纖維編織網增強ECC的拉伸和彎曲性能

李傳秀, 尹世平,2, 趙俊伶

(1.中國礦業大學 江蘇省土木工程環境災變與結構可靠性重點實驗室, 江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室, 江蘇 徐州 221116)

纖維編織網增強混凝土(TRC)是由纖維編織網和細?；炷两M成的新型纖維復合材料,具有較高的強度、韌性、良好的耐腐蝕性、抗凍融性和抗滲性,能夠有效提高結構的耐久性[1],在海洋環境和結構加固領域具有廣泛的應用前景.

目前關于TRC拉伸和彎曲性能的研究成果較多,通過對不同配網率、不同纖維編織網表面處理的試件進行拉伸試驗研究表明[2-3],適宜的配網率和纖維編織網表面處理可以提高基體與纖維編織網間的界面性能及TRC的抗拉性能;通過增加配網率和對纖維編織網進行表面處理均能增強TRC的抗彎性能[4],但是纖維編織網與基體會出現脫黏現象,使纖維編織網的拉伸性能不能充分發揮.為了改善TRC材料的缺點,獲得性能更加優異的材料,一些學者在TRC基體中加入短切纖維[5],以期提高TRC的力學性能,但是改善效果具有局限性.

工程水泥基復合材料(ECC)使用短切纖維增強,且纖維體積分數不超過復合材料總體積的2.5%,極限拉應變可穩定達到3%以上,具有顯著的應變硬化和多縫開裂特征[6-7],展現出優良的韌性和耐久性.

為了結合TRC和ECC的優點,獲得性能更加優異的材料,一些學者將纖維編織網與ECC復合,研究纖維編織網增強ECC(TRE)的力學性能.Ben等[8]研究了TRE的拉伸性能和破壞機理,并與TRC進行對比分析,發現ECC能改善纖維編織網的增強效果,TRE比傳統TRC具有更好的裂縫控制能力和拉伸性能.徐世烺等[9-10]將纖維編織網和ECC聯合使用,發現對纖維編織網進行浸膠粘砂處理,能夠提高纖維編織網與ECC基體的黏結性能;當聚乙烯醇(PVA)纖維體積分數僅提高0.5%時,試件的力學性能、裂縫控制能力明顯提高,試件破壞形態也有明顯改善.

目前關于TRE基本力學性能的研究成果還偏少,研究參數較單一.因此,在課題組前期研究的基礎上,以極限拉應變超過3%的ECC材料作為基體,制備了纖維編織網增強ECC(TRE),研究了纖維編織網的層數及種類、表面浸膠粘砂處理以及PVA纖維體積分數對TRE拉伸和彎曲性能的影響.

1 試驗

1.1 原材料

水泥采用徐州中聯水泥有限公司提供的42.5R級普通硅酸鹽水泥;粉煤灰采用江蘇鑄本科技發展有限公司生產的Ⅰ級粉煤灰;石英砂采用包頭市富淼環?？萍加邢薰旧a的0.051～0.106mm石英砂;減水劑采用Sika聚羧酸高性能減水劑,減水率30%;增稠劑采用山東赫達股份有限公司生產的增稠劑,主要成分為羥丙甲基纖維素;PVA纖維采用日本Kuraray公司生產的K-Ⅱ可樂綸PVA纖維,其幾何及力學參數如表1所示.

表1 PVA纖維的幾何及力學參數

纖維編織網分別為表面未經處理的碳纖維-玻璃纖維混編網(C)和玄武巖纖維-玻璃纖維混編網(B).考慮到過多的涂層會減少纖維束和砂漿的接觸面積,降低界面的黏結性能[11],因此試驗中采用的第3種纖維編織網為：經過環氧樹脂浸漬并粘砂處理過的碳纖維-玻璃纖維混編網(C-T,粘砂數量以細砂均勻分布在纖維束上為準[9]).碳纖維-玻璃纖維混編網和玄武巖纖維-玻璃纖維混編網緯向分別為碳纖維束和玄武巖纖維束,徑向均為耐堿玻璃纖維束.緯向是增強方向,徑向起固定作用,網格間距為10mm,如圖1所示.

圖1 纖維編織網Fig.1 Textiles

纖維編織網的力學性能見表2.

表2 纖維編織網的力學性能

1.2 試驗方案

以纖維編織網層數、種類、表面浸膠粘砂處理及PVA纖維體積分數φPVA為變量,研究TRE拉伸和彎曲性能,試件設計如表3所示.

