纤维聚合物在水利工程结构加固中的应用研究

毛景晖

(广东华迪工程管理有限公司，广东 广州 510600)

0 引言

近年来兴起的纺织增强混凝土，又称纺织增强复合材料，为开发轻质和定制结构提供了机会[1]，由天然纤维制成的纺织品在工程应用方面获得了很大的关注[2]。在各种基于植物的天然纤维中，亚麻纺织品已被证明在纺织增强混凝土的结构应用中具有潜在的适用性[3]。然而，作为纤维素纤维，亚麻纤维在水泥基体中对碱性环境的抗降解能力较低。为了保护亚麻纤维不受混凝土中碱性环境的影响，有必要在纺织品上涂抹聚合物，因此在应用于混凝土之前，应将亚麻织物制作成亚麻纤维增强聚合物(FFRPs)。使用FFRP而不是直接使用亚麻织物作为混凝土的加固物的进一步原因有两方面：将纤维捆绑在一起，减少纤维的分散性，提高加固效率；提高加固的刚度和尺寸稳定性。

应用于纺织增强混凝土的FRP通常是开放式网格结构，以确保水泥基质通过开口良好渗透[4]。应用相对较小的开口尺寸，或所谓的网眼尺寸(通常在10mm以下)是比较好的，该尺寸的纺织品更稳定，更容易处理。但是，较密的纺织品结构会导致较低的基质渗透率，导致FRP和基质之间的粘合性能不佳。许多研究人员已经报道了纺织增强混凝土在拉伸载荷下的界面脱粘失败[5]。为保持新混凝土的良好工作性和FRP与混凝土之间的充分粘合，在纺织增强混凝土结构的基体中应使用高含量的粘合剂，通常为整个混合物体积的40%～50%。同时，最大的骨料尺寸应在2mm以下。然而，细粒混凝土最大的问题之一是低骨料含量和高细颗粒含量造成的高收缩值。在文献中，没有研究过增加集料尺寸对FRP和混凝土之间的粘结性能、拉伸性能或弯曲性能的影响[6-7]。

因此，本研究采用了较大网孔尺寸的FFRP，研究加固网孔大小和基体中添加中等再生骨料对纺织增强混凝土的拉伸和弯曲性能的影响及破坏机制。

1 材料和方法

1.1 材料

两种亚麻网状织物(即网目尺寸为14mm和28mm)，织物内纬纱和经纱在两个正交方向上与第三根线粘合在一起。然后用德国卡塞尔的Gurit公司生产的双组分环氧树脂AMPREGTM对织物进行浸渍，就可以手工铺设工艺制造FFR。FFRP网格的网目尺寸分别为12mm和26mm，所有批次的FFRP的纤维体积分数在25%到27%之间。为了确定单个FFRP棒的拉伸性能，对从大网目尺寸(FL)和小网目尺寸(FS)的FFRP网格上切割下来的棒(在加固方向)进行了拉伸试验。根据ASTM D3039标准，设置了150mm的测量长度和2mm/min的测试速度。结果显示，FL杆的拉伸强度和杨氏模量分别为103.3(±14%)MPa和8.9(±13%)GPa，FS杆的拉伸强度和杨氏模量分别为133.7(±17%)MPa和10.3(±12%)GPa。

在研究中，制造了两种不同的混凝土基质。除了传统的细粒混凝土(所谓的砂浆类型)，再生骨料的范围从2mm到10mm的RAC被用作纺织增强混凝土结构的基体。这些再生骨料是回收的混凝土骨料，从建筑和拆除废物中回收并交由本地工厂加工。表1展示了与相同粒径的天然骨料(NAs)相比，再生骨料的烘箱干燥密度和吸水率。本研究中使用的粘合剂是普通波特兰水泥CEM I 42.5N。

表1 RA和NA的物理特性

1.2 混凝土混合比例和样品制作程序

混凝土的混合比例见表2。考虑到再生骨料相对较高的吸水率，添加额外的水以保持两个不同基体组之间相似的工作性能。根据再生骨料的吸水率和含水率，确定了3.7%的再生骨料附加水(重量)。

