考慮橫向鋼絞線影響的鋼絞線網(wǎng)/工程水泥基復(fù)合材料黏結(jié)性能試驗研究*

朱俊濤 李 燚 王新玲

(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州 450001)

20世紀90年代，美國密歇根大學(xué)的 Li等［1-2］先后利用聚乙烯(PE)、聚乙烯醇(PVA)纖維研制了工程水泥基復(fù)合材料(ECC)。隨后，國內(nèi)外眾多學(xué)者對ECC的研制及相關(guān)力學(xué)性能進行了深入研究。一致認為：由于纖維的橋聯(lián)作用，ECC在受拉時呈現(xiàn)出多縫開裂和應(yīng)變硬化特征，能有效彌補水泥基材料準脆性破壞的缺陷［3-5］。為了使其優(yōu)越性在工程中得以廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外研究人員在ECC中加入鋼筋網(wǎng)、纖維編織網(wǎng)等研制出鋼筋網(wǎng)、纖維編織網(wǎng)增強ECC等增強復(fù)合材料，并對其進行了相關(guān)性能試驗研究。結(jié)果表明：此類增強復(fù)合材料可以明顯提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限承載力及延性。但由于鋼筋強度較低，而纖維編織網(wǎng)價格昂貴等諸多因素的影響，延緩甚至限制了ECC及其復(fù)合類材料工程應(yīng)用的進程［6-9］。

另一方面，高強不銹鋼絞線具有強度高且運輸施工方便等優(yōu)點，其與砂漿組合而成的高強不銹鋼絞線網(wǎng)增強滲透聚合物砂漿已成功應(yīng)用于國內(nèi)外的建筑結(jié)構(gòu)加固［10］。然而，由于滲透聚合物砂漿極易開裂，引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于高強不銹鋼絞線高強特性的發(fā)揮。

綜上所述，鑒于兩種材料(ECC和高強不銹鋼絞線)的優(yōu)越性能及其增強復(fù)合材料的工程應(yīng)用局限，課題組提出了采用高強不銹鋼絞線網(wǎng)增強ECC這一新的增強復(fù)合材料，既充分發(fā)揮了ECC和高強不銹鋼絞線的優(yōu)點，又克服了增強復(fù)合材料的缺點。本文基于課題組前期進行的單根高強不銹鋼絞線/ECC黏結(jié)錨固試驗，對高強不銹鋼絞線網(wǎng)與ECC的黏結(jié)性能進行拉拔試驗，探究橫向鋼絞線及其間距對高強不銹鋼絞線網(wǎng)/ECC黏結(jié)錨固性能的影響。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 試件設(shè)計

試驗設(shè)計了4組共24個單邊拉拔試件，其參數(shù)如表1所示。其中：配方1為水泥、砂、粉煤灰、纖維、硅粉、減水劑等摻合料;配方2為專利產(chǎn)品，主要成分為水泥、砂、粉煤灰、纖維等材料。考慮ECC強度、橫向鋼絞線及其間距三個參數(shù)，研究上述影響因素對高強不銹鋼絞線網(wǎng)在ECC中的黏結(jié)性能。試件尺寸為150 mm×150 mm×50 mm(已考慮保護層厚度的影響)，錨固長度 la=15 d，如圖1所示，近似取為68 mm。在非錨固段纏繞保鮮膜并套入聚氯乙烯管中，避免水泥漿體滲入，影響試驗結(jié)果。

表1 構(gòu)件設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of specimens

圖1 試件詳圖Fig.1 Schematic of specimens

1.2 量測方案

試驗加載裝置及數(shù)據(jù)量測方案如圖2所示。圖中，BC段為高強不銹鋼絞線網(wǎng)在ECC中的實際錨固長度;AB段為自由端，試驗過程中不考慮其變形對滑移量的影響。因此可以利用A點的位移來代替B點的滑移;對于C點的滑移，采用D點位移代替。但由于CD段受力較大且長度較長，需要考慮鋼絞線變形對滑移量的影響。

圖2 加載裝置及示意Fig.2 Schematic diagram of set-up

試驗過程中CD段的變形可以表示為：

式中：F為外荷載，即拉拔力;lCD為 CD段的長度;ES、AS分別為高強不銹鋼絞線的彈性模量、實際截面面積。

從而可以得到加載端的實際滑移Sl：

式中：SD為D點的滑移量。

進而，其實際滑移量(平均滑移量)S：

由式(4)可得到平均黏結(jié)強度τ：

式中：d為鋼絞線的公稱直徑;la為錨固長度。

1.3 材性試驗結(jié)果

試驗采用的高強不銹鋼絞線公稱直徑為4.5 mm，由7×7根鋼絲捻制而成，實際截面面積為9.62 mm2。高強不銹鋼絞線材料性能拉伸試驗結(jié)果，如圖3所示。試驗測得該鋼絞線的抗拉強度約為1 572 MPa，彈性模量為109 GPa。

