玻纖織物增強(qiáng)混凝土界面黏結(jié)性能的試驗研究

朱德舉，張偉明，劉賽

（湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院綠色先進(jìn)土木工程材料及應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實驗室，湖南 長沙410082）

纖維織物增強(qiáng)混凝土（Textile Reinforced Concrete，簡稱TRC）是在精細(xì)混凝土中放置纖維織物作為基體增強(qiáng)材料而形成的一種新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[1-4].TRC 復(fù)合材料由于其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)鋼筋混凝土所不能比擬的，更是使混凝土構(gòu)件向輕質(zhì)薄壁方向成為可能[5，6].與纖維增強(qiáng)混凝土（fiber reinforced concrete）相比，編織成型的纖維粗紗沿混凝土主應(yīng)力方向布置，改善了短切纖維在混凝土中混亂分布的缺點(diǎn)，能夠最大限度地發(fā)揮其強(qiáng)度[1，7].與纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，簡稱FRP）相比，TRC 在較高的溫度下依然有很大的強(qiáng)度，并且雖然兩者都用在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域，但是TRC 的水泥基體與加固的基層有很好的協(xié)調(diào)性，這明顯優(yōu)于FRP 樹脂基體[2，6].

TRC 中所用纖維大多為碳纖維和玻璃纖維.碳纖維抗拉強(qiáng)度高，大多用于結(jié)構(gòu)的加固方面，但是碳纖維的價格相比其他材料昂貴，在一般的非預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中，碳纖維的高強(qiáng)度優(yōu)勢得不到充分利用.相比之下，玻璃纖維的價格較低，抗拉強(qiáng)度高于鋼筋，應(yīng)用在新型建筑中很有市場[8，9].

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者[10-15]對TRC 拔出性能進(jìn)行了大量研究.Peled 等[10]研究了幾種不同的織物編織結(jié)構(gòu)對水泥基體界面黏結(jié)性能的影響，發(fā)現(xiàn)織物的結(jié)構(gòu)方式能夠提高纖維束與水泥基體的界面黏結(jié)性能，針織方法編織的纖維織物與基體間的界面黏結(jié)性能要優(yōu)于平織網(wǎng).荀勇等[11]研究了織物表面浸膠和施加預(yù)應(yīng)力對纖維織物與基體間黏結(jié)性能的影響，發(fā)現(xiàn)織物浸膠后，能明顯提高織物與基體之間的界面黏結(jié)性能，另外，施加預(yù)拉力也可以提高和改善織物與基體之間的界面黏結(jié)性能.徐世烺等[12，13]研究了纖維束埋深、浸漬環(huán)氧樹脂、黏砂、混凝土強(qiáng)度、工作性能及預(yù)應(yīng)力對碳纖維織物增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的黏結(jié)性能影響，結(jié)果表明增加埋深、浸漬環(huán)氧樹脂、黏砂和施加預(yù)應(yīng)力都能增大拔出強(qiáng)度，提高混凝土強(qiáng)度和工作性能也能提高碳纖維束與基體間的黏結(jié)性能.尹世平等[14]研究了纖維織物在混凝土中的黏結(jié)和搭接性能，發(fā)現(xiàn)不管黏砂與否，隨著纖維束埋深的增大，平均界面黏結(jié)強(qiáng)度有降低的趨勢.李慶華等[15]研究了不同黏砂粒徑對TRC 黏結(jié)性能的影響，試驗結(jié)果表明粒徑小的砂粒增大效果更為顯著.

目前對TRC 界面黏結(jié)性能的研究主要集中在纖維束埋深、表面處理、預(yù)應(yīng)力、混凝土強(qiáng)度和工作性能等單個影響因素，耦合考慮不同因素，尤其是高溫作為變量的研究相對較少. 本文在前人工作的基礎(chǔ)上，對常溫下纖維束埋深和織物改性做了大量試驗，對拔出試件破壞形態(tài)進(jìn)行了比較分析，并且對不同高溫（100、200、300、400 和500°C）后，纖維織物表面處理對玻璃纖維織物與水泥基體間的黏結(jié)性能也進(jìn)行了相關(guān)的研究.

