纤维编织网增强ECC的拉伸和弯曲性能

李传秀, 尹世平,2, 赵俊伶

(1.中国矿业大学 江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室, 江苏 徐州 221116; 2.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室, 江苏 徐州 221116)

纤维编织网增强混凝土(TRC)是由纤维编织网和细粒混凝土组成的新型纤维复合材料,具有较高的强度、韧性、良好的耐腐蚀性、抗冻融性和抗渗性,能够有效提高结构的耐久性[1],在海洋环境和结构加固领域具有广泛的应用前景.

目前关于TRC拉伸和弯曲性能的研究成果较多,通过对不同配网率、不同纤维编织网表面处理的试件进行拉伸试验研究表明[2-3],适宜的配网率和纤维编织网表面处理可以提高基体与纤维编织网间的界面性能及TRC的抗拉性能;通过增加配网率和对纤维编织网进行表面处理均能增强TRC的抗弯性能[4],但是纤维编织网与基体会出现脱黏现象,使纤维编织网的拉伸性能不能充分发挥.为了改善TRC材料的缺点,获得性能更加优异的材料,一些学者在TRC基体中加入短切纤维[5],以期提高TRC的力学性能,但是改善效果具有局限性.

工程水泥基复合材料(ECC)使用短切纤维增强,且纤维体积分数不超过复合材料总体积的2.5%,极限拉应变可稳定达到3%以上,具有显著的应变硬化和多缝开裂特征[6-7],展现出优良的韧性和耐久性.

为了结合TRC和ECC的优点,获得性能更加优异的材料,一些学者将纤维编织网与ECC复合,研究纤维编织网增强ECC(TRE)的力学性能.Ben等[8]研究了TRE的拉伸性能和破坏机理,并与TRC进行对比分析,发现ECC能改善纤维编织网的增强效果,TRE比传统TRC具有更好的裂缝控制能力和拉伸性能.徐世烺等[9-10]将纤维编织网和ECC联合使用,发现对纤维编织网进行浸胶粘砂处理,能够提高纤维编织网与ECC基体的黏结性能;当聚乙烯醇(PVA)纤维体积分数仅提高0.5%时,试件的力学性能、裂缝控制能力明显提高,试件破坏形态也有明显改善.

目前关于TRE基本力学性能的研究成果还偏少,研究参数较单一.因此,在课题组前期研究的基础上,以极限拉应变超过3%的ECC材料作为基体,制备了纤维编织网增强ECC(TRE),研究了纤维编织网的层数及种类、表面浸胶粘砂处理以及PVA纤维体积分数对TRE拉伸和弯曲性能的影响.

1 试验

1.1 原材料

水泥采用徐州中联水泥有限公司提供的42.5R级普通硅酸盐水泥;粉煤灰采用江苏铸本科技发展有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰;石英砂采用包头市富淼环保科技有限公司生产的0.051～0.106mm石英砂;减水剂采用Sika聚羧酸高性能减水剂,减水率30%;增稠剂采用山东赫达股份有限公司生产的增稠剂,主要成分为羟丙甲基纤维素;PVA纤维采用日本Kuraray公司生产的K-Ⅱ可乐纶PVA纤维,其几何及力学参数如表1所示.

表1 PVA纤维的几何及力学参数

纤维编织网分别为表面未经处理的碳纤维-玻璃纤维混编网(C)和玄武岩纤维-玻璃纤维混编网(B).考虑到过多的涂层会减少纤维束和砂浆的接触面积,降低界面的黏结性能[11],因此试验中采用的第3种纤维编织网为：经过环氧树脂浸渍并粘砂处理过的碳纤维-玻璃纤维混编网(C-T,粘砂数量以细砂均匀分布在纤维束上为准[9]).碳纤维-玻璃纤维混编网和玄武岩纤维-玻璃纤维混编网纬向分别为碳纤维束和玄武岩纤维束,径向均为耐碱玻璃纤维束.纬向是增强方向,径向起固定作用,网格间距为10mm,如图1所示.

图1 纤维编织网Fig.1 Textiles

纤维编织网的力学性能见表2.

表2 纤维编织网的力学性能

1.2 试验方案

以纤维编织网层数、种类、表面浸胶粘砂处理及PVA纤维体积分数φPVA为变量,研究TRE拉伸和弯曲性能,试件设计如表3所示.

