纤维编织网与水泥基体的界面粘结性能研究 74页

分类号：TU528.572密级：公开UDC：624编号：201421601027河北工业大学硕士学位论文纤维编织网与水泥基体的界面粘结性能研究论文作者：刘旭学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：土木工程指导教师：田稳苓职称：教授 DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofCivilEngineeringSTUDYONINTERFACIALBONDPERFORMANCEBETWEENTEXTILEANDCEMENTMATRIXbyLiuXuSupervisor:Prof.TianWenlingMay2017 原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期： 摘要纤维编织网增强水泥基复合材料是将纤维编织网铺设于水泥基体内部作为增强材料而形成的新型复合材料，该复合材料具有承载能力高、自重轻、耐腐蚀等特点。纤维编织网与水泥基体间的界面粘结性能影响该复合材料力学性能的发挥以及二者间协同工作，因此改善二者间的界面粘结作用成为至关重要的问题。目前关于纤维编织网增强水泥基复合材料粘结性能的研究主要通过单束纤维拉拔试验得到，而对纤维编织网拉拔试验的研究很少，本文通过试验研究及数值模拟，研究了纤维编织网与基体的界面粘结性能，具体工作如下：1、通过对单束纤维进行拉伸试验，得到纤维编织网基本力学性能，为后续拉拔试验及有限元分析提供力学参数。2、通过对纤维编织网进行拔出试验，分别研究纤维网埋置长度、表面处理方式、纬向纤维束、基体保护层厚度等因素对界面粘结性能的影响，揭示了粘结作用机理及增强界面粘结作用的方式。3、通过在水泥基体与纤维编织网之间加入非线性弹簧单元，模拟拉拔过程中二者的粘结性能，并以拉拔纤维编织网试件与单束纤维试件为例，分析试件应力及纤维编织网变形情况，模拟得到的拉拔荷载-位移曲线与试验结果吻合较好，验证了模型的合理性。研究表明，纬向纤维束的布置可在一定程度上提高极限拉拔力。4、利用上述模型进一步模拟纤维网格尺寸和水泥基体强度对极限拉拔力及应力分布的影响。研究表明，网格尺寸在一定范围，改变其大小对粘结作用影响不大；提高基体强度会增大极限拉拔力，改善粘结性能。关键词：纤维编织网；粘结性能；有限元；纬向纤维束；纤维网格尺寸I ABSTRACTTextilereinforcedcement-basedcompositematerialisanewkindofcompositematerialwhichlocatingthetextileintheinteriorofcementmatrixasareinforcingmaterial,andthiscompositematerialhashighbearingcapacity,lightweight,corrosionresistanceandothers.Thebondperformancebetweentextileandcementmatrixaffectstheirmechanicalpropertiesandcooperativework,soimprovingtheinterfacialbondingbetweenthemisofsignificance.Atpresent,thestudyonbondperformanceoftextilereinforcedcement-basedcompositematerialismainlyaboutsinglefiberpullouttests,howeverthereisfewtextilepullouttest.Aseriesofexperimentalstudyandnumericalsimulationwascompletedinthepaper,studyinginterfacialbondperformancebetweentextileandmatrix.Thespecificworkisasfollows:1.Throughthetensiletestsofsinglefiber,thebasicmechanicalpropertiesoftextileareobtained,andprovidemechanicalparametersforthesubsequentpullouttestsandthefiniteelementanalysis.2.Basedonthetextilepullouttests,respectivelystudytheinfluencesofembeddedlength,surfacetreatmentoftextile,latitudinalfiber,matrixcoverthicknessandotherfactorsoninterfacialbondperformance,whichcanrevealbondingmechanismandthewaytoenhancethebondperformance.3.Addnonlinearspringelementsbetweencementmatrixandtextiletosimulatebondperformanceduringdrawingprocess.Basedontextilespecimenandsinglefiberspecimen,analyzethestressofspecimenanddeformationoftextile,andtheresultsareingoodagreementwithtests’.Therationalityofthemodelisverified.Theresultsshowthatarrangementoflatitudinalfibercanimproveultimatepulloutforce.4.Theinfluencesoffibermeshsizeandcementmatrixstrengthonultimatedrawingforceandstressdistributionarefurthersimulatedbythismodel.Theresultsshowthatchangesoffibermeshsizehaslittleeffectonbondperformance;Theincreaseofmatrixstrengthwillenhanceultimatedrawingforceandimprovebondperformance.KEYWORDS:textile;bond;finiteelementmethod;latitudinalfiber;fibermeshsizeIII 目录第一章绪论....................................................................................................................