIN S P， XU S L， LI H. Improved mechanical properties of textile reinforced concrete thin plate[J]. Journal of Wuhan University of TechnologyMater（Materials Science Edition），2013， 28（1）： 92-98.

[12]徐世烺，李赫. 碳纖維編織網和高性能細粒混凝土的粘結性能[J]. 建筑材料學報， 2006，9（2）：211-215.

XU S L， LI H. Study on bond property between high performance fine concrete and carbon fiber textile[J]. Journal of Building Materials， 2006， 9（2）：211-215.（In Chinese）

[13]DU Y， ZHANG M， ZHOU F， et al. Experimental study on basalt textile reinforced concrete under uniaxial tensile loading[J]. Construction and Building Materials，2017， 138： 88-100.

[14]DVORKIN D， PELED A. Effect of reinforcement with carbon fabrics impregnated with nanoparticles on the tensile behavior of cementbased composites[J]. Cement and Concrete Research， 2016， 85： 28-38.

[15]BARHUM R， MECHTCHERINE V. Multilevel investigations on behaviour of textile reinforced concrete with short fibres under tensile loading[C]// VAN MIER J G M. Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures. Toledo： Artes Gráficas Torres S.L， 2013： 1430-1440.

[16]ZHOU J， QIAN S， YE G， et al. Improved fiber distribution and mechanical properties of engineered cementitious composites by adjusting the mixing sequence[J].Cement and Concrete Composites， 2012， 34（3）： 342-348.

[17]徐世烺，閻軼群. 低配網率纖維編織網增強混凝土軸拉力學性能[J]. 復合材料學報， 2011， 28（5）： 206-213.

XU S L， YAN Y Q. Study on bond property between high performance fine concrete and carbon fiber textile[J]. Journal of Building Materials， 2011， 28（5）： 206-213. （In Chinese）

[18]朱德舉，歐云福，徐新華. 玻璃纖維束拉伸力學性能影響參數試驗研究[J]. 湖南大學學報（自然科學版），2017， 44（1）：118-124.

ZHU D J， OU Y F，XU X H. Experimental study of parameters affecting the tensile mechanical properties of glass fiber bundle[J].Journal of Hunan University（Natural Sciences），2017， 44（1）： 118-124.（In Chinese）

[19]黃靚，張懷安，肖巖，等. CFRP在不同應變率和溫度下的力學性能試驗研究[J]. 湖南大學學報（自然科學版），2016，43（3）：90-97.

HUANG L， ZHANG H A， XIAO Y， et al. Experimental study of mechanical properties of CFRP under different strain rates and temperatures[J].Journal of Hunan University（Natural Sciences），2016，43（3）：90-97.（In Chinese）

[20]朱德舉，歐云福.應變率和溫度對玄武巖纖維束力學性能的影響[J].建筑材料學報， 2016，19（4）：742-745.

ZHU D J， OU Y F. Strain rate and temperature effects on the mechanical properties of basalt fiber bundle[J]. Journal of Building Materials，2016，19（4）：742-745.（In Chinese）