表3 试件设计

1.3 试件制备

首先按表4所示配合比制备ECC.试件浇筑时先在试模内铺设5mm厚的ECC,然后将纤维编织网按纬向受力原则固定于模具上,最后浇筑5mm厚的ECC保护层(四点弯曲试件的保护层厚度为3mm),双层网试件2层纤维编织网之间的ECC厚度为5mm.养护24h后拆模,标准养护28d后对试件进行切割[12],拉伸试验单层网试件尺寸为400mm×60mm×10mm,双层网试件尺寸为400mm×100mm×15mm.四点弯曲试验单层网试件的尺寸为400mm×100mm×8mm,双层网试件尺寸为400mm×100mm×13mm.

表4 ECC配合比

1.4 测试方法

拉伸试验夹持端的长度为100mm,测量段的长度为200mm,对试件夹持端进行加固处理.为减少试件因荷载偏心出现的应力集中,在钢板上下两侧均设置球铰.采用WDW300试验机进行加载,采用量程为10mm的位移传感器(LVDT)测量拉伸段的变形,采用2T荷载传感器测量荷载,采用IMC动态数据采集仪采集数据,试验加载速率为0.2mm/min.

四点弯曲试验采用100kN的CSS-44100试验机进行加载,加载速率为0.5mm/min.将2T荷载传感器和量程为50mm的位移计连接到GBD3816静态应变测试分析系统上，测量试件的跨中荷载和挠度.图2为四点弯曲试验加载示意图.

图2 四点弯曲试验加载示意图Fig.2 Schematic of four-point test loading(size：mm)

测试结果均取3个试件有效数据的平均值.

2 结果与讨论

2.1 拉伸性能

拉伸试验中试件的破坏模式通常分为3种：夹持段发生破坏;测量段纤维编织网的断裂;测量段纤维编织网的滑移[13].在本试验中：单层网TRE试件的破坏模式主要是测量段纤维编织网断裂破坏；少量试件由于拉伸试验荷载作用方向略偏离中心,出现应力集中现象,试件在夹持段发生破坏；试验使用的碳纤维-玻璃纤维混编网与ECC基体黏结性能良好,未出现纤维编织网滑移破坏现象；双层网TRE试件为加载端钢板与试件剥离破坏.

在拉伸荷载的作用下,TRE试件出现多重开裂模式.试验开始时,试件表面没有裂缝出现,达到开裂应力后,试件出现第1条裂缝;PVA纤维和纵向碳纤维的桥接作用可以改善应力传递,使得试件在拉伸方向的应力分布更加均匀;在达到极限荷载前,微裂缝不断在既有裂缝旁边出现,产生新裂缝;当试件的荷载接近极限荷载时,某一微裂缝逐渐发展为宏观裂缝,伴随着纤维编织网的断裂,试件失效.

表5为TRE试件拉伸性能测试结果.图3为TRE试件拉伸应力-应变曲线.

表5 TRE试件拉伸性能测试结果

图3 TRE试件拉伸应力-应变曲线Fig.3 Tensile stress-strain curves of TRE specimens

由图3(a)和表5可知,随着纤维编织网层数的增加,试件的开裂拉应力和极限拉应力均增加,极限拉应变增大.试件未开裂时,主要由ECC基体受拉.双层网TRE试件较单层网TRE试件开裂应力有较大的提高,但是并未达到单层网TRE试件的2倍.这是由于当试件承受拉伸荷载时,碳纤维束从外到内发生断裂,试件的破坏荷载不等于所有碳纤维束的总和[14],同时双层网TRE试件在进行拉伸试验时,试件的加载端发生端部剥离破坏,纤维编织网没有拉断,利用率低.在开裂阶段,纤维编织网和ECC协同受力,双层网TRE试件的极限变形能力较好.

where Jpis the rotational inertia of the hydraulic pump.

图3(b)为不同纤维编织网种类TRE试件的拉伸应力-应变曲线.由图3(b)和表5可知：玄武岩纤维-玻璃纤维混编网TRE试件的开裂拉应力、开裂拉应变、极限拉应力和极限拉应变均较低.这是由于玄武岩纤维-玻璃纤维混编网与ECC基体的界面黏结性能较低[15],不能够充分发挥玄武岩纤维-玻璃纤维混编网的性能;另外,与碳纤维-玻璃纤维混编网相比,玄武岩纤维-玻璃纤维混编网自身的力学性能略差.

