織物增強混凝土抗拉力學性能綜述

鄧鑫，李建錕

（1.武漢市中心工程檢測有限公司，武漢 430014；2.武漢科技大學，武漢 430070）

1 引言

織物增強混凝土(Fabric Reinforced Concrete，TRC)[1]是指一種較新研發的高性能纖維水泥基復合材料，它實際上是一種多股軸聯纖維紡織物和高性能精細增強混凝土體系的理想結合，具有極良好的纖維定向增強能力和抗限裂增強能力[2-6]。TRC不僅能夠用來提高混凝土構件自身的耐久性、抗裂性、韌性、承載負荷能力等以及混凝土各項工程力學性能，它的抗腐蝕、放電磁化能力等物理特性，還可以使其較好地直接被運用在許多具有特殊工程環境要求的大型建筑物中[7-13]。我國作為建筑大國，對于建筑材料的質量要求尤其高，所以研究TRC各項性能以及將其正確運用在建筑物中尤為重要。本文將在前人的研究基礎上對TRC的受拉性能進行總結論述。

2 TRC受拉力學性能影響因素

柴旭、王伯昕在文獻[14]中研究了板件厚度不同對TRC抗拉性能的影響。為了考慮厚度對TRC薄板抗拉性能的影響，制作了3種不同尺寸的TRC薄板試件。實驗結果表明，不同厚度的TRC薄板的應力-應變曲線的形狀特征相近，并且TRC薄板的受拉性能與試件厚度密切相關，其抗拉強度隨著TRC薄板厚度的增加而逐漸降低。

徐世、閻軼群在文獻[15]中研究了薄板配網率對TRC抗拉強度的影響。根據Aveton-Cooper-Kelly理論，對TRC單軸拉伸應力-應變曲線[16]進行了模擬。試驗結果表明，對于配網率為0.85%、0.96%的試件，即配網率大于臨界配網率的試件，隨著配網率的提高，試件裂縫寬度減小，裂縫間距增大，最高承載力有所提高[17]，TCR單軸拉伸極限荷載大于開裂荷載，TRC結構有很好的開裂形態。

姚一鳴等[18]利用ABAQUS數值計算方法，研究了織物層數和短纖維摻量對TRC拉伸性能的影響，分別建立了TR-ECC拉伸本構模型、TR-UHPC拉伸本構模型[19]進行模擬分析。研究結果表明，兩層纖維織物能顯著增加模型的拉伸強度，同時加入合適配比的鋼纖維能取得更好的協同效應。

殷夢緹等[20]系統研究討論了混凝土在氯鹽干濕、氯鹽凍融循環[21]和其他常規環境下纖維網層數、種類對纖維編織網增強混凝土的拉伸性能變化的影響。研究分析結果表明：無論處在哪個環境系統中，纖維混凝土編織的層數增加均可大大提高纖維混凝土的抗拉伸性能，并且碳纖維比玄武巖纖維的增強作用更明顯；摻入短切AR-glass纖維混凝土能大幅提高纖維混凝土的拉伸極限荷載。

Barhum R和Mechtcherine V在文獻[22]～[24]中研究了摻入短纖維對TRC薄板抗拉性能的影響。結果表明，外摻短切玻璃纖維和碳纖維對TRC薄板的抗拉性能有顯著的改善，TRC薄板的斷裂強度也有顯著提高，但摻入短切纖維對TRC薄板極限強度的提高幅度不明顯。另外，摻入短纖維的TRC薄板的裂縫形態明顯改善，當摻入的短切玻璃纖維呈分散式時，TRC薄板多裂縫開展階段的應變增加2倍，裂縫呈現多而細的特點；當摻入的短切玻璃纖維呈束狀時，基體混凝土與編織網之間的界面性能得到很好的改善。

