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学兔兔www.xuetutu.com第13卷第4期建筑材料学报Vo1．13，No．42010年8月JOURNAL0FBUILDINGMATERIALSAug．，2010文章编号：1007—9629(2O1O)O4—0468—06提高纤维编织网保护层混凝土抗剥离能力的有效方法尹世平。，徐世娘。(1．中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州221116；2．浙江大学建筑工程学院，浙江杭州310058；3．大连理工大学土木工程学院，辽宁大连116024)摘要：为了改善环氧树脂浸渍后的纤维柬与混凝土之间沿纤维束径向的黏结性能，通过对薄板试件进行四点弯曲试验，研究了对纤维束表面进行黏砂处理、在混凝土中掺加短切聚丙烯纤维及在纤维编织网上挂U型钩等措施的影响．结果表明：这3种措施都有助于提高纤维柬与混凝土之间沿纤维柬径向的黏结力，从而提高保护层混凝土的抗剥离能力，最终提高构件的承载性能；黏细砂网的增强效果优于黏粗砂网；聚丙烯纤维掺量略低于1．0kg／m。的效果较好；加入U型钩的试件承栽能力提高明显．关键词：纤维编织网；混凝土保护层；抗剥离能力；四点弯曲；U型钩中图分类号：TU377文献标志码：Adoi：10．3969／j．issn．1007—9629．2010．04．010EffectiveMethodtoImproveAnti·flakingCapacityofCoverConcretetoTextileyJNShi—ping，【，Shi—lang’。(1．SchoolofMechanics&CivilEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China；2．CollegeofCivilEngineeringandArchitecture，ZhejiangUniversity，Hangzhou310058，China；3．DepartmentofCivilEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian116024，China)Abstract：Inordertoimprovethebondperformanceintheradialdirectionoftheyarns，betweentheepoxyresin—impregnatedtextileandtheconcrete，stickingsandsonthesurfaceofthetextile，addingtheshort-cutpolypropylene(PP)fiberintotheconcreteandhangingU—shapedhooksuponthetextilewerestudied．Thefour—pointbendingtestsofthinplatespecimensshowthattheabovethreemethodsareallhelpfultoimprovetheadhesivebondintheradialdirectionoftheyarns，andthustheanti—flakingcapacityoftheCOY—erconcreteisenhanced，andfinallythebearingcapacityofthecomponentisimproved．Additionally，theenhancementeffectofthetextilestuckwithfinesandsiSsuperiortothatstuckwithcoarsesands；theeffectisbetterwhenthemixingamountofPPfiberis3litterlowerthan1．0kg／m。；thebearingcapacityofthespecimenscanbeimprovedsignificantlybyhangingU—shapedhooksuponthetextile．Keywords：textile；concretecover；anti—flakingcapacity；four—pointbending；U—shapedhook目前，短纤维增强水泥基材料已经得到了广泛的研究和应用．用高性能的短纤维增强水泥基材料收稿日期：2009-09-07；修订日期：2O10一O1—19基金项目：国家自然科学基金重点项目(504380IO)第一作者：尹世平(1978～)，男，山东高密人，大连理工大学博士生．