碳纖維織物增強水泥砂漿板平面內(nèi)抗剪性能

周芬 陳小曄 杜運興

摘 ? 要：采用單點加載試驗研究了碳纖維織物增強水泥砂漿（carbon textile reinforced mortar，CTRM）板的平面內(nèi)抗剪性能，以碳纖維織物層數(shù)、鋼纖維摻量兩個因素對CTRM復合板力學性能進行研究. 試驗結果表明：隨著織物層數(shù)的增加，試件的斜截面開裂荷載、極限荷載以及開裂前剛度和開裂后剛度都得到了明顯的提高;提高鋼纖維摻量可以有效提高試件的斜截面承載力，提高斜截面開裂荷載和極限荷載，并且可以有效改善碳纖維織物與水泥砂漿的界面性能，減輕織物與水泥砂漿的剝離破壞程度. 最后，提出了CTRM板平面內(nèi)抗剪承載力的計算方法.

關鍵詞：碳纖維織物層數(shù);鋼纖維摻量;斜截面開裂荷載;極限荷載;剛度

中圖分類號：TU383 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

Abstract：The one-point loading test was used to study the in-plane shear behavior of carbon textile reinforced mortar （CTRM） plate. The carbon textile layers and steel fiber content were used as the parameters to study the mechanical properties of the CTRM plate. The test results show that with the increase of the number of textile layers， the oblique section crack load， ultimate load， stiffness before cracking and stiffness after cracking of the specimens are significantly improved. Steel fiber content can effectively increase the oblique section bearing capacity， oblique section crack load and ultimate load of the specimens， and can effectively improve the interface performance between carbon textile and mortar， which can reduce the degree of peeling damage between carbon textile and mortar. Finally， a calculation method for the in-plane shear capacity of the CTRM plate is proposed.

Key words：carbon textile layers;steel fiber content;oblique section crack load;ultimate load;stiffness

鋼筋混凝土梁的加固是加固工程中的重要組成部分. 目前常用的方法有增大截面法、黏鋼法、織物增強復合材料（Fiber Reinforced Polymer，簡稱FRP）加固法、織物增強水泥砂漿（TRM）加固法等. 其中，TRM加固法是一種新型的加固方法，該方法既具有輕質(zhì)、耐腐蝕、耐高溫的優(yōu)勢，又具有自重輕、截面增加小的優(yōu)勢，因此該加固方法更符合加固技術的趨勢. 目前的TRM加固法均采用濕作業(yè)的施工方法，即采用水泥砂漿材料將纖維織物分層粘貼在加固構件表面. 有學者[1]研究了TRM對鋼筋混凝土梁的抗剪加固，研究表明，隨著纖維織物層數(shù)的增加，構件加固后的承載力隨之提高. ?Tetta等[2-3]的研究表明，纖維織物編織方式對加固構件的破壞形態(tài)有一定的影響，但隨著織物強度和剛度的提高，其影響降低，他們還對比了TRM與FRP對梁的抗剪加固效果，指出通常TRM對梁抗剪承載力的提高效果不如FRP，但TRM對約束加固梁的變形能力優(yōu)于FRP. 采用濕作業(yè)的施工方式難以保證纖維織物在水泥砂漿內(nèi)平直和織物層間距均勻，這將導致水泥砂漿內(nèi)纖維織物易于應力集中，影響其強度的發(fā)揮. 于是Larbi等[4]提出了采用預制的TRM板加固混凝土梁，結果表明其效果在加固強度和加固剛度上與FRP加固效果相當. 目前對于預制的TRM板的研究[5-7]，主要集中在板的抗拉、抗彎、板內(nèi)纖維織物與水泥砂漿的黏結性能，鮮有研究TRM板平面內(nèi)抗剪性能. 當TRM板被固定于混凝土梁的側面用于抗剪加固時，TRM板處于平面內(nèi)的受力狀態(tài)，故研究TRM板平面內(nèi)的受力性能有助于揭示TRM板加固混凝土梁斜截面的工作機理. 本文通過特制夾具將碳纖維織物水平固定于模具中，在模具內(nèi)澆筑水泥砂漿，形成CTRM板. 研究碳纖維織物層數(shù)和基體內(nèi)鋼纖維摻量對該板平面內(nèi)抗剪性能的影響規(guī)律.