-1-1.1研究背景及意义.........................................................................................................-1-1.2纤维编织网增强混凝土.............................................................................................-2-1.2.1纤维编织网增强混凝土概述...........................................................................-2-1.2.2纤维编织网增强混凝土的发展及应用...........................................................-3-1.3纤维编织网增强混凝土研究现状.............................................................................-5-1.3.1纤维编织网增强混凝土粘结性能研究...........................................................-6-1.3.2纤维编织网增强混凝土数值模拟研究...........................................................-8-1.4本文研究目的及内容...............................................................................................-10-1.4.1研究目的.........................................................................................................-10-1.4.2研究内容.........................................................................................................-10-1.5本文技术路线...........................................................................................................-11-第二章纤维编织网基本力学性能试验研究..............................................................-13-2.1概述...........................................................................................................................-13-2.2纤维编织网拉伸试验...............................................................................................-13-2.2.1试验材料.........................................................................................................-13-2.2.2纤维束理论面积.............................................................................................-15-2.2.3试件制作及试验方法.....................................................................................-16-2.3试验结果及分析.......................................................................................................-17-2.3.1试验结果.........................................................................................................-17-2.3.2试验结果分析.................................................................................................-19-2.4本章小结...................................................................................................................-19-第三章纤维编织网增强水泥基复合材料拉拔试验研究..........................................-21-3.1概述...........................................................................................................................