玻璃纤维织物增强混凝土薄板力学性能试验研究.pdf

7 2 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 8卷第 4期 2 0 1 2年 8月 正交碳 玻璃纤维织物增强混凝土薄板力学 性能试验研究 潘永灿 ( 1 盐城工学院土木工程学院， 江苏 盐城2 2 4 0 0 3 ； 2 东南大学土木工程学院， 江苏 南京2 1 0 0 9 6 ) 摘要： 结合课题 ， 研究了正交碳 玻璃纤维织物增强混凝土薄板的三点抗折受力性能。试验表明， 用纤维织物增 强混凝土薄板 ， 具有较高的极限承载力， 薄板的裂缝宽度减小， 挠度增大， 且具有 良好的变形性能。对纤维织物浸 胶后 ， 会明显改善纤维织物与混凝土之间的界面粘结性能。并根据试验结果 ， 分析了纤维织物增强混凝土的弹性 性能。 关键词： 纤维织物； 混凝土； 抗折性能； 界面粘结； 弹性性能 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标 识码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 4- 0 7 2- 0 3 Ex p e r i me n t a l r e s e a r c h o n me c ha n i c a l pe r f o r ma n c e o f o r t h o g o n a l c a r b o n g l a s s fib e r t e x t i l e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h e e t P AN Yo n g c a n ( 1 D e p a r t m e n t o f C o n s t r u c t i o n E n g i n e e ri n g o f Y a n c h e n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， Y a n c h e n g 2 2 4 0 0 3 ， C hi n a ； 2 C i vi l E n g i n e e ri n g I n s t i t u t e o f S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 6 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： C o m b i n i n g t h e s u b j e c t ， t h i s a r t i c l e c a r r i e s o u t thr e e p o i n t r e s i s t a n c e fl e x u r e p e r f o r m a n c e r e s e a r c h o n o rt h o g o n a l c a r b o n g l a s s fi b e r t e x t i l e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h e e t T h e r e s u l t s o f the e x peri me n t s i n d i c a t e tha t t h e fi b e r t e x t i l e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h e e t h as h i g h e r r e s i s t a n c e fl e x u r e p e rfo rm a n c e a n d bet t e r d e f o r ma t i o n p e rf o rm a n c e T h e s h e e t h a s s ma l l e r c r a c k w i d t h a n d l a r g e r d e fl e c t i o n I mp r e g n a t e d t h e fi be r t e x t i l e wi l l i mp r o v e b o n d b e h a v i o r Ba s e d o n the e x p e rime n t r e s ult s ，a n a l y rs e s t h e t h e o r y o f e l a s t i c p r o p e r t i e s bet w e e n fi b e r t e x t i l e a n d c o n c r e t e Ke y wo r d s ： fi b e r t e x t i l e ； c o n c r e t e ； t h r e e p o i n t r e s i s t a n c e fl e x u r e pe rf o r manc e； b o n d b e h a vio r ； e l ast i c p r o p e r t i e s 0 引 言 纤维增强混凝土复合材料的纤维结构形式主要 为短纤维 、 单向纤维和纤维织物三种类型 ， 目前土木 工程中使用较多的是短纤维增强混凝土复合材料。 