E—mail：yinshiping7808@yahoo．corn．an通信作者：徐世娘(1953～)，男，长江学者特聘教授，博士生导师．E-mail：slxu@dlut．edu．cn 学兔兔www.xuetutu.com第4期尹世平，等：提高纤维编织网保护层混凝土抗剥离能力的有效方法469可以生产具有高耐久性的薄壁、轻质构件．然而，短径向的黏结应力传递较高，从而导致混凝土受到了纤维在某方向上的增强效率受其分布的方向性限较高的盘绕张力．制，因而不能代替钢筋在结构中承受某个明确方向为改善纤维束和基体材料间的界面黏结性能，的荷载作用[1]．近1O年来，纤维编织网增强水泥基提高TRC的受力特性，本文尝试了对纤维束表面黏材料得到了人们的广泛关注¨j。．纤维编织网增强砂处理、在混凝土中掺短切聚丙烯纤维及在纤维编混凝土(textilereinforcedconcrete，TRC)是一种结织网上挂U型钩的措施；并考虑了不同的黏砂粒径合了短切纤维增强混凝土和普通钢筋}昆凝土二者优及聚丙烯纤维掺量对构件界面黏结性能和受弯性能点的复合材料『8]．由于所采用的纤维材料(如耐碱玻的影响．璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维等)具1材料和试验方法有耐腐蚀性，因而不再需要防止化学侵蚀的混凝土保护层，结构单元的厚度主要依赖于增强纤维必需1．1纤维编织网的锚固厚度[7]．这些特性使得TRC可被应用于轻质试验中采用的是由相互垂直的碳纤维柬(T700S)薄壁结构_2]，还可用于制作面板或覆层，防治各种混和无碱玻璃纤维束(E—glass)混编的二维缝编织物，凝土开裂[】，以及钢筋混凝土结构或木结构的修复网格间距为10mm(见图1)．这2种纤维柬都是由没与加固D1o3．有扭曲的复丝组成，直的纬向碳纤维柬在正交点处在TRC构件的推广及应用过程中，其力学性能插入直的径向无碱玻璃纤维束中，然后通过线圈缝的研究十分必需．文献[4—8]指出，纤维束和混凝土合无碱玻璃纤维束的方式紧紧地结合在一起，形成的界面特性是影响TRC力学性能的关键性因素．一个强有力的整体．Peled等z]研究发现，纤维网的几何特性对其界面黏结及增强效果影响较大．由于水泥基体不能完全浸入纤维网纱线的内部，因而形成了外层纤维和基体接触，而内部纤维接触不到基体的现象_5J8]，这样就大大降低了纤维协同受力的效果，不能充分发挥其增强作用．为了改善纤维网和基体问的界面黏结，国内外开展了大量的试验研究，其成果主要包括4个方面：(1)改变纤维间的性质．通过机械或化学的(a)Beforeimpregnated方法分离纤维丝，加大纤维丝之间的距离，使水泥基体浸入到内部的纤维丝中[133．(2)用液态聚合物进行浸渍．研究口表明，经聚合物浸渍后的纤维网能够协同受力，极大提高了其和基体间的界面黏结强度，从而提高构件的承载能力．其中文献[3，13，16]发现，在浸渍后纤维网的表面喷砂可以进一步提高其界面黏结．(3)在混凝土基体中加入聚合物，改变原有基体的组分，在纤维网不浸渍的情况下使基Co)ARerimpmgnateMbyepoxyresinandcoveredwithsand体材料最大可能地浸入到纤维束中[1”]．(4)通过图1碳玻混编网对环氧树脂浸渍后的纤维束施加预应力，通过基体Fig．1Hybridtextilesmadeupofcarbonand材料的挤压作用来提高界面黏结_3]．E—glassyarns浸渍后的纤维柬增强构件易产生分层，甚至导致表层混凝土的剥离，从而降低构件的承载能本文采用的碳纤维束和无碱玻璃纤维束材料参力[1．纤维编织网和混凝土界面的破坏基于两个主数由厂家提供(见表1)．本文根据GB／T3362—要的机制[1I：一是聚合物浸渍纤维编织网和混2005{碳纤维复丝拉伸性能试验方法》测得试验所用凝土之间微弱的界面黏结；二是构件中纵向微裂缝的经环氧树脂浸渍的碳纤维柬的力学参数如表2的形成．这是由于在纤维束和混凝土界面沿纵向和所示． 学兔兔www.xuetutu.com470建筑材料学报第13卷P‘Ⅱ‘RFiswater?1Iastcementashtmeuthet31rd：ener‘atIO：gnJm／m0—0．6mm0．6-I．2mlTl1．2细粒混凝土Pf一Pf一而u·18％．·为使混凝土能顺利渗透纤维编织网(以下简称为纤维网)，并与其形成良好黏结，避免孔穴，减少施工难度，且具有高流动性、不离析的自密实能力，要求混凝土粗骨料的最大粒径一般小于4mm．为此本文专门配制了高性能细粒混凝土，其配合比见表3．经试验测试，符合自密实混凝土的工作性能要求．图2U型钩示惹图1．3试件制备Fig．2SchematicforU-shapeironhook(size：mm)制备试件之前要先对纤维网进行环氧浸渍处1．