1 ? 材 ? 料

1.1 ? ?碳纖維織物

本試驗采用如圖1（a）所示的雙向碳纖維織物，網(wǎng)孔尺寸為20 mm × 20 mm，纖維類型為TC-36S 12K. 文獻[8]指出，用環(huán)氧樹脂浸漬碳纖維織物，能夠有效提高碳纖維織物與水泥砂漿的界面性能. 故本文采用經(jīng)環(huán)氧樹脂浸漬后的碳纖維織物作為增強材料，見圖1（b）. 在浸漬后的碳纖維織物網(wǎng)格布上，截取單根碳纖維束，并在截取的單根碳纖維束兩端粘貼鋁片，使中間的標距段為100 mm，做成如圖1（c）所示的小試件. 在MTS上以2.5 mm/min加載，采集頻率為20 Hz，測得單束碳纖維的力學性能見表1.

1.2 ? 鋼纖維

鋼纖維具有彈性模量高、抗拉強度高、延性好的優(yōu)點，且與水泥砂漿具有較好的相容性. 文獻[9]表明鋼纖維的摻入能改善TRM板材的力學性能. 本文采用鍍銅微絲鋼纖維，其具體參數(shù)見表2.

1. 3 ? 水泥砂漿

本文采用的水泥砂漿配比見表3. 按《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671—1999）[10]要求制作試件，試件尺寸為40 mm × 40 mm × 160 mm，試件在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d，測得水泥砂漿的抗壓、抗折強度分別為74 MPa、8.2 MPa.

2 ? 試驗方法和試件制備

2.1 ? 試驗方案

本文以鋼纖維體積摻量、碳纖維織物層數(shù)為研究變量建立試驗工況，試件編號包含這兩個變量，例如：C1S0表示碳纖維織物為一層，鋼纖維體積摻量0%. 圖2給出了不同碳纖維織物層數(shù)在試件橫截面中的分布. 可以看到在織物層數(shù)為1層、2層、3層的試件內(nèi)，水平向分布的纖維束分別為4根、8根、12根.

2.2 ? 試件的制備

CTRM板材的制作在圖3（a）所示制板模具上進行. 將碳纖維織物平直繃緊固定于模具內(nèi)澆筑，如圖3（b）所示. 脫模后在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d，將大板材切割成尺寸為220 mm×75 mm×20 mm的試件.

2. 3 ? 試驗方法

本文采用如圖4（a）所示的單點加載試驗來研究CTRM板平面內(nèi)的抗剪性能. 為了避免試件出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，需要對試件的側向進行約束，故采用特制加載夾具約束試件的側面，如圖4（a）所示. ?試驗在MTS試驗機上進行，加載速率為0.8 mm/min，采集頻率為20 Hz. 跨中撓度和荷載均由機器自帶的傳感器采集. 本試驗試件采用的剪跨比為1.23，詳細尺寸如圖4（b）所示. 試件剪跨段為80 mm，截面有效高度h0 = 65 mm，凈跨為l0 = 160 mm，在加載點和支座處設20 mm×20 mm×4 mm不銹鋼墊片. 每組工況重復2個試件，并在試件表面刷上一層白色涂料，以便觀察加載過程中出現(xiàn)的裂縫.

3 ? 試驗結果及分析

3.1 ? 碳纖維織物層數(shù)對平面內(nèi)抗剪性能的影響

圖5（a）（b）分別給出了C1S0、C2S0、C3S0和C1S1、C2S1、C3S1的荷載-撓度曲線，從原點到峰值點，曲線大致可分為兩階段（圖中曲線上實心點為斜截面開裂荷載）. 第Ⅰ階段內(nèi)，荷載-撓度曲線大致呈線性變化，隨著荷載的增加，試件跨中底部首先出現(xiàn)細微豎直的彎曲裂縫，隨后彎曲裂縫緩慢向上發(fā)展的同時，試件兩側開始出現(xiàn)斜裂縫，斜裂縫的出現(xiàn)標志著第Ⅰ階段的結束. 在第Ⅱ階段內(nèi)，隨著荷載的提高，斜裂縫不斷擴展和增加，直至CTRM板發(fā)生破壞. 在斜裂縫出現(xiàn)前，雖然試件已經(jīng)出現(xiàn)彎曲裂縫，但由于試件截面高度大，剪跨比小，試件正截面剛度大，此時試件斜截面的承載力對試件起到控制作用，彎曲裂縫的出現(xiàn)對試件的剛度影響不大，故第Ⅰ階段的荷載-撓度曲線基本呈線性變化. 而斜裂縫的出現(xiàn)，使試件由開裂前的梁受力模式轉為拱受力模式，故在第Ⅱ階段的曲線上可以看到，由于斜裂縫的開展而導致的承載力短暫下降的折線段，曲線斜率也隨之降低. 試件荷載-撓度曲線斜率在一定程度上反映了試件剛度的變化，且與之正相關. 表4列出了第Ⅰ階段的斜率a1和第Ⅱ階段的平均斜率a2.

