预应力碳纤维编织网与混凝土界面粘结性能研究★

潘永灿

(盐城工学院土木工程学院，江苏盐城 224003)

预应力纤维编织网增强混凝土是将碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或碳/玻、碳/芳纶混杂纤维缝编织物网张拉后与配入一定掺量短切纤维的高性能细骨料混凝土(骨料最大粒径为1 mm，也称为高性能砂浆)结合形成的复合材料［1］。预应力纤维编织网增强混凝土具有重量轻、韧性好、耐腐蚀及良好的抗裂性等优点，同时具有良好的抗拉、抗折和抗弯性能。预应力纤维编织网能否与混凝土基体协同工作，取决于两者之间的界面粘结性能。预应力纤维编织网与混凝土基体的界面粘结性能是研究预应力纤维编织网增强混凝土增强机理的基础，对其各项力学性能有着重要影响，需对其增强机理做大量深入的研究，本文就是结合课题对预应力纤维编织网增强混凝土薄板界面粘结性能所作的初步研究。

1 试验材料

试验采用的原材料包括:1)水泥:P.O52.5普通硅酸盐水泥;2)细集料:细度模数2.80中砂;3)掺合料:Ⅰ级粉煤灰;4)正交碳/玻璃纤维编织网(见图1，主要参数指标见表1);5)外加剂:超塑化剂FM38;6)悬浮硅灰m硅灰∶m水=1∶1;7)水:自来水。

表1 正交碳/玻璃纤维编织网的主要参数

试验所采用细骨料混凝土的稠度应根据实际情况进行配合比调整，对纤维编织网增强混凝土配比时应考虑混凝土应具有早期强度高、低收缩性、与纤维编织网有较高的粘结力等方面的一些要求。试验用混凝土质量配合比见表2。

表2 试验用混凝土质量配合比

2 试验方法

2.1 预应力张拉试验装置

为了满足试验对纤维编织网施加预应力的需要，与柳州欧维姆公司合作研制出预应力张拉设备(见图2)，该套预应力张拉设备包括张拉台座和张拉泵站两部分，通过张拉泵站提供油压对反力台架上纤维编织网施加预应力，再在工作平台上浇筑混凝土，通过安装、调试和初次使用，满足试验要求。

2.2 试件制作

为测试预应力纤维编织网增强混凝土薄板界面粘结性能，按照表2中混凝土质量配合比制作了三块试验薄板，薄板试件采用的纤维编织网布置方案如下:薄板S1:板厚20 mm，薄板中间铺设未施加预应力未浸胶正交碳/玻璃纤维编织网，测试经向碳纤维与混凝土粘结性能。薄板S2:板厚20 mm，薄板中间铺设浸胶后正交碳/玻璃纤维编织网，测试浸胶碳纤维与混凝土粘结性能。薄板S3:板厚20 mm，薄板中间铺设未浸胶正交碳/玻璃纤维编织网，对经向碳纤维施加2 kN预应力，测试预应力碳纤维与混凝土粘结性能。预应力纤维编织网增强混凝土薄板制作完成后24 h拆模，放在温度为20℃的水中养护28 d，将其切割成140 mm×40 mm×20 mm的试件。

图1 正交碳/玻璃纤维编织网

图2 预应力张拉试验装置

2.3 试验方法

传统测试材料界面粘结性能的方法是做拔出试验，但对纤维编织网与混凝土基体间界面粘结测试，这种直接拔出试验有几点难于控制的问题:1)难于对纤维编织施加预应力;2)易对露出基体的编织网的根部产生界面微观损伤;3)与测试纤维方向垂直方向的纤维束对界面粘结的影响难于测定。为了能较真实测定纤维编织网与混凝土基体之间影响粘结性能的因素，借鉴斯图加特大学采用从薄板试件中切取小单元的方法［2］，将增强混凝土薄板切割成140 mm×40 mm×20 mm的试件，根据端头露出碳纤维粗纱位置，在薄板大约中间位置切割成一个1 cm×3 mm的“颈”，保证“颈”部有碳纤维粗纱存在［3］。切割后测试试件形状尺寸见图3。

3 试验过程与试验结果

3.1 试验过程

界面粘结试验在液压传动的万能试验机上进行，为避免试件在夹具片间滑移，先在测试试件上夹持部位涂上胶，再安上夹具，使胶上压出夹具片的内齿齿痕，当胶体硬化后，将试件安装在试验机上，试验的主要参数是:试件净距离100 mm;加载速度0.3 mm/min;纤维编织网与混凝土基体间的滑移以及相应荷载的大小通过计算机采集数据。

3.2 试验结果

试验测得试件S1和S2粘结滑移对比曲线见图4;试件S1和S3粘结滑移对比曲线见图5。

图3 测试试件尺寸（N形）

图4 试件S1和S2粘结滑移对比曲线

图5 试件S1和S3粘结滑移对比曲线

4 试验分析

4.1 浸胶对界面粘结性能的影响

由图4可知，对纤维编织网浸渍环氧树脂后，测试试件最大抗拉负荷为1 160 N，而未浸渍环氧树脂试件最大抗拉负荷为575 N，浸胶后试件纤维编织网与混凝土基体间界面粘结性能好于未浸胶纤维编织网与混凝土基体间界面粘结性能。