-21-3.2试验方案...................................................................................................................-21-3.2.1水泥基体.........................................................................................................-21-3.2.2纤维编织网.....................................................................................................-22-3.2.3试件制作.........................................................................................................-24-3.2.4拉拔试验过程.................................................................................................-27-3.3拉拔试验结果及影响粘结强度因素.......................................................................-28-3.3.1影响粘结强度因素.........................................................................................-28-3.3.2纤维网埋置长度对粘结性能的影响.............................................................-29-V 3.3.3加载距离对粘结性能的影响.........................................................................-31-3.3.4表面处理方式对粘结性能的影响.................................................................-31-3.3.5纬向纤维束对粘结性能的影响.....................................................................-32-3.3.6基体保护层厚度对粘结性能的影响.............................................................-34-3.4本章小结...................................................................................................................-35-第四章纤维编织网增强水泥基复合材料数值模拟..................................................-37-4.1有限元基本理论.......................................................................................................-37-4.1.1非线性有限元问题.........................................................................................-37-4.1.2粘结性能有限元分析.....................................................................................-38-4.2模型建立...................................................................................................................-39-4.2.1单元选取.........................................................................................................-39-4.2.2材料属性.........................................................................................................-41-4.2.3几何建模及网格划分.....................................................................................-46-4.3计算求解...................................................................................................................-47-4.3.1加载与边界条件.............................................................................................-47-4.3.2非线性求解.....................................................................................................-47-4.4有限元结果及分析...................................................................................................-49-4.4.1试件应力分析.................................................................................................