碳纤维与铁丝网增强混凝土板的抗弯性能试验对比分析.pdf

2 0 1 3年第 1 2期 1 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA CONC RE T E AND C E MEN T P RODUC ：T S 2 0 1 3 No ． 1 2 De c e mb e r 碳纤维与铁丝网增强混凝土板的抗弯性能试验对比分析 吴 娇 ， 马芹永 ， 卢小雨 ( 安徽理工大学土木建筑学院， 淮南 2 3 2 0 0 1 ) 摘要 ： 对素混凝土板 、 铁 丝 网混凝 土板 、 碳纤 维编 织网增强混凝土板 以及碳 纤维联 合铁 丝编织 网增 强混凝土 板进行 了抗 弯强度试验 。试验结果表 明， 碳 纤维编织网、 碳纤维联合铁丝编织 网提 高板的抗弯强度明显 ， 其 中， 碳 纤 维联合铁 丝编织 网增 强混凝 土板 的抗 弯强度 最大 ， 其抗 弯强度比素混凝 土板 提 高了 1 1 1 ．3 ％， 较铁 丝 网混凝 土板提 高 了5 5 ． 2 ％． 较碳纤维编织 网增强混凝土板 ， 提 高了 1 1 ． 1 ％。 关键 词 ： 碳 纤 维 编 织 网 ； 铁 丝 网 ； 混 凝 土 板 ； 抗 弯 强度 Abs t r a c t ： I 1 1 e c o mp a r a t i v e a n a l y s i s o n t h e b e n d i n g s t r e n g t h s o f p l a i n c o n c r e t e s l a b ， w i r e c o n c r e t e s l a b ， c a r b o n 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 l a b a n d c o n c r e t e s l a b r e i n f o r c e d b y c a r b o n fi b e r wi t h w i r e t e x t i l e a r e c a r r i e d o u t ． T h e r e s u l t s s h o w tha t t h e b e n d i n g s t r e n g t h s o f t h e s l a b s i mp r o v e o b v i o u s l y b y c a r b o n fi b e r t e x t i l e o r t h e c o mb i n e d a c t i o n of c a r b o n fi b e r t e x t i l e a n d wi r e ．C o mp a r i n g w i t h t h e p l a i n c o n c r e t e s l a b ， wi r e c o n c r e t e s l a b a n d c a r b o n 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 ret e s l a b ， the b e n d i n g s t r e n g t h of t h e c o n c r e t e s l ab r e i nfo r c e d b y c a r b o n fi b e r w i t h wi r e t e x t i l e i s t h e ma x i mu m； i t res p e c - t i v e l y i n c r e a s e s l 1 1 _ 3 ％ ． 5 5 ． 2 ％ a n d 1 1 ． 