由图3(c)和表5可知：对纤维编织网表面进行浸胶粘砂处理,TRE试件极限拉应变提高较多,但极限抗拉应力略有降低.这是因为在试验过程中,当纤维编织网与ECC基体发生滑移时,可能在一定程度上存在浸渍纤维网单丝被其表面所粘砂粒切断的情况.但是纤维编织网经过浸胶粘砂后,其与基体的黏结锚固性能得以提高,裂缝控制能力得以改善.从图3(c) 还可以看出,与试件T1C-N2.0相比,纤维编则网表面浸胶粘砂处理的试件T1C-Y2.0的拉伸应力-应变曲线更加饱满,出现了应变硬化现象,变形能力得到较大提升.

图3(d)为不同PVA纤维体积分数TRE试件的拉伸应力-应变曲线.由图3(d)和表5可知,随着PVA纤维体积分数从1.0%增至2.0%，试件T1C-N2.0的极限拉应力从4.15MPa增至7.05MPa.PVA纤维在基体内乱向分布,起到了桥接与应力传递作用,抑制了裂缝的发展,随着应力的增加,TRE试件出现多缝开裂现象.且PVA纤维与织物相连,随机穿插、定位在纤维编织网表面及内部丝线之间,为周围的基体提供了更多的连接及锚固机会,改善了纤维编织网与基体的界面性能[16],使纤维编织网的抗拉作用得以更加充分地发挥.当PVA纤维体积分数为2.0%时,TRE试件的拉伸应力-应变曲线发展稳定,拉伸力学性能与变形能力最好.

2.2 弯曲性能

在荷载的作用下,TRE试件展现出优异的弯曲性能和多缝开裂能力.与拉伸试件一样,试验开始后,随着荷载的增加,试件产生微小变形,达到开裂荷载后,产生第1条裂缝,随着荷载继续增加,试件产生多条细而密的裂缝,直到荷载到达峰值荷载,试件失效.图4为TRE试件典型破坏形态.图5为TRE试件弯曲荷载-挠度曲线.表6为TRE试件弯曲性能测试结果.

表6 TRE试件弯曲性能测试结果

图4 TRE试件典型破坏形态Fig.4 Typical failure mode of TRE specimen

图5 TRE试件弯曲荷载-挠度曲线Fig.5 Bending load-deflection curves of TRE specimens

由图5(a)和表6可知：在单层网TRE试件刚开始加载时,弯曲荷载-挠度曲线呈线性；随着荷载达到初裂值,第1条裂缝出现,荷载经过多次降低又继续增大后达到峰值荷载,试件破坏失效；随着纤维编织网层数的增加,试件的极限弯曲荷载从0.73kN增至1.62kN，且刚度变大,极限挠度变小,变形能力降低.

由不同纤维编织网种类TRE试件的弯曲荷载-挠度曲线(图5(b))可知,与碳纤维-玻璃纤维混编网TRE试件相比,玄武岩纤维-玻璃纤维混编网TRE试件的极限弯曲荷载和挠度均较小.这是由于玄武岩纤维-玻璃纤维混编网与ECC基体的界面黏结性能较差,协同受力能力降低,并且玄武岩纤维-玻璃纤维混编网本身的力学性能也低于碳纤维-玻璃纤维混编网.这与拉伸试验的结果一致.

由图5(d)和表6可知,随着PVA纤维体积分数的增加,试件的开裂荷载增至0.21kN，极限弯曲荷载增至0.73kN,韧性也提高.当PVA纤维体积分数为1.0%时,试件的弯曲性能最差,当PVA纤维体积分数增加到2.0%后,纤维的桥接与应力传递作用增强,抑制了裂缝的发展,同时纤维编织网与ECC基体的界面黏结性能改善,试件的承载力提高,弯曲性能得到改善.

3 结论

(1)与单层网TRE试件相比,双层网TRE试件的承载能力更高,极限拉应变更大,但极限挠度较小.

(2)与玄武岩纤维-玻璃纤维混编网TRE试件相比,碳纤维-玻璃纤维混编网TRE试件的极限拉应力和极限弯曲荷载更高,极限拉应变和极限挠度更大.总体而言,碳纤维-玻璃纤维混编网TRE试件拉伸和弯曲性能更好.

(3)将碳纤维-玻璃纤维混编网表面进行浸胶粘砂处理后,ECC基体与纤维编织网的界面黏结性能提高,TRE试件极限拉应变和极限挠度增加.

(4)随着PVA纤维体积分数的增加,TRE试件的力学性能得到了改善.PVA纤维起到了桥接与应力传递作用,抑制了裂缝的发展,同时也改善了纤维编织网与ECC基体的界面黏结性能,试件极限拉应力和极限弯曲荷载变大,极限拉应变和极限挠度提高.