短纤维增强混凝土复合材料的优点是克服了普通混 凝土抗拉强度低、 抗冲击性能差及延性差等缺点 ， 但 也存在承载方向不明确、 难以代替钢筋承担某个明 确方向上的荷载作用且整体受力性能不强等缺 陷。因此， 为改进复合材料的整体力学性能， 提 高复合材料的刚度， 与纺织技术相结合 的纤维织物 增强混凝土也就应运而生了。近年来， 欧美部分国 家成立 的织物增强混凝土协会， 标 志着织物增强混 凝土领域的存在和开始， 其中织物增强混凝土薄板 收稿 日期 ： 2 0 1 1 -0 3 1 4 作者简介： 潘永灿( 1 9 7 3 一) ， 男， 江苏建湖人， 副教授 ， 一级注册结构 师 ， 一级 注册建造师 ， 研究方向为高性能结构材料 。 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 0 3 7 8 0 1 8 ) Ema i l ： p a n y o n g c a n y a h o o t o m c r l 的研究是该领域 中重要方面之一 。本 文结合课 题 ， 对正交碳 玻璃纤维织物增强混凝土薄板力学性 能作了初步研究。 1 原材料与试 件制作 1 1 原材 料 试验原材料为： 江苏京阳水泥厂生产的 PII 5 2 5 级硅酸盐水泥； 江苏沭阳洁净中砂： 细度模数 2 8 0 ； 中国航天科技集团公司生产的纤维织物 ： 经 向 为碳纤维 ， 纬向为耐碱玻璃纤维 ； 江苏博特新材料有 限公司生产 的高效减水剂 J M- P C A， 缓凝剂 R Y； 盐 城热电厂产的 I级粉煤灰 ； 自来水 。试验 采用 的混 凝土配合比见表 1 ， 浸渍环氧树脂后纤维织物主要 参数见表 2 。 表 1 混凝土配合比 T a b l e 1 M i x e d r a t i o o f c o n c r e t e i n e x p e r i me n t ( k g m3 ) 潘永灿： 正交碳 玻璃纤维织物增强混凝土薄板力学性能试验研究 7 3 表 2 浸胶后纤维织物 的主 要参数 Ta b l e 2 M a i n p a r a me t e r s o f fib e r t e x t i l e i n e x p e r i me n t 1 2 试件制作 纤维织物经过浸胶处理 ， 表面具有亲水性 ， 与水 泥基体有良好的亲 和力和较高的粘着力 ， 试验时参 照钢丝网水泥制作工艺 ， 采用铺网一 注浆法 ， 将一定 数量和规格的纤维织物 网格 配置在混凝土 中。首 先， 通过张拉试验台对纤维织物两端进行张拉 ， 再在 试验台座上浇筑配制好的混凝土， 最后， 将其切割成 所需要尺寸的试件 。为测试纤维织物对混凝土薄板 三点抗折强度和界 面粘结性能的影 响， 按表 1中混 凝土配合比制作三块厚度为1 0 m m的薄板试件 B 1 ， B 2和 B 3作对比试验。 构件 B 1 ： 铺设不浸胶正交碳 玻璃纤维织物 ， 格 栅宽度为2 0 n T t n x 2 0 m il l ； 构件 B 2 ： 铺设不浸胶正交 碳 玻璃纤维织物 ， 格栅宽度为 1 0 m m x 1 0 m m； 构 件 B 3 ： 铺设浸渍环氧树脂后的正交碳 玻璃纤维织 物， 格栅宽度为 1 0 IT Lr n X 1 0 m il l 。三块薄板制作完 成后 ， 均在室温下放置一昼夜后拆模。拆模编号后 ， 立即放人温度为 2 0 3 、 相对湿度 为 9 0 以上 的标准养护室中养护 2 8 d ， 将其切割成 2 4 0 m m x 6 0 n l m X 1 0 m m的试件 ， 每组各 3件。 2 试 验结 果与讨论 2 1 试验过程 薄板试件制作完成后 ， 对试件进行三点抗折试 验， 试验在液压传动的弯折试验机上进行。该试验 的主要参数是： 试件净跨度2 0 0 m m； 加载点距支座 1 0 0 m m； 加载速度 2 m m mi n 。 2 2试验结果 试验得到 的三组试件的极 限荷载、 最大挠度和 最大裂缝宽度见表 3 。 