圖3 鋼絞線材性試驗Fig.3 Material property test for stainless steel wire

本次試驗采用的ECC中聚乙烯醇纖維的體積摻量為2%，C組和 D組(表 1中配方 2)試件的ECC配方是在A、B組(配方1)所用配方的基礎(chǔ)上加入微量增稠劑。對上述兩種配方的ECC進行材料性能試驗，以測得其基本材料性能指標。試驗測試裝置如圖4所示。ECC抗壓性能試驗試件尺寸為：70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm。標準養(yǎng)護 28 d后，測其立方體抗壓強度;抗拉強度ft通過40 mm×15 mm×280 mm長條薄板拉伸試驗測得，兩種配方的ECC強度指標列于表2。

圖4 ECC材性試驗裝置Fig.4 Material property test set-up for ECC

表2 ECC材性試驗結(jié)果Table 2 Test results of ECC material properties

2 試驗現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1 試驗現(xiàn)象分析

對設(shè)計制作的試件進行單邊拉拔試驗，采用位移加載，加載速度為0.2 mm/min。基于課題前期所做的單根鋼絞線黏結(jié)性能試驗，本試驗保護層厚度均大于上述試驗的最小保護層厚度，即不考慮保護層厚度的影響。因此，通過試驗可以發(fā)現(xiàn)：所有試件的破壞形式均為鋼絞線的拔出破壞，而未發(fā)生劈裂破壞。圖5為加載中、卸載后的試件，試驗觀察到，加載過程中鋼絞線沿束的纏繞方向發(fā)生明顯轉(zhuǎn)動，且鋼絞線被拔出后，其肋間有大量的ECC粉末。

2.2 試驗結(jié)果分析

將上述各組試件進行單邊拉拔試驗，其拔出力、平均滑移量(由式(3)計算)及破壞模式列于表3。

由表3數(shù)據(jù)可知：所有試件均為拔出破壞。其中，配方1(A、B組)試件的拔出力遠遠大于配方2試件(C、D組)。這說明鋼絞線與ECC的黏結(jié)力主要受ECC強度影響;對于配方1，A組試件的拔出力較B組試件大，而B組試件拔出力基本接近。這說明橫向鋼絞線的設(shè)置使拔出力有所降低，其黏結(jié)力與橫向鋼絞線間距關(guān)系不大。對各試件的滑移量而言，總體上拔出力所對應(yīng)的平均滑移量隨橫向絞線間距的減小而減小，這說明橫向鋼絞線的設(shè)置雖然削弱了其黏結(jié)作用，但限制了兩者的相對滑移。對于配方2，由于ECC強度較低，各試件的拔出力較為接近，且所對應(yīng)的平均滑移量非常小。

圖5 試驗過程及結(jié)果Fig.5 Test process and results

表3 試驗結(jié)果Table 3 Test results

圖6為高強鋼絞線網(wǎng)在兩種ECC配方中的相對強度-滑移曲線。其中，τ為平均黏結(jié)強度，由式(4)計算得出;ft為EEC抗拉強度。從圖中可以看出，曲線總體趨勢形狀基本類似，大致可分為上升段、下降段和殘余強化段三個階段。對于配方1的試件(B34組)，其曲線中，從0加載至 a點，曲線呈線性發(fā)展，此階段相對滑移非常小。二者間的黏結(jié)力主要由化學(xué)膠結(jié)力提供;從a點到b點，曲線呈現(xiàn)為明顯的非線性，此時鋼絞線網(wǎng)與ECC之間開始脫黏，摩擦力承擔(dān)主要作用，直至荷載達到峰值;b點至c點(下降段)，由于鋼絞線網(wǎng)與ECC之間相對滑移量增大，二者之間的咬合齒發(fā)生破壞，摩擦力與機械咬合力逐漸減小，表現(xiàn)為拉拔力逐漸下降;c點至d點(殘余強化段)，與鋼絞線在ECC中的黏結(jié)不同(殘余段為平直段)，該階段殘余黏結(jié)力有上升趨勢，這說明橫向鋼絞線的設(shè)置有效延緩了縱向鋼絞線的滑移，從而提高了殘余階段ECC與縱向鋼絞線之間的摩阻力。對于配方2的試件(D34組)，其上升段呈現(xiàn)出明顯的線性特征，并無非線性發(fā)展段;下降段短且陡，這由于鋼絞線網(wǎng)與ECC之間脫黏后，摩擦力和機械咬力較小(增稠劑的添加使ECC內(nèi)氣泡增多，鋼絞線和 ECC之間的咬合齒發(fā)生破壞較快);殘余強化段較長，這說明橫向鋼絞線對殘余段的貢獻更為明顯。此外，從圖中曲線可以看出：鋼絞線網(wǎng)在兩種ECC配方中的脫黏強度接近(τ/ft)，這表明初期黏結(jié)力取決于ECC的抗拉強度。

