玄武岩纤维织物增强砂浆薄板抗弯性能试验研究

陈军锋，刘孙文，周 哲，赵 超，陈 渊

(1.中交路桥华南工程有限公司，广东 中山 528400； 2.中交路桥建设有限公司，北京 101107)

0 前 言

纤维织物增强砂浆(TRM)以水泥砂浆为基体，在基体内铺设纤维编织网而成的一种复合材料[1]。由于该复合材料具有质量轻[2]，厚度薄，耐久性好等特点，已开始应用于薄壁轻质的结构、预制免拆除模板、预制夹芯板和混凝土结构修复及增强加固中[3-5]。

在砂浆薄板中嵌入碳纤维编织网和玻璃纤维编织网后，可较大提高薄板的抗弯性能[6-7]。但碳纤维织物价格较高，将显著增加工程造价，难以大规模地推广应用。玻璃纤维虽然价格较低，但纤维织物的弹性模量和抗拉强度较低，且容易受到砂浆或混凝土中碱的腐蚀，造成薄板承载力降低。

玄武岩纤维是一种以矿石为原料，经高温、快速拉制而成的一种无机纤维，具有良好的强度、耐久性、耐高温及耐酸碱性能，且生产成本明显低于碳纤维、钢纤维等[8]。因此，以玄武岩纤维织物增强砂浆制备的工程结构及加固用薄板有望获得良好的工程力学性、耐久性及经济性。本文将设计制备不同纤维织物层数的水泥砂浆薄板，测试其抗弯性能及破坏模式，为其工程推广应用提供依据。

1 试件设计与试验方法

1.1 试件设计

玄武岩纤维织物增强砂浆薄板试件采用铺网-注浆法制作，砂浆薄板的配合比见表1。试验采用玄武岩织物的网格孔径为10 mm × 10 mm，材料基本参数见表2。试件制作时先将纤维编织网绷紧并均匀布置在模具内，将设计配比的水泥砂浆拌合物均匀倒入于模具中，经振捣、抹平制备得到。将制备的试件经室温养护24 h后拆模，再进行标准养护7 d，自然洒水养护21 d，得到试验用纤维织物增强砂浆薄板。

表1 玄武岩纤维织物增强砂浆配合比 单位：kg/m3

表2 玄武岩纤维织物的材料参数

设计试件尺寸(长×宽×高)均为280 mm×50 mm×12 mm，薄板设计3种型号，分别嵌入1～3层玄武岩纤维编织网，编号分别为BL1、BL2、BL3，如1所示。试验中以上每种型号薄板分别制作3块。

图1 玄武岩纤维织物增强砂浆薄板设计

1.2 试验方法

试件养护完成后，采用四点弯曲试验测试玄武岩纤维织物增强砂浆薄板抗弯性能，4个加载点从左至右依次为20、100、180、260 mm处，加载示意图如图2所示。加载由位移控制，速率0.5 mm/min，当荷载过峰值后出现明显的下降或者下降至峰值荷载的75%时，停止加载。

图2 薄板四点弯曲加载示意图

2 玄武岩纤维织物增强砂浆薄板抗弯试验分析

2.1 试验结果

通过四点弯曲试验，分别测试不同组TRM薄板弯曲过程中的开裂荷载、开裂挠度、极限荷载和极限挠度，测试结果见表3。

表3 TRM薄板四点弯曲试验结果

2.2 抗弯承载力分析

由试验结果可知，未采用玄武岩织物增韧的砂浆薄板BL0表现为明显的脆性破坏；嵌入玄武岩纤维织物后，薄板的延性显著增强。试件BL1、BL2并没有显著增加薄板的极限抗弯强度，主要原因是受玄武岩织物设置位置影响。BL1薄板纤维织物嵌入为薄板的中部，薄板破坏时，纤维与砂浆基体出现局部剥离，玄武岩织物的抗拉强度并没有有效发挥，其抗弯极限强度出现了降低现象。因此，玄武岩织物增韧的砂浆薄板抗弯承载性能主要受纤维织物分布位置及层数的影响。BL3薄板采用了3层玄武岩织物，薄板的抗裂性、抗弯承载能力及延性都得到显著提升，抗弯承载力平均值较未采用玄武岩织物增强的砂浆薄板提高了56.4%，极限荷载挠度则提高了195.8%。