1 ％ ． Ke y wo r d s ： C a r b o n fi b e r t e x t i l e ； Wi r e ； Co n c r e t e s l ab ； B e n d i n g s t r e n g t h 中图分类号 ： T U 5 2 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 — 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 1 2 — 4 4 — 0 3 O前 言 碳纤维具有抗拉强度和弹性模量高 化学性质 稳定等优点I l l 。近年来 ， 国内学者进行了各种单向纤 维和短纤维增强混凝土性能的试验与研究 。碳纤维 编织网因具有碳纤维的优点 ， 对混凝 土构件的增强 作用明显 。潘永灿等 嘲的研究表明 ， 用织物增强混 凝土薄板具有较高 的抗弯 承载力和 良好 的变形能 力。孟辉等[ 3 ] 的研究表明， 随着碳纤维用量的增加 ， 碳纤 维编织 网增强混凝土板 的抗弯强度 与挠度逐 渐提高。徐世娘等『4 1 的研究表明 ， 纤维编织网联合钢 筋增强混凝土结构充分利用 了纤 维编织 网增强混 凝土和钢筋混凝土的优点 ， 不但 可提高钢筋和混凝 土协同工作的性能 ， 并且可以提高结构的耐久性和 使用性能 。 碳纤维很柔软 ， 故施工困难。 将碳纤维编 织 网挂在铁丝网上固定 ， 可制成碳纤维联合铁丝编 织 网。本试验对素混凝土板 、 铁丝网混凝土板 、 碳纤 维编织 网增强混凝土板及碳纤维联合铁丝编织 网 增强混凝土板的抗弯性能进行 了试验对 比与分析 。 1 试验方案 1 ． 1 原材料 水泥采用 P 0 4 2 ． 5级普通硅酸盐水泥； 细骨料 基金项 目： 淮南 市科技计划 项 目( 2 0 1 1 A 0 7 9 1 8 ) ， 安徽 理工大 学大学生创新创业训练计划支持项 目( 2 0 1 2 1 0 3 6 1 1 0 8 ) 。 一 44一 采用 中砂 ；粗骨料采用粒径为 5 ～ 1 2 m m的碎石 ； 水 为 自来水 ； 铁丝为 1 O号铁丝 ； 碳纤维为单向碳纤维 布 ， 抗拉强度 3 4 4 9 MP a ， 受拉 弹性模量 2 4 8 G P a ， 伸长 率 1 ． 7 9 ％。 1 ． 2 配合 比 根据 J G J 5 5 —2 0 1 1 《 普通混凝土配合 比设计规 程 ， 设计 C 3 0基准混凝土 ， 水灰 比为 0 ． 4 5 ， 砂率为 4 8 ％， 水泥用量为 4 6 6 k g ／ m 。水泥、 水 、 砂 、 石 的质量 比为 1 ． 0 0 ： 0 ． 4 5 ： 1 ． 7 0 ： 1 ． 8 4 。 1 ． 3 试件的制作与养护 共制作 4组试件 。 分别为素混凝土板 、 铁丝 网 混凝土板 、 碳纤维编织网增强混凝 土板和碳纤 维与 铁丝编织 网增强混凝土板 。采用 4 0 0 mmx 4 0 0 m mx 8 0 mm木模具制作试件 。模具四边模板上有按设计 要求预 留的小孔 ， 孔 间距为 1 0 0 mm， 与模板底部距 离为2 0 m m 。铁丝编织网是将准备好的适宜长度的 铁 丝分别穿过小孔 。 组装好模具后 ， 用细扎 丝固定 好铁丝网节点。碳纤维网采用平织法编织网[6 1 ． 如图 1 所 示 。 试件浇注完后 ， 置于振动台上充分振动 。 2 4 h后 拆模 ， 放人标准养护室 中养护 ， 养护 2 8 d后对 试件 进行抗弯强度测试。 1 ． 4 试 验方 法 试件加载支座为 四边简支 ， 加载点在板顶部 的 吴娇 ， 马芹永 ， 卢小雨 碳纤维与铁丝 网增强混凝土板的抗弯性能试验对 比分析 8 8 吕 - _ n 8 l 0o 1 00 1 0 o 3 0o 图 1 碳 纤 维 编织 网 中心位置 。 加载示意如图 2 。 抗弯强度测试采用 Y E 一 2 0 0 A型液压式压力试验机进行测试 ． 