圖6 鋼絞線網(wǎng)/ECC典型相對強度-滑移關(guān)系曲線Fig.6 The typical relative strength-slip curves of stainless steel wire mesh/ECC

3 鋼絞線網(wǎng)/ECC黏結(jié)性能影響分析

3.1 橫向鋼絞線的影響分析

圖7為A組和B44組(配方1)及C組和D44組(配方2)試件的黏結(jié)強度-滑移試驗曲線。從圖中可以看出，與單根鋼絞線相比，橫向鋼絞線的設(shè)置，明顯提高了鋼絞線網(wǎng)在 ECC中的殘余黏結(jié)強度。對于配方1，橫向鋼絞線的設(shè)置，使高強不銹鋼絞線網(wǎng)在ECC中的最大黏結(jié)強度降低20%左右。分析原因：試驗采用專用卡扣對縱、橫鋼絞線進行固定進而形成高強不銹鋼絞線編織網(wǎng)，但其交接處的卡扣寬度較大，如圖8所示。卡扣的存在對鋼絞線的錨固長度有一定削弱，故而降低了其與ECC的黏結(jié)力。對于配方2(添加增稠劑)，其最大黏結(jié)強度與單根基本接近。分析原因：從曲線趨勢可知，ECC強度較低時，上升段幾乎全為線性發(fā)展，即此階段黏結(jié)力幾乎全部由化學(xué)膠結(jié)力提供，卡扣未對其黏結(jié)造成過大損失，故此階段黏結(jié)強度接近。

圖7 有無橫向鋼絞線試件的黏結(jié)-滑移曲線Fig.7 Influence of horizontal stainless steel wire on bonding strength of specimens

圖8 試件模板及接頭處理Fig.8 Specimen template and joints processing

此外，從圖7中可知：設(shè)置橫向鋼絞線后，雖然其最大黏結(jié)強度有所降低(錨固長度相同)，但達到最大黏結(jié)強度時的滑移量減小(添加增稠劑使ECC內(nèi)部氣泡增多，故D組構(gòu)件初始加載時滑移相對較大)，且鋼絞線網(wǎng)在ECC中的黏結(jié)滑移曲線更加平緩，其殘余黏結(jié)強度高于未設(shè)置橫向鋼絞線的。上述結(jié)果表明，橫向鋼絞線的設(shè)置有效承擔(dān)了縱向鋼絞線周圍ECC產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力。因而可以延緩縱向鋼絞線的滑移，限制徑向裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，進而提高殘余階段ECC與縱向鋼絞線間的摩阻力。

3.2 ECC強度的影響分析

由表2數(shù)據(jù)可知：A組和B組試件ECC的強度(抗壓強度和抗拉強度)均高于C組和D組(添加增稠劑改性)，但后者的極限拉應(yīng)變(可達2.8%)卻高于前者。為了分析ECC強度對高強不銹鋼絞線網(wǎng)在ECC中黏結(jié)性能的影響，將橫向鋼絞線間距均為20 mm的不同配方試件進行拉拔試驗，試件測試所得的黏結(jié)強度-滑移曲線如圖9所示。

圖9 不同ECC強度試件的黏結(jié)-滑移曲線Fig.9 Influence of ECC strength on bonding strength of specinens

由圖9中兩組試件曲線可知：D24組試件的峰值黏結(jié)強度比B24組試件的低約40%。這表明：ECC強度對高強不銹鋼絞線網(wǎng)與ECC黏結(jié)強度影響較大，ECC抗拉強度越高，二者的黏結(jié)強度亦越高。此外，從A組與C組試件曲線可以看出：增稠劑的加入雖然使ECC強度降低(增稠劑的添加導(dǎo)致ECC內(nèi)部引入了大量的微小氣泡，這使ECC的表觀密度降低了5%左右。從而導(dǎo)致ECC內(nèi)部缺陷增多，抗拉強度降低)，但其極限拉應(yīng)變卻相對增加。這表明增稠劑的添加使PVA纖維的分散度更好，這對限制內(nèi)部微裂縫起到了較好的作用，由此其黏結(jié)強度-滑移曲線表現(xiàn)為更加平緩。