表3 試件設計

1.3 試件制備

首先按表4所示配合比制備ECC.試件澆筑時先在試模內鋪設5mm厚的ECC,然后將纖維編織網按緯向受力原則固定于模具上,最后澆筑5mm厚的ECC保護層(四點彎曲試件的保護層厚度為3mm),雙層網試件2層纖維編織網之間的ECC厚度為5mm.養護24h后拆模,標準養護28d后對試件進行切割[12],拉伸試驗單層網試件尺寸為400mm×60mm×10mm,雙層網試件尺寸為400mm×100mm×15mm.四點彎曲試驗單層網試件的尺寸為400mm×100mm×8mm,雙層網試件尺寸為400mm×100mm×13mm.

表4 ECC配合比

1.4 測試方法

拉伸試驗夾持端的長度為100mm,測量段的長度為200mm,對試件夾持端進行加固處理.為減少試件因荷載偏心出現的應力集中,在鋼板上下兩側均設置球鉸.采用WDW300試驗機進行加載,采用量程為10mm的位移傳感器(LVDT)測量拉伸段的變形,采用2T荷載傳感器測量荷載,采用IMC動態數據采集儀采集數據,試驗加載速率為0.2mm/min.

四點彎曲試驗采用100kN的CSS-44100試驗機進行加載,加載速率為0.5mm/min.將2T荷載傳感器和量程為50mm的位移計連接到GBD3816靜態應變測試分析系統上，測量試件的跨中荷載和撓度.圖2為四點彎曲試驗加載示意圖.

圖2 四點彎曲試驗加載示意圖Fig.2 Schematic of four-point test loading(size：mm)

測試結果均取3個試件有效數據的平均值.

2 結果與討論

2.1 拉伸性能

拉伸試驗中試件的破壞模式通常分為3種：夾持段發生破壞;測量段纖維編織網的斷裂;測量段纖維編織網的滑移[13].在本試驗中：單層網TRE試件的破壞模式主要是測量段纖維編織網斷裂破壞；少量試件由于拉伸試驗荷載作用方向略偏離中心,出現應力集中現象,試件在夾持段發生破壞；試驗使用的碳纖維-玻璃纖維混編網與ECC基體黏結性能良好,未出現纖維編織網滑移破壞現象；雙層網TRE試件為加載端鋼板與試件剝離破壞.

在拉伸荷載的作用下,TRE試件出現多重開裂模式.試驗開始時,試件表面沒有裂縫出現,達到開裂應力后,試件出現第1條裂縫;PVA纖維和縱向碳纖維的橋接作用可以改善應力傳遞,使得試件在拉伸方向的應力分布更加均勻;在達到極限荷載前,微裂縫不斷在既有裂縫旁邊出現,產生新裂縫;當試件的荷載接近極限荷載時,某一微裂縫逐漸發展為宏觀裂縫,伴隨著纖維編織網的斷裂,試件失效.

表5為TRE試件拉伸性能測試結果.圖3為TRE試件拉伸應力-應變曲線.

表5 TRE試件拉伸性能測試結果

圖3 TRE試件拉伸應力-應變曲線Fig.3 Tensile stress-strain curves of TRE specimens

由圖3(a)和表5可知,隨著纖維編織網層數的增加,試件的開裂拉應力和極限拉應力均增加,極限拉應變增大.試件未開裂時,主要由ECC基體受拉.雙層網TRE試件較單層網TRE試件開裂應力有較大的提高,但是并未達到單層網TRE試件的2倍.這是由于當試件承受拉伸荷載時,碳纖維束從外到內發生斷裂,試件的破壞荷載不等于所有碳纖維束的總和[14],同時雙層網TRE試件在進行拉伸試驗時,試件的加載端發生端部剝離破壞,纖維編織網沒有拉斷,利用率低.在開裂階段,纖維編織網和ECC協同受力,雙層網TRE試件的極限變形能力較好.

where Jpis the rotational inertia of the hydraulic pump.

圖3(b)為不同纖維編織網種類TRE試件的拉伸應力-應變曲線.由圖3(b)和表5可知：玄武巖纖維-玻璃纖維混編網TRE試件的開裂拉應力、開裂拉應變、極限拉應力和極限拉應變均較低.這是由于玄武巖纖維-玻璃纖維混編網與ECC基體的界面黏結性能較低[15],不能夠充分發揮玄武巖纖維-玻璃纖維混編網的性能;另外,與碳纖維-玻璃纖維混編網相比,玄武巖纖維-玻璃纖維混編網自身的力學性能略差.