從圖6可看到隨著織物層數(shù)的增加，極限荷載Pu、斜截面開裂荷載Pcr提高. 這是由于開裂前試件截面受拉區(qū)的水泥砂漿與碳纖維織物共同承擔該區(qū)域的應力，碳纖維織物層數(shù)增加，碳纖維織物承擔的應力比例增加，進而提高了試件的開裂荷載. 當試件開裂后，裂縫處的應力大部分轉移到碳纖維織物，由于裂縫與碳纖維織物的水平及豎向纖維束并非垂直相交，纖維束的受力如圖7所示，豎向纖維束承擔的為拉力TSV，水平纖維承擔的力為水平拉力TSH及銷栓力Vd . 開裂后裂縫處的應力主要由碳纖維織物承擔，故隨著碳纖維織物層數(shù)的增加，極限承載力也得到了提高.

從破壞模式上也可看到，隨著織物層數(shù)的增加，試件由承載力較低的斜拉破壞向承載力高的斜壓破壞轉變. 當纖維織物層數(shù)為1層、2層時，如圖8（a）（b）（e）（f）所示試件的斜裂縫中會出現(xiàn)一條裂縫寬度突然增大的斜裂縫，該裂縫貫穿整個試件截面，導致試件破壞. 纖維織物為3層時，如圖8（i）（j）所示試件的斜裂縫將試件分割出若干個斜向水泥砂漿小短柱，小短柱被壓碎導致試件破壞. 由圖6可見，對于未摻鋼纖維的試件，當織物層數(shù)增加到3層時，試件C3S0的Pu值增幅明顯快于其他層數(shù)的試件. 這是由于如圖8（k）（m）所示，C1S0、C2S0破壞時底部均出現(xiàn)剝離裂紋，使C1S0、C2S0試件中的織物過早剝離導致試件承載力較低，故未出現(xiàn)剝離裂紋的C3S0相對其他試件承載力提高幅度大. 而摻鋼纖維的工況組，由于鋼纖維嵌固于水泥砂漿中，不僅增大了纖維織物與水泥砂漿的摩阻力，還對纖維織物與水泥砂漿表面產(chǎn)生的裂紋起到抑制作用，從而提高了水泥砂漿與纖維織物的黏結性能. 如圖8（l）（n）所示，試件均未出現(xiàn)剝離裂紋，此時隨著織物層數(shù)的增加Pu值接近線性增長. 如圖6所示，與未摻鋼纖維的工況組相比，摻鋼纖維工況組的Pcr值隨著織物層數(shù)的增加增幅減緩. 這是由于織物層數(shù)的增加導致了鋼纖維在試件內(nèi)的分布不均勻程度增加，進而降低了Pcr的增幅. 從圖9和表4中可看出，隨著織物層數(shù)的增加，a1和a2也隨之提高. 這是由于碳纖維織物具有高強度、高彈性模量的特點，其與水泥砂漿復合成板材，可以增強板材抵抗荷載的變形能力，故隨著織物層數(shù)的增加，a1隨之增大.