纤维编织网与混凝土基体间的界面粘结力包括:1)纤维编织网与混凝土基体间的化学胶结力;2)纤维编织网与混凝土基体间的摩阻力;3)纤维编织网与混凝土基体间的机械咬合力。纤维编织网是由一根根很细的纤维丝组成的，未浸渍环氧树脂纤维丝中存在断头缺陷，当承受荷载时，外层纤维丝不能有效地把荷载传到内层核心部位纤维丝上，从而使内外层纤维丝受力不均［4］;对纤维编织网浸渍环氧树脂后，每根纤维丝紧紧结合在一起，提高了纤维束协同受力能力。

4.2 预应力对界面粘结性能的影响

由图5可知，对纤维编织网施加预应力后，测试试件最大抗拉负荷为1 105 N，而未施加预应力试件最大抗拉负荷为730 N，对碳纤维施加预应力后试件纤维编织网与混凝土基体间界面粘结性能好于未施加预应力纤维编织网与混凝土基体间界面粘结性能。

对非预应力试件在测试时发现，测试试件的位移不断增加，而所增加的荷载却较小，纤维编织网在混凝土基体中发生拔出现象，说明纤维编织网与混凝土基体间的粘结力不够，对纤维编织网施加适当的预应力，能增大纤维束内部纤维丝与混凝土基体间的接触面积，增大两者之间的粘结力;同时对纤维编织网施加预应力后，使混凝土基体纵向产生压缩，其横向按泊松比发生膨胀，对纤维编织网就会产生压应力，从而提高了纤维编织网与混凝土基体间的界面摩阻力［5］。

4.3 简化的粘结滑移本构模型

试验发现，在一定范围内埋长越大，纤维编织网与混凝土基体之间的界面粘结性能越好，越不容易发生纤维束从基体内拔出破坏，但易在测试试件的“颈”部发生纤维束的受拉破坏，为防止这种情况发生，试验时纤维束与混凝土基体间的埋入长度不宜过大，从测试试验情况可知，纤维束埋入混凝土基体长度为2 cm～4 cm时可保证纤维束从混凝土基体中拔出。图6为对纤维编织网浸渍环氧树脂后，对碳纤维施加2 kN预应力，埋入长度取为4 cm的试件粘结滑移曲线。

图6 埋长为4 cm试件粘结滑移曲线

从图6中可以看出，纤维编织网与混凝土基体间的界面粘结滑移曲线具有的特点有:1)粘结滑移曲线主要由上升段和下降段组成，当粘结滑移很大时，两者之间的界面粘结力趋向于零;2)在承受荷载作用时，由于纤维编织网与混凝土基体间有变形差异，沿纤维束的表面将产生剪力，同时在纤维束周围存在界面粘结薄弱区，随着荷载的加大，在界面粘结薄弱区的一定范围内会形成连续的微细裂缝，纤维编织网与混凝土界面开始脱粘，相应荷载称为脱粘荷载，在此之前荷载—位移基本上呈弹性变化［6，7］;3)随着荷载和滑移的增大，纤维编织网与混凝土界面之间会出现大量微细裂缝，使截面刚度降低，小于初始截面刚度。

根据试验得到的粘结滑移曲线及其特点，可采用如图7所示简化的三线段粘结滑移的本构模型。在荷载达到峰值Pmax以前，荷载与滑移之间为线性增长关系，Pmax对应的滑移为S0;当荷载达到峰值Pmax以后，荷载与滑移之间为线性降低关系;当粘结滑移超过某一值S1后，纤维编织网与混凝土粘结界面上仅有摩阻力存在，此时剪应力值为常量，相应荷载P0为脱粘荷载。

图7 三线段粘结滑移本构模型

基于纤维编织网与混凝土基体之间粘结滑移三线段模型，可以采取分段式方程来描述两者之间的界面粘结滑移关系:

其中，K1，K2均为直线斜率，确定了 Pmax，P0，S0和 S1这4 个参数就可以确定纤维编织网与混凝土基体之间粘结滑移本构方程。

5 结语

采用从大薄板中切取小单元的方法进行纤维编织网与混凝土基体界面粘结性能试验，能较真实地反映构件在受荷过程中纤维编织网和混凝土基体之间的粘结情况。试验表明，同未浸胶纤维编织网增强混凝土薄板相比，对纤维编织网浸胶后，纤维编织网和混凝土基体之间的界面粘结性能明显提高。对纤维编织网施加预应力也可提高和改善界面粘结性能。要使纤维编织网从混凝土基体中拔出而不发生拉断破坏，需设计适当的纤维埋入长度(2 cm～4 cm)。根据实测粘结滑移曲线，并结合界面粘结性能分析，提出的简化三线段粘结滑移本构模型，可供相关人员参考。

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