由圖3(c)和表5可知：對纖維編織網表面進行浸膠粘砂處理,TRE試件極限拉應變提高較多,但極限抗拉應力略有降低.這是因為在試驗過程中,當纖維編織網與ECC基體發生滑移時,可能在一定程度上存在浸漬纖維網單絲被其表面所粘砂粒切斷的情況.但是纖維編織網經過浸膠粘砂后,其與基體的黏結錨固性能得以提高,裂縫控制能力得以改善.從圖3(c) 還可以看出,與試件T1C-N2.0相比,纖維編則網表面浸膠粘砂處理的試件T1C-Y2.0的拉伸應力-應變曲線更加飽滿,出現了應變硬化現象,變形能力得到較大提升.

圖3(d)為不同PVA纖維體積分數TRE試件的拉伸應力-應變曲線.由圖3(d)和表5可知,隨著PVA纖維體積分數從1.0%增至2.0%，試件T1C-N2.0的極限拉應力從4.15MPa增至7.05MPa.PVA纖維在基體內亂向分布,起到了橋接與應力傳遞作用,抑制了裂縫的發展,隨著應力的增加,TRE試件出現多縫開裂現象.且PVA纖維與織物相連,隨機穿插、定位在纖維編織網表面及內部絲線之間,為周圍的基體提供了更多的連接及錨固機會,改善了纖維編織網與基體的界面性能[16],使纖維編織網的抗拉作用得以更加充分地發揮.當PVA纖維體積分數為2.0%時,TRE試件的拉伸應力-應變曲線發展穩定,拉伸力學性能與變形能力最好.

2.2 彎曲性能

在荷載的作用下,TRE試件展現出優異的彎曲性能和多縫開裂能力.與拉伸試件一樣,試驗開始后,隨著荷載的增加,試件產生微小變形,達到開裂荷載后,產生第1條裂縫,隨著荷載繼續增加,試件產生多條細而密的裂縫,直到荷載到達峰值荷載,試件失效.圖4為TRE試件典型破壞形態.圖5為TRE試件彎曲荷載-撓度曲線.表6為TRE試件彎曲性能測試結果.

表6 TRE試件彎曲性能測試結果

圖4 TRE試件典型破壞形態Fig.4 Typical failure mode of TRE specimen

圖5 TRE試件彎曲荷載-撓度曲線Fig.5 Bending load-deflection curves of TRE specimens

由圖5(a)和表6可知：在單層網TRE試件剛開始加載時,彎曲荷載-撓度曲線呈線性；隨著荷載達到初裂值,第1條裂縫出現,荷載經過多次降低又繼續增大后達到峰值荷載,試件破壞失效；隨著纖維編織網層數的增加,試件的極限彎曲荷載從0.73kN增至1.62kN，且剛度變大,極限撓度變小,變形能力降低.

由不同纖維編織網種類TRE試件的彎曲荷載-撓度曲線(圖5(b))可知,與碳纖維-玻璃纖維混編網TRE試件相比,玄武巖纖維-玻璃纖維混編網TRE試件的極限彎曲荷載和撓度均較小.這是由于玄武巖纖維-玻璃纖維混編網與ECC基體的界面黏結性能較差,協同受力能力降低,并且玄武巖纖維-玻璃纖維混編網本身的力學性能也低于碳纖維-玻璃纖維混編網.這與拉伸試驗的結果一致.

由圖5(d)和表6可知,隨著PVA纖維體積分數的增加,試件的開裂荷載增至0.21kN，極限彎曲荷載增至0.73kN,韌性也提高.當PVA纖維體積分數為1.0%時,試件的彎曲性能最差,當PVA纖維體積分數增加到2.0%后,纖維的橋接與應力傳遞作用增強,抑制了裂縫的發展,同時纖維編織網與ECC基體的界面黏結性能改善,試件的承載力提高,彎曲性能得到改善.

3 結論

(1)與單層網TRE試件相比,雙層網TRE試件的承載能力更高,極限拉應變更大,但極限撓度較小.

(2)與玄武巖纖維-玻璃纖維混編網TRE試件相比,碳纖維-玻璃纖維混編網TRE試件的極限拉應力和極限彎曲荷載更高,極限拉應變和極限撓度更大.總體而言,碳纖維-玻璃纖維混編網TRE試件拉伸和彎曲性能更好.

(3)將碳纖維-玻璃纖維混編網表面進行浸膠粘砂處理后,ECC基體與纖維編織網的界面黏結性能提高,TRE試件極限拉應變和極限撓度增加.

(4)隨著PVA纖維體積分數的增加,TRE試件的力學性能得到了改善.PVA纖維起到了橋接與應力傳遞作用,抑制了裂縫的發展,同時也改善了纖維編織網與ECC基體的界面黏結性能,試件極限拉應力和極限彎曲荷載變大,極限拉應變和極限撓度提高.