该试验机的最 大加 载荷 载为 2 0 0 T，采用分级加载 ，每级荷载为 4 k N， 每级荷载加足后持荷 2 ～ 3 mi n 。 直到试件产生裂 缝和破坏。 图 2． 板的 四边简支加载示 意图 2试验结果与分析 2 ． 1 试验结果 4组混凝土板抗弯强度试验结果见表 1 。 表 1 各混凝土板 的极 限破坏荷载 与最 大挠 度 注 ： P表示素混凝 土板 ， WP表 示铁 丝网增强 混凝 土板 ， C P 表示 碳 纤维 编织 网增强 混凝 土板 。 WC P表示 碳纤 维联 合铁 丝编织网增强混凝土板， 3 2为碳纤维总用量 ( 束) ， 1 0 0为网 格间距为 1 0 0 ra m。 A、 B 、 C表示每组试件中的三个编号。 2 ． 2 试验结果分析 铁丝网混凝土板 的破坏分为三个阶段 ： 第一阶 段 由于荷载较小 ，混凝土与金属 网共 同承担荷载 ． 此时 。板 的荷载与跨 中位移呈近似 的线性 比例增 加 ； 第二 阶段 随着荷载的不断增加 ， 混凝 土受 拉侧 产生裂缝并不断延伸 。 开裂处混凝土所受拉力 由金 属 网承受 ； 第 三阶段金属网屈服 ， 金属 网折 断后构 件破坏 。 如图 3所示。 3 2 2 8 2 4 z 2 O 1 6 稼1 2 8 4 O O U．4 U ． 1 ．Z l - 6 2 ． 0 2 ．4 位移／ mm 图 3 铁丝 网混凝土板荷载一 位 移曲线 碳纤维编织网增强混凝 土板在开裂之前 。 碳纤 维网与混凝土共 同工作 ， 荷载与跨中位移 曲线也呈 线性增加 。荷载不断增大后混凝土将产生裂缝 。 此 时荷载与跨 中位移曲线 出现第一个峰值 ． 峰值处 的 荷载为开裂荷载。混凝土退 出工作 ， 碳纤维与混凝 土将发生相对位移 ， 承载能力下降， 之后 ， 随着荷载 的增大 ． 荷载 主要 由碳纤维 承担 ， 直到碳纤维 网开 始拉断 ， 这时隔几秒会听到短促的连续“ 嘭嘭” 的断 裂声 ， 碳纤维全部破 坏 ， 荷载急剧下降 ， 构件破坏 ， 如 图 4 Z ：4 辞 耀 位 移 ／ n u n 图 4 碳纤维编织 网混凝土板荷载一 位移 曲线 图 5为 4组混凝土板试件抗 弯荷载与跨 中位 移 曲线对 比图。由图 5可见 ， 碳纤维编织网混凝土 板 和碳纤 维联合铁 丝编织网混凝土板的开裂荷载 ． 4 5． ． ∞ 加 4 0 2 0 1 3年第 1 2期 混凝土与水泥制品 第 2 1 2期 均与素混凝土板的开裂荷载相接近 ， 但碳纤维联 合 铁丝 编织 网增强混凝 土板 的开裂荷载略大 于碳 纤 维 编 织 网混 凝 土板 ， 这是 由于金 属 网 在板 开 始 开 裂 后 ， 对裂 缝 发展 起 到 了一 定 的 阻碍 作 用 。达 到 开 裂 荷载后 ， 碳纤维编织网混凝土板和碳纤维联合铁丝 编织 网混凝 土板 的曲线会 出现转折点 ， 此时 ． 混 凝 土逐渐退出工作 ， 荷载主要 由碳纤维 、 铁丝网承担 ， 直至 破 坏 。 由图 5还 可看 出 ， 碳 纤 维 联合 铁 丝 编 织 网混凝土板 的抗弯荷载最大 ， 但跨 中位移比碳纤维 编织 网 混凝 土板 略 小 ，这是 由 于 金属 网 的延 性 破 坏． 使得跨 中位移变小 Z 镛 叵 o o ． 4 o ． 8 1 ． 2 1 ．6 2．O 2．4 2．8 3．2 3．6 4 ． o 位移／ mm 图 5 组板 抗弯荷载一 位 移曲线 图 6为四组板材试件抗弯平 均荷 载和平均跨 中位移对 比。由图 6中的荷载与跨 中位移平均值计 Z 坦 1蓦 - g 暑 母 四 P 一0 W P一1 0 H0 C P3 2 —1 O O W CP 3 2 —1 0 0 ( a ) 抗弯平均荷载 P一 0 W P一1 0 0 CP 3 2 —1 O 0 W CP 3 2 —1 00 ( b ) 跨 中位移 图 6 组板抗弯平均荷载及平均跨 中位移对 比 —— 4 6— — 算得出 ： 与素混凝土板相 比， 铁丝 网混凝土板 、 碳纤 维 编织 网增 强 混 凝 土 板 及 碳 纤 维 与 铁 丝 编 织 网增 强混凝土板的极限荷载平均值分别提高了 3 6 ． 