纤维编织网增强混凝土耐久性机理和测试方法 4页

第33卷第6期华北水利水电学院学报Vol_33NO．62012年12月JournalofNorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPowerDec．20l2文章编号：1002—5634(2012)06—0089—04纤维编织网增强混凝土耐久性机理和测试方法田稳苓，孙雪峰(河北工业大学，天津300401)摘要：随着结构过早失效现象的普遍发生，材料和结构的耐久性问题越来越引起人们的关注．分析了纤维编织网增强混凝土长期耐久性的破坏机理，研究了改进纤维编织网增强混凝土耐久性的方法，讨论了纤维编织网增强混凝土耐久性的试验方法．依据玻璃纤维混凝土的实际应用及前人对于玻璃纤维混凝土耐久性试验的统计结果，归纳出现有纤维混凝土耐久性试验方法的优点和不足，并且提出了应用新型材料TRC作为结构耐久性加固的设想．关键词：纤维编织网增强混凝土；耐久性；试验方法；新型材料近几十年来，混凝土结构因材质劣化造成过早料的广泛应用．失效以至破坏崩塌的事故在国内外都屡见不鲜．这早在20世纪80年代就有以编织网作为水泥基些混凝土工程的过早破坏，并不是因为强度不足，而增强材料的研究，但是在该领域的发展进程相当缓是由于混凝土耐久性不良造成．纤维编织网增强混慢，尤其是在耐久性方面研究成果较少．虽然专凝土(TextileReinforcedConcrete，TRC)是由玻璃纤家学者做了大量的试验和理论研究，取得了一定的维、聚合材料或碳纤维编织成网，之后埋人混凝土成果，但由于试验方法各不相同，并且与实际情况相中，形成的一种新型复合建筑材料．用该材料对结构比都有一定的差距，至今还没有一种规范规定纤维进行耐久性加固有以下优点：①纤维网格布具有良编织网增强混凝土耐久性试验的标准．其相关产品好的力学性能，可提高结构的开裂荷载，同时，在开和试验规范也不够完善，需要得到进一步解决．裂后纤维的桥连作用能够阻止裂缝的进一步发1纤维编织网混凝土长期耐久性的破展⋯，这样，使得结构不仅有很好的抗裂性能，其承坏机理载能力也会大幅度提高；②TRC不需要厚重的混凝土保护层，只需必要的锚固厚度，使得TRC材料纤维编织网混凝土有良好的抗裂性能，但在长可用于制作薄壁轻质的结构；③由于材料抗裂性期使用条件下，此材料的力学性能会大幅度下降甚能突出，裂缝的控制有利于材料耐久性能的提高，虽至完全丧失．纤维编织网混凝土耐久性机理的研究然前期的投资大于普通钢筋混凝土结构，但以长远应追溯到玻璃纤维混凝土耐久性的研究．玻璃纤维角度考虑，用TRC材料进行“耐久性”加固后，大大混凝土是将短切纤维丝或纤维束乱向埋在混凝土中减少了结构用于维修和护理的费用，是一种经济有得到的复合建筑材料．专家们提出了很多理论假设，效的方法．并做了大量试验来证明自己的观点．然而，玻璃纤维网增强混凝土(GlassFiberRe-1．1化学侵蚀原理inforcedConcrete，GRC)在长期使用下，玻璃纤维的ProdhommeL指出放在溶液中的玻璃纤维会通腐蚀和老化会导致材料性能的降低，限制了此种材过水解作用产生钠离子、钾离子，这两种离子会溶解收稿日期：2012—04—19基金项目：河北省自然科学基金资助项目(E2010000083)．作者简介：田稳苓(1961一)，女，河北大城人，教授，博士，主要从事混凝土结构及其基本理论、纤维混凝土、新型建筑材料及结构体系等方面的研究． 90华北水利水电学院学报2012年12月硅氧四面体，形成硅酸离子或硅酸凝胶．离子状中，研制出I型低碱度硫铝酸盐水泥．该水泥除态或凝胶状态的硅酸与溶液中的钙离子有很高的化了低膨胀性和良好的密实性外，最主要的特点是低学亲合力，同时，硅氧四面体骨架又能使玻璃纤维表碱性．该水泥浆的滤液pH值为10．5左右，而普通面具有很强的负电性，使它能强烈地吸附溶液中的硅酸盐水泥的pH值高达12．5¨，低碱度硫铝酸盐钙离子，并且很快与其发生作用，使得玻璃纤维强度水泥的OH一浓度相当于普通硅酸盐水泥的1／100．大幅度降低．随后，中国建材研究院等相关部门在此基础上进行A··了aK认为玻纤维的不均匀侵蚀，是造改进，研制出磷石膏低碱度硫铝酸盐水泥、玻纤水泥成玻璃纤维混凝土破坏的主要原因．由于玻璃纤等新型水泥．国内外通过对普通硅酸盐水泥进行维制作过程中，表面与内部冷却温度的差异，使得纤改性研究发现，在硅酸盐水泥中掺加高火山灰活性维自身存在应力，纤维表面形成微观裂纹，钙离子容的矿物细掺料，比如硅灰、粉煤灰、偏高岭土等，可以易依附在裂缝内部，产生不均匀侵蚀现象．有效降低水泥的碱性⋯．1．2物理破坏原理2)通过改变玻璃纤维的成分，增加玻璃纤维自H·6·YP6eB和MajumderAJ指出玻纤维的身的抗碱性能．