-49-4.4.2试件位移分析.................................................................................................-51-4.4.3拉拔荷载-位移曲线分析................................................................................-52-4.5影响因素分析...........................................................................................................-53-4.5.1纤维网格尺寸.................................................................................................-53-4.5.2水泥基体强度.................................................................................................-55-4.6本章小结...................................................................................................................-56-第五章结论与展望......................................................................................................-59-5.1结论...........................................................................................................................-59-5.2展望...........................................................................................................................-60-参考文献..........................................................................................................................-61-攻读学位期间所取得的相关科研成果..........................................................................-65-致谢..............................................................................................................................-67-VI 第一章绪论1.1研究背景及意义自19世纪20年代波特兰水泥诞生，由其制成的混凝土得到了广泛的应用，相对于木、钢、砌体结构，混凝土依靠其抗压强度好、耐久性好、取材容易、可模性好等优点迅速发展。我国是应用混凝土结构最多的国家，在高层建筑、多层框架以及大跨度结构中混凝土均得到了广泛应用，著名的上海电视塔-东方明珠主体高达468m，采用的是混凝土结构，长江三峡大坝采用的混凝土重力坝，坝高186m，混凝土总用量达到1527万m3[1]。随着建筑结构的发展，混凝土自重大、抗拉强度低、抗裂性能差、施工受季节限制等缺点逐渐暴露出来，为了改善上述缺点，国内外学者研究出了轻质混凝土、高强混凝土、高性能混凝土等[2]。虽然混凝土抗压强度较强，但其抗拉性能很弱，而钢筋具有良好的抗拉性能，因此在混凝土中配置适量钢筋有助于增强结构的抗拉性能，充分发挥钢筋和混凝土的优点，合理用材，提高结构变形能力和承载能力。然而在长期使用中钢筋混凝土结构同样暴露出了缺点，混凝土通常是带裂缝工作，钢筋与外部环境直接接触易发生锈蚀，使钢筋与混凝土之间的粘结性能退化，保护层脱落，结构过早失效而出现建筑物破坏，钢筋混凝土结构的耐久性问题备受关注[3][4]。基于钢筋混凝土结构存在的缺点，提高建筑物使用寿命的问题备受瞩目，纤维材料以其自重轻、耐腐蚀、韧性好、易于施工等优点逐渐进入了人们的视野。纤维材料的应用主要有以下两种：1、PVA短切纤维在基体中掺入非连续的PVA短切纤维作为增强材料有利于抑制混凝土早期塑性裂缝的开展，本身具有高弹性模量及高强度的PVA短切纤维，有助于提高混凝土耐久性、抗冻性、抗冲击性以及抗碳化能力，并且由于PVA纤维耐腐蚀的特点，纤维增强复合材料不需要保护层厚度，构件可以达到轻质薄壁的目的[5][6]。2、纤维编织网PVA短切纤维在基体中乱向分布，大大降低了纤维材料的增强效率，而纤维编织网可以克服短切纤维受力不明确的缺点，经向纤维束沿混凝土应力主方向布置，有效的控制了裂缝开展[7][8][9]，纬向纤维束与经向纤维束重叠交错，形成网状结构，起到固定经向纤维束的作用。纤维编织网增强水泥基复合材料克服了因钢筋腐蚀导致建筑物过早破坏的问题，但二者能否充分发挥各自的优点并协调工作取决于二者间的粘结性能。本文通过对纤-1- 维编织网增强水泥基复合材料进行拉拔试验，分析拉拔过程中纤维编织网与基体间的粘结作用，并利用有限元软件直观分析试件的应力分布及变形情况。1.2纤维编织网增强混凝土1.2.1纤维编织网增强混凝土概述纤维编织网增强混凝土(Textilereinforcedconcrete，简称TRC)是一种新型高性能水泥基复合材料，其以精细混凝土作基体，将纤维编织网铺设于内部作为增强材料。纤维编织网中经、纬向纤维束重叠交错，在相交节点处通过平织或针织的方式编织成网状结构[10]。平织是指经、纬向纤维束重叠交错，用一条较细纤维束缠绕在纬向纤维束表面，并在两向纤维束交汇处用这条细纤维束将纬向纤维束固定在经向纤维束上，纤维编织网表面经过环氧树脂浸渍后，较细纤维束可以起到增大摩擦粘结的作用，见图1.1(a)。针织方式是在两向纤维束相交处将纬向纤维束打一个结以固定平直穿过的经向纤维束，如图1.1(b)所示。针织的另外一种形式没有纬向纤维束，由一向纤维束连续穿过相邻两纤维束的打结结点，多个纤维束的波峰便起到了主筋增强的作用，见图1.1(c)。