纤维格栅增强水泥混凝土的研究与应用

龙天伟 杨嘉霖 陈晓彬 黄婉蓉 廖蔚彬 郑东萍

（广东工业大学 土木与交通工程学院）

混凝土材料是应用最为广泛的建筑材料，但是普通混凝土材料的抗拉强度一般只有抗压强度的十分之一，甚至更小，导致混凝土材料在受拉时容易产生裂缝，并且其在受拉破坏时呈现的是脆性破坏[1]，危害结构安全。虽然随着混凝土材料的发展，其抗压强度不断得到提高，但其抗拉强度依然较低，并且不能明显改善混凝土脆性破坏的缺点。为了提高混凝土的抗拉强度及改善脆性破坏的缺点，主要有通过在水泥基体中掺入短切纤维、薄膜、编织布等纤维增强材料的方法，从而得到抗拉强度更高，延性更好的纤维增强水泥基复合材料。对于各种纤维增强水泥基复合材料，纤维格栅由于其纤维具有更加规整的排列，在相同纤维含量的条件下，其纤维对水泥基的增强效率更高[2-3]。以下分别就纤维格栅-基体界面粘贴性能、纤维格栅增强水泥混凝土的抗拉性能以及纤维格栅增强水泥混凝土在实际工程中的应用三个方面对纤维格栅增强水泥混凝土材料进行介绍。

1 纤维格栅与水泥基体之间的界面粘贴性能

纤维格栅与混凝土的协同工作主要是由纤维格栅和混凝土之间的粘贴界面决定的，因此纤维格栅和混凝土之间的粘贴界面直接决定了纤维格栅增强水泥混凝土的力学性能。为了探讨纤维格栅和水泥混凝土之间的界面粘贴性能，周臻等[4]对网格增强UHPC 薄板进行了拉伸实验，如图1 所示。研究结果表明：经过环氧树脂浸渍，并在表面进行粘砂处理的网格能保证其与水泥基有效粘贴。此外，使用粒径为0.15～0.30mm 的砂粒对纤维编织网进行粘砂处理时，纤维格栅与水泥基体的粘贴效果最好[5]。Peled 等人[6-8]对编织方式为平织的纤维编织网增强混凝土材料进行拉伸试验，试验结果表明，纤维束之间表面带有波纹形状的节点能很好地提高纤维编织网和基体的界面粘贴性能，不同的纤维编织网几何特性可导致粘贴性能提高和较低弹性模量的纤维束获得应变硬化行为，也可能会降低纤维束的工作效率。由此可见，纤维格栅与水泥基体之间的界面粘贴性能主要受纤维格栅表面形式、格栅的几何网格特性等的影响。

图1 薄板试件尺寸示意图[4]

2 纤维格栅增强混凝土构件的力学性能

纤维格栅增强混凝土构件可用于加固现有的混凝土结构，如桥墩等，为探究纤维格栅增强混凝土构件的力学性能，朱忠锋等人[9]以玄武岩纤维增强复合材料（Basalt fiber reinforced polymer，简称：BFRP）格栅的层数和水泥基的配合比为变量，制作了33 个棒骨试件，如图2 所示，并进行拉伸试验，研究结果表明：随着格栅层数的增加，棒骨试件的极限抗拉强度显著增大。表面经过粘砂处理的玄武岩格栅与基体的粘贴性能显著提高，破坏时，玄武岩格栅的平均应变为其极限抗拉应变的95%。朱忠锋等人[10]还研究了在反复荷载作用下，BFRP 格栅增强水泥基复合材料平板的抗拉性能，研究结果表明：在反复荷载作用下纤维格栅与基体的粘贴性能保持良好，平板的外包络线与静力荷载作用下的应力应变曲线保持一致，破坏时格栅的平均抗拉应变为格栅极限抗拉应变的85%，平板的延性得到提高。郑宇宙等人[11]研究了4 组24 块截面尺寸为100mm×30mm、长度为400mm 的薄板试件的抗拉性能，每组的格栅的厚度分别为0mm、1mm、3mm、5mm，试验结果表明：与对照组（格栅厚度为0mm）相比，格栅厚度为1mm、3mm、5mm 的薄板试件的开裂荷载的平均值分别增长了12%、3%、14%，极限荷载的平均值分别增长了43%、100%、177%，其极限应变的平均值分别增长了9%、47%、77%，这表明纤维格栅增强水泥基复合材料的轴向刚度、极限拉应变和抗拉强度都得到了较大提高。为了探究纤维格栅增强水泥基材料作为混凝土约束材料，特别是结构柱的约束材料的力学性能，Ali N. Al-Gemeel 等人[12]首次对玄武岩格栅增强面向工程的水泥基复合材料（Engineered cementitious composite，简称：ECC）进行环向拉伸实验研究，共5 组，分别为织物纤维体积掺量为0、0.5%、0.8%、1%的ECC 试件和织物纤维体积掺量为0.8%的常规水泥砂浆试件，结果表明：与不含织物纤维的ECC 构件相比，织物纤维体积掺量为0.5%、0.8%、1%的ECC 试件的初裂荷载和峰值荷载分别增加了77%和50%、202%和103%、90%和69%，这也表明织物纤维的体积掺量不是越大越好，在本实验中，玄武岩格栅增强ECC 试件的最优织物纤维体积掺量是0.8%。