開裂后裂縫處應力大部分轉移到碳纖維織物上，裂縫處的纖維織物可以起到限制裂縫開展、減小裂縫寬度的作用，故在相同荷載下，織物層數(shù)越多其試件的變形越小，于是可以看到隨著織物層數(shù)的增加，a2也隨之增大. 從圖9可發(fā)現(xiàn)，隨著織物層數(shù)的增加，a1與a2間數(shù)值的差距在減小，對于未摻鋼纖維工況組，隨著碳纖維織物層數(shù)的增加，試件開裂后荷載-撓度曲線的斜率下降幅度分別為46.56%、27.85%、11.84%. 摻鋼纖維的工況組，開裂后荷載-撓度曲線的斜率下降幅度分別為30.20%、19.64%、12.54%. 可見碳纖維織物層數(shù)的增加可降低試件開裂后荷載-撓度曲線的斜率下降幅度. 由前文可知，開裂前水泥砂漿分擔應力的比例隨著織物層數(shù)的增加而降低，這使得開裂后由于水泥砂漿退出工作而損失的剛度比例下降，故織物層數(shù)的增加，使試件開裂后荷載-撓度曲線的斜率下降幅度減小. 對比摻鋼纖維和未摻鋼纖維的工況組，可發(fā)現(xiàn)摻鋼纖維的工況組開裂后其荷載-撓度曲線的斜率下降幅度較未摻鋼纖維的工況組低. 這是由于裂縫處的骨料咬合力是裂縫處剪力傳遞的重要影響因素，從圖8可看到，摻鋼纖維的試件其裂縫形狀較為崎嶇，裂縫形狀越粗糙曲折，其骨料咬合力越大，故摻鋼纖維試件較未摻鋼纖維試件其開裂后裂縫處仍能有效傳遞剪力，也就使得其開裂后荷載-撓度曲線的斜率下降幅度較未摻鋼纖維工況組低.

3.2 ? 鋼纖維摻量對平面內(nèi)抗剪性能的影響

圖10給出了碳纖維織物為1層和2層的試件在鋼纖維摻量為0%、1%、1.5%、2%時的荷載-撓度曲線. 結合表4和圖11可看到隨著鋼纖維摻量的提高，試件Pcr、Pu值均得到了提高. 這是由于鋼纖維可以對開裂前的微裂紋起到約束作用，提高微裂紋的擴展阻力. 從圖8可以看到摻鋼纖維試件裂紋崎嶇，表明鋼纖維對裂紋的擴展起到了阻礙作用，從而提高試件的斜截面開裂荷載.

對于1層碳纖維織物的工況組，鋼纖維摻量1%、1.5%、2%相較于未摻鋼纖維試件Pcr值分別提高了108.37%、174.47%、249.38%，此時隨著鋼纖維摻量的提高，試件Pcr值增長明顯. 對于2層織物的工況組，鋼纖維摻量1%、1.5%、2%相較于未摻鋼纖維試件Pcr值分別提高了142.82%、114.06%、146.11%. 當鋼纖維摻量大于1%時，隨著摻量的增大Pcr值基本不再增加甚至出現(xiàn)小幅度降低. 由前文可知，織物層數(shù)增加不利于鋼纖維在試件內(nèi)分布均勻，隨著鋼纖維摻量的增大，鋼纖維易成團卡在網(wǎng)孔中，致使靠近模具底部試件的一側鋼纖維分布較少，盡管試件內(nèi)鋼纖維整體摻量在提高，但靠近模具底部試件一側的鋼纖維含量并未提高，而裂縫總是從鋼纖維摻量較少的一側最先開展，故當摻量大于1%時Pcr值基本不再增加.

結合圖8，鋼纖維可提高試件Pu值，在破壞模式上表現(xiàn)為，隨著鋼纖維摻量的增加，由最開始的斜拉破壞，向正截面破壞轉變，這表明鋼纖維可有效提高試件的斜截面承載力. 這可歸結為：1）彈性模量較高的鋼纖維亂向分布于水泥砂漿中，提高了微裂紋擴展的阻力，使斜裂縫開展形狀變得曲折，從而提高了斜裂縫處的骨料咬合力Va . 2）橋接于裂縫兩側的鋼纖維，直接提供跨裂縫工作的拉力Tf，cr . 3）鋼纖維嵌固在織物與水泥砂漿中，增強了織物與水泥砂漿的黏結性能，從而提高水平纖維束的銷栓力Vd. 如圖7所示，骨料咬合力、裂縫間的拉應力、水平纖維束的銷栓力，是裂縫間剪力傳遞的重要機制，三者的提高有利于斜截面承載力的提高.

由圖12可看到隨著鋼纖維摻量的提高，a1、a2也有一定程度的增長. 這是由于，鋼纖維彈性模量高于水泥砂漿彈性模量，鋼纖維的添加對水泥砂漿起到了限制微裂縫擴展和增韌效果，故a1隨著鋼纖維摻量的提高而增長，但只有當鋼纖維摻量大于1%時，才有較明顯的增幅. 當試件開裂后，鋼纖維通過橋接作用，限制裂縫寬度，并且通過改變裂紋形狀提高骨料咬合力，從而減輕由于開裂對試件剪力傳遞和變形的不利影響，故可以看到添加鋼纖維的試件較未添加鋼纖維試件其a2有提高，但當鋼纖維摻量大于1%后，隨著鋼纖維摻量的提高a2的值基本不再增加.