表3 纤维织物增强混凝土薄板三点抗折试验结果 Ta b l e 3 Ex pe r i m e n t r e s u l t s o f t h r e e p o i n t r e s i s t a n c e fle x u re pe r f o r manc e o n or t ho go na l c a r bo n g l a s s fib e r t e x t i l e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h e e t 试件 组别 极 载 最 度 最大 宽度 B1 B 2 B 3 9 6 4 8 7 6 9 1 3 l 1 O 5 l 1 2 7 1 0 6 4 1 2 1 8 l 1 6 5 1 1 8 0 0 4 O 4 O 5 O 3 O 5 O 3 O 2 O 4 O 3 2 3试 验分 析 2 3 1 薄板试件的极 限承栽力分析 对比试件 B l和 B 2试验结果可知 ， 随着纤维织 物体积含量的增大， 薄板所能承受的三点抗折极限 荷载明显提高。其主要原因是： 一方面是由于在复 合材料刚度和强度较弱的方向铺设了正交碳 玻璃 纤维织物， 从整体上提高 了混凝土的弹性性能； 另一 方面是由于正交碳 玻璃纤维织物与混凝土之间存 在的相互作用力对混凝土也有一定的增强作用， 其 相互作用力主要包括纤维织物界面与混凝土的摩擦 作用、 织物上的孔眼对混凝土中的颗粒的“ 锁定 ” 作 用等。通过网眼与混凝土颗粒之间相互嵌挤可使面 层与基层形成受力整体 ， 从而使应力均匀分布在较 大的面积范围内， 提高了薄板试件极限承载力3 】 。 假定纤维连续均匀平行排列 ， 并与受力方 向一 致； 纤维织物与混凝土基体粘结完好， 二者之间无相 对滑动 ； 纤维织物与混凝土基体均呈弹性变形 ， 并且 横 向变形系数相等， 当外力沿连续纤维方 向时， 根据 复合材料理论可求得复合材料整体所受应力 ： = + f m V = + ( 1一 蜥) ( 1 ) 其中： 分别为单位体积纤维织物和混凝土基体 所受应力； ， 分别为纤维织物和混凝土基体体积 含量。 由于混凝土 的抗拉强度很低 ， 而纤维织物 的抗 拉强度很高， 所以随着纤维体积含量的增加， 试件所 能承受的极限荷载会有较大幅度提高。当然最佳体 积含量还应考虑薄板混凝土的抗压承载力， 使纤维 织物的受拉破坏发生在混凝土的受压破坏之前 ， 避 免发生脆性破坏 。 2 3 2 纤维织物与基体界面粘结性能分析 假定纤维织物混凝土薄板的变形符合平截面假 定 ， 纤维织物在破坏时达到了极限强度 ， 不考虑混凝 土的抗拉强度， 据此可求得所加极限荷载 P的理论 值 ： ， 4 T 、 4 帆 A 。一 ， T 式中M 纤维织物增强混凝 土薄板极 限抗 弯 承载力； 厂 T A 纤维织物的抗拉极限强度 ； 薄板截面的有效高度； 。 ,f o 混凝土的强度系数和轴心抗压强度 ； 6 薄板的截面宽度 ； 一 薄板的净跨度。 将各数据代人( 2 ) 式， 可求得薄板所能承受极 限荷载的理论值， 并与实测荷载的平均值相比较， 得 到实测荷载与理论荷载的比值仅约为6 5 ， 说明纤 维织物在未完全达到抗拉强度的情况下 ， 整个构件 已经发生破坏。从试件 的破坏情况看 ， 破坏 的原 因 就是界面粘结失效 ， 导致纤维织物与混凝土基体之 弛 ；。 7 4 四川建筑科学研究 第 3 8卷 间发生相对滑移 ， 使得纤维织物 的增强作用得不到 充分的发挥 ， 影响薄板的承载能力。 从纤维织物对混凝 土的增强机理来说 ， 混凝土 硬化后 ， 纤维织物与混凝土之 间产生 了较好 的粘结 能力。这种粘结能力可通过 以下几个途径得到 ： 纤 维织物表面与混凝土通过摩擦传递力的作用； 混凝 土基体对纤维织物 的被动阻抗作用 ； 纤维织物上 网 格对混凝土基体中颗粒的阻裂作用； 纤维织物所形 成的波纹对提高界面粘结性能也有积极的作用 。 试件 B 3的极限承载力高于试件 B 2 ， 主要是由于缝 编纤维织物的有机线凸在纤维粗纱外面 ， 因浸胶使 之和纤维粗纱连成一体， 增加了界面的机械咬合作 用 ， 同时也使 内外层纤维受力 比较均匀。 2 3 3 纤维织物对薄板裂缝宽度的影响 试验结果表明 ， 纤维织物增强混凝土薄板试件 从刚开始受力到最终破坏 ， 出现裂缝数量较多 ， 裂缝 间距较均匀 ， 但最终破坏时裂缝宽 度较 小， 不超过 0 5 mm。这主要是由于纤维织物的直径较小 ， 纤维 格栅间距较密而产生的有利影响。当然 ， 若承载力 要求较高 ， 往往会出现不能 同时满足裂缝宽度或变 形限值的情况 ， 这时增大截面尺寸或增加纤维用量 ， 显然是不经济也是不合理 的。对此 ， 有效 的措施是 对纤维织物施加预应力。 