(a)平织(b)针织(c)针织图1.1纤维编织网的编织方式纤维材料通常采用碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等，纤维种类不同其物理力学性能会有差异，价格也随之改变，试验中要综合考虑纤维编织网特性、造价等因素选取合适的纤维编织网。碳纤维具有较高的抗拉强度和弹性模量，物理化学性能比较稳定，而玻璃纤维在硅酸盐水泥中易受其中的游离碱离子侵蚀导致其性能弱化，抗拉强度与弹性模量相应减小，但其造价相对低廉，因此在新型建筑中应用比较广泛。两种纤维在应用领域方面也存在差异，对于非预应力构件，碳纤维无法充分发挥其力学性能。为充分发挥碳纤维与玻璃纤维的优势，也可以采用碳-玻混编纤维编织网，将碳纤维作为经向纤维，承担主要荷载，玻璃纤维作为纬向纤维，这样既可以保证主要受力方向有足够的强度和弹性模量，同时又可以降低成本[11]。玄武岩纤维是一种新型增强-2- 材料，相比于碳纤维而言，具有耐高温、延性好的特点，并且在加固成本方面优势明显[12][13]。纤维编织网网格尺寸很小，因此基体中骨料粒径不能过大，并且基体要满足自密实混凝土的要求，具有良好的均匀性、稳定性、以及高流动性，以使基体能够在自重作用下顺利透过纤维编织网并充满整个模具，这样既可以减少浇筑过程中的振捣环节，又避免分层离析[14][15]。1.2.2纤维编织网增强混凝土的发展及应用关于纤维编织网增强混凝土的研究从20世纪80年代开始，但是研究进展比较缓慢，直到90年代后期，研究成果才逐渐成熟。1999年，德国分别在德累斯顿工业技术大学和亚琛工业大学资助成立了SFB528合作研究中心和SFB532合作研究中心，SFB528主要致力于研究TRC新材料，而SFB532主要致力于研究TRC在已有建筑修复和加固方面的应用，两研究中心相继举办了TRC会议，交流研究成果。2002年成立的“欧美纤维编织网增强混凝土协会”，标志着欧美国家正式开展对TRC结构的探索，并于2006年和2010年分别召开了第1届和第2届TRC国际会议[16]。对于TRC的研究，德国成立了专门的纤维编织网增强混凝土合作研究组织，通过数字照相法测量混凝土结构内部裂缝变化、粘贴光纤贴片测量混凝土内部纤维束变形等新型试验技术，开展从微观到宏观、从材料性能到结构性能的研究，近年来TRC结构应用范围扩展到大跨度结构和承重结构。国内也有许多学者从事TRC的研究，以徐世烺教授科研团队和田稳苓教授科研团队为主要代表，研究了TRC结构的粘结性能、力学性能以及应用发展。TRC结构的应用发展见表1.1。表1.1TRC的产品应用产品应用参数利用TRC的特点整个立面240m2，由尺寸为德国亚琛工业大学结构268.5cm×32.5cm×2.5cm的轻质实验室的扩建立面面板[17]面板构成，面板单位面积重面板结构量为57.5kg/m2耐腐蚀性，德国小型污水处理厂[18]—轻质薄壁德国杜塞尔多夫附近机场——的高噪音吸收系统噪声防护墙[18]荷兰阿姆斯特丹到法国应用面积18000m2—巴黎的铁路防噪音系统-3- 表1.1TRC的产品应用(续)产品应用参数利用TRC的特点绝缘，保温，外保温系统[18]TRC三明治结构—风化保护防水保护墙[19]旧房屋的防水系统——平均厚度3cm，由10个单元构成，单个单元重量为德国奥沙茨县[20]500kg、长度为90cm，总重轻质桥梁结构量仅为普通钢筋混凝土梁的20%德国跨越国道的劳特林根桥长97.0m，最大跨径为耐腐蚀人行桥[21]15.05m高度3m，宽度1.8m，跨度10m，结构的基本单元为网格结构[22]菱形网格结构屋架1000mm×600mm×160mm—的菱形单元，壁厚25mm，总重23kg屋顶横向长度约27m，最大跨度约39m，是80mm厚的用TRC对德国施韦因富特双曲双抛物面壳结构，用加固修复结构[23]应用科技大学屋顶壳结构—15mm厚的三层碳纤维编织进行修复网制成的TRC对其进行修复图1.2德国亚琛工业大学结构实验室外墙外立面[17]-4- 图1.3德国污水处理厂[18]图1.4德国劳特林根人行桥[21](a)TRC网格结构(b)细节图图1.5菱形网格屋架[22]1.3纤维编织网增强混凝土研究现状对于纤维编织网增强混凝土的研究，国内外主要从以下四个层次开展[18]：1、基体的工作性能及力学性能的研究；2、纤维编织网与基体粘结性能的研究；3、纤维编织网增强混凝土力学性能的研究；4、纤维编织网增强混凝土复杂结构形式的组合方法及力学性能的研究，如壳、大跨度拱桥等。纤维编织网与基体间的界面粘结性能影响二者协同工作，因此研究其粘结性能有非常重要的意义。-5- 1.3.1纤维编织网增强混凝土粘结性能研究纤维束由若干纤维丝组成，每根纤维丝的直径约为6-9μm，将纤维编织网铺设于基体内部，混凝土不能完全渗透到纤维束中，纤维束中的纤维丝会被分为外部纤维丝和内部纤维丝，如图1.6所示，外部纤维丝可以完全被混凝土浸透，工作性能类似于钢筋，而内部纤维丝不能与基体直接接触，这是由于混凝土具有较高的粘滞性无法进入纤维丝内部间隙[24][25][26]。图1.6纤维束截面图[26]基于纤维的特性，可以得到关于纤维编织网增强混凝土粘结性能的研究主要分为以下三个层次：1、纤维编织网与基体间的粘结2、纤维丝之间的粘结3、纤维丝与基体间的粘结PeledA等[27][28]指出纤维编织网几何特性对基体与纤维编织网粘结作用的影响，改变纤维编织网几何形状会影响其工作效率，低弹性模量的纤维编织网可以获得高应变硬化能力，这也说明纤维编织网不是纤维束的简单组合。不同的纤维类型同样会影响二者间的相互作用，SachikoSueki[29]分别对耐碱玻璃纤维（AR-glass）、聚丙烯纤维（PP）以及聚乙烯纤维（PE）制成的拉拔试件进行试验，耐碱玻璃纤维极限拉拔力最大，PP纤维次之，PE纤维极限拉拔力相较与耐碱玻璃纤维小50%，并且PE纤维韧性最好，PP纤维韧性值仅次于PE纤维，耐碱玻璃纤维韧性相对较差。对复合材料进行电镜扫描有助于从微观角度观测纤维与基体间的粘结界面，金贺-6- 楠[30]通过扫描电镜观察基体、纤维束、粘结界面的微观形貌，观测纤维束拔出后粘结界面的破损，得到纤维编织网与自应力混凝土的粘结性能要优于其与普通混凝土间的粘结性能。文献[31]展示了拉拔前以及纤维被拔断后纤维的微观形态，见图1.7，对比不同处理方式对纤维编织网与基体粘结性能的影响，其中拉挤成型过程中通过对纤维编织网浸渍，填补纤维丝之间的空隙，可以改善复合材料的粘结作用。