玄武巖纖維織物增強(qiáng)砂漿薄板抗彎性能試驗(yàn)研究

陳軍鋒，劉孫文，周 哲，趙 超，陳 淵

(1.中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528400； 2.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101107)

0 前 言

纖維織物增強(qiáng)砂漿(TRM)以水泥砂漿為基體，在基體內(nèi)鋪設(shè)纖維編織網(wǎng)而成的一種復(fù)合材料[1]。由于該復(fù)合材料具有質(zhì)量輕[2]，厚度薄，耐久性好等特點(diǎn)，已開始應(yīng)用于薄壁輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)、預(yù)制免拆除模板、預(yù)制夾芯板和混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)及增強(qiáng)加固中[3-5]。

在砂漿薄板中嵌入碳纖維編織網(wǎng)和玻璃纖維編織網(wǎng)后，可較大提高薄板的抗彎性能[6-7]。但碳纖維織物價(jià)格較高，將顯著增加工程造價(jià)，難以大規(guī)模地推廣應(yīng)用。玻璃纖維雖然價(jià)格較低，但纖維織物的彈性模量和抗拉強(qiáng)度較低，且容易受到砂漿或混凝土中堿的腐蝕，造成薄板承載力降低。

玄武巖纖維是一種以礦石為原料，經(jīng)高溫、快速拉制而成的一種無機(jī)纖維，具有良好的強(qiáng)度、耐久性、耐高溫及耐酸堿性能，且生產(chǎn)成本明顯低于碳纖維、鋼纖維等[8]。因此，以玄武巖纖維織物增強(qiáng)砂漿制備的工程結(jié)構(gòu)及加固用薄板有望獲得良好的工程力學(xué)性、耐久性及經(jīng)濟(jì)性。本文將設(shè)計(jì)制備不同纖維織物層數(shù)的水泥砂漿薄板，測(cè)試其抗彎性能及破壞模式，為其工程推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

1.1 試件設(shè)計(jì)

玄武巖纖維織物增強(qiáng)砂漿薄板試件采用鋪網(wǎng)-注漿法制作，砂漿薄板的配合比見表1。試驗(yàn)采用玄武巖織物的網(wǎng)格孔徑為10 mm × 10 mm，材料基本參數(shù)見表2。試件制作時(shí)先將纖維編織網(wǎng)繃緊并均勻布置在模具內(nèi)，將設(shè)計(jì)配比的水泥砂漿拌合物均勻倒入于模具中，經(jīng)振搗、抹平制備得到。將制備的試件經(jīng)室溫養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，自然灑水養(yǎng)護(hù)21 d，得到試驗(yàn)用纖維織物增強(qiáng)砂漿薄板。

表1 玄武巖纖維織物增強(qiáng)砂漿配合比 單位：kg/m3

表2 玄武巖纖維織物的材料參數(shù)

設(shè)計(jì)試件尺寸(長(zhǎng)×寬×高)均為280 mm×50 mm×12 mm，薄板設(shè)計(jì)3種型號(hào)，分別嵌入1～3層玄武巖纖維編織網(wǎng)，編號(hào)分別為BL1、BL2、BL3，如1所示。試驗(yàn)中以上每種型號(hào)薄板分別制作3塊。

圖1 玄武巖纖維織物增強(qiáng)砂漿薄板設(shè)計(jì)

1.2 試驗(yàn)方法

試件養(yǎng)護(hù)完成后，采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)試玄武巖纖維織物增強(qiáng)砂漿薄板抗彎性能，4個(gè)加載點(diǎn)從左至右依次為20、100、180、260 mm處，加載示意圖如圖2所示。加載由位移控制，速率0.5 mm/min，當(dāng)荷載過峰值后出現(xiàn)明顯的下降或者下降至峰值荷載的75%時(shí)，停止加載。

圖2 薄板四點(diǎn)彎曲加載示意圖

2 玄武巖纖維織物增強(qiáng)砂漿薄板抗彎試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，分別測(cè)試不同組TRM薄板彎曲過程中的開裂荷載、開裂撓度、極限荷載和極限撓度，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 TRM薄板四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.2 抗彎承載力分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，未采用玄武巖織物增韌的砂漿薄板BL0表現(xiàn)為明顯的脆性破壞；嵌入玄武巖纖維織物后，薄板的延性顯著增強(qiáng)。試件BL1、BL2并沒有顯著增加薄板的極限抗彎強(qiáng)度，主要原因是受玄武巖織物設(shè)置位置影響。BL1薄板纖維織物嵌入為薄板的中部，薄板破壞時(shí)，纖維與砂漿基體出現(xiàn)局部剝離，玄武巖織物的抗拉強(qiáng)度并沒有有效發(fā)揮，其抗彎極限強(qiáng)度出現(xiàn)了降低現(xiàn)象。因此，玄武巖織物增韌的砂漿薄板抗彎承載性能主要受纖維織物分布位置及層數(shù)的影響。BL3薄板采用了3層玄武巖織物，薄板的抗裂性、抗彎承載能力及延性都得到顯著提升，抗彎承載力平均值較未采用玄武巖織物增強(qiáng)的砂漿薄板提高了56.4%，極限荷載撓度則提高了195.8%。