英国Pilkington玻璃公司在玻璃纤维破坏主要是由于水泥水化物在玻纤维表面或者裂纹的化学组成中加入了氧化锆、氧化钛等物质，制出了内部扩展造成的，与化学侵蚀作用无关．抗碱玻璃纤维，该公司将其产品命名为“赛姆菲尔”K·|『I·BupIoxoBnq也认为埋在水泥基体内部(Cem—Fil)．锆、钛元素的加入使得玻璃纤维中的的玻璃纤维的破坏不是化学作用而是物理作用．水硅氧结构更加完善，降低了纤维与碱性液体反应的泥水化物的楔入作用以及温度湿度造成的体积变化可能性，从而增强了纤维自身的抗碱性能．一般导致玻纤维形成横向裂缝，强度降低．而言，纤维中的锆含量越高，纤维的耐久性能越好．1．3编织方式及几何尺寸影响随着制作技术的发展，纤维中锆元素含量也不断增TRC是多轴纤维编织网和精细混凝土的结合．长．国内外先后研制出ER一13耐碱玻璃纤维、JB一纤维编织网一般沿主应力方向布置．．PeledA和Ben．Ⅱ耐碱玻璃纤维以及Cem—Fil2耐碱玻璃纤维，含turA指出，不能简单地认为编织物就是连续的纱线锆率可达16．7％以上¨．被固定在一起的方式，编织网纱线的型式、编织网的3)对玻璃纤维进行被覆处理，在纤维表面添加织造方法和结构形式对TRC的性能有着重要影响．涂层等，起到保护膜的作用．根据玻璃纤维不同的使例如，目前采用较多的机织织网TRC，虽然纱线的用环境采用不同的涂层材料．常用的涂层材料主要波纹可以提高织网与水泥基体的黏结作用，但也会有天然树脂、合成树脂、橡胶、塑料等有机高分子材使纱线的强度在纵横两向因波纹角度而减小，且受料以及无机胶黏剂类材料．玻璃纤维织物的耐久性力时在交叉点位置容易产生应力集中，波纹和交叉能可以通过涂覆不同的涂层材料来提高．例如，可以点更是易发生腐蚀不均的位置．涂覆抗碱的聚烯酸酯类，从而使玻璃纤维织物应用总之，以二氧化硅为主要成分的玻璃纤维，在碱于建筑装饰及建筑补强加固方面¨．性环境下，硅氧键容易发生断裂，进而使得纤维发生3纤维编织网增强混凝土耐久性试验腐蚀效应，而水泥熟化时产生的氢氧化钙恰好形成方法了这样一种碱性环境．同时，在玻璃纤维束内生成的硅酸钙结晶也会损伤纤维并使其逐渐失去韧性3．1GRC耐久性试验方法而变脆．并且编织网自身的几何特征也会影响材料就化学成分而言，由于纤维编织网增强混凝土的耐久性能．(TRC)与玻璃纤维混凝土(GRC)所用的材料基本相同，因此现有的TRC耐久性试验方法大多是基于2编织网增强混凝土耐久性的改进GRC耐久性方法获得的．方法3．1．1水泥浆液浸泡加速老化法从编织网增强混凝土长期耐久性破坏机理出将玻璃纤维在较高温度(50～80oC)的水泥浆发，改进此种材料的方法大致可归为以下3种．液中浸泡一定时间．通过测定纤维强度的变化或浆1)降低水泥基体的碱性，即配制低碱度水泥或液化学成分的变化来判定纤维的腐蚀程度¨．该方对普通硅酸盐水泥进行改性处理(添加除碱剂)．在法操作方便简单，但只考虑水泥浆液对玻璃纤维的水泥基体方面，我国将硬石膏掺入普通硅酸盐水泥化学腐蚀作用，忽略其他因素对纤维强度的影响，并 第33卷第6期田稳苓，等：纤维编织网增强混凝土耐久性机理和测试方法91且单纯用水泥浆液模拟玻璃纤维的工作环境，也与绘制出循环次数和强度、弹性模量的坐标图，可以看实际有一定差距．出循环次数与各个参数的走向的关系．这种方法3．1．2SIC试验不考虑混凝土基体对纤维的腐蚀作用，只考虑基体该方法将纤维原丝埋于混凝土试件的中部后浇与纤维束之间的物理相互作用．注水泥浆，并使试件存放在不同的环境中，然后在纤4结语维原丝的两端施加拉力使之从混凝土试件中拔出，以玻璃纤维本身抗拉强度的变化来评定玻璃纤维有编织网增强混凝土具有良好的力学性能，具有无受到侵蚀．该方法是假设玻璃纤维混凝土在长质轻、耐酸盐腐蚀、高熔点及耐高温不收缩性、良好期潮湿环境下抗拉强度和抗弯强度的下降完全是由的延性和能量吸收能力、体积小、方便施工等优点，水泥浆对玻璃纤维的化学侵蚀造成的¨．最后根据已广泛应用于土木、环境、艺术等诸多领域．现阶段阿洛尼乌斯方程推算出材料的耐久程度．其耐久性老化机理主要分为化学侵蚀原理和物理破3．2TRC耐久性试验方法坏原理．对此分别采用降低混凝土碱性和增强纤维由于GRC中纤维在水泥基体中是乱向分布的，自身抗碱能力的方法来提高TRC的耐久性能，并以使得试验结果具有不确定性或相差较大，大多用于GRC耐久性试验方法为基础，应用化工动力学等相化学方法评价玻璃纤维混凝土的耐久性能．而TRC关知识来研究TRC的耐久性问题．但对于此材料的中网格布是二维或三维定向分布的，这就使得材料耐久性研究还有几点不足．性能的稳定性大幅度提升．1)现有的试验，大多是在实验室控制单一变量3．2．1玻璃纤维网格布法来研究纤维编织网增强混凝土的耐久性能，没有考将玻璃纤维编织成网格布埋入水泥基材料中，虑各个条件可能具有的相关性，也没有把物理与化制成小型构件．将构件放入蒸气室中(不同温度和学之间的耦合作用加以分析，而构件在实际工作中湿度)进行加速老化，将老化后的构件进行拉伸试往往是受多种条件共同影响的．