1 試驗測試

1.1 試件制備

本試驗選用的材料：水泥選用了硅酸鹽水泥P·I 42.5，水泥質(zhì)量滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB175-2007[16]，其物理性能指標(biāo)見表1；II 級粉煤灰，SiO2含量為42.52%，Al2O3含量為32.62%，灰色粉末；硅灰：灰白色粉末，SiO2含量為93.9%，比表面積為18.5×104cm2/g；

表1 水泥的物理性能指標(biāo)Tab.1 Physical properties of cement

砂子取自湘江河砂，有兩種粒徑，分別為0～0.6 mm 和0.6～1.2 mm；水，自來水；減水劑為聚羧酸型固體減水劑，型號為FOX-8HP 型，外觀形態(tài)為淡紅色粉末，減水率大于30%.耐堿玻璃纖維織物是由山東泰山玻璃纖維有限公司提供，編織方式為經(jīng)緯平織結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格尺寸為8 mm×8 mm，如圖1（a）所示（測試采用經(jīng)向），表2 給出了耐堿玻璃纖維的性能指標(biāo).基體為不含粗骨料的細(xì)?；炷粒ㄋ嗌皾{），其配合比見表3.制備試件前要先對纖維織物用環(huán)氧樹脂混合液（環(huán)氧樹脂、固化劑和稀釋液按照10 ∶4 ∶2 的比例混合）浸漬，再將一部分浸漬后的織物在環(huán)氧樹脂混合液未凝結(jié)固化前黏砂（0～0.6 mm 粒徑）.拔出試件制備過程如下：先按照表3 的配合比澆筑得到混凝土基體，再在模板（如圖1（d）所示）上放置5 mm厚的鋼條，澆筑一半體積的混凝土，再鋪上玻璃纖維織物，放上5 mm 厚的鋼條，用螺栓將對應(yīng)的鋼條位置固定，然后澆筑另外一半體積的基體，最后放在振動臺上振搗30 s，室溫養(yǎng)護(hù)24 h 后拆模.拆模后放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室里（溫度為20±2 ℃，相對濕度不低于95%）養(yǎng)護(hù)28 d.試驗前用切割機(jī)切割出所需試樣的尺寸（120 mm×30 mm×10 mm），具體的試件尺寸如圖1（b）所示.

圖1 耐堿玻璃纖維織物、試件尺寸、試樣安裝以及模板Fig.1 Alkali-resistance glass textile，dimension of testing specimen，sample installation and mold

表2 耐堿玻璃纖維織物性能指標(biāo)Tab.2 Properties of alkali-resistant glass textile

表3 水泥砂漿組分Tab.3 Composition of cement matrix

1.2 測試儀器與方法

試件的高溫試驗，首先將拔出試件放在電阻爐中，從室溫25 ℃開始，以10 ℃/min 的升溫速度加熱至所需溫度，然后保持在該溫度60 min，最后讓電阻爐自動降溫. 待試件自然冷卻至室溫后再進(jìn)行試驗.靜態(tài)拔出試驗采用MTS 萬能試驗機(jī)（型號C43.304），具體介紹見文獻(xiàn)[17].拔出試樣安裝如圖1（c）所示，試件安裝過程中，要求使試件的軸線與上下端夾具的中心線保持一致[18]，另外夾具采用了球鉸式拉伸夾具，保證試件在加載過程不會出現(xiàn)偏心.拔出速率設(shè)定為1.0 mm/min. 其中拔出滑移變形采用引伸計測量，拔出力直接由MTS 萬能試驗機(jī)上的荷載傳感器測得. 常溫下設(shè)置了3 個埋置深度分別為：15、20 和25 mm. 主要考慮了五種不同的測試溫度：100、200、300、400 和500 ℃，纖維束經(jīng)過兩種不同表面處理：浸膠（在纖維織物表面浸漬環(huán)氧樹脂）和黏砂（在纖維織物表面浸漬環(huán)氧樹脂并黏砂）.拔出試件在測試前端部采用鋁片加固，保證與球鉸式夾具連接.本試驗中試件的編號規(guī)則如下：耐堿玻璃纖維織物（Alkali-resistance glass textile）用GT 表示，浸膠處理后的織物用CGT 表示，纖維織物的表面黏砂處理后的織物用SGT 表示；常溫25 ℃用數(shù)字0 代替，1～5 分別表示100、200、300、400 和500 ℃；纖維束埋深15 mm 用a 表示，20 mm 用b 表示，25 mm 用c表示.例如拔出試件SGT2a 代表的是玻璃纖維織物表面黏砂，試件在200 ℃的高溫后處理，埋深為15 mm.