(a)玻璃纤维侧视图(b)拉拔试验前，埋入基体中的玻璃纤维横截面(c)拉拔试验后，玻璃纤维侧视图(d)拉拔试验前，埋入基体中的PP纤维侧视图图1.7电镜扫描纤维微观形态[31]对纤维编织网进行表面处理同样会影响其与基体的界面作用，王照宇等[32][33]在拉拔试验中为避免受外力作用时外部纤维丝与内部纤维丝不能协同变形，对其用环氧树脂浸渍，使纤维丝紧密结合在一起，进行过表面处理的纤维编织网极限拉拔力能得到明显提高。表面粘砂对提高粘结力效果明显，粘砂粒径为0.15mm~0.30mm时粘结性能可以得到明显改善[34][35]。纤维束埋长的不同也会影响二者的粘结性能，随纤维束埋长的增加，极限拉拔力-7- 增大，平均界面粘结强度（τ[36][37]m）随之降低。短切纤维在混凝土中有很好的分散性和方向性，在纤维编织网增强混凝土中掺加短切纤维可以控制混凝土的开裂，增加掺量阻裂作用更显著，极限拉拔力也越大，但提高幅度不如粘砂明显[38][39]。李赫等[32][40][41]提出对纤维编织网施加预应力可以产生约束效应和泊松效应，增大纤维束中内部纤维丝与基体的接触面积，改善其与混凝土的粘结性能，提高极限拉拔力。粘结本构关系可以精确描述材料的粘结性能，徐世烺等[42][43]介绍了三种本构模型，分别为mBEP模型、三线段模型和四线段模型，见图1.8，并研究了纤维编织网在混凝土中的脱粘机理，利用四线段本构模型对拉拔过程进行解析分析，其计算结果与试验数据吻合良好。(a)mBEP模型(b)三线段模型(c)四线段模型图1.8常用的粘结本构模型为配置适合纤维编织网增强混凝土结构的自密实混凝土，文献[15]选用粒径较小的骨料，掺加超细粉煤灰以提高混凝土流动性，并且采用52.5R硅酸盐水泥和硅灰提高混凝土强度。水泥基体强度会影响纤维编织网与基体间的化学粘着力和机械咬合力，文献[44]通过改变水胶比和减水剂掺量配制了三种基体，在相同的条件下，提高基体强度和自密实性均有助于改善其粘结性能，与提高基体强度相比，改善自密实性更有利于提高纤维编织网与基体间的粘结力。1.3.2纤维编织网增强混凝土数值模拟研究界面是研究粘结的关键要素，利用有限元软件对拉拔试验进行数值模拟，有助于更好地分析纤维编织网与基体的界面粘结性能。Krüger等[45]用分离式模型建立纤维编织网和混凝土，并在二者之间加入零宽度粘结单元，见图1.9，解决了界面单元的划分问题。混凝土用微平面模型建模[46]。-8- 图1.9零宽度粘结单元[45]徐世烺等[42][47]在模拟纤维编织网与混凝土之间的粘结性能时，采用无固定截面形状的杆单元，并加入了零宽度的粘结单元，考虑到纤维编织网混凝土与钢筋混凝土的差别，采用四线段本构模型进行模拟，研究表明施加预应力和环氧树脂浸渍均可以提高试件的承载力。将细观力学与有限元法相结合形成细观力学有限元法，在分析复合材料问题上得到了广泛应用，王红霞等[48][49]采用有限元分析软件ANSYS模拟纤维增强复合材料界面力学性能，基体与纤维采用PLANE82单元，用软件中的接触单元模拟界面力学性能，其中基体用目标面单元TARGE170，纤维用接触面单元CONTA174单元，模拟了纤维束拉拔过程，分析不同基体包裹厚度和不同纤维束埋入长度时应力位移情况。NatalieWP[50]采用有限元软件DIANA做前处理、MidasFX+进行后处理分析，建立了一维有限元模型模拟TRC试件拉拔失效问题，同时建立三维模型模拟非对称埋长等复杂拉拔问题。张雷[51]用ANSYS软件模拟TRC抗弯加固RC梁，用SOLID65单元及其加筋性能分别模拟混凝土和纬向纤维束，经向纤维束和增强钢筋选用LINK8单元，材料界面的剥离和失效选用INTER205单元，当TRC加固层中纤维编织网与基体粘结良好时可将多层纤维编织网等效为一层处理，可以很好的模拟加固构件的受力性能。模拟混凝土有两种方式，第一种是采用离散式方法，即考虑到每个单元中的裂缝扩展，第二种是假设混凝土为均质材料，采用裂缝弥散方法，不考虑模拟基体拉伸行为时的裂缝显式张开。离散式方法需在每次裂缝开展后重新划分网格，耗时较多。选用ANSYS中的SOLID65单元模拟混凝土，用LINK8单元模拟TRC的加强作用，数值分析表明了纤维编织网中校准系数“效率因子”在TRC加固行为中的相关性[52]。采用有限元软件模拟增强水泥基复合材料的拉伸行为，对钢筋混凝土、钢板加固钢筋混凝土、玻璃纤维增强塑料（GFRP）、耐碱玻璃纤维编织网增强混凝土以及耐碱玻璃纤维增强水泥基复合材料进行模拟，模拟了脆性基体裂缝间距演变过程以及复合材料的应力-应变关系[53]。-9- ContamineR等[19]模拟TRC加固钢筋混凝土梁的剪切应力，提出了一种对剪切应变敏感的钢筋混凝土梁宏观模型，验证了荷载-挠度曲线和裂缝开展形式，并对钢筋锚固长度和剪切传递系数进行了分析。1.4本文研究目的及内容本文以纤维编织网增强水泥基复合材料为研究对象，测量纤维编织网基本力学性能，对纤维编织网进行拉拔试验研究，用有限元软件ABAQUS对试验进行相应的数值模拟，并进一步模拟其它因素对承载力的影响，具体研究目标及研究内容如下所述：1.4.1研究目的1、明确纤维编织网各项力学性能，为拉拔试验及数值模拟提供相应的力学参数。2、确定拉拔纤维编织网试验中的试件尺寸。3、揭示纤维编织网增强水泥基复合材料的粘结性能随纤维网埋置长度、纤维网表面处理方式、基体保护层厚度等因素的变化规律。4、提出适用于纤维编织网增强水泥基复合材料的有限元模型，并进一步分析纤维网格尺寸与水泥基体强度对粘结作用的影响。1.4.2研究内容本文基于纤维编织网增强水泥基复合材料的制备原理及方法，进行了纤维编织网力学性能试验及该复合材料的拉拔试验，深入分析影响纤维编织网与水泥基体粘结性能的因素，并运用有限元软件从细观角度模拟试验过程，主要研究内容包含以下几个方面：1、通过试验测定纤维编织网的极限抗拉强度和极限拉应变，并得到其弹性模量，为后续试验及数值模拟提供了基本力学参数。2、采用拉拔试验，研究纤维网埋置长度、加载距离、纤维网表面处理方式、纬向纤维束、基体保护层厚度对复合材料粘结性能的影响，并提出提高粘结性能的方法。3、结合拉拔试验，运用有限元软件ABAQUS模拟试验全过程，反映出受力状况下试件的应力分布，得到荷载传递路径，且模拟出的拉拔荷载-位移曲线与试验结果吻合良好，验证了有限元模型的准确性。4、在已有数值模型的基础上，进一步分析纤维网格尺寸和水泥基体强度对粘结作用的影响。-10- 1.5本文技术路线本文采用试验研究和数值模拟相结合的方法，以拉拔纤维编织网试验为出发点，对影响纤维编织网与水泥基体间粘结作用的因素进行相关分析，提出改善粘结强度的方法。