纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)ECC的拉伸和彎曲性能

李傳秀, 尹世平,2, 趙俊伶

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 徐州 221116; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 徐州 221116)

纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土(TRC)是由纖維編織網(wǎng)和細(xì)粒混凝土組成的新型纖維復(fù)合材料,具有較高的強(qiáng)度、韌性、良好的耐腐蝕性、抗凍融性和抗?jié)B性,能夠有效提高結(jié)構(gòu)的耐久性[1],在海洋環(huán)境和結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.

目前關(guān)于TRC拉伸和彎曲性能的研究成果較多,通過對(duì)不同配網(wǎng)率、不同纖維編織網(wǎng)表面處理的試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)研究表明[2-3],適宜的配網(wǎng)率和纖維編織網(wǎng)表面處理可以提高基體與纖維編織網(wǎng)間的界面性能及TRC的抗拉性能;通過增加配網(wǎng)率和對(duì)纖維編織網(wǎng)進(jìn)行表面處理均能增強(qiáng)TRC的抗彎性能[4],但是纖維編織網(wǎng)與基體會(huì)出現(xiàn)脫黏現(xiàn)象,使纖維編織網(wǎng)的拉伸性能不能充分發(fā)揮.為了改善TRC材料的缺點(diǎn),獲得性能更加優(yōu)異的材料,一些學(xué)者在TRC基體中加入短切纖維[5],以期提高TRC的力學(xué)性能,但是改善效果具有局限性.

工程水泥基復(fù)合材料(ECC)使用短切纖維增強(qiáng),且纖維體積分?jǐn)?shù)不超過復(fù)合材料總體積的2.5%,極限拉應(yīng)變可穩(wěn)定達(dá)到3%以上,具有顯著的應(yīng)變硬化和多縫開裂特征[6-7],展現(xiàn)出優(yōu)良的韌性和耐久性.

為了結(jié)合TRC和ECC的優(yōu)點(diǎn),獲得性能更加優(yōu)異的材料,一些學(xué)者將纖維編織網(wǎng)與ECC復(fù)合,研究纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)ECC(TRE)的力學(xué)性能.Ben等[8]研究了TRE的拉伸性能和破壞機(jī)理,并與TRC進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)ECC能改善纖維編織網(wǎng)的增強(qiáng)效果,TRE比傳統(tǒng)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(wǎng)和ECC聯(lián)合使用,發(fā)現(xiàn)對(duì)纖維編織網(wǎng)進(jìn)行浸膠粘砂處理,能夠提高纖維編織網(wǎng)與ECC基體的黏結(jié)性能;當(dāng)聚乙烯醇(PVA)纖維體積分?jǐn)?shù)僅提高0.5%時(shí),試件的力學(xué)性能、裂縫控制能力明顯提高,試件破壞形態(tài)也有明顯改善.

目前關(guān)于TRE基本力學(xué)性能的研究成果還偏少,研究參數(shù)較單一.因此,在課題組前期研究的基礎(chǔ)上,以極限拉應(yīng)變超過3%的ECC材料作為基體,制備了纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)ECC(TRE),研究了纖維編織網(wǎng)的層數(shù)及種類、表面浸膠粘砂處理以及PVA纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)TRE拉伸和彎曲性能的影響.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥采用徐州中聯(lián)水泥有限公司提供的42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥;粉煤灰采用江蘇鑄本科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰;石英砂采用包頭市富淼環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)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(dá)股份有限公司生產(chǎn)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(chǎn)的K-Ⅱ可樂綸PVA纖維,其幾何及力學(xué)參數(shù)如表1所示.

表1 PVA纖維的幾何及力學(xué)參數(shù)

纖維編織網(wǎng)分別為表面未經(jīng)處理的碳纖維-玻璃纖維混編網(wǎng)(C)和玄武巖纖維-玻璃纖維混編網(wǎng)(B).考慮到過多的涂層會(huì)減少纖維束和砂漿的接觸面積,降低界面的黏結(jié)性能[11],因此試驗(yàn)中采用的第3種纖維編織網(wǎng)為：經(jīng)過環(huán)氧樹脂浸漬并粘砂處理過的碳纖維-玻璃纖維混編網(wǎng)(C-T,粘砂數(shù)量以細(xì)砂均勻分布在纖維束上為準(zhǔn)[9]).碳纖維-玻璃纖維混編網(wǎng)和玄武巖纖維-玻璃纖維混編網(wǎng)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(qiáng)方向,徑向起固定作用,網(wǎng)格間距為10mm,如圖1所示.

圖1 纖維編織網(wǎng)Fig.1 Textiles

纖維編織網(wǎng)的力學(xué)性能見表2.