2 3 4 纤维织物增强混凝土的弹性性能分析 从试验结果知道， 试件在发生破坏时， 裂缝宽度 较小， 而其挠度变形却很大， 达到 1 2 m m左右， 约为 跨度的 1 1 7 。在其他条件一定 的情况下 ， 构件的挠 度主要与材料的弹性性能有关 。 对于正交纤维织物 ， 由于纤维织物中的经向纤 维束与纬向纤维束纵横交错正交形成波纹状 ， 引起 复合材料在织物面内和面外的耦合变形， 从而对复 合材料的宏观性能产生了重要影响。朱颐龄就纤维 织物复合材料中纤维弯曲对性能的影响问题进行了 分析， 得出了横向纤维弯曲不会引起织物复合材料 弹性性能显著下 降的结论。因此为简化起见， 忽略 纤维束弯曲的影响， 并考虑混凝土为线性材料来分 析平面正交纤维织物增强混凝土的弹性性能。编织 纤维织物截面示意如图 1 所示 。 经向纤维束( 向) 图 1 编织纤维格栅截面示意 Fi g 1 S e c t i o n f o r o r t h o g o n a l c a r b o n g l a s s fi b e r g r i d - 根据有效应力平均值计算公式及混合律公式 可推导出正交纤维织物增强混凝土在 ， Y方 向弹性 模量的计算公式 ： E =E h ( + L )+E T I ( + T )=E L V L + + ， V T w + ( 4 ) 其中： E ， E ， E 分别为玻璃纤维 、 碳纤维和混凝 土 基体的弹性模量 ； ， ， 分别为织物纬 向、 经 向 纤维束和混凝土基体的体积百分含量， 且 + + V m=1 ； ， 分别为纬、 经向混凝土基体的体积含 量 。 由于纬向玻璃纤维的弹性模量较低 ， 同时薄板 的厚度较小， 截面惯性矩小， 所以薄板在破坏时挠度 变形很大， 延性很好 。 3 试验结论 通过对正交碳 玻璃纤维织物增强混凝土薄板 力学性能试验分析 ， 得出以下几点结论 ： 1 ) 配置正交碳 玻璃纤维织物的混凝土薄板三 点抗折极限承载力高， 并随着纤维体积含量的增大 而提高； 2 ) 要避免发生纤维织物与混凝土基体界面之 间的粘结破坏 ， 用环氧树脂浸渍纤维织物能提高界 面的粘结力 ； 3 ) 纤维织物的直 径小、 纤维格栅 间距密 ， 能减 小试件的裂缝宽度 ， 增强结构的耐久性 ； 4 ) 采用正交碳 玻璃纤维织物增强的混凝土薄 板发生破坏时， 挠度变形很大 ， 具有较好的延性 ； 5 ) 需对纤维织物增强混凝土的施工工艺、 界面 粘结性能和耐久性能等方面进行更多的理论和试验 研究 ， 使其可 以更广泛的应用。 参 考 文 献： 1 姚立宁 高性能纤维混凝土织物增强混凝土应用研究 J 广 东工业大学学报 ， 1 9 9 9 ( 4 )： 1 7 - 2 1 2 X u n Y o n g ， S u n We i ， R e i n h a r d t H w， K r u e g e r M S u l f o a l u m i n a t e c e me n t o f Ch i n a f o r p r e s t r e s s e d t e x t i l e rei n f o r c e d c o n c r e t e i n Ge r - m a n y C 3 A s i a P a c i fi c S p e c i a l t y C o n f e re n c e O n F i b e r R e i n f o r c e d Ma t e r i als ( C h a n g s h a ) 2 0 0 3 ： 2 2 7 - 2 3 4 3 何军拥 ， 郭永昌， 黄金 混杂纤维格栅编织物混凝土梁弯曲 强度试验 j 信阳师范学院学报： 自然科学版， 2 0 0 1 ( 4 ) ： 4 3 4 5 4 王勃 ， 欧进萍， 张新越， 等 F R P筋与混凝土粘结性能的试验 研究 J 低温建筑技术， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 3 9 - 4 1 5 苟勇， 孙伟， R e i n h a r d t H W， 等 碳纤维织物增强混凝土薄 板的界面粘结性能试验 J 东南大学学报， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 1 7 -2 1 6 潘永灿， 苟勇 纤维织物与混凝土基体界面粘结性能试验研 究 J 四川建筑科学研究， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 1 3 0 1 3 2 7 何军拥 编织纤维格栅增强混凝土增强机理的研究 D 广 州 ： 广东工业大学 ， 2 0 0 2