本文技术路线图如图1.10所示。图1.10本文技术路线图-11- -12- 第二章纤维编织网基本力学性能试验研究纤维编织网是一种新型的增强材料，对于其力学性能目前没有明确的规范，厂家只提供了纤维单丝的力学性能，基本上不会提供纤维编织网的相关力学性能。由于在运输过程中部分纤维丝可能会受到损害，并且在试验中对纤维编织网表面进行了环氧树脂浸渍并粘砂处理，因此测量纤维编织网的力学性能对于拉拔试验的进行以及后续数值模拟非常必要。在纤维编织网拉伸试验中，通过测量纤维束极限拉力及相应的位移，进而得到纤维束的抗拉强度、极限拉应变以及弹性模量。2.1概述纤维编织网增强水泥基复合材料是近年来新兴的一种复合材料，其以精细混凝土作为基体，并将纤维编织网铺设于基体内部作为增强材料。纤维作为增强材料克服了钢筋易锈蚀的缺点，并且经、纬向纤维束在交汇处编织在一起，大大提高了纤维编织网对基体的增强效率，具有承载力高、韧性好、自重轻等特点。纤维编织网既包括由同种纤维束编织而成的，又包括混编纤维网，即经、纬向纤维束选用不同类型的纤维束，在沿受力增强方向布置承载力高的纤维束，在次要受力方向布置承载力较低、造价较低的纤维束。碳纤维的抗拉强度和弹性模量远高于玻璃纤维，物理化学性能比较稳定，而其造价较玻璃纤维而言比较昂贵，本文选用的是碳-玻混编纤维，既可以发挥碳纤维高承载力的特点，将其布置在主要受力方向，又可以降低成本。与钢筋不同，纤维编织网是一种各向异性的材料，只能承受拉力，而不能承受压力，在对其施加拉力的过程中，会有部分纤维丝被拉断，荷载转移到未受损的纤维丝上，使得纤维束抗拉强度低于纤维单丝抗拉强度。用具有优越浸渍能力的环氧树脂表面处理后可将纤维丝粘结在一起，大大提高其协同受力能力，抗拉强度得到了提高。经过环氧树脂浸渍并表面粘砂处理可以增加接触面摩擦力，提高机械咬合作用，使粘结性能得到进一步改善。基本力学性能的测定主要是针对经环氧树脂浸渍并粘砂处理的纤维束。2.2纤维编织网拉伸试验2.2.1试验材料试验中纤维编织网经向采用碳纤维、纬向采用无碱玻璃纤维，经向纤维束在正交-13- 点处插入纬向纤维束中，并通过较细纤维束缠绕纬向纤维束的方式紧密结合在一起，网格尺寸为12.5mm×12.5mm，如图2.1所示。厂家提供的纤维材料参数如表2.1所示。经向纬向图2.1试验用纤维编织网表2.1纤维材料参数表纤维类型纤维型号抗拉强度弹性模量断裂伸长密度单位长度质量(MPa)(GPa)(%)D3f(g/cm)Tex(g/km)碳纤维12k46602312.01.78801玻璃纤维4k3200654.52.58600上表中纤维型号12k和4k分别指的是每根纤维束由12000根纤维丝和4000根纤维丝构成。抗拉强度、弹性模量和断裂伸长均指纤维丝的力学性能，纤维束的力学性能需要通过拉伸试验测得。为提高纤维编织网协同受力能力，试验前对纤维编织网进行环氧树脂浸渍并粘砂处理，表面处理过程如下所示：1、用木板钉一个矩形外框，将纤维编织网在木框上铺展开并固定，使纤维编织网处于紧绷状态。2、将环氧固化剂与环氧树脂胶按1:1进行配比，搅拌均匀，使其流动性满足要求，如图2.2所示。3、将搅拌均匀的环氧树脂涂刷在纤维编织网前后两面，涂刷过程中保证环氧树脂均匀地浸透到纤维丝之间，使纤维丝充分粘结，并在涂刷完成后在纤维编织网前后两面粘粒径为0~0.6mm的细砂，如图2.3所示。4、将表面处理完成的纤维编织网放置在通风环境下，24小时后达到最佳粘结效果，将固化好的纤维编织网剪裁成试件所需尺寸，如图2.4所示。-14- 图2.2搅拌均匀的环氧树脂图2.3进行表面处理的纤维编织网(a)剪裁好的纤维编织网(b)细节图图2.4完成表面处理的纤维编织网2.2.2纤维束理论面积在生产、运输和使用过程中，纤维编织网可能会受到损伤，且经过环氧树脂浸渍并粘砂处理后经、纬向纤维束截面形状难以确定，因此不能采用几何方法求其面积。用下式近似计算未经表面处理的纤维束理论面积：−5Tex×102A=×10(2.1)fDf其中：A——纤维束面积(mm2)；fTex——纤维束单位长度质量(g/km)；D——纤维束密度(g/cm3)。f由式(2.1)计算得经向碳纤维束面积为0.45mm2，纬向玻璃纤维束面积为0.23mm2。纤维束直径难以直接测定，但可以根据纤维束面积计算得到理论值：d=4A/π(2.2)f-15- 由式(2.2)计算得碳纤维束直径为0.75694mm，玻璃纤维束直径为0.54115mm。纤维编织网表面粘粒径为0~0.6mm细砂后碳纤维束直径近似为1.35694mm，面积为1.44mm2，玻璃纤维束直径近似为1.14115mm，面积为1.02mm2。2.2.3试件制作及试验方法本试验参考GB/T3362-2005《碳纤维复丝拉伸性能试验方法》[54]对经过粘砂处理的纤维束进行基本力学性能试验，根据规范规定，确定试件形式及试件尺寸，如图2.5及表2.2所示。图2.5纤维束拉伸试件形式表2.2单束纤维拉伸试件尺寸名称夹持长度A宽度B工作段长度D夹具、纤维、加强片总厚度E总长L取值(mm)505015020250试验中对单束纤维进行拉伸试验，为使夹具能够更好的夹持试件，避免两端出现应力集中而使纤维束提前破坏，试件两端保留三行网格，试件形式见图2.6。在试验前用纤维片材作为加强片夹持住试件两端，用环氧树脂胶将纤维片材与纤维束粘在一起，以增大纤维束与夹具的接触面积，避免在拉伸过程中发生滑移。拉伸试验仪器采用三思纵横科技型号为UTM4000系列的电子万能试验机，最大试验力为20KN。试验机与计算机系统直接相连，荷载由测力传感器测得，荷载-位移曲线由计算机直接输出。试验加载方式采用位移加载，加载速率为1mm/min。试验前将试件置于夹具正中间，用夹具将试件两端夹持住，使纤维束中心线与试验夹具中心线保持一致，避免出现偏心。在计算机联机软件中设置好试验参数，检查无误后将数据清零，开始加载，当纤维束被拉断时即停止试验。试验装置见图2.7。经、纬向纤-16- 维束均采用此方法测定基本力学性能。图2.6单束纤维拉伸试件形式图2.7拉伸试验装置图2.3试验结果及分析2.3.1试验结果由于纤维编织网在生产、运输及试验过程中会有少许损坏，试验结果离散性比较大，因此每组取8个试件，拉伸试验结果如图2.8、图2.9所示。当试件出现以下情况应作为无效试件：1、纤维束在明显有内部缺陷处发生破坏；2、纤维束在夹具内断裂或断裂处距夹具距离小于10mm。