图2 玄武岩纤维增强水泥基复合材料（BFGRE）棒骨试件示意图[9]

3 纤维格栅增强水泥混凝土的应用

纤维格栅增强水泥混凝土因其抗拉强度高、抗裂性能好，无需考虑钢筋腐蚀问题，结构的厚度小，可工厂预制加工，无磁性等优点，吸引了国内外学者研究开发其应用场景。为解决水工环境中大保护层结构构件的裂缝宽度大、耐久性差的问题，何化南等人[13]制作了12 根大保护层钢筋混凝土梁进行四点弯曲试验，如图3 所示。其中9 根在靠近梁底位置布置碳纤维格栅，另外3 根不布置格栅，当弯矩达到特定值时，配置纤维格栅的试验梁相比于未配置纤维格栅的试验梁，其最大裂缝宽度、平均裂缝间距分别减小19%～47%和24%～41%。研究表明：纤维格栅具有良好的限裂效果，并且随着格栅网格尺寸的减小和格栅层数的增加，裂缝数量增多，裂缝宽度和平均裂缝间距减小，抗裂性能更好。为解决在潮湿环境下，外贴FRP 加固墩柱施工困难的问题，朱忠锋等人[14]对玄武岩纤维格栅/ECC 复合加固钢筋混凝土圆柱进行轴压试验研究，研究结果表明：与对比柱相比，配置纤维格栅/ECC 复合加固层的试件开裂荷载提高了35.9%～73%，极限荷载提高了44.6%～62.6%，玄武岩纤维格栅与ECC 的复合加固层能给混凝土圆柱提供有效的约束，从而提高其变性能力和承载能力。几乎所有的混凝土结构现浇施工，都会用到混凝土模板体系，然而，现有的模板体系的生产、组装及循环利用的成本非常高，通常占混凝土结构总造价的50%以上[15]。田会文等人[16]提出一种配置碳纤维格栅的超高性能混凝土永久模板混凝土组合柱，如图4 所示，并对该新型组合柱进行了轴压试验研究。研究结果表明：该模板体系可以显著提高组合柱的峰值荷载，并在后峰值荷载阶段表现出应变硬化特性，这种应变硬化特性是由于碳纤维格栅对组合柱提供了充分的约束引起的。有一点值得注意，该新型永久模板组合柱也较不配置该永久模板的对比柱的脆性增大。

图3 试验梁横截面和碳纤维格栅示意图[13]

图4 UHPC 永久模板增强混凝土柱[16]

4 结语与展望

纤维增强混凝土有诸多优异的性能，从力学性能来看，其具有抗拉强度高、抗裂性能好的特性，除了可以用于加固现有混凝土结构、制作现浇混凝土结构的永久模板外，还可以用于输送液体、气体的压力管道，如市政供水管道。由于纤维格栅增强混凝土不含钢材，耐腐蚀性好，可减小结构构件的保护层厚度，使造型灵动、轻便的建筑设计成为可能，满足人们对建筑个性化、建筑美观的需求，例如建筑的薄壳结构。还由于纤维格栅增强混凝土的防磁化性能，可应用在安放精密设备的建筑建造中，例如医院的放射性检查室。纤维格栅增强混凝土结构构件的研究还比较少，应用场景还不多，还有待学者的进一步探究。