綜上所述，織物增強混凝土的抗拉力學性能是由多方面的因素影響的，可以是板件的厚度，也可以是織物的種類、層數和織物的配網率，抑或是外摻的短纖維類型和狀態。改變不同的影響因素都可以增強TRC抗拉力學性能，性能的增強體現在試件開裂形態更好，試件裂縫寬度減小、裂縫間距增大；基體混凝土和織網的界面性能得到很好的改善；混凝土的拉伸極限荷載大幅提高。

3 TRC材料受拉力學性能的理論計算模型

Hegger J等[25]采用只考慮兩層纖維的分層模型來模擬TRC的抗拉性能，并根據模型提出了表層纖維和核心纖維的應力計算表達式。

此模型研究了兩層纖維的TRC的抗拉性能，模型考慮了兩層的一個分層情況，得出的應力計算公式考慮了纖維絲的周長、面積、所占比例和黏結系數等，整體來說是比較全面具體而且整潔的。

尹世平、徐世在文獻[26]中首次通過TRC薄板拉伸的試驗方法確定求出了纖維束之間的拉伸應力-應變關系，并分別以此結果進行了實驗做了分析驗證。為了全面有效地改善細粒混凝土[27]和纖維編織網的連接性能，對混凝土纖維編織網表面[28]分別設計并進行了不沾砂、沾細沙和沾粗砂的技術處理方式，對于不沾砂試件，采取了僅在細粒混凝土砂漿摻量加入含量約在1.0 kg/m3的聚丙烯纖維改性[29]。當纖維編織網直接埋入混凝土構件之中后，碳纖維束之間存在的應力-應變關系可直接簡化為如式（1）和式（2）所示的雙線性本構方程：

式中，σf為纖維束的拉應力；εf為纖維束的拉應變；εfy為纖維束開始單獨承載時應變；εfu為纖維束的極限拉伸應變；σfy為與εfy對應的應力；參數m和k是與εfy有關的參數，由式（3）和式（4）確定：

為更好地驗證雙線性本構方程的合理性，尹世平、徐世用兩種具有不同尺寸、跨度和纖維編織網層數的系列試件進行了四點彎曲試驗[30]，基于受彎構件計算理論，采用碳纖維束拉伸模型得到的兩種系列試件的計算值與試驗值基本一致，論證了雙線性本構方程的合理性。

此模型利用雙線程本構方程簡潔直觀地反映了碳纖維束TRC薄板拉伸的應力-應變關系，試驗中充分考慮了不同的編織網表面處理方式，并用兩種不同的系列試件進行驗證，證明了該雙線性方程的合理性。此模型可以作為織物增強混凝土受拉力學性能計算依據。

4 結論與展望

本文對織物增強混凝土抗拉力學性能的多種影響因素和各個影響因素對織物增強混凝土抗拉力學性能增強的表現以及TRC薄板拉伸的應力-應變關系計算模型進行了論述，討論分析了近年來國內外學者在這方面的研究成果，主要有以下幾點。

1）織物增強混凝土克服了普通混凝土抗裂性差等諸多缺點，結合了纖維的高韌性和極強的定向增強能力，作為混凝土構件，抗拉力學性能得到提高，是一種非常好的新型建筑材料。

2）試件厚度，配網率，短纖維摻量，織網的配網率、層數和種類等都會對TRC的抗拉性能產生影響。

3）TRC的抗拉力學性能提高主要表現是試件開裂形態更好，如試件裂縫寬度減小、裂縫間距增大，以及混凝土的拉伸極限荷載得到大幅提高。

4）利用分層模型模擬TRC的抗拉性能，提出了表層纖維和核心纖維的應力計算表達式，利用TRC薄板拉伸的試驗方法得出了碳纖維束之間的拉伸應力-應變關系，初步揭示了織物增強混凝土的理論計算模型。

目前，對織物增強混凝土受拉本構模型的研究不夠深入，對其研究相對較少，沒有精確的理論公式來描述其抗拉強度，應加強本構關系模型的建立和定量計算方法的研究。