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維束不同埋深對黏結(jié)性能的影響

圖2 為不同表面處理下埋深對黏結(jié)性能的影響.從圖中可以看出，隨著纖維束埋置深度的增加（15、20、25 mm），三種不同表面情況拔出試件的極限拔出力均不斷增大.可以看出：纖維束從基體中拔出的拔出力-位移曲線大致呈現(xiàn)典型的三個階段[19，20]：第一階段，纖維束與基體之間還沒有發(fā)生脫黏現(xiàn)象，線彈性階段的拔出力-位移曲線呈現(xiàn)線性遞增的趨勢；第二個階段，隨著拔出荷載的繼續(xù)增大，界面脆弱的部位最先出現(xiàn)脫黏并逐漸向內(nèi)部發(fā)展，脫黏區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，拔出力-位移曲線繼續(xù)上升，但曲線趨向平緩.當(dāng)拔出力達(dá)到界面臨界黏結(jié)力時，纖維束與基體之間的物理摩擦力、化學(xué)膠結(jié)力和機(jī)械咬合力會出現(xiàn)不同程度的下降，拔出力-位移曲線下降；第三個階段，當(dāng)滑移超過某一個值以后，纖維束與基體之間的界面黏結(jié)力僅存在摩擦力，最終纖維束完全從基體中拔出.

圖2 不同表面處理下埋深對黏結(jié)性能的影響Fig.2 Embedded depth effect on bonding properties under different surface treatments

根據(jù)拔出力-位移曲線可以得到拔出剛度、極限拔出力、等效黏結(jié)強(qiáng)度和拔出功，如表4 所示.拔出剛度表示拔出力-位移曲線中初始線性階段曲線的斜率，反映試件在未脫黏狀態(tài)抵抗拔出破壞的能力.從表4 可以看出，對于三種不同表面情況的拔出試件，隨著埋深增加（15、20、25 mm），拔出剛度均有不斷增大的趨勢.說明隨著埋深的增加，纖維束越來越難從混凝土中拔出. 極限拔出力也能反映纖維束從基體中拔出性能難易程度，對于三種不同表面情況的拔出試件，隨著埋深增加（15、20、25 mm），極限拔出力均不斷增大. 等效黏結(jié)強(qiáng)度表示在理論上將極限拔出力沿纖維束與基體間界面均勻分布，從而得到的平均應(yīng)力.對于三種不同表面情況的拔出試件，它隨著埋深的增大（15、20、25 mm）均呈現(xiàn)減小的趨勢.這是由于纖維束的初始埋深越長，受力后黏結(jié)應(yīng)力分布越不均勻，纖維束破壞時平均黏結(jié)強(qiáng)度越小[14].纖維束與基體間的平均界面黏結(jié)強(qiáng)度τm理論計算公式如下：

式中：Fmax為極限拔出力，C 為纖維束橫截面周長，L為纖維束埋置深度.其中，

拔出功W 表征纖維束在拔出過程的耗能能力大小，其數(shù)值等于拔出力-位移曲線與橫坐標(biāo)圍成面積，從表4 可以看出對于三種不同表面情況的拔出試件，拔出功隨著埋深的增大（15、20、25 mm）不斷增大.拔出功W 可由下式積分得到，其中s 為黏結(jié)滑移位移：

表4 常溫下不同埋深情況的拔出試驗結(jié)果Tab.4 Pullout test results at different depths under room temperature

2.2 織物表面處理對黏結(jié)性能的影響

圖3 為常溫下埋深為15 mm 的三種不同表面情況的玻璃纖維束的拔出力-位移曲線，每種情況下得到3 條有效曲線，整體上看測試曲線重復(fù)性較好.可以看出：對纖維束表面浸膠和黏砂均能增大纖維束的極限拔出力，且黏砂處理的增大效果更好，此時纖維束在拔出過程滑移最小. 這是因為纖維束是由成千上百根纖維單絲組成，水泥基體并不能完全浸入到纖維束內(nèi)部，只有最外面的纖維絲能與基體形成較好黏結(jié)，纖維束內(nèi)部的纖維絲并不能結(jié)合在一起協(xié)同受力[21].對纖維束浸漬環(huán)氧樹脂以后，環(huán)氧樹脂能浸入到纖維束內(nèi)部，將纖維束結(jié)合成一個整體，大大增強(qiáng)了纖維束的協(xié)同受力能力，要將纖維束從基體中拔出需要更大的拔出力[12].對纖維束表面浸膠并黏砂，表面的砂粒與基體間的機(jī)械咬合力增大，在試件拔出過程中，摩阻力增大，纖維束更難從基體中拔出.所以經(jīng)浸膠和黏砂處理后，纖維織物與水泥基體間的黏結(jié)性能得到明顯改善.