验，测试构件强度的改变．强度下降相对小的水泥基2)TRC是一种复合建筑材料，并且其耐久性问更适合与抗碱纤维匹配¨卜．这种方法能够更加题是一个复杂的过程，现有的研究没有将它分龄期、准确地反映纤维在水泥基材中的老化程度，原因是分阶段加以分析，而在实际中，在不同阶段其老化机采用单向定量配置玻璃纤维或者网格布能够更加准理是不同的．确地控制纤维含量和纤维取向，在很大程度上消除3)现有的TRC耐久性研究大多以定性成果为由于每个试件中纤维含量差异和纤维取向系数差异主，缺少本构关系模型的建立和定量的计算成果．而造成的试验结果偏差，并且将纤维网做成小型构件，而不是浸泡在溶液或水泥浆液中，这样的环境更参考文献接近实际情况．但构件的制作需要一定的精度，操作相对复杂．[1]PeledA．Confinementofdamagedandnon—damagedstruc—3．2．2有限循环荷载法turalconcretewithFRPandTRCsleeves[J]．ASCEJ对纤维编织网混凝土进行有限循环荷载作用，CompConstr，2007，11(5)：514—522．每次循环中，最大荷载增加5MPa，最小荷载保持[2]邓燕华．纤维混凝土的研究进展[J]．洛阳理工学院学报：自然科学版，2009，19(4)：18—22．1MPa不变．求出荷载和应变的曲线图．在曲线中，[3]HeggerJ，WillN，RuergK．Textilereinforcedconcretes-a将各个循环的最大荷载和最小荷载对应的点相连，newcompositematerial[C]／／Grosse，ChristaianU．Ad—所得直线的斜率就是该次循环的弹性模量E．再将vancesinConstructionMaterials2007．Berlin：SpringerBer—每次循环所得的E绘制成曲线，可以看出在循环荷linHeidelberg，2007．载下，构件弹性模量的变化情况。这种方法的[4]尹世平．TRC基本力学性能及其增强钢筋混凝土梁受优点在于操作简单，能够很好地反映出循环荷载对弯性能研究[D]．大连：大连理工大学，2010．TRC构件的影响，但试验周期较长且忽略了化学等[5]张丕兴，许温葭，卢堡山，等．低碱度水泥对中碱玻璃纤其他因素的影响．维作用机理的研究[J]．硅酸盐学报，1981，9(3)：3093．2．3干湿、冻融循环试验—317．对纤维编织网混凝土进行干湿、冻融循环试验，[6]MajumderAJ．RILEMSymP[J]．FibreReinforedCement测量循环后试件的强度及试件开裂后的弹性模量．andConcret，1975(2)：279． 92华北水利水电学院学报2012年12月[7]PeledA．Pretensioningoffabricsincement-basedcompos—展[J]．建筑技术，2004，35(4)：266—268．ites[J]．CementandConcreteResearch，2007，37(5)：805[19]GliniekiMA，BrandtAM．Quantificationofglassfibre——813．cementinterfacialpropertiesbySEM·-basedpush—outtest[8]OrlowskyJ，RaupachM．DurabilitymodelforAR-glassfi-[c]∥ReinhardtHW，NaamanAE．Proc5thintRILEMbresintextile—reinforcedconcrete『J]．MaterialsandStruc．workshophighperformancefiberreinforcedcementCOB-tures，2008，41(7)：1225—1233．posites．Mainz：Proc53RILEM，2007．[9]张丕兴，张成诚．用于硫铝酸盐水泥混合材的试验研究[20]陈尚，葛敦世．耐碱玻璃纤维在普硅水泥中长期强度[J]．水泥工程，2011(1)：1—5．的预测[C]∥中国硅酸盐学会房建材料专业委员会第[10]张丕兴．玻纤水泥发明之“梦想成真”[J]．中国建材，四届年会论文集：纤维增强水泥及其制品分册．南京：2003(5)：39．中国建材工业出版社，1987．[11]MarkoButler，ViktorMechtcherine，SimoneHempe1．Du—[21]BuferM，MechtcherineV，HempelS．Experimentalinves—rabilityoftextilereinforcedconcretemadewithARglasstigationsonthedurabilityoffibre-matrixinterfacesintex—fibre：effectofthematrixcomposition[J]．