2.3 彎曲變形分析

為進(jìn)一步分析玄武巖纖維織物增強(qiáng)砂漿薄板破壞模式，試驗(yàn)中測(cè)試了薄板彎曲過程中的荷載-跨中撓度曲線，如圖3所示。由圖3可知，薄板彎曲過程中，荷載-跨中撓度曲線主要呈現(xiàn)出三個(gè)階段。

圖3 TRM薄板荷載-撓度曲線

第一階段為正常受彎工作階段，在TRM試件加載初期，試件處于彈性階段，編織網(wǎng)和基體混凝土共同工作，試件的荷載隨撓度的增加而增大，撓度-荷載曲線基本呈線性關(guān)系。隨著編織網(wǎng)層數(shù)增加到2層，TRM試件在開裂前荷載-撓度曲線的斜率變化不明顯，但當(dāng)編織網(wǎng)層數(shù)增加到3層時(shí)，TRM試件在開裂前荷載-撓度曲線的斜率變大。這說明布設(shè)3層纖維編織網(wǎng)提高了TRM試件的抗彎剛度。

第二階段為開裂工作階段，隨著加載位移的增加，薄板底部受拉區(qū)形成第一條裂縫時(shí)，荷載突降，隨后位移繼續(xù)增加，經(jīng)過若干次荷載突降然后繼續(xù)增大的過程，荷載逐漸達(dá)到峰值。這是由于纖維網(wǎng)格的存在，基體混凝土填充于網(wǎng)格內(nèi)與纖維束固結(jié)在一起形成良好的整體，纖維編織網(wǎng)與基體混凝土間的錨固作用使板材達(dá)到極限荷載后不會(huì)立即發(fā)生脆斷，而是保持了比較好的整體性，隨著纖維束逐漸被拔出，荷載-撓度曲線呈先增長(zhǎng)后降低逐次下降趨勢(shì)。隨著玄武巖纖維編織網(wǎng)布設(shè)層數(shù)的增加，這種特性更加明顯，這說明纖維編織網(wǎng)顯著增加了TRM薄板的延性，且布設(shè)3層纖維編織網(wǎng)時(shí)其延性較好。

第三階段為破壞階段，隨著加載位移的增加，荷載急劇降低，TRM薄板失去了其抗彎承載力。主要原因是純彎段的基體材料裂縫加劇，內(nèi)置纖維織物部分被拉斷，最終破壞。

2.4 彎曲破壞特征分析

隨著加載位移的增加，裂縫首先出現(xiàn)在純彎段，隨著荷載的進(jìn)一步增大，裂縫寬度逐漸增大，純彎段的裂縫向兩個(gè)加載點(diǎn)擴(kuò)展，在兩個(gè)加載點(diǎn)外部也會(huì)出現(xiàn)若干條數(shù)的裂縫；裂縫的擴(kuò)展方向并非完全垂直于試件軸向沿直線型發(fā)展，而是出現(xiàn)了平行于試件軸向的裂縫分量，表現(xiàn)為裂縫擴(kuò)展路徑彎彎曲曲，這說明編織網(wǎng)對(duì)裂縫的擴(kuò)展起到了較好的約束作用。同時(shí)，裂紋擴(kuò)展速度降低，說明試件韌性得到顯著提高。當(dāng)試件接近最終破壞段時(shí)，荷載下降速度較快，破壞形成一條貫通裂紋，直至試件破壞。試件在靠近兩個(gè)加載點(diǎn)附近的純彎段出現(xiàn)裂縫，但裂縫數(shù)量很少，只有一條主裂縫，均表現(xiàn)出一條較大主裂縫拌有較少衍生裂縫的特征，圖4為TRM薄板彎曲破壞后的裂紋形態(tài)。

(a)TRM彎曲裂紋擴(kuò)展

(b)TRM貫穿式裂縫圖4 TRM薄板彎曲破壞后的裂紋形態(tài)

3 結(jié) 論

1)玄武巖纖維編織物的使用可以增加TRM薄板的抗彎承載力和延性，同時(shí)，玄武巖織物增韌的砂漿薄板抗彎承載性能主要受纖維織物分布位置及層數(shù)的影響。采用了3層玄武巖織物增強(qiáng)的砂漿薄板抗彎承載力平均值較未增強(qiáng)的砂漿薄板提高了56.4%，極限荷載撓度則提高了195.8%。

2)玄武巖纖維織物增強(qiáng)砂漿薄板彎曲過程中，呈現(xiàn)出三個(gè)典型階段：正常受彎工作階段、開裂工作階段及破壞階段，破壞時(shí)有明顯的變形征兆。編織網(wǎng)的布設(shè)將增加TRM試件的抗彎剛度，布設(shè)3層纖維編織物時(shí)對(duì)TRM薄板的抗彎剛度提升最明顯。

3)當(dāng)編織網(wǎng)為3層時(shí)較編織網(wǎng)為1層或2層TRM試件抗彎承載力高、抗裂性較好，表現(xiàn)出多縫開裂的特征，且裂縫大多出現(xiàn)在純彎段。編織網(wǎng)對(duì)裂縫的擴(kuò)展起到了較好的約束作用，試件韌性得到顯著提高。

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