表2 纖維編織網(wǎng)的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方案

以纖維編織網(wǎng)層數(shù)、種類、表面浸膠粘砂處理及PVA纖維體積分?jǐn)?shù)φPVA為變量,研究TRE拉伸和彎曲性能,試件設(shè)計(jì)如表3所示.

表3 試件設(shè)計(jì)

1.3 試件制備

首先按表4所示配合比制備ECC.試件澆筑時(shí)先在試模內(nèi)鋪設(shè)5mm厚的ECC,然后將纖維編織網(wǎng)按緯向受力原則固定于模具上,最后澆筑5mm厚的ECC保護(hù)層(四點(diǎn)彎曲試件的保護(hù)層厚度為3mm),雙層網(wǎng)試件2層纖維編織網(wǎng)之間的ECC厚度為5mm.養(yǎng)護(hù)24h后拆模,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后對(duì)試件進(jìn)行切割[12],拉伸試驗(yàn)單層網(wǎng)試件尺寸為400mm×60mm×10mm,雙層網(wǎng)試件尺寸為400mm×100mm×15mm.四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)單層網(wǎng)試件的尺寸為400mm×100mm×8mm,雙層網(wǎng)試件尺寸為400mm×100mm×13mm.

表4 ECC配合比

1.4 測(cè)試方法

拉伸試驗(yàn)夾持端的長(zhǎng)度為100mm,測(cè)量段的長(zhǎng)度為200mm,對(duì)試件夾持端進(jìn)行加固處理.為減少試件因荷載偏心出現(xiàn)的應(yīng)力集中,在鋼板上下兩側(cè)均設(shè)置球鉸.采用WDW300試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載,采用量程為10mm的位移傳感器(LVDT)測(cè)量拉伸段的變形,采用2T荷載傳感器測(cè)量荷載,采用IMC動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù),試驗(yàn)加載速率為0.2mm/min.

四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)采用100kN的CSS-44100試驗(yàn)機(jī)進(jìn)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(jì)連接到GBD3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)上，測(cè)量試件的跨中荷載和撓度.圖2為四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)加載示意圖.

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

測(cè)試結(jié)果均取3個(gè)試件有效數(shù)據(jù)的平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

拉伸試驗(yàn)中試件的破壞模式通常分為3種：夾持段發(fā)生破壞;測(cè)量段纖維編織網(wǎng)的斷裂;測(cè)量段纖維編織網(wǎng)的滑移[13].在本試驗(yàn)中：?jiǎn)螌泳W(wǎng)TRE試件的破壞模式主要是測(cè)量段纖維編織網(wǎng)斷裂破壞；少量試件由于拉伸試驗(yàn)荷載作用方向略偏離中心,出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,試件在夾持段發(fā)生破壞；試驗(yàn)使用的碳纖維-玻璃纖維混編網(wǎng)與ECC基體黏結(jié)性能良好,未出現(xiàn)纖維編織網(wǎng)滑移破壞現(xiàn)象；雙層網(wǎng)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(xiàn)多重開裂模式.試驗(yàn)開始時(shí),試件表面沒有裂縫出現(xiàn),達(dá)到開裂應(yīng)力后,試件出現(xiàn)第1條裂縫;PVA纖維和縱向碳纖維的橋接作用可以改善應(yīng)力傳遞,使得試件在拉伸方向的應(yīng)力分布更加均勻;在達(dá)到極限荷載前,微裂縫不斷在既有裂縫旁邊出現(xiàn),產(chǎn)生新裂縫;當(dāng)試件的荷載接近極限荷載時(shí),某一微裂縫逐漸發(fā)展為宏觀裂縫,伴隨著纖維編織網(wǎng)的斷裂,試件失效.

表5為TRE試件拉伸性能測(cè)試結(jié)果.圖3為TRE試件拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

表5 TRE試件拉伸性能測(cè)試結(jié)果

圖3 TRE試件拉伸應(yīng)力-應(yīng)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(wǎng)層數(shù)的增加,試件的開裂拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)力均增加,極限拉應(yīng)變?cè)龃?試件未開裂時(shí),主要由ECC基體受拉.雙層網(wǎng)TRE試件較單層網(wǎng)TRE試件開裂應(yīng)力有較大的提高,但是并未達(dá)到單層網(wǎng)TRE試件的2倍.這是由于當(dāng)試件承受拉伸荷載時(shí),碳纖維束從外到內(nèi)發(fā)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(shí)雙層網(wǎng)TRE試件在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí),試件的加載端發(fā)生端部剝離破壞,纖維編織網(wǎng)沒有拉斷,利用率低.在開裂階段,纖維編織網(wǎng)和ECC協(xié)同受力,雙層網(wǎng)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(wǎng)種類TRE試件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線.由圖3(b)和表5可知：玄武巖纖維-玻璃纖維混編網(wǎng)TRE試件的開裂拉應(yīng)力、開裂拉應(yīng)變、極限拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)變均較低.這是由于玄武巖纖維-玻璃纖維混編網(wǎng)與ECC基體的界面黏結(jié)性能較低[15],不能夠充分發(fā)揮玄武巖纖維-玻璃纖維混編網(wǎng)的性能;另外,與碳纖維-玻璃纖維混編網(wǎng)相比,玄武巖纖維-玻璃纖維混編網(wǎng)自身的力學(xué)性能略差.

