碳纤维织物增强UHPFRC(PE)薄板抗弯性能试验研究

纤维编织物早在20世纪80年代就开始作为增强混凝土的材料，最开始的研究主要是网格状编织物用于增强轻质混凝土或石膏材料。随着研究的深入，织物优秀的力学性能和耐久性能让织物增强混凝土建筑有了极大的可能性[1]。近年来，织物增强混凝土构件应用于实际工程如外墙面板、阳台墙面挂架、板材、壳体结构等，但目前 TRC还主要应用于加强和修复已有的混凝土结构。[2]在很多结构中织物增强混凝土还是未经标准化的建筑材料，织物增强混凝土作为未来极具潜力的建筑材料仍需要进一步的研究[3]。碳纤维织物增强混凝土薄板具有良好的力学性能和耐久性能[4]，与传统混凝土相比，UHPFRC高强度、高韧性以及优异的耐久性更适用于制作成轻薄板壳结构[5]。本文对碳纤维增强UHPFRC(PE)薄板的抗弯性能进行试验研究。

1 试验材料

1.1 混凝土原材料

薄板试验用超高性能混凝土水泥采用“南方牌”P.O42.5普通硅酸盐水泥；硅灰采用山西忻州铁合金有限公司生产，灰白色粉末，平均粒径为 88 nm，比表面积为1.85×104 m2/g；石英粉采用长沙环宇石英砂有限公司，平均粒径为50.2 um，325目，密度：2.625 g/cm3；石英砂采用长沙环宇有限公司生产的20~40目石英砂；高效减水剂采用聚羧酸减水剂，粉红色粉末，减水率在30%以上。

1.2 配合比

本文试验研究所用 UHPC材料配合比是在Ranada等[6]研究基础上结合湖南大学的进一步研究进行修正(见表1)。

表1 试验用UHPC配合比
Table 1 Mix ratio of the UHPC used in this article

水泥 硅灰 石英粉 石英砂 水 减水剂1 0.277 0.389 0.967 0.218 2%

1.3 纤维

试验中纤维采用湖南中泰特种装备有限公司提供6 mm短切PE纤维；根据文献[7]综合考虑流动性和力学性能，纤维体积参量定为 1.5%。短切PE纤维主要力学和物理性能见表2。

表2 PE纤维的物理及力学性能
Table 2 Physical and mechanical properties of PE-fiber

长度/mm直径/um弹性模量/GPa断裂伸长率/%断裂强度/MPa密度/(g·mm-3)6 20 85 4.92 3 000 0.97

1.4 UHFRPC(PE)材料力学性能

试验方法按照《活性粉末混凝土》(GB/T 31387—2015)对UHFRPC(PE)的立方体抗压强度、棱柱体轴压强度、棱柱体抗弯强度以及弹性模量进行了测试。材料力学性能见表3。

表3 UHPFRC(PE)材料力学性能
Table 3 Mechanical properties of the UHPFRC(PE) used in this article

材料名称立方体抗压强度/MPa棱柱体轴压强度/MPa抗弯强度/MPa弹性模量/GPa UHFRPC(PE) 112.4 96.5 15.2 31.6

1.5 织物

1)实验中采用的织物为碳纤维网格状双向编织物。碳纤维织物的主要参数见表4。

表4 碳纤维织物的主要参数
Table 4 Main parameters of carbon fiber textile

碳纤维网格布 5 500 0.26双向编织(0°/90°)230

2) 参照《结构加固修复用碳纤维片材》(GBT 21490-2008)对浸润环氧树脂胶的碳纤维织物进行抗拉承载力以及受拉弹性模量的测试。将碳纤维织物剪成长23 cm宽1.5 cm(宽度方向取4股粗纱)的长条状织物，分位A和B 2组，每组3条，A组为1层、B组为2层；2层织物用环氧树脂胶黏贴，织物端头两面贴上铝片。试验数据见表5。