表2 混凝土配合比

在浇筑混凝土之前，FFRP网格被放置在涂油的木模中。厚度为5mm的小砂浆块被用来作为支撑物，以保持FFRP在基体中的垂直位置。对砂浆和RAC采用了不同的混合程序。普通的混合方法用于制备砂浆糊，其中沙子、水泥、水和超塑化剂被混合120s。为了获得更高的RAC质量，在制备RAC浆料时参考了两阶段混合方法。首先将再生骨料、沙子和额外的水混合60s，然后再加入水泥，再混合60s。最后，加入其余的水和超塑化剂，混合180s。在混凝土浇注后，用振动器摇动模具，所有的样品都用塑料薄膜覆盖。混凝土浇注两天后，样品脱模并在室温下浸没水中储存28天。砂浆和RAC在28天时的抗压强度分别为25.0(±9%)MPa和35.6(±11%)MPa。砂浆和RAC在28天时的弹性模量分别为20.2(±10%)GPa和21.8(±12%)GPa。

1.3 测试设置

差示扫描量热法(DSC)在TA仪器Q200上进行，使用铝制样品盘，以评估复合材料中PLA的结晶程度。玻璃转化温度(Tg)、冷结晶和熔化温度(Tm)也被确定。用刀片将聚乳酸粉碎，从复合板的表面划过。重量在5到10毫克之间的粉末状样品被装入一个不锈钢高容量DSC锅中并密封。五个样品被测试，在氮气环境下以1℃/min的速度在25℃和200℃之间加热。为了更好地了解材料的转变，其中两个样品还以同样的速度进行了冷却测试。

混凝土压缩试验的式样尺寸为150mm×150mm×150mm，对于每一配合比，均有6个立方体试块按照加载速率为1MPa/s进行测试。单轴拉伸试验的试样尺寸为500mm×100mm×15mm，参考RILEM制定的232-DT标准[18]长宽比应至少为5∶1，厚度应大于6mm，并在每个纺织增强混凝土样品的中间层放置一层FFRP钢筋。FL-Mortar、FS-Mortar、FL-RAC和FS-RAC样品在加载方向(纵向)的加固率分别为1.3%、2.0%、1.2%和1.1%。加强率是以加载方向的FFRP棒与整个纺织增强混凝土样品之间的横截面比率计算的。测试设置参考了RILEM技术委员会232-DT规程，其中测量长度被设定为340mm，测试速度被设定为0.5mm/min。

用于四点弯曲试验的试样尺寸为500mm×100mm×25mm，每个试样都用单层的FFRP加固。为了保持拉伸区的加固，并考虑到FFRP的厚度，因此在FFRP和纺织增强混凝土底部之间增加6mm。FL-Mortar、FS-Mortar、FL-RAC和FS-RAC试样纵向的加固率分别为0.9%、1.5%、1.0%和0.8%。参照BS EN 1170-5[19]跨度和中跨分别设定为450mm和150mm，测试速度为1mm/min，安装线性可变差分变压传感器(LVDT)来测量变形。

2 试验结果和分析

2.1 亚麻纤维的DSC热图与加热速率

结晶度的百分比与半结晶聚合物表现出的许多关键特性直接相关，包括脆性、韧性、刚度或模量、光学清晰度等。为了计算聚乳酸的结晶度百分比，并将其与后来测量的机械性能联系起来，DSC研究在25～220℃的温度范围和可变的加热速率下进行。所有样品的玻璃转化温度(Tg)(单位：℃)、熔化温度(Tm)、冷结晶温度(Tcc)以及熔化热(Hm)(单位：J/kg)和结晶热(Hc)都被测定。然后利用以下关系计算结晶度

(1)

其中ΔHm和ΔHc分别是通过对熔化和结晶过程中相应的内热和外热峰的积分得到的，ΔHm%是完全结晶的亚麻纤维样品的熔化焓。在放热转变之后，只有一小部分未知的无定形材料被结晶。本实验从复合材料中获得的亚麻纤维的DSC热图与加热速率的关系如图2所示。

