纖維增強高強鋼絞線聚合物砂漿復合層單軸拉伸試驗研究*

廖維張，王秋婉，王紅煒，王俊杰

(1.北京建筑大學工程結構與新材料北京市高等學校工程研究中心，北京 100044；2.北京建筑大學北京未來城市設計高精尖創新中心，北京 100044)

0 引言

近年來，既有結構加固成為國內外研究熱點，纖維增強水泥基材料在加固方面應用廣泛，國內外學者已對纖維增強砂漿復合材料力學性能進行了大量研究。Carmelo等對3種不同玄武巖纖維增強率和2種不同砂漿試件進行拉伸試驗，結果表明復合材料中間織物層可削弱織物與基體的黏合，并促進織物在達到纖維拉伸強度前過早滑動。朱忠鋒等研究摻粉煤灰或礦粉BFRP網格增強水泥基復合材料(ECC)復合層抗拉力學性能，結果表明同配合比摻礦粉制成的ECC抗壓強度、開裂應變及應力高于摻粉煤灰。

高強鋼絞線-聚合物砂漿復合層加固技術是近年來應用在加固工程中的新興技術，具有施工方便、不影響外觀和使用、加固層黏結性好、抗腐蝕和耐高溫等優點。聶建國等研究預應力高強不銹鋼絞線網-高性能砂漿加固技術對RC梁的適用性，證明其可有效提高梁抗彎承載力和剛度，有效控制裂縫發展。毛榮一等對高強鋼絞線網-聚合物砂漿加固層與混凝土界面剝離破壞特征進行了研究，結果表明在界面植入抗剪鋼筋能提高聚合物砂漿加固層抗剪承載力及抗剪強度。賈天宇、曹忠民和黃群賢等研究表明，鋼絞線網-聚合物砂漿復合層加固構件開裂荷載和剛度均顯著提高。朱俊濤等進行了基于單根高強不銹鋼鋼絞線在ECC中的黏結錨固試驗，結果表明高強不銹鋼鋼絞線網和ECC黏結強度隨ECC強度的降低而減小。黃華等和姚秋來等對加固RC梁抗爆性能進行數值模擬分析，模擬與試驗結果吻合良好。目前對于復合層模擬拉伸本構模型及力學性能的影響因素有待進一步研究。通過萬能試驗機對高強鋼絞線網-纖維增強聚合物砂漿材料(HSS-FRCM)復合層試件進行單軸拉伸試驗，研究PP纖維及鋼纖維增強砂漿對HSS-FRCM復合層試件單軸拉伸力學性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

1)纖維增強聚合物砂漿基體為高強聚合物改性水泥砂漿，配合比為水泥∶硅灰∶粉煤灰∶水∶砂∶膠粉5010∶減水劑=0.8∶0.1∶0.1∶1∶2∶0.02∶0.006。無纖維砂漿28d標準養護實測強度59.0MPa，短切PP纖維67.1MPa，短切鋼纖維84.9MPa。PP纖維體積摻量0.16%，鋼纖維為鍍銅鋼纖維，直徑0.2mm，長徑比50～60，體積摻量1.5%。

2)高強鍍鋅鋼絞線單絲直徑0.8mm，鋼絞線直徑2.4mm，標準抗拉強度1 650MPa，實測抗拉強度1 971MPa，拉伸應力-應變曲線如圖1所示。

圖1 高強鋼絞線拉伸應力-應變曲線

1.2 試驗方法

參考JGJ 337—2015《鋼絞線網片聚合物砂漿加固技術規程》，將鋼絞線保護層厚度設為15mm；鋼絞線網經向間距和緯向間距分別為20，50mm，用銅絲綁扎固定經緯向鋼絞線交接處。共設無纖維、短切PP纖維和短切鋼纖維3種砂漿基體，12種試件。每種砂漿基體復合層試件長度包括500，550，600，650mm，厚30mm，寬100mm(見圖2)。不同工況用試件編號表示，如“無-500”表示長500mm的無纖維砂漿基體試件。采用萬能試驗機對HSS-FRCM復合層進行單軸拉伸，拉伸過程中復合層端部夾持區域易發生夾碎破壞，因此需對夾持區域進行加固。加載方式為位移控制和靜力加載，加載速率為0.3mm/min，采用DH3820靜態采集系統。當出現以下現象時表示已發生破壞，停止加載：①夾持區域出現夾碎現象；②HSS-FRCM整體復合層拉斷失效；③高強鋼絞線相較于砂漿層發生了滑移失效。

圖2 HSS-FRCM復合層示意

2 結果與分析

2.1 現象與結果

試件無-500-2破壞模式為鋼絞線滑移破壞，無-550-2，無-650-2，PP-550-1，S-550-2，S-650-2試件破壞模式為復合層夾碎破壞，其余均為復合層拉斷破壞。復合層中部拉斷破壞為最理想的破壞模式，拉斷破壞包括縱橫向鋼絞線節點處拉斷和縱向鋼絞線拉斷，能充分發揮材料優勢，表現出整體良好的拉伸性能。加載初期鋼絞線與纖維增強聚合物砂漿基質協同工作，試件處于彈性變形階段，接著試件表面出現細小裂縫，荷載持續增大，細小裂縫開始擴展至主裂縫，主裂縫處鋼絞線被拉斷。夾持區域夾碎破壞是由于試件養護條件未達到標準要求，或端部環氧樹脂膠固化處理工藝未達到要求。加載過程中，復合層表面仍會相繼產生裂縫。

