玄武巖纖維織物增強砂漿薄板抗彎性能試驗研究

陳軍鋒，劉孫文，周 哲，趙 超，陳 淵

(1.中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528400； 2.中交路橋建設有限公司，北京 101107)

0 前 言

纖維織物增強砂漿(TRM)以水泥砂漿為基體，在基體內鋪設纖維編織網而成的一種復合材料[1]。由于該復合材料具有質量輕[2]，厚度薄，耐久性好等特點，已開始應用于薄壁輕質的結構、預制免拆除模板、預制夾芯板和混凝土結構修復及增強加固中[3-5]。

在砂漿薄板中嵌入碳纖維編織網和玻璃纖維編織網后，可較大提高薄板的抗彎性能[6-7]。但碳纖維織物價格較高，將顯著增加工程造價，難以大規模地推廣應用。玻璃纖維雖然價格較低，但纖維織物的彈性模量和抗拉強度較低，且容易受到砂漿或混凝土中堿的腐蝕，造成薄板承載力降低。

玄武巖纖維是一種以礦石為原料，經高溫、快速拉制而成的一種無機纖維，具有良好的強度、耐久性、耐高溫及耐酸堿性能，且生產成本明顯低于碳纖維、鋼纖維等[8]。因此，以玄武巖纖維織物增強砂漿制備的工程結構及加固用薄板有望獲得良好的工程力學性、耐久性及經濟性。本文將設計制備不同纖維織物層數的水泥砂漿薄板，測試其抗彎性能及破壞模式，為其工程推廣應用提供依據。

1 試件設計與試驗方法

1.1 試件設計

玄武巖纖維織物增強砂漿薄板試件采用鋪網-注漿法制作，砂漿薄板的配合比見表1。試驗采用玄武巖織物的網格孔徑為10 mm × 10 mm，材料基本參數見表2。試件制作時先將纖維編織網繃緊并均勻布置在模具內，將設計配比的水泥砂漿拌合物均勻倒入于模具中，經振搗、抹平制備得到。將制備的試件經室溫養護24 h后拆模，再進行標準養護7 d，自然灑水養護21 d，得到試驗用纖維織物增強砂漿薄板。

表1 玄武巖纖維織物增強砂漿配合比 單位：kg/m3

表2 玄武巖纖維織物的材料參數

設計試件尺寸(長×寬×高)均為280 mm×50 mm×12 mm，薄板設計3種型號，分別嵌入1～3層玄武巖纖維編織網，編號分別為BL1、BL2、BL3，如1所示。試驗中以上每種型號薄板分別制作3塊。

圖1 玄武巖纖維織物增強砂漿薄板設計

1.2 試驗方法

試件養護完成后，采用四點彎曲試驗測試玄武巖纖維織物增強砂漿薄板抗彎性能，4個加載點從左至右依次為20、100、180、260 mm處，加載示意圖如圖2所示。加載由位移控制，速率0.5 mm/min，當荷載過峰值后出現明顯的下降或者下降至峰值荷載的75%時，停止加載。

圖2 薄板四點彎曲加載示意圖

2 玄武巖纖維織物增強砂漿薄板抗彎試驗分析

2.1 試驗結果

通過四點彎曲試驗，分別測試不同組TRM薄板彎曲過程中的開裂荷載、開裂撓度、極限荷載和極限撓度，測試結果見表3。

表3 TRM薄板四點彎曲試驗結果

2.2 抗彎承載力分析

由試驗結果可知，未采用玄武巖織物增韌的砂漿薄板BL0表現為明顯的脆性破壞；嵌入玄武巖纖維織物后，薄板的延性顯著增強。試件BL1、BL2并沒有顯著增加薄板的極限抗彎強度，主要原因是受玄武巖織物設置位置影響。BL1薄板纖維織物嵌入為薄板的中部，薄板破壞時，纖維與砂漿基體出現局部剝離，玄武巖織物的抗拉強度并沒有有效發揮，其抗彎極限強度出現了降低現象。因此，玄武巖織物增韌的砂漿薄板抗彎承載性能主要受纖維織物分布位置及層數的影響。BL3薄板采用了3層玄武巖織物，薄板的抗裂性、抗彎承載能力及延性都得到顯著提升，抗彎承載力平均值較未采用玄武巖織物增強的砂漿薄板提高了56.4%，極限荷載撓度則提高了195.8%。