图2 加热速率对亚麻纤维的DSC曲线的影响

2.2 单轴拉伸性能

从单轴拉伸试验中得到的应力-应变关系如图3所示。在施加拉伸荷载之后，可以观察到在FS-Mortar样品中，砂浆和FFRP之间出现了脱粘现象。这种现象也发生在FS-RAC组，但RAC的剥落只限于小范围内。与FS-Mortar相比，FS-RAC的基体层和FFRP钢筋之间的粘结性能趋于改善。破坏模式显示出中层再生骨料和FS网格中的开口之间相互咬合。这表明由于RA的粒径接近于FS的网目尺寸，再生骨料可以卡在网格的开口处，很大程度上防止了再生骨料混凝土的剥落。就FL-Mortar和FL-RAC而言，这两组样品都是在FFRP中出现断裂，没有观察到脱粘现象。

图3 拉伸荷载下的应力-应变反应

从图3可以清楚地看到，与砂浆组相比，RAC组的抗拉强度有所下降，FL和FS分别下降了21%和30%。砂浆组和RAC组之间的应力差异发生在第一条裂缝之后。根据Aveston-Cooper-Kelly理论，加固的砂浆在第一条裂缝发生时达到了更高的应力，而第一条裂缝应力主要取决于基体的拉伸性能[20]。正如RAC和砂浆的压缩试验表明，RAC的弹性模量略高于砂浆的。这会导致较低的第一裂缝应力并进一步导致RAC组的抗拉强度降低。在同一基体组中，FL钢筋混凝土结构的抗拉强度略高于FS钢筋混凝土结构，砂浆和RAC分别高出10%和24%。一方面，该现象可以用失效模式来解释，FS钢筋混凝土样品的脱粘会限制结构的强度能力。另一方面，FS网格的抗拉强度比FL网格的抗拉强度低56%，这是由500mm×100mm的FFRP网格的拉伸试验所验证的。

2.3 弯曲性能

图4显示了弯曲应力和跨中挠度之间的关系。所有组别样品的破坏模式都是挠曲破坏，以FFRP断裂结束。FS-Mortar组在拉伸区遭受了由弯曲裂缝引起的严重的界面脱粘。界面脱粘也发生在其中一个FS-RAC样品中，但只有一小块RAC从FFRP上脱落。其原因可能与单轴拉伸试验中的原因相同，即FS和再生骨料的开口之间的互锁效应。此外，在其中一个FL-RAC样品上也出现了压缩区的混凝土破碎，但只是在一个小范围内，大约2厘米宽。

图4 四点弯曲载荷下的应力-挠度关系

在弯曲强度方面，四个组之间没有相当大的差异。更值得注意的是FS-RAC组，它的弯曲强度比FS-Mortar组高9%，比FL-RAC组高16%。一方面，由于RA和FS网格之间的互锁效应，从失效模式可以看出，FS-RAC中的界面结合得到了改善，因此可以更充分地利用张力区。另一方面，与砂浆相比，RAC的抗压强度较高，有助于提高FS-RAC的抗弯强度。

3 结论

为提高天然亚麻纤维增强聚合物加固水工结构加固效果，本文通过实验分析FFRP钢筋网孔大小和混凝土骨料大小对FFRP钢筋混凝土的拉伸和弯曲性能的影响，得到以下结论。

(1)骨料和FS网格中的开口尺寸接近，骨料很容易被卡在网格的开口处。网适当尺寸的骨料可防止混凝土基体和小网孔尺寸的FFRP之间的界面脱粘。

(2)基体中加入中等的再生骨料导致FFRP加固的RAC的抗拉强度比FFRP加固的砂浆低，用FS加固混凝土(砂浆/RAC)对抗拉强度有负面影响。

(3)网目尺寸较大的FFRP加固混凝土(砂浆/RAC)的效果更好，建议在结构加固过程中使用较大的网目。

(4)由于实验测试中的指标数量有限，结论需通过更全面的指标进一步分析。