4加载方式及测试内容理，在环氧树脂变干之前洒上不同粒径(0～0．6，采用30t万能试验机对试样进行加载，如图3所0．6～1．2mm)的细砂，待环氧树脂彻底干透且砂与示布置．加载由位移控制，速率0．5mm／mim荷载纤维网凝结成一体后方可使用(见图1(b))．为了减由荷载传感器测定，跨中挠度由2个LVDT测定．荷小试验的离散性，试件由大板试件切割而成，布设层载传感器和LVDT通过数据采集系统连接在电脑上，数为一层．首先将900mm×490mm×20mm的模直接输出荷载一位移曲线．采集系统选用德国进口的具严格放平，然后浇注厚15mm的细粒混凝土，再IMC(IntegratedMeasurement＆Contro1)．将纤维网给予一定的张力固定到模具上(对于植入p／2p／2U型钩的试件，每隔3个网格将2个端脚长度不同的U型钩(见图2)的短端脚钩住纤维网，长端脚插入细粒混凝土中)；最后再浇注厚5mm的细粒混凝土(对于掺加聚丙烯(polypropylene，PP)纤维的试件，纤维掺量分别为0，0．5，1．0，1．5kg／m。时试件图3弯曲试验装置Fig．3Schematictestsetupforfour-pointbendingtest编号分别为OPP，0．5PP，1_OPP，1．5PP)；室温下静置24h后拆模，然后送入标准养护室养护27d．试2试验结果及分析验前用石材切割机锯出所用弯曲试件，试件尺寸为490mm×100mm×20mm，同样规格的试件至少保2．1浸渍处理对纤维网力学性能的影响证有3个．这样100mm宽度内即布设了8根碳纤表2中测试结果表明，即使浸渍后，也不能完全维束，配网率为：发挥纤维的作用．这是因为生产和运输过程不可避 学兔兔www.xuetutu.com第4期尹世平，等：提高纤维编织网保护层混凝土抗剥离能力的有效方法471免地会对纤维造成损伤，因此纤维柬的实际抗拉强耄∞0度值低于厂家提供的抗拉强度值．浸渍后的纤维束之所以比单丝纤维有更大的测量应变，一是由于在浸渍过程中，碳纤维不是完全处于伸直拉紧状态；二是由于经向纤维的影响，碳纤维(a)Separatingoftheinterface在节点位置处于屈曲状态，因此，当张拉力达到一定程度时，碳纤维被拉直的这部分变形就隐含在测量数据中；第三点可能是由于测试中的误差影响．浸渍后碳纤维束的弹性模量比单丝纤维偏低，可能是由于环氧树脂的弹性模量相对于碳纤维来说太小，从而影响了浸环氧树脂硬化后纤维束的弹性Co)Flakingoftheconcrete模量，也可能是由于附加变形的加入而导致计算的图6不黏砂网增强试件的开裂情况弹性模量偏低．Fig．6Specimenreinforcedwiththetextilewithoutsand2．2表面黏砂处理对TRC力学性能的影响图4～6给出了纤维网黏砂处理对薄板构件界二者之间应力的有效传递．这将增加纤维网的限裂面黏结性能和力学性能的影响．不黏砂(nosticking作用，改善构件的裂缝形式，降低表层混凝土剥离的sand，NSS)、黏细砂(stickingfinesand，SFS)、黏粗可能，从而保证了二者的协同受力．黏细砂网增强效砂(stickingcoarsesand，SCS)分别用NSS，SFS，果似乎要优于黏粗砂网，这也可以从黏砂对界面黏SCS表示．结性能的改善得到解释，即黏细砂网对纤维束与混凝土界面黏结性能的改善要优于黏粗砂网[1．此外，在试验中还观察到，所有黏砂网增强的试件破坏之前界面几乎都是完好的，裂缝形式也比较理想(见图5)．由于裂缝宽度很小，卸载后不易辨别，为了便于观察，在加载过程中将开裂的位置标出．由图6可见，对于不黏砂网增强的薄板，由于界面效果不理想，裂缝开口较大，致使纤维网和基体不能协同受力，最后几乎是纤维网的弯曲拉拔．而在荷Mid—spandeflection／mm载为1．4～1．6kN时，纤维网和基体的界面就出现图4纤维网不同表面处理时试样的跨中挠度与荷载的关系微观裂缝，随着荷载的增加，界面裂缝继续扩展，最Fig．4Relationshipbetweenmid—spandeflectionandloadof后导致细粒混凝土的剥离破坏，不能充分发挥纤维specimenwithdifferentsurfacetreatmentoftextile网的作用．这与文献[13]中由于沿纤维束径向的黏结力很薄弱而导致构件界面破坏的结果相似．2．3掺加聚丙烯纤维对TRC力学性能的影响这部分研究了细粒混凝土中加入的聚丙烯纤维对薄板构件界面黏结性能和力学性能的影响．聚丙图5黏砂网增强试件的开裂情况烯纤维掺量对TRC试样力学性能的影响见图7．Fig．