Materialsandtile—reinforcedconcrete[J]．Cement＆ConcreteCompos—Structures，2010(43)：1351一l368．ites，2009，31：221—231．[12]陈雅斓，李玉香．碱一粉煤灰一矿渣水泥作GRC胶结[22]ButlerM．Zurdauerhaftigkeityonverbundwerkstoffenaus材的试验研究[J]．西南科技大学学报，2005，20(2)：zementgebundenenmatricesundalkaliresistentenglasfas—38—41．er—multifjlamentgarnen[J]．TechnischeUniversitatDres—[13]陈益兰．偏高岭土替代硅灰配制高性能混凝土[J]．硅den，2009(4)：61—66．酸盐学报，2004，32(4)：25—29．[23]PeledA，MobasherB．Tensilebehavioroffabriccement—[14]HeidiCuypersl，JeanetteOrlowsky，MichaelRaupach，etbasedcomposites：puhrudedandcast[J]．JournalofMate-a1．DurabilityaspectsofAR-glass—reinforcementintextilerialsinCivilEngineering，ASCE，2007，19(4)：340—reinforeedconcrete，Part1：Materialbehaviour[J]．Mate—348．rialsandStructures，2008(13)：382—388．[24]CuypersaH，WastielsaJ，ItterbeeckaPVan，eta1．Dura—[15]崔艳玲．GRC耐久性及其机理研究[D]．北京：中国建bilityofglassfibrereinforcedcompositesexperimental筑材料科学研究总院，2007．methodsandresults[J]．ELSEVIER，2006(37)：207—[16]李陶琦．玻璃纤维加工用环氧改性醋丙树脂乳液合成215．研究[J]．玻璃纤维，2006，5(6)：4—7．[25]CurbachM，JesseF．EigenschafienundAnwendungyon[17]许温葭，卢保山，张丕兴，等．I型低碱度水泥的研究与Textilbeton[J]．Beton．undStahlbetonbau2009，104(1)：应用[J]．硅酸盐学报，1986，14(2)：233—239．9—16．[18]曹巨辉，汪宏涛．玻璃纤维增强水泥耐久性研究的进TheDiscussionontheDurabilityMechanismandTestMethodsofTextile-reinforcedConcreteTIANWen-ling，SUNXue—feng(HebeiUniversityofTechnology，Tianjin300401，China)Abstract：Withtheprematurefailureofstructurebecomingwidespread，thedurabilityofmaterialsandstructureshasdrawnincreasrngattention．Inthispaper，thefailuremechanismofthelong—termdurabilityontextile-reinforcedconcrete(TRC)，themethodsofTRCdurabilityimprovementandthedurabilitytestmethodsarediscussed．Basedontheapplicationsofglassfiberreinforcedconcrete(GRC)andpreviousstatisticalresultsfordurabilitytestofGRC，theadvantagesanddisadvantagesofdurabilitytestmethodsofTRCaresummarized．Inaddition，theideaoftheapplicationofnewmaterialsTRCinstructuralreinforcementfordurabilityisproposed．Keywords：textilereinforcedconcrete(TRC)；durability；testmethods；newmaterials(责任编辑：陈海涛)