圖10為不同橫向鋼絞線間距下，ECC抗拉強度對鋼絞線網(wǎng)與ECC的黏結(jié)強度影響關(guān)系曲線。從圖中可以看出：橫向鋼絞線間距不同時，ECC的強度對其黏結(jié)強度(峰值黏結(jié)強度 τu)影響程度不同。無橫向鋼絞線時，其曲線斜率較大，這表明鋼絞線網(wǎng)/ECC黏結(jié)強度受ECC抗拉強度影響較大。此外，隨著橫向鋼絞線間距的減小，ECC抗拉強度對鋼絞線網(wǎng)/ECC黏結(jié)強度的影響亦逐漸減小。

圖10 橫向鋼絞線間距不同時黏結(jié)強度與ECC強度關(guān)系Fig.10 Relationship of bonding strength ECC strength for specimens with different horizontal stainless steel wire spacings

圖11 不同橫向鋼絞線間距下黏結(jié)-滑移曲線Fig.11 The bonding-slip curves of specimens with different horizontal stainless steel wire spacings

3.3 橫向鋼絞線間距的影響分析

上述分析表明：橫向鋼絞線的設(shè)置有效承擔(dān)了縱向鋼絞線周圍ECC產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力，增加了拔出破壞時的延性。然而橫向鋼絞線間距等因素對鋼絞線網(wǎng)/ECC黏結(jié)性能的影響規(guī)律尚不明確。因此對設(shè)置不同橫向鋼絞線間距構(gòu)件的黏結(jié)性能進行分析。圖11為不同ECC配方構(gòu)件(橫向鋼絞線間距為20，30，40 mm)的黏結(jié)-滑移試驗曲線。

圖11a為配方1構(gòu)件的黏結(jié)-滑移曲線。從圖中可以看出：橫向鋼絞線間距為30和40 mm試件的峰值較為接近，而略高于間距為20 mm的試件，但其殘余黏結(jié)強度則低于間距為20 mm的試件。究其原因：橫向鋼絞線間距為20 mm的試件，在錨固長度內(nèi)布置了3根橫向鋼絞線，這對錨固長度的削弱均大于間距為30，40 mm的試件(后者錨固長度內(nèi)均布置兩根橫向鋼絞線);而在殘余階段，其殘余應(yīng)力主要由摩阻力構(gòu)成，卡扣削弱了縱向鋼絞線與ECC之間的化學(xué)膠結(jié)力、機械咬合力，但是提高了摩阻力，且該削弱程度大于其對縱向鋼絞線與ECC之間摩阻力的提升。

圖11b為配方2構(gòu)件的黏結(jié)-滑移曲線。從圖中可以看出，設(shè)置橫向鋼絞線后，其峰值黏結(jié)強度基本不變。此外，在峰值黏結(jié)強度后，已無較長下滑段;尤其是橫向鋼絞線間距為20 mm的構(gòu)件，其滑移曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折后，仍呈上升趨勢;并且殘余黏結(jié)強度均高于峰值黏結(jié)強度。隨著鋼絞線間距的增大，殘余黏結(jié)強度減小。這表明橫向鋼絞線間距對鋼絞線網(wǎng)在抗拉強度較低的ECC中的峰值黏結(jié)強度影響不大，但隨著間距的減小，橫向鋼絞線可以更有效地分擔(dān)縱向鋼絞線周圍 ECC的環(huán)向拉應(yīng)力，阻止ECC劈裂破壞。

圖12 橫向鋼絞線間距與/τu的關(guān)系Fig.12 The relationship between horizontal spacing and steel wireτu

4 結(jié)束語

通過4組24個試件進行拉拔試驗，分析了ECC抗拉強度、橫向鋼絞線及其間距對高強不銹鋼絞線網(wǎng)在ECC中黏結(jié)性能的影響規(guī)律。得出以下結(jié)論：

1)增稠劑的添加降低了高強不銹鋼絞線網(wǎng)與ECC的黏結(jié)強度，但可提高黏結(jié)破壞時的延性。

2)橫向鋼絞線的設(shè)置，使高強不銹鋼絞線/ECC的最大黏結(jié)強度有所降低，但在黏結(jié)破壞殘余階段的延性更好;且隨橫向鋼絞線間距的減小，其黏結(jié)強度隨之降低，但殘余黏結(jié)強度卻有所增加。

3)橫向鋼絞線間距越大，ECC強度對高強不銹鋼絞線/ECC的黏結(jié)性能影響越大。在一定范圍內(nèi)(20～40 mm)，適當(dāng)減小橫向鋼絞線間距、ECC強度可以增加其黏結(jié)破壞時的延性。