4 ? 承載力計算

試驗中試件出現(xiàn)了正截面破壞和斜截面破壞，由于本文主要研究CTRM板平面內(nèi)抗剪性能，故根據(jù)出現(xiàn)斜截面破壞的試件數(shù)據(jù)建立CTRM板平面內(nèi)抗剪承載力計算方法.

由于試件剪跨比小，水平纖維束的作用類似于深梁中水平分布筋的作用，且試驗中試件的破壞模式及荷載撓度曲線也和深梁類似，故采用《纖維混凝土結構技術規(guī)程》（CECS 38：2004）[11]中深梁斜截面承載力公式進行分析，將水平分布筋的抗拉強度替換為纖維束的抗拉強度，如公式（1）所示.

式中：ft為水泥砂漿抗拉強度;b為試件截面寬度;h0為截面有效高度;φf為鋼纖維混凝土層的相對厚度;λf為鋼纖維含量特征值，λf = ρf lf /df，ρf 為鋼纖維體積分數(shù)，lf為鋼纖維長度，df為鋼纖維直徑;fyh為水平分布纖維束抗拉強度;Ash為一層水平向纖維束全部截面面積;Sv為水平纖維束間距.

采用公式（1）得到試件斜截面抗剪強度Vu1，其與試驗獲得的極限剪力Vu比較如圖13所示. 采用公式（1）計算雖然過高地估計了CTRM板的抗剪承載力，但計算值與實測值基本按比例變化. 因而可采用調(diào)整參數(shù)的方法對公式（1）進行修正.

公式（1）中第一部分可認為是纖維混凝土提供的抗剪承載力，該部分由混凝土的抗剪承載力乘以鋼纖維作用的修正系數(shù)構成;公式（1）中第二部分可認為是水平鋼筋提供的抗剪承載力，鋼纖維對該部分沒有影響. 而CTRM板內(nèi)的鋼纖維不僅可以提升水泥砂漿的抗剪性能，還可以改善織物與水泥基間的黏結性能，有效地防止試件內(nèi)出現(xiàn)剝離破壞，從而提高纖維束的強度利用率. 因此鋼纖維對CTRM板平面內(nèi)抗剪承載力的影響與其對纖維混凝土深梁抗剪承載力的影響并不相同. 基于本文試驗數(shù)據(jù)，引入?yún)?shù)ξ來考慮鋼纖維對水泥砂漿和水平分布纖維的綜合影響. 另外，隨著織物層數(shù)的增加，纖維織物的利用率會降低[12]，引入?yún)?shù)δ來考慮織物層數(shù)對水平纖維束有效強度的影響. 因而CTRM板平面內(nèi)的斜截面抗剪承載力可表示為式（2）.

5 ? 結 ? 論

通過對CTRM板的平面內(nèi)單點加載試驗，研究了碳纖維織物層數(shù)、鋼纖維摻量對CTRM板的力學性能及破壞模式的影響，得到如下結論：

1）織物層數(shù)的增加能有效提高試件的極限承載力和減小試件開裂后剛度下降的幅度，并使試件破壞模式由斜拉破壞向斜壓破壞轉變;對于未摻鋼纖維的工況組，隨著織物層數(shù)的增加，開裂后試件荷載-撓度曲線的斜率值也隨之接近線性提高;對于摻鋼纖維的工況組，隨著織物層數(shù)的增加，極限荷載接近線性增長.

2）鋼纖維可以有效提高試件斜截面承載力，隨著鋼纖維摻量的提高，試件由斜截面破壞向正截面破壞轉變;對于織物層數(shù)為1層的工況組，隨著鋼纖維摻量的增加，斜截面開裂荷載也隨之提高，但對于織物層數(shù)為2層的工況組，當鋼纖維摻量大于1%時，隨著鋼纖維摻量的提高，斜截面開裂荷載基本不再提高;當鋼纖維摻量大于1%時，對試件開裂前的剛度有明顯的提高;1%及以上的鋼纖維摻量，可有效抑制織物層數(shù)分別為1層和2層的試件內(nèi)，碳纖維織物與水泥砂漿之間的剝離破壞.

3）根據(jù)試件的試驗數(shù)據(jù)建立了CTRM板平面內(nèi)抗剪承載力計算公式.

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