5Specimenreinforcedwiththetextilewithsand由图7可见，加入聚丙烯纤维有助于提高薄板由图4可见，开裂后，黏砂网增强试件具有更高试件的开裂后刚度．这是因为短纤维在裂缝处的桥的刚度，因而同样变形情况下其承载能力也更高．这联作用延缓了裂缝发展，降低了裂缝宽度．同时，短是因为黏砂增加了纤维柬的表面粗糙度，使得纤维纤维的桥联作用使混凝土的抗剥离能力得到提高，束和混凝土之间的机械咬合力提高，有益于二者之改善了其和纤维束之间的界面黏结，从而有助于纤间界面黏结力的增加，从而提高了沿纤维束径向的维网和细粒混凝土之间的应力传递，更好地发挥纤应力分量，在相同曲率下使保护层混凝土的抗剥离维网的增强作用，但并不是纤维掺量越高越好．由图能力更高．同时，界面黏结强度的提高也有效减小了7可知，当聚丙烯纤维掺量为1．5kg／m。时，构件的纤维网和细粒混凝土之间的相对滑移，从而保证了承载能力反而比不掺聚丙烯纤维的试件低．分析其 学兔兔www.xuetutu.com472建筑材料学报第l3卷2·52·03·。O．5UlUl，2UZ，jUMid—spandeflection／mmMid—spandeflection／mm图7不同聚丙烯掺量下试样跨中挠度与荷载的关系图9加或不加U型钩试件跨中挠度与荷载关系的对比Fig．7Relationshipbetweenmid—spandeflectionandFig，9Comparisonofspecimenswithandwithoutloadofspecimenwithdifferentcontentsofpoly-U—shapedhookspropylenefiber原因，可能是由于聚丙烯纤维的增稠作用和弱界面效应，这都是对细粒混凝土强度不利的因素；当聚丙烯纤维掺量偏高时，在不改变细粒混凝土配比的情况下会导致纤维的分散效果不好，从而在混凝土中图1O未加U型钩试件的破坏图人为引入了缺陷，在纤维束和混凝土界面的高应力Fig．10FailurephotoofthespecimenwithoutU—shapedhooks传递区，这些缺陷的不利影响会更加明显．试验还发现，聚丙烯纤维掺量为0，1．5kg／m。的试件都是先耄∞o从纤维网和细粒混凝土的界面开始出现剥离，当荷载达到一定程度后再沿界面剪切破坏；聚丙烯纤维掺量为0．5kg／m的试件有的是混凝土的剥离破坏，有的是界面完好情况下的弯曲破坏；而聚丙烯纤维掺量为1．0kg／m。的试件几乎都是弯曲破坏，破坏之前界面完好或有微裂纹(见图8)．所以聚丙烯纤图11加U型钩试件临近破坏图Fig．11Neartofailureofthespecimenwith维的掺量应该有一个最优值，虽然本次试验的构件较U—shapedhooks少，但结合图7可知该最优值应该略小于1．0kg／rn3．在试验中还观察到，不掺聚丙烯纤维的细粒混凝土与经向的固定纤维联合作用提高了沿纤维束纵向的开裂后，裂纹穿过纤维网并贯穿整个截面；掺聚丙烯界面黏结，使基体和纤维网能够协同受力，避免了因纤维后可以避免这种情况，细粒混凝土开裂后，裂缝纤维网和基体过早剥离而不能充分发挥纤维网性能缓慢向受压区发展，直到最后破坏，这与文献[22]得的情况出现，最后在界面完好的情况下弯曲破坏，纤到的结论相同．维网被拉断．同时由于U型钩的加入可以看作是钢筋混凝土结构中箍筋的作用，提高了构件的截面抗剪能力，有效防止了同样情况下构件的剪切破坏，提高了薄板的承载能力．试验中还发现，加人U型钩的试件在整个受力过程中沿纤维网和基体的界面无肉眼可见微裂缝，图8不黏砂网增强的薄板试件临近破坏图且由于良好的界面黏结，薄板的裂缝间距和裂缝宽Fig．8Neartofailureofthinplatereinforcedwithtextile度也较小．而未加U型钩的试件在荷载达到1．4kNwithoutsand(with1．0kg／m。PPfiber)左右时即沿界面出现微裂缝，且随着荷载的增加而2．4加入U形钩对TRC力学性能的影响变大，最后导致界面剥离破坏或慢慢形成沿界面发在纤维网上挂U型钩后，不黏砂网增强的薄板展的剪切斜裂缝而剪切破坏(见图10)，纤维网的作试件的力学试验结果如图9～11所示．用未得到充分发挥．图1l是加入U型钩后，不黏砂由图9～1l可以发现：U型钩的加入为不黏砂的薄板，在荷载达到2．8kN左右时，挠度约为纤维网提供了足够的沿纤维束径向的锚固应力，且23mm，界面仍然完好，薄板最后都为弯曲破坏． 学兔兔www.xuetutu.com第4期尹世平，等：提高纤维编织网保护层混凝土抗剥离能力的有效方法473析[D]．大连：大连理工大学，2005：89—96．3结论LIHe．