纖維格柵增強水泥混凝土的研究與應用

龍天偉 楊嘉霖 陳曉彬 黃婉蓉 廖蔚彬 鄭東萍

（廣東工業大學 土木與交通工程學院）

混凝土材料是應用最為廣泛的建筑材料，但是普通混凝土材料的抗拉強度一般只有抗壓強度的十分之一，甚至更小，導致混凝土材料在受拉時容易產生裂縫，并且其在受拉破壞時呈現的是脆性破壞[1]，危害結構安全。雖然隨著混凝土材料的發展，其抗壓強度不斷得到提高，但其抗拉強度依然較低，并且不能明顯改善混凝土脆性破壞的缺點。為了提高混凝土的抗拉強度及改善脆性破壞的缺點，主要有通過在水泥基體中摻入短切纖維、薄膜、編織布等纖維增強材料的方法，從而得到抗拉強度更高，延性更好的纖維增強水泥基復合材料。對于各種纖維增強水泥基復合材料，纖維格柵由于其纖維具有更加規整的排列，在相同纖維含量的條件下，其纖維對水泥基的增強效率更高[2-3]。以下分別就纖維格柵-基體界面粘貼性能、纖維格柵增強水泥混凝土的抗拉性能以及纖維格柵增強水泥混凝土在實際工程中的應用三個方面對纖維格柵增強水泥混凝土材料進行介紹。

1 纖維格柵與水泥基體之間的界面粘貼性能

纖維格柵與混凝土的協同工作主要是由纖維格柵和混凝土之間的粘貼界面決定的，因此纖維格柵和混凝土之間的粘貼界面直接決定了纖維格柵增強水泥混凝土的力學性能。為了探討纖維格柵和水泥混凝土之間的界面粘貼性能，周臻等[4]對網格增強UHPC 薄板進行了拉伸實驗，如圖1 所示。研究結果表明：經過環氧樹脂浸漬，并在表面進行粘砂處理的網格能保證其與水泥基有效粘貼。此外，使用粒徑為0.15～0.30mm 的砂粒對纖維編織網進行粘砂處理時，纖維格柵與水泥基體的粘貼效果最好[5]。Peled 等人[6-8]對編織方式為平織的纖維編織網增強混凝土材料進行拉伸試驗，試驗結果表明，纖維束之間表面帶有波紋形狀的節點能很好地提高纖維編織網和基體的界面粘貼性能，不同的纖維編織網幾何特性可導致粘貼性能提高和較低彈性模量的纖維束獲得應變硬化行為，也可能會降低纖維束的工作效率。由此可見，纖維格柵與水泥基體之間的界面粘貼性能主要受纖維格柵表面形式、格柵的幾何網格特性等的影響。

圖1 薄板試件尺寸示意圖[4]

2 纖維格柵增強混凝土構件的力學性能

纖維格柵增強混凝土構件可用于加固現有的混凝土結構，如橋墩等，為探究纖維格柵增強混凝土構件的力學性能，朱忠鋒等人[9]以玄武巖纖維增強復合材料（Basalt fiber reinforced polymer，簡稱：BFRP）格柵的層數和水泥基的配合比為變量，制作了33 個棒骨試件，如圖2 所示，并進行拉伸試驗，研究結果表明：隨著格柵層數的增加，棒骨試件的極限抗拉強度顯著增大。表面經過粘砂處理的玄武巖格柵與基體的粘貼性能顯著提高，破壞時，玄武巖格柵的平均應變為其極限抗拉應變的95%。朱忠鋒等人[10]還研究了在反復荷載作用下，BFRP 格柵增強水泥基復合材料平板的抗拉性能，研究結果表明：在反復荷載作用下纖維格柵與基體的粘貼性能保持良好，平板的外包絡線與靜力荷載作用下的應力應變曲線保持一致，破壞時格柵的平均抗拉應變為格柵極限抗拉應變的85%，平板的延性得到提高。鄭宇宙等人[11]研究了4 組24 塊截面尺寸為100mm×30mm、長度為400mm 的薄板試件的抗拉性能，每組的格柵的厚度分別為0mm、1mm、3mm、5mm，試驗結果表明：與對照組（格柵厚度為0mm）相比，格柵厚度為1mm、3mm、5mm 的薄板試件的開裂荷載的平均值分別增長了12%、3%、14%，極限荷載的平均值分別增長了43%、100%、177%，其極限應變的平均值分別增長了9%、47%、77%，這表明纖維格柵增強水泥基復合材料的軸向剛度、極限拉應變和抗拉強度都得到了較大提高。為了探究纖維格柵增強水泥基材料作為混凝土約束材料，特別是結構柱的約束材料的力學性能，Ali N. Al-Gemeel 等人[12]首次對玄武巖格柵增強面向工程的水泥基復合材料（Engineered cementitious composite，簡稱：ECC）進行環向拉伸實驗研究，共5 組，分別為織物纖維體積摻量為0、0.5%、0.8%、1%的ECC 試件和織物纖維體積摻量為0.8%的常規水泥砂漿試件，結果表明：與不含織物纖維的ECC 構件相比，織物纖維體積摻量為0.5%、0.8%、1%的ECC 試件的初裂荷載和峰值荷載分別增加了77%和50%、202%和103%、90%和69%，這也表明織物纖維的體積摻量不是越大越好，在本實驗中，玄武巖格柵增強ECC 試件的最優織物纖維體積摻量是0.8%。