圖3 不同纖維織物表面處理的拔出力-位移曲線Fig.3 Load-slip curves at different surface treatments

2.3 溫度對拔出性能的影響

不同溫度后三種表面情況拔出試件的拔出力-位移曲線，如圖4 所示.可以看出，在100～300 ℃的情況時，對玻璃纖維束表面浸膠和浸膠后黏砂均能明顯提高纖維束的極限拔出力和拔出剛度. 當(dāng)溫度高于400 ℃時，浸膠和黏砂提高作用不明顯，在500℃時浸膠和黏砂反而會起到降低作用.為便于對比分析，將本文的數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理，如圖5 所示，可以很直觀看出在100 和200 ℃時，三種表面情況的極限拔出力和常溫對比沒有太大變化，而拔出剛度更加敏感，有明顯的減小趨勢.當(dāng)溫度達(dá)到300℃時各項指標(biāo)和常溫對比才明顯降低.而纖維束表面環(huán)氧樹脂層在高溫時的劣化是導(dǎo)致纖維束與基體之間界面力學(xué)性能下降的主要原因[22，23].另外，對于這三種不同類型的拔出試件（表面未處理、浸膠和黏砂），當(dāng)溫度由25 ℃增加到500 ℃時，拔出剛度降幅為78.3%、98.4%、98.7%，極限拔出力降幅為61.9%、94.4%、95.2%.通過對比分析得到：反而是纖維束表面未處理的拔出試件受高溫影響較小，黏結(jié)性能降低幅度較??；表面進(jìn)行浸膠和黏砂處理的拔出試件受高溫影響較大，黏結(jié)性能降低幅度較大.所以，與增大纖維束的埋置深度相比，對纖維編織網(wǎng)表面涂覆環(huán)氧樹脂是一種更為有效的改善纖維織物與基體之間黏結(jié)性能的措施，且提高幅度更為顯著，但是由于環(huán)氧樹脂耐熱性差，導(dǎo)致在高溫過程中纖維織物表面環(huán)氧樹脂涂層會發(fā)生嚴(yán)重失效，以至于浸膠后TRC 拔出試件的黏結(jié)性能在高溫情況下得不到有效保證.

圖4 不同高溫后的拔出力-位移曲線Fig.4 Load-slip curves after different high temperature

圖5 不同試件的力學(xué)參數(shù)歸一化處理Fig.5 Normalization of mechanical parameters of different specimens

2.4 溫度對拔出試件破壞形態(tài)的影響

圖6 （a）給出了常溫下三種不同類型拔出試件在不同埋深下的破壞形態(tài)圖.常溫下，未經(jīng)表面處理的玻璃纖維束均能從基體中拔出，拔出破壞區(qū)域較為明顯，纖維束里的纖維粗紗外層被拉斷，內(nèi)層核心區(qū)的部分纖維絲被拔出. 并且15 mm 埋深的纖維束內(nèi)層核心區(qū)粗紗拔出最多，外層拉斷最少；25 mm 埋深的纖維束內(nèi)層核心區(qū)拔出最少，外層拉斷最多，同樣表明纖維束隨著埋深的增大越難拔出. 在浸膠和黏砂的試件中，三種埋深的纖維束均發(fā)生纖維束的拉斷破壞，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征.且試件破壞時呈現(xiàn)一個整體的斷裂截面，破壞區(qū)域相對比較集中.這說明浸膠后纖維束內(nèi)部的纖維絲能結(jié)合成一束且協(xié)同受力，纖維束內(nèi)部的纖維絲基本上能同時斷裂，起到了較好的增強(qiáng)及改善效果.