Analysisandexperimentalstudyontextilereinforcedconcreteelements[D]．Dalian：DalianUniversityofTechnolo—1．黏砂提高了纤维束和混凝土之间的机械咬合gY，2005：89—96．力，有效地减小了二者之间的相对滑移，从而保证了r12]PELEDA，BENTURA．Geometricalcharacteristicsandeffi—ciencyoftextilefabricsforreinforcingcementcomposites[J]．二者之间应力的有效传递，改善了构件裂缝形式．CementandConcreteResearch，2000，30(5)：781-790．2．细粒混凝土中加入短切聚丙烯纤维可以改善[133DILTHEYU，SCHLESERM，MOLLERM，eta1．Application薄板试件开裂后的力学特性．通过比较发现，聚丙烯ofpolymersintextilereinforcedconcrete—fromtheinterfaceto纤维掺量略低于1．0kg／m3的效果要好一些．constructionelements[C~／／TextileReinforcedConcrete．France：RIIEMPublicationSARL，2006：55—65．3．U型钩的加入不但可提高纤维束沿其径向r14]XUSL，KRUGERM，REINHARDTHW．Bondcharacteris—的锚固力，也可以提高构件的截面抗剪能力，从而明ticsofcarbon，alkali—resistantglassandaramidtextilesin显地提高了不黏砂纤维编织网增强构件的受力mortar[J]．JournalofMaterialinCivilEngineeringASCE，2004，16(4)：356-64．性能．[15]苟勇，孙伟，REINHARDTHW，等．碳纤维织物增强混凝土参考文献：薄板的界面黏结性能试验[J]．东南大学学报，2005，35(4)：593—597．[1]苟勇，孙伟，REINHARDTHW，等．短纤维和织物增强混凝XUNYong，SUNWei，REINHARDTHW，eta1．Experiment土薄板试验研究l-j]．土木工程学报，2005，38(11)：58—63．oiltheinterfacebondingperformanceofcarbontextilerein—XUNYong．SUNWei，REINHARDTHW，eta1．Anexperi—forcedconcretesheets[J]．JournalofSoutheastUniversity，mentalstudyonshortfiberandtextilereinforcedconcrete2005，35(4)：593—597．(inChinese)thin—slabs[J]．ChinaCivilEngineeringJournal，2005，38(11)：[16]李庆华，绘世娘，李赫．提高纤维编织网与砂浆黏结性能的实5863．(inChinese)用方法口]．大连理工大学学报，2008，48(5)：685—690．[2]HEGGERJ，VOSSS．InvestigationsonthebearingbehaviorLIQinghua，XUShilang，LIHe．Practicalmethodofimpro—andapplicationpotentialoftextilereinforcedconcrete[J]．En—vingbondingbehaviorbetweenfibertextileandmortar[J]．gineeringStructures，2008，30(7)：2050—2056．JournalofDalianUniversityTechnology，2008，48(5)：685—[3]徐世娘，李赫．碳纤维编织网和高性能细粒混凝土的黏结性能690．(inChinese)口]．建筑材料学报，2006，9(2)：211-215．r17]SCHLESERM，LAUFFERBW，RAUPACHM，eta1．Appli—XUShi—lang，LIHe．Studyonbondpropertybetweenhighcationofpolymerstotextile-reinforcedconcrete[J]．Journalofperformancefineconcreteandcarbontextile口]．JournalofMaterialsinCivilEngineering，ASCE，2006，18(5)：670676．BuildingMaterials，2006，9(2)：211—215．