圖2 玄武巖纖維增強水泥基復合材料（BFGRE）棒骨試件示意圖[9]

3 纖維格柵增強水泥混凝土的應用

纖維格柵增強水泥混凝土因其抗拉強度高、抗裂性能好，無需考慮鋼筋腐蝕問題，結構的厚度小，可工廠預制加工，無磁性等優點，吸引了國內外學者研究開發其應用場景。為解決水工環境中大保護層結構構件的裂縫寬度大、耐久性差的問題，何化南等人[13]制作了12 根大保護層鋼筋混凝土梁進行四點彎曲試驗，如圖3 所示。其中9 根在靠近梁底位置布置碳纖維格柵，另外3 根不布置格柵，當彎矩達到特定值時，配置纖維格柵的試驗梁相比于未配置纖維格柵的試驗梁，其最大裂縫寬度、平均裂縫間距分別減小19%～47%和24%～41%。研究表明：纖維格柵具有良好的限裂效果，并且隨著格柵網格尺寸的減小和格柵層數的增加，裂縫數量增多，裂縫寬度和平均裂縫間距減小，抗裂性能更好。為解決在潮濕環境下，外貼FRP 加固墩柱施工困難的問題，朱忠鋒等人[14]對玄武巖纖維格柵/ECC 復合加固鋼筋混凝土圓柱進行軸壓試驗研究，研究結果表明：與對比柱相比，配置纖維格柵/ECC 復合加固層的試件開裂荷載提高了35.9%～73%，極限荷載提高了44.6%～62.6%，玄武巖纖維格柵與ECC 的復合加固層能給混凝土圓柱提供有效的約束，從而提高其變性能力和承載能力。幾乎所有的混凝土結構現澆施工，都會用到混凝土模板體系，然而，現有的模板體系的生產、組裝及循環利用的成本非常高，通常占混凝土結構總造價的50%以上[15]。田會文等人[16]提出一種配置碳纖維格柵的超高性能混凝土永久模板混凝土組合柱，如圖4 所示，并對該新型組合柱進行了軸壓試驗研究。研究結果表明：該模板體系可以顯著提高組合柱的峰值荷載，并在后峰值荷載階段表現出應變硬化特性，這種應變硬化特性是由于碳纖維格柵對組合柱提供了充分的約束引起的。有一點值得注意，該新型永久模板組合柱也較不配置該永久模板的對比柱的脆性增大。

圖3 試驗梁橫截面和碳纖維格柵示意圖[13]

圖4 UHPC 永久模板增強混凝土柱[16]

4 結語與展望

纖維增強混凝土有諸多優異的性能，從力學性能來看，其具有抗拉強度高、抗裂性能好的特性，除了可以用于加固現有混凝土結構、制作現澆混凝土結構的永久模板外，還可以用于輸送液體、氣體的壓力管道，如市政供水管道。由于纖維格柵增強混凝土不含鋼材，耐腐蝕性好，可減小結構構件的保護層厚度，使造型靈動、輕便的建筑設計成為可能，滿足人們對建筑個性化、建筑美觀的需求，例如建筑的薄殼結構。還由于纖維格柵增強混凝土的防磁化性能，可應用在安放精密設備的建筑建造中，例如醫院的放射性檢查室。纖維格柵增強混凝土結構構件的研究還比較少，應用場景還不多，還有待學者的進一步探究。