由圖3(c)和表5可知：對(duì)纖維編織網(wǎng)表面進(jìn)行浸膠粘砂處理,TRE試件極限拉應(yīng)變提高較多,但極限抗拉應(yīng)力略有降低.這是因?yàn)樵谠囼?yàn)過程中,當(dāng)纖維編織網(wǎng)與ECC基體發(fā)生滑移時(shí),可能在一定程度上存在浸漬纖維網(wǎng)單絲被其表面所粘砂粒切斷的情況.但是纖維編織網(wǎng)經(jīng)過浸膠粘砂后,其與基體的黏結(jié)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(wǎng)表面浸膠粘砂處理的試件T1C-Y2.0的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線更加飽滿,出現(xiàn)了應(yīng)變硬化現(xiàn)象,變形能力得到較大提升.

圖3(d)為不同PVA纖維體積分?jǐn)?shù)TRE試件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線.由圖3(d)和表5可知,隨著PVA纖維體積分?jǐn)?shù)從1.0%增至2.0%，試件T1C-N2.0的極限拉應(yīng)力從4.15MPa增至7.05MPa.PVA纖維在基體內(nèi)亂向分布,起到了橋接與應(yīng)力傳遞作用,抑制了裂縫的發(fā)展,隨著應(yīng)力的增加,TRE試件出現(xiàn)多縫開裂現(xiàn)象.且PVA纖維與織物相連,隨機(jī)穿插、定位在纖維編織網(wǎng)表面及內(nèi)部絲線之間,為周圍的基體提供了更多的連接及錨固機(jī)會(huì),改善了纖維編織網(wǎng)與基體的界面性能[16],使纖維編織網(wǎng)的抗拉作用得以更加充分地發(fā)揮.當(dāng)PVA纖維體積分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí),TRE試件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)展穩(wěn)定,拉伸力學(xué)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(xiàn)出優(yōu)異的彎曲性能和多縫開裂能力.與拉伸試件一樣,試驗(yàn)開始后,隨著荷載的增加,試件產(chǎn)生微小變形,達(dá)到開裂荷載后,產(chǎn)生第1條裂縫,隨著荷載繼續(xù)增加,試件產(chǎn)生多條細(xì)而密的裂縫,直到荷載到達(dá)峰值荷載,試件失效.圖4為TRE試件典型破壞形態(tài).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(cè)試結(jié)果.

表6 TRE試件彎曲性能測(cè)試結(jié)果

圖4 TRE試件典型破壞形態(tài)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(wǎng)TRE試件剛開始加載時(shí),彎曲荷載-撓度曲線呈線性；隨著荷載達(dá)到初裂值,第1條裂縫出現(xiàn),荷載經(jīng)過多次降低又繼續(xù)增大后達(dá)到峰值荷載,試件破壞失效；隨著纖維編織網(wǎng)層數(shù)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(wǎng)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(wǎng)TRE試件相比,玄武巖纖維-玻璃纖維混編網(wǎng)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(wǎng)與ECC基體的界面黏結(jié)性能較差,協(xié)同受力能力降低,并且玄武巖纖維-玻璃纖維混編網(wǎng)本身的力學(xué)性能也低于碳纖維-玻璃纖維混編網(wǎng).這與拉伸試驗(yàn)的結(jié)果一致.

由圖5(d)和表6可知,隨著PVA纖維體積分?jǐn)?shù)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(dāng)PVA纖維體積分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí),試件的彎曲性能最差,當(dāng)PVA纖維體積分?jǐn)?shù)增加到2.0%后,纖維的橋接與應(yīng)力傳遞作用增強(qiáng),抑制了裂縫的發(fā)展,同時(shí)纖維編織網(wǎng)與ECC基體的界面黏結(jié)性能改善,試件的承載力提高,彎曲性能得到改善.

3 結(jié)論

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

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

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

(4)隨著PVA纖維體積分?jǐn)?shù)的增加,TRE試件的力學(xué)性能得到了改善.PVA纖維起到了橋接與應(yīng)力傳遞作用,抑制了裂縫的發(fā)展,同時(shí)也改善了纖維編織網(wǎng)與ECC基體的界面黏結(jié)性能,試件極限拉應(yīng)力和極限彎曲荷載變大,極限拉應(yīng)變和極限撓度提高.