2.2 試驗結果分析分析

2.2.1拉伸荷載-位移

HSS-FRCM復合層在軸向拉伸作用下的本構模型如圖3所示，可分為彈性變形、砂漿基質開裂及開裂失效階段。第1階段整體復合層處于彈性變形階段，鋼絞線與纖維增強聚合物砂漿協同工作，E1為整體復合層彈性模量；第2階段為裂縫發展階段，荷載增長不明顯；第3階段為開裂破壞階段，主要由鋼絞線承受荷載，直至拉伸斷裂，因此E2為鋼絞線抗拉剛度。

圖3 HSS-FRCM復合層拉伸荷載-位移曲線

通過對不同工況下砂漿復合層荷載-位移曲線進行分析，得到不同砂漿種類復合層拉伸結果，如表1所示。

表1 不同砂漿種類復合層拉伸結果

由表1可知，彈性變形階段復合層抗拉強度主要受砂漿種類影響，摻入短切PP纖維或鋼纖維后，對抗拉強度有不同程度的提高，摻入短切鋼纖維后彈性模量增加更明顯。開裂破壞階段主要由鋼絞線承受荷載，因此復合層彈性模量區別較小。

PP纖維增強砂漿復合層與鋼纖維增強砂漿復合層較無纖維聚合物砂漿復合層變形能力有所改善，而短切PP纖維改善能力更明顯。摻入短切纖維后，開裂荷載提高較顯著，短切鋼纖維較短切PP纖維增強效果更明顯，達到47.0%的提高效果，短切PP纖維可增大28.0%開裂荷載。對于極限荷載，短切纖維增強效果相對較弱，短切PP纖維和短切鋼纖維對極限抗拉強度分別提高14.9%，16.2%。

同種砂漿工況、不同拉伸長度下復合層在軸向拉伸作用下的拉伸荷載-位移曲線如圖4所示。由圖4可知，無纖維砂漿試件拉伸長度對極限荷載值的影響最大。摻入短切鋼纖維后，開裂破壞階段在相同位移情況下荷載差異較大，而無纖維或摻短切PP纖維后相同位移情況下荷載無明顯差異。對于彈性階段抗拉剛度，摻短切PP纖維和短切鋼纖維試件較無纖維試件分別提高13.36%，23.06%，短切鋼纖維能更有效增強復合層抗開裂能力。對于開裂破壞階段抗拉剛度，3種復合層較接近，即鋼絞線網抗拉剛度一致。

圖4 不同種類砂漿復合層拉伸荷載-位移曲線

2.2.2應力-伸長率曲線

(1)

式中：δ為鋼絞線網-聚合物砂漿復合層整體伸長率;l為復合層在拉伸荷載作用下的伸長位移;l0為復合層整體長度;le為復合層端部環氧樹脂膠固化長度。

不同種類砂漿復合層拉伸應力σ1和伸長率δ之間的關系如圖5所示。

圖5 不同種類砂漿復合層拉伸應力-伸長率曲線

由圖5可知，彈性變形階段荷載由砂漿和鋼絞線共同承擔；裂縫發展階段曲線呈鋸齒狀波動，曲線斜率與開裂破壞階段相差不多，皆近似于鋼絞線彈性模量。開裂破壞階段主要由鋼絞線承受拉力，試件表面不再有裂縫產生，主要為鋼絞線網拉伸變形，此階段不受砂漿種類影響。由于復合層開裂破壞僅由鋼絞線承擔荷載，故開裂破壞階段合層拉伸應力為鋼絞線拉伸應力σ1：

(2)

式中：F為復合層拉力；d為鋼絞線單絲直徑(每根鋼絞線由7根單絲鋼絞線擰成)。

3 結語

1)試驗中復合層在軸向拉伸荷載作用下的破壞模式主要為復合層直接拉斷失效、復合層發生鋼絞線較聚合物砂漿層的滑移及復合層端部夾持區域出現夾碎現象，其中，復合層整體拉斷破壞為較理想的破壞模式。

2)砂漿中摻入短切纖維能有效改善復合層拉伸力學性能，在基體中摻入短切PP纖維和短切鋼纖維后，試件破壞荷載較無纖維試件可分別提高12.5%，16.4%，鋼纖維能更有效提高極限抗拉強度。復合層彈性變形階段力學性能受纖維種類影響較大，摻入短切PP纖維和短切鋼纖維試件彈性變形階段彈性模量分別提高13.36%，23.06%，開裂荷載提高達28.3%，47.5%。

3)復合層長度對無纖維試件抗拉能力影響較大，破壞荷載幅值相差約20%，且隨著復合層長度的增加，破壞荷載有增長趨勢。復合層長度為650mm時，不同種類復合層破壞荷載較接近。

4)摻短切PP纖維和短切鋼纖維復合層的平均伸長率分別為0.027，0.024，較無纖維時伸長率有不同程度的提高。裂縫發展階段摻短切PP纖維試件在拉伸過程中產生的裂縫細而密，較摻短切鋼纖維試件產生的裂縫更多，摻短切PP纖維較短切鋼纖維更能提高復合層整體伸長率，可有效改善整體變形能力。