表5 不同溫度后的拔出試驗結(jié)果Tab.5 Pullout test results after different temperatures

圖6（b）給出了三種不同類型拔出試件在不同高溫后的破壞形態(tài)圖，可得到以下結(jié)論：隨著溫度的升高，對于未經(jīng)表面處理的玻璃纖維織物，溫度在100～300 ℃時，均發(fā)生纖維束核心區(qū)部分纖維絲拔出.在400～500 ℃時，纖維束均能完全從水泥基體中拔出. 對于表面浸膠處理的玻璃纖維織物，溫度在100～300 ℃時，發(fā)生纖維織物與基體的剝離現(xiàn)象.出現(xiàn)剝離現(xiàn)象的原因是，環(huán)氧樹脂涂層經(jīng)歷了高溫條件下軟化、降溫后的硬化，導(dǎo)致纖維束與基體間的膠結(jié)力受到嚴(yán)重的破壞，從而引起拔出試件界面性能的顯著降低.并且溫度在100 ℃時，環(huán)氧樹脂層沒有顯著的破壞，依然呈現(xiàn)原有藍(lán)色.在200 ℃時，環(huán)氧樹脂層開始發(fā)生熱分解[24]，此時環(huán)氧樹脂的性能已發(fā)生退化，可以很清晰觀察到環(huán)氧樹脂層外觀形態(tài)發(fā)生了較大變化，顏色變成黃色.當(dāng)溫度在300 ℃時，環(huán)氧樹脂層劣化嚴(yán)重，顏色變成灰色.此時拔出試件的界面黏結(jié)處出現(xiàn)了較為明顯的裂紋，表明在300 ℃時纖維束環(huán)氧樹脂層脆性大增，整體性受到較嚴(yán)重的削弱，進(jìn)而會導(dǎo)致內(nèi)部纖維絲之間協(xié)同受力效果受到影響.對于表面黏砂處理的玻璃纖維織物，溫度在100～300 ℃時，均發(fā)生拉斷破壞，環(huán)氧樹脂層顏色變化情況同浸膠處理的類似. 且隨著溫度的升高，破壞模式由相對集中平整的斷裂面趨向于松散齒狀的斷裂面.當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時，環(huán)氧樹脂層全部失效，起黏結(jié)作用的環(huán)氧樹脂層幾乎全部熱解，纖維束呈現(xiàn)松散狀態(tài)，內(nèi)部纖維絲明顯分散開來，表面呈現(xiàn)灰色，浸膠和黏砂的試件均發(fā)生纖維束的完全拔出破壞.溫度在500 ℃時，環(huán)氧樹脂層已熱分解完全，纖維束表面呈現(xiàn)白色，浸膠和黏砂的試件均發(fā)生纖維束的完全拔出破壞.

圖6 不同埋置深度、高溫后的試件破壞形態(tài)Fig.6 Fracture morphologies of pullout specimens under different embedded depths and temperatures

3 結(jié) 論

通過對玻璃纖維織物與水泥基體的黏結(jié)性能試驗研究得到以下主要結(jié)論：

1）常溫條件下，對于表面未處理、浸膠和黏砂三種情況，隨纖維束的埋深不斷增大（15～25 mm），拔出試件的拔出剛度、極限拔出力和拔出功不斷增大，等效黏結(jié)強(qiáng)度出現(xiàn)下降的趨勢.玻璃纖維織物浸膠、黏砂均能提高界面黏結(jié)強(qiáng)度，且黏砂改善效果較顯著.

2）相比于常溫條件下，溫度升高造成界面黏結(jié)性能下降.在100～300 ℃溫度測試范圍內(nèi)，浸膠、黏砂對拔出試件極限拔出力、拔出剛度的改善效果隨著溫度的升高出現(xiàn)了不同程度的下降，但總體來說由于環(huán)氧樹脂涂層的存在對黏結(jié)性能有很大提升作用.當(dāng)測試溫度達(dá)到400 ℃時，浸膠和黏砂對極限拔出力和拔出剛度的改善效果不顯著.測試溫度在500℃時，浸膠和黏砂對極限拔出力和拔出剛度起到了削弱的作用.

3）溫度對于拔出行為和破壞形貌的影響較為明顯.隨著溫度的升高，對于未經(jīng)表面處理的玻璃纖維織物，纖維織物的拔出破壞從纖維束核心區(qū)部分纖維絲拔出變化為纖維束完全拔出. 當(dāng)織物表面被浸膠、黏砂處理后，溫度在100～300 ℃時，纖維織物與基體之間分別出現(xiàn)剝離和拉斷的破壞情形. 溫度達(dá)到400 ℃以上時，浸膠和黏砂處理后的拔出試件均為完全拔出破壞.

綜上所述，常溫下對纖維織物浸漬環(huán)氧樹脂確實能大幅提高纖維織物與基體之間的界面黏結(jié)性能，然而當(dāng)浸膠后的TRC 試件暴露在高溫下時，由于高溫過程環(huán)氧樹脂膠的熱分解，導(dǎo)致纖維織物與基體之間的黏結(jié)性能降低. 如何解決高溫情況下的纖維織物與基體之間的黏結(jié)性能差的問題有待進(jìn)一步研究.