2.3 弯曲变形分析

为进一步分析玄武岩纤维织物增强砂浆薄板破坏模式，试验中测试了薄板弯曲过程中的荷载-跨中挠度曲线，如图3所示。由图3可知，薄板弯曲过程中，荷载-跨中挠度曲线主要呈现出三个阶段。

图3 TRM薄板荷载-挠度曲线

第一阶段为正常受弯工作阶段，在TRM试件加载初期，试件处于弹性阶段，编织网和基体混凝土共同工作，试件的荷载随挠度的增加而增大，挠度-荷载曲线基本呈线性关系。随着编织网层数增加到2层，TRM试件在开裂前荷载-挠度曲线的斜率变化不明显，但当编织网层数增加到3层时，TRM试件在开裂前荷载-挠度曲线的斜率变大。这说明布设3层纤维编织网提高了TRM试件的抗弯刚度。

第二阶段为开裂工作阶段，随着加载位移的增加，薄板底部受拉区形成第一条裂缝时，荷载突降，随后位移继续增加，经过若干次荷载突降然后继续增大的过程，荷载逐渐达到峰值。这是由于纤维网格的存在，基体混凝土填充于网格内与纤维束固结在一起形成良好的整体，纤维编织网与基体混凝土间的锚固作用使板材达到极限荷载后不会立即发生脆断，而是保持了比较好的整体性，随着纤维束逐渐被拔出，荷载-挠度曲线呈先增长后降低逐次下降趋势。随着玄武岩纤维编织网布设层数的增加，这种特性更加明显，这说明纤维编织网显著增加了TRM薄板的延性，且布设3层纤维编织网时其延性较好。

第三阶段为破坏阶段，随着加载位移的增加，荷载急剧降低，TRM薄板失去了其抗弯承载力。主要原因是纯弯段的基体材料裂缝加剧，内置纤维织物部分被拉断，最终破坏。

2.4 弯曲破坏特征分析

随着加载位移的增加，裂缝首先出现在纯弯段，随着荷载的进一步增大，裂缝宽度逐渐增大，纯弯段的裂缝向两个加载点扩展，在两个加载点外部也会出现若干条数的裂缝；裂缝的扩展方向并非完全垂直于试件轴向沿直线型发展，而是出现了平行于试件轴向的裂缝分量，表现为裂缝扩展路径弯弯曲曲，这说明编织网对裂缝的扩展起到了较好的约束作用。同时，裂纹扩展速度降低，说明试件韧性得到显著提高。当试件接近最终破坏段时，荷载下降速度较快，破坏形成一条贯通裂纹，直至试件破坏。试件在靠近两个加载点附近的纯弯段出现裂缝，但裂缝数量很少，只有一条主裂缝，均表现出一条较大主裂缝拌有较少衍生裂缝的特征，图4为TRM薄板弯曲破坏后的裂纹形态。

(a)TRM弯曲裂纹扩展

(b)TRM贯穿式裂缝图4 TRM薄板弯曲破坏后的裂纹形态

3 结 论

1)玄武岩纤维编织物的使用可以增加TRM薄板的抗弯承载力和延性，同时，玄武岩织物增韧的砂浆薄板抗弯承载性能主要受纤维织物分布位置及层数的影响。采用了3层玄武岩织物增强的砂浆薄板抗弯承载力平均值较未增强的砂浆薄板提高了56.4%，极限荷载挠度则提高了195.8%。

2)玄武岩纤维织物增强砂浆薄板弯曲过程中，呈现出三个典型阶段：正常受弯工作阶段、开裂工作阶段及破坏阶段，破坏时有明显的变形征兆。编织网的布设将增加TRM试件的抗弯刚度，布设3层纤维编织物时对TRM薄板的抗弯刚度提升最明显。

3)当编织网为3层时较编织网为1层或2层TRM试件抗弯承载力高、抗裂性较好，表现出多缝开裂的特征，且裂缝大多出现在纯弯段。编织网对裂缝的扩展起到了较好的约束作用，试件韧性得到显著提高。

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