2 ％、 9 0 ． 1 ％ 、 1 1 1 ． 3 ％ ，跨 中 位 移 平 均 值 分 别 提 高 了 l 1 7 ． 6 ％、 2 9 1 ． 2 ％、 2 5 3 ． 8 ％。与铁丝网混凝土板相 比， 碳纤维编织 网增强混凝土板 、 碳纤维与铁丝编织 网 增 强 混 凝 土 板 的 极 限荷 载 平 均 值 分 别 提 高 了 3 9 ． 7 ％、 5 5 ． 2 ％， 跨 中位移平均值分别提高了 7 9 ． 8 ％、 6 2 ． 6 ％。其中， 碳纤维编织网 、 碳纤维与铁丝编织 网 增强混凝土板的抗弯强度显著 。碳纤维联合铁丝编 织 网增 强 混凝 土板 比碳 纤 维 增 强 混 凝 土 板 的极 限 荷载平均值提高了 1 1 ． 1 ％，而跨中位移平均值则降 低了 9 ． 5 5 ％。这说 明金属网能提高碳纤维编织 网混 凝土板 的抗弯能力 ， 由于其可以阻碍一定 的裂缝发 展及其 自身的延性 ， 使得跨 中位移降低 ， 且破坏前 出现较大变形 ， 可起到示警作用。 3 结 语 各组混凝土板试件抗弯性能试验表 明 ．铁 丝 网 、 碳 纤 维编 织 网 以及碳 纤 维 与铁 丝 编织 网均增 强 了混凝 土 的 抗 弯性 能 ， 较 素 混 凝 土 板 ， 分别 提 高 了 3 6 ． 2 ％ 、 9 0 ． 1 ％、 1 1 1 ． 3 ％。碳 纤 维 编织 网 、 碳纤 维 与铁 丝编织网增强混凝土板的效果显著。碳纤维联合铁 丝编织网增强混凝土板的抗弯承载力最好。 铁 丝网 、 碳纤维编织 网、 碳纤维 与铁丝 编织 网 有效地提高了混凝土板的变形能力。与素混凝土板 比较 ， 跨 中位移平均值分别提高了 l 1 7 ． 6 ％、 2 9 1 ． 2 ％、 2 5 3． 8 ％ 参考文献 ： [ 1 ] 徐至钧． 纤维 混凝 土技 术及 应用[ M ] ． 北京 ： 中国建筑 工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 潘永 灿， 荀 勇． 织物增 强混凝土薄板 四点抗弯 性能试验【 J 】 ． 哈尔滨工业大学学报， 2 0 0 9 。 4 1 f 8 ) ： 0 3 6 7 — 6 2 3 4 ． [ 3 ] 孟辉， 马芹永， 卢小雨． 碳纤维编织 网增强混凝 土板的抗弯 强度试验与分析【 J J ． 混凝土 与水泥制 品， 2 0 1 3 ( 4 ) ： 4 3 — 4 5 ． [ 4 】 徐世 娘 ， 尹世平． 纤 维编织 网联合 钢筋增强混凝 土粱受弯 性能解析理论【 J 】 ． 中国科学 ： 技术科学， 2 0 1 0 ，4 0 f 6 ) ： 6 1 9 — 6 2 9 ． 【 5 】中华 人 民共 和 国住房 和城 乡建设 部 _J G J 5 5 —2 叭1普通 混凝土配合 比设计规程[ S 】 ． 北 京： 中国建筑丁业 出版社， 2 0 1 1 ． [ 6 】 张兴亮． 碳 纤维编织 网增 强普通混凝 土的力学性能试验研 究【 D 1 ． 淮南： 安徽理工大学， 2 0 0 9 ． 收稿 日期 ： 2 0 1 3 — 1 O 一 2 5 作者简介 ： 吴娇 ( 1 9 8 9 一 ) ， 女 ， 硕 士研 究生 。 通讯地址 ： 淮南 ， 安徽理工 大学 土木建筑学 院 联系电话 ： 1 3 8 6 6 6 4 5 0 9 1 E - ma i l ： wu j ia o 8 9 6 2 8 @1 6 3 ． c o m 铝 ∞ 妯 勰 加 4 0 锅 ∞ 加 4 O 0 6 2 8 4 O 6 2 8 4 O 4 3 3 2 2 2 1 1 O O 0