表5 浸胶织物的力学性能
Table 5 Mechanical properties of dipped textile

织物编组 抗拉承载力/N 弹性模量/GPa A 2 774 241 B 5 513 246

2 UHPC薄板的弯曲试验

2.1 薄板试件的制作

1) 薄板的尺寸为 1 000 mm×700 mm×20 mm；分为 UHPC薄板，UHPFRC(PE)薄板，碳纤维织物增强UHPFRC(PE)薄板，其中碳纤维织物分为1层碳纤维织物和2层碳纤维织物。2层碳纤维织物用环氧树脂胶黏贴在一起，在织物表面均匀的撒上石英砂。将制备好的薄板试件常温养护48 h后拆模，热水(90°)养护72 h。

2)将养护好的4类薄板试件切为600 mm×100 mm×20 mm的实验试件，分为3组，每组3件。分别按照薄板类型进行编号如UHPC-1，UHPC-2，UHPC-3；UHPFRC-1…；1-TR-UHPFRC-1…；2-TRUHPFRC-1…依此类推。

2.2 试验方法

薄板试件抗弯试验中板跨为560 mm，取板跨1/3点作为加载点分别距离两端支座186.7 mm。薄板试验中在板跨中设有2只百分表，在两端支座分别设有1只百分表。加载方式为位移控制，加载速度为2 mm/min，如图1所示。

图1 薄板弯曲试验
Fig. 1 Bending test of the slabs

2.3 试验结果

2.3.1 UHPC和UHPFRC(PE)薄板的试验结果

抗弯强度按式(1)计算，计算结果精确至 0.1 MPa。试验数据见表 6。荷载-挠度曲线见图 2和图3。

式中：Mf为抗弯强度；N为破坏荷载；L为试块跨距；b为试块宽度；h为试块厚度。

2.3.2 纤维织物增强UHPC薄板的试验结果

薄板抗弯承载力根据式(2)进行计算：

式中：M为抗弯承载力；N为破坏荷载；L为薄板跨距。试验结果见表7。荷载-挠度曲线见图4~5。

表6 UHPC薄板试件和UHPFRC(PE)薄板试件的抗弯强度
Table 6 Flexural strength of slab specimen used UHPC and UHPFRC (PE)

试件编号 开裂荷载/N极限荷载/N抗弯强度/MPa平均抗弯强度/MPa UHPC-1 802 11.2 UHPC-2 786 10.8 11.0 UHPC-3 792 10.9 FR-UHPC-1 814 1 077 15.3 FR-UHPC-2 796 1 113 15.6 15.4 FR-UHPC-3 783 1 086 15.3

图2 UHPC薄板荷载-挠度曲线
Fig. 2 Load-deflection curve of UHPC

图3 UHPFRC(PE)薄板荷载-挠度曲线
Fig. 3 Load-deflection curve of UHPFRC(PE)

图4 1层织物增强薄板荷载-挠度曲线
Fig. 4 Load-deflection curve of 1-layer textile reinforced slabs

图5 2层织物薄板荷载-挠度曲线
Fig. 5 Load-deflection curve of 2-layer fabric reinforced slabs

表7 碳纤维织物增强UHPFRC (PE)薄板试件的试验数据
Table 7 Experimental data of carbon fiber reinforced UHPFRC (PE) sheet specimen

试件编号 开裂荷载极限荷载/N极限抗弯承载力/(N·m)1-TR-UHPFRC-1 841 2 086 194.7 1-TR-UHPFRC-2 817 2 013 187.9 1-TR-UHPFRC-3 834 2 104 196.4 2-TR-UHPFRC-1 862 3 980 371.6 2-TR-UHPFRC-2 886 4 031 373.9 2-TR-UHPFRC-3 835 3 911 365.0

图6 单层织物增强薄板受弯破坏图
Fig. 6 Bending failure details of the 1-layer fabric reinforced slabs

图7 2层织物增强薄板受弯破坏图
Fig. 7 Bending failure details of the 2-layer fabric reinforced slabs

3 结果分析

3.1 UHPC和UHPFRC(PE)薄板试验结果分析

短纤维对混凝土基体的增强机理主要考虑到纤维本身的力学性能和物理性能、体积掺量、分布状况、纤维与基体的黏结强度这几个因素。纤维的长径比：当 σfAf >1/2(τpl) 即 l/d<1 (σf/τ)时，式中：σf为纤维极限抗拉强度；af为纤维截面积；p为纤维的截面周长；τ为界面平均黏结强度，l为纤维的长度。试验用="" 6="" mm="">[8]。