(inChinese)厂18]RE1NHARDTHW，KRUGERM，GROBECU．Concreter4]BENTURA，PELEDA，YANKELEVSKYD．Enhancedhon-prestressedwithtextileIabric~J]．JournalofAdvancedCon—dingoflowmoduluspolymerfiberscementmatrixbymeanscreteTechnology。2003，1(3)：231239．o1crimpedgeometry[J]．CementandConcreteReserch，1997，r19]DILTHEYU，SCHLESERM，HEGGERJ，eta1．Loadbearing27(7)：10991111．behaviorofpolymer-impregnatedtextilesinconcrete[C]／／Pro—r5]BANHOLZERB，BROCKMANNT，BRAMESHUBERW．ceedingsoftheFifthInternationalRILEMWorkshop(HP—MaterialandbondingcharacteristicsfordimensioningandFRCC5PR053)．RILEMPublicationsSARL，Mainz，2007：modeling0ftextilereinforcedconcrete(TRC)elements[J]．183—192．MaterialsandStructures，2006，39(8)：749—763．[2O]DILTHEYU，SCHLESERM．Investigationandimprovement[6]HOLLERS，BUTENWEGC，NOHSY，eta1．Computationalofconcretereinforcedwithepoxyimpregnatedfabrics[C]∥modeloftextilereinforcedconcretestructures[J]．Computers12thInternationalCongressonPolymersinConcrete．Korea，andStructures。2004，82(23)：197卜1980．Chnncheon，2007：725-734．[7]HEGGERJ，WILIN，BRUcKERMANNO，eta1．Loading-[21]徐世焕，李赫．用于纤维编织网增强混凝土的自密实混凝土bearingbehaviorandsimulationoftextilereinforcedconcrete[J]．建筑材料学报，2006，9(4)：48卜483．[J]．MaterialsandStructures，2006，39(8)：765—776．XUShilang，LIHe．Studyonself-compactingconcreteofrex—[8]JESSEF，WILLN，CURBACHM，eta1．Loading—bearingbe—tilereinforcedconcrete[J]．JournalofBuildingMaterials，hayioroftextile-reinforcedconcrete[cD]．ACISP250，2008：2006，9(4)：48卜483．(inChinese)59—68．[22]徐世娘，李庆华，李贺东．碳纤维编织网增强超高韧性水泥基[9]BRUCKNERA，ORTLEEPR，CURBACHM．Textilerein—复合材料弯曲性能的试验研究[J]．土木工程学报，2007，40forcedeoncreteforstrengtheninginbendingandshear[J]．(12)：69—76．MateriatsandStructures，2006，39(8)：741—748．XUShilang，LIQing—hua，LIH~dong．Anexperimental[1o3PELEDA．Confinementofdamagedandnon—damagedstrucstudyontheflexuralpropertiesofcarbontextilereinforcedturalconcretewithFRPandTRCsleeves[J]．JournalofCornECC[J]．ChinaCivilEngineeringJournal，2007，40(12)：69—positesforConstruction，2007，11(5)：514-522．76．(inChinese)[11]李赫．纤维编织网增强混凝土力学性能的实验研究及理论分