2.3 彎曲變形分析

為進一步分析玄武巖纖維織物增強砂漿薄板破壞模式，試驗中測試了薄板彎曲過程中的荷載-跨中撓度曲線，如圖3所示。由圖3可知，薄板彎曲過程中，荷載-跨中撓度曲線主要呈現出三個階段。

圖3 TRM薄板荷載-撓度曲線

第一階段為正常受彎工作階段，在TRM試件加載初期，試件處于彈性階段，編織網和基體混凝土共同工作，試件的荷載隨撓度的增加而增大，撓度-荷載曲線基本呈線性關系。隨著編織網層數增加到2層，TRM試件在開裂前荷載-撓度曲線的斜率變化不明顯，但當編織網層數增加到3層時，TRM試件在開裂前荷載-撓度曲線的斜率變大。這說明布設3層纖維編織網提高了TRM試件的抗彎剛度。

第二階段為開裂工作階段，隨著加載位移的增加，薄板底部受拉區形成第一條裂縫時，荷載突降，隨后位移繼續增加，經過若干次荷載突降然后繼續增大的過程，荷載逐漸達到峰值。這是由于纖維網格的存在，基體混凝土填充于網格內與纖維束固結在一起形成良好的整體，纖維編織網與基體混凝土間的錨固作用使板材達到極限荷載后不會立即發生脆斷，而是保持了比較好的整體性，隨著纖維束逐漸被拔出，荷載-撓度曲線呈先增長后降低逐次下降趨勢。隨著玄武巖纖維編織網布設層數的增加，這種特性更加明顯，這說明纖維編織網顯著增加了TRM薄板的延性，且布設3層纖維編織網時其延性較好。

第三階段為破壞階段，隨著加載位移的增加，荷載急劇降低，TRM薄板失去了其抗彎承載力。主要原因是純彎段的基體材料裂縫加劇，內置纖維織物部分被拉斷，最終破壞。

2.4 彎曲破壞特征分析

隨著加載位移的增加，裂縫首先出現在純彎段，隨著荷載的進一步增大，裂縫寬度逐漸增大，純彎段的裂縫向兩個加載點擴展，在兩個加載點外部也會出現若干條數的裂縫；裂縫的擴展方向并非完全垂直于試件軸向沿直線型發展，而是出現了平行于試件軸向的裂縫分量，表現為裂縫擴展路徑彎彎曲曲，這說明編織網對裂縫的擴展起到了較好的約束作用。同時，裂紋擴展速度降低，說明試件韌性得到顯著提高。當試件接近最終破壞段時，荷載下降速度較快，破壞形成一條貫通裂紋，直至試件破壞。試件在靠近兩個加載點附近的純彎段出現裂縫，但裂縫數量很少，只有一條主裂縫，均表現出一條較大主裂縫拌有較少衍生裂縫的特征，圖4為TRM薄板彎曲破壞后的裂紋形態。

(a)TRM彎曲裂紋擴展

(b)TRM貫穿式裂縫圖4 TRM薄板彎曲破壞后的裂紋形態

3 結 論

1)玄武巖纖維編織物的使用可以增加TRM薄板的抗彎承載力和延性，同時，玄武巖織物增韌的砂漿薄板抗彎承載性能主要受纖維織物分布位置及層數的影響。采用了3層玄武巖織物增強的砂漿薄板抗彎承載力平均值較未增強的砂漿薄板提高了56.4%，極限荷載撓度則提高了195.8%。

2)玄武巖纖維織物增強砂漿薄板彎曲過程中，呈現出三個典型階段：正常受彎工作階段、開裂工作階段及破壞階段，破壞時有明顯的變形征兆。編織網的布設將增加TRM試件的抗彎剛度，布設3層纖維編織物時對TRM薄板的抗彎剛度提升最明顯。

3)當編織網為3層時較編織網為1層或2層TRM試件抗彎承載力高、抗裂性較好，表現出多縫開裂的特征，且裂縫大多出現在純彎段。編織網對裂縫的擴展起到了較好的約束作用，試件韌性得到顯著提高。

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