综上，PE纤维体积掺量为1.5%时，在UHPC开裂以后，荷载仍在上升直至纤维的拉应力大于纤维的拔出应力，纤维不断被拔出，薄板承载力不断下降直至最终破坏。纤维对UHPC的抗弯强度及韧度均有增强效果。试验结果可得，薄板的抗弯强度提高了41.3%，峰值挠度提高了91.7%。在分析织物增强UHPFRC(PE)薄板时需考虑UHPFRC(PE)材料的受拉作用。

3.2 碳纤维织物增强 UHPFRC(PE)薄板试验结果分析

3.2.1 破坏过程分析

从图4~5中可以看出织物增强UHPFRC(PE)薄板受弯破坏过程大致分为3个阶段：1)在基体开裂之前，拉应力主要由基体承担，挠度随着荷载的增长近似呈比例增长，此阶段与纤维混凝土类似，开裂荷载无明显增加。2)当UHPC达到极限抗拉强度后，薄板纯弯段出现第一条竖向裂缝，此时拉应力由织物和PE纤维共同承担，随着荷载的增长，裂缝的数量逐渐增长，纤维的拉应力达到其拔出应力后，纤维的拉应力将不再增加。因为织物的存在，构件未破坏,纤维没有拔出，仍承担拉力，但随着荷载的增大，裂缝宽度的增长，纤维的受拉作用逐渐降低，但裂缝的宽度远小于纤维的长度，因此在构件完全破坏之前，纤维仍能承担部分拉力。3)在纤维应力达到其拔出应力后，随着荷载的增长，抗拉承载力将完全由织物承担。挠度近似呈比例增长，属于弹性变形。此阶段偶有新裂缝产生，裂缝宽度随着荷载的增长而增长直至织物达到极限拉应变而发生断裂时，某条主裂缝宽度骤然增大，随着所有粗纱完全被拉断，薄板最终受弯破坏如图 6~7所示。

1层织物增强UHPFRC(PE)薄板在上述第2阶段出现明显的位移-应变软化现象。主要原因是织物掺量过低，当纤维拉应力等于拔出应力受拉能力开始下降后，此时1层织物的拉应力仍较低，不足以提供足够的受拉作用。同时低织物掺量的薄板荷载-挠度曲线波动明显，裂缝数量增长迅速。2层织物增强UHPFRC(PE)薄板纯弯段竖向裂缝的数量明显减少，薄板整体性良好，荷载-挠度曲线光滑。

3.2.2 正截面受弯承载力计算

织物在受拉全过程直至断裂应力-应变基本保持线弹性没有明显的塑性屈服阶段，破坏形式可分为 3种[9]：1)受拉破坏：织物掺量不足，织物达到其极限拉应变而断裂，UHPFRC(PE)未达到其极限压应变，未被压碎。2)界限破坏：织物掺量一定，织物达到其极限拉应变断裂，UHPFRC(PE)达到其极限压应变被压碎，织物和基体均有效发挥其作用。3)受压破坏：织物掺量足够，织物未达到其极限拉应变，UHPFRC(PE)达到其极限压应变被压碎而破坏。

后文中 h和 h0分别为薄板厚度和有效截面高度；εc，εcu，ε0，εt和 εtu 分别为 UHFRPC(PE)的压应变，极限压应变，峰值压应力应变、织物拉应变和织物极限拉应变；σc，和 fc和 ftc分别为UHPFRC(PE)的压应力，棱柱体抗压强度，抗拉强度；T为织物极限抗拉承载力；K为PE纤维的抗拉强度等效系数[10]。

参考文献[11]结合试验数据 UHPFRC(PE)的压应力-应变关系为：

式中： y =σc /fc；x=εc/ε0；εc，ε0，σc和fc均同上文。

织物增强 UHFRP(PE)薄板正截面受力计算符合以下假定：1)平截面假定2)织物和基体黏结可靠。

1) 受拉破坏

如图6(a)所示，受拉破坏分为2种：①受压区混凝土未达到峰值压应力应变ε0；②受压区混凝土达到峰值压应力应变ε0但未达到其极限压应变εcu。根据平截面假定可得：

情况 1：取式(4)0≤x＜1段函数根据平截面合力平衡方程，进行条状积分简化后可得：

根据式(5)和平截面力矩平衡方程，进行积分化简可得受压区合力点距离中性轴距离xc计算式为：

则薄板极限承载力：

情况2：结合式(5)根据平截面合力平衡方程，可得：

对于式(8)不定积分式过于复杂未给出，用MATLAB计算其定积分。同样根据力矩平衡求得xc。从而得到极限抗弯承载力Mu。

2) 界限破坏

界限破坏时受拉破坏与受压破坏的临界状态。基于平截面假定，可得：

联立式(9)~(10)可得：

式(11)中：εcu根据实测取 0.41；T织物界限抗拉承载力；根据合力大小和作用点不变得原则，可得合力大小Fc为：

合力距中性轴距离xc：

联立式(9)，(12)和(13)可得：a1=0.87，β1=0.72。代入式(10) 得界限织物抗拉承载力：T=18.42bh0-1.83bh。对于试验薄板尺寸及织物布置方式，织物的界限抗拉承载力计算值：T=25 860 N。

3) 受压破坏

根据平截面假定：

则

根据受力平衡：

其中：At为织物总面积计算值。

联立式(14)~(15)得：

代入式(15)得：

则截面受弯承载力计算公式：

综上，考虑到织物在薄板中受力时，纤维自身缺陷和浸胶相对不均匀，导致每股粗纱的抗拉承载力并非完全相同。多股粗纱协同受力时会出现受力不均现象：某股或某几股粗纱提前断裂；某股或者某几股粗纱未达到其极限拉应变而织物整体断裂而随之断裂。因此，在计算织物极限抗拉承载力时需考虑折减系数K1，即：

式中：T为薄板所添加织物的极限抗拉承载力计算值；Tt为薄板所添加织物的极限抗拉承载力理论值；K1为折减系数，当K1=0.86时薄板极限抗弯承载力的理论计算值与试验值较为符合。根据实测1层织物和2层织物极限抗拉承载力分别为13 870 N和27 565 N(10 cm宽织物粗纱取20股)，分别乘上K1，得11 928 N和23 706 N均小于界限抗拉承载力25 860 N，均属于受拉破坏，符合试验结果。

表8为试验薄板的极限抗弯承载力计算值Mc,u与实验值Mc,t比较。

表8 正截面受弯试验值与计算值对比
Table 8 Comparison between the bending test value and the calculated value

试件编号 Mc,t/(N·m) Mt,u/(N·m) Mc,u/Mt,u

4 结论

1) PE纤维的掺入使薄板的抗弯强度提高了41.3%，峰值荷载所对应的跨中挠度提高了91.7%，同时也提高了UHPC的抗压强度。在碳纤维织物增强UHPFRC(PE)薄板受弯破坏过程中，从薄板基体开裂到完全破坏仍一直承担拉力。

2) 碳纤维织物浸胶后对其抗拉强度和弹性模量均有提高，织物的掺入使薄板的抗弯性能有了显著的提高。碳纤维织物在薄板中极限抗拉承载力非所有粗纱极限受力的线性叠加而是有一定折减，宜考虑折减系数，通过试验和理论分析折减系数取K1=0.86。织物宜选择抗拉承载力高，单股粗纱截面积大，编织孔径适宜的纤维编织物。

3) 薄板的破坏形式有3种：受拉破坏，界限破坏和受压破坏。基于试验所用织物和基体材料给出了织物的界限抗拉承载力T与薄板厚度h，薄板有效截面高度h0之间的关系：T=18.42bh0-1.83bh；对于试验薄板尺寸及织物布置方式给出织物的界限抗拉承载力计算值：T=25 860 N，试验薄板均属受拉破坏可参照上文分析计算。界限破坏和受压破坏均可按式(19)~(20)联立计算，其中 α1=0.87，β1=0.72。

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