图2.8碳纤维束的极限拉力和伸长量-17- 图2.9玻璃纤维束的极限拉力和伸长量抗拉强度、极限应变以及弹性模量根据定义计算，见式(2.3)～式(2.5)。Fσ=(2.3)Af其中：σ——抗拉强度(MPa)；F——极限拉力平均值(N)；A——纤维束理论面积(mm2)。fΔLε=(2.4)L其中：ε——极限应变；ΔL——纤维束伸长量平均值(mm)；L——纤维束工作段长度(mm)，本试验取值为150mm。σE=(2.5)ε其中：E——纤维束弹性模量(MPa)。经过环氧树脂浸渍并粘砂处理的经、纬向纤维束基本力学性能列于表2.3。表2.3纤维束基本力学性能纤维类型理论面积抗拉强度极限应变弹性模量单位长度质量密度2)(MPa)(%)(GPa)Tex(g/km)D3(mmf(g/cm)碳纤维1.4415641.697.88011.78玻璃纤维1.0211003.6530.16002.58注：单位长度质量是指未经表面处理的纤维束所包含的纤维丝的重量，未考虑环氧树脂及细-18- 砂的重量。2.3.2试验结果分析由表2.1与表2.3对比可知，经过粘砂处理的纤维束较纤维丝力学性能均有不同程度地降低，以经向碳纤维束进行分析，纤维束比纤维丝抗拉强度降低了66.4%，极限应变降低了20%，弹性模量降低了57.7%，一方面是由于纤维丝在运输、使用过程中受到了损伤，使其拉伸过程中提前断裂，并由其余纤维丝继续承担荷载，这加速了余下纤维丝的断裂，另一方面是由于纤维束经过环氧树脂浸渍处理后整体性能虽然得到了提高，但与未经表面处理的纤维束不同，其破坏通常表现为整束纤维断裂，造成纤维束韧性降低，因此使得纤维束基本力学性能低于纤维丝基本力学性能。2.4本章小结由于水泥基体浸渍能力的局限，其不能完全浸入到纤维束内部，只有外部纤维丝能够与基体产生粘结作用，并通过摩擦力传递至内部纤维丝，这导致内外部纤维丝不能协同受力，纤维丝断裂会分批进行。而环氧树脂具有水泥基体无法比拟的浸渍性，经过环氧树脂浸渍处理后可以提高纤维束整体性能，使内外部纤维丝协同受力。本章参考《碳纤维复丝拉伸性能试验方法》对经过环氧树脂浸渍并粘砂处理的纤维束进行力学性能测定，得到由于运输、使用过程中纤维丝的受损会使纤维束力学性能有所降低，同时环氧树脂表面处理也会影响基本力学性能，本章所得到的力学参数为后续复合材料粘结试验及有限元分析提供了相应参数。-19- -20- 第三章纤维编织网增强水泥基复合材料拉拔试验研究3.1概述纤维编织网增强水泥基复合材料是将多轴纤维编织网作为增强材料的一种新型复合材料，二者之间良好的界面粘结性能可以充分发挥各自的优点，使该复合材料具有耐腐蚀、韧性强、质量轻、承载力高等优点。良好的粘结性能可以保证材料优异的力学性能，因此研究二者间粘结性能具有非常重要的意义。采用拉拔试验可以比较真实的反映纤维编织网与水泥基体之间的相互作用，目前对该复合材料粘结性能的研究主要集中于单束纤维拉拔试验，而该试验不能准确反映实际应用中纤维编织网在水泥基体中的情况，为更好的分析复合材料粘结性能，本章通过拉拔纤维编织网的方式，研究纤维网埋置长度、加载距离、表面处理方式、纬向纤维束以及基体保护层厚度对粘结性能的影响，观察基体中裂缝开展以及纤维编织网变形情况，并分析纤维编织网与水泥基体间应力传递机理，根据试验结果提出改善粘结性能的方法。3.2试验方案3.2.1水泥基体试件中纤维网格尺寸小，为使水泥基体可以顺利渗透过纤维编织网并充满整个模板，要求水泥基体中骨料粒径要小，且要保证水泥基体具有高渗透性和高流动性。为保证骨料颗粒级配连续均匀，选用0~0.6mm、0.6mm~1.2mm两种粒径范围，本文采用如表3.1所示的配合比。表3.1水泥基材料配合比材料性能要求质量比含量(kg/m3)P·O42.5级水泥1.000472普通硅酸盐水泥粉煤灰——0.356168硅灰——0.07435水——0.555262减水剂聚羧酸型0.0052.36砂(0~0.6mm)河砂0.975460砂(0.6~1.2mm)河砂1.949920-21- 根据上述水泥基材料配合比，参考JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》[55]，以三个试件为一组，浇筑边长为70.7mm的立方体试块，试块浇筑完成后先在(20±5)℃的温度下静止(24±2)h，拆模后将其放入（20±2）℃的温度和相对湿度为90%以上的标准养护室中养护至龄期，对养护好的试件测其立方体抗压强度，以三个试件强度值的算术平均值的1.3倍作为该组试件抗压强度代表值，经计算立方体抗压强度为38.2MPa，如图3.1、表3.2所示。(a)立方体试块(b)破坏形式图3.1水泥砂浆立方体试块表3.2水泥砂浆立方体抗压强度试件编号立方体抗压强度(MPa)130.7229.9327.6代表值38.23.2.2纤维编织网常用的纤维编织网有碳纤维网、玻璃纤维网、玄武岩纤维网等，纤维类型不同，其力学性能也不同，成本也有差异。碳纤维具有高强度和高弹性模量，通常情况下，它的强度和刚度高于高质量的预应力钢，然而碳纤维的高强度需要在预应力情况下才可以发挥出来，且较高的造价制约了碳纤维的应用。玻璃纤维抗拉强度和弹性模量较低，且易受水泥基体中游离碱离子的侵蚀而导致性能下降，但造价方面相对于碳纤维较低，因此在工程中应用比较广泛[11][56]。玄武岩纤维是一种新型无机环保高性能材料，具有良好的抗拉强度及化学稳定性，是一种达到国际先进水平的纤维增强材料，价格-22- 适中[57][58]。在实际工程中，有时会根据工程特点将碳纤维布置在主要受力方向，玻璃纤维布置在次要受力方向，这样既可以保证在受力方向有足够强度，同时又可以利用玻璃纤维的柔韧性提高纤维编织网整体的弯曲性和韧性。本试验所采用的纤维编织网是以碳纤维束作为经向纤维、以无碱玻璃纤维束作为纬向纤维的混合二维缝编织物，网格尺寸为12.5mm×12.5mm，两种纤维束均是由没有扭曲的纤维丝组合而成，碳纤维束在正交点处插入玻璃纤维束中，并且玻璃纤维束表面缠绕了一条较细纤维束起约束作用，从而使纤维编织网形成一个强有力的整体，如图3.2(a)所示。每根纤维束是由若干纤维丝组成的，将纤维编织网埋入水泥基体后，水泥基体不能完全渗透到纤维内部，导致受拉时纤维丝分批断裂，不能协同受力。而环氧树脂有水泥基体无法比拟的浸渍性，经过环氧树脂浸渍处理后可以使纤维束形成一个整体，大大提高其协同受力的能力[32][34][36]。在涂刷环氧树脂过程中，要保证胶能浸入到纤维束内部，使其充分粘结。本试验对纤维编织网表面用环氧树脂浸渍并粘0~0.6mm的细砂，如图3.2(b)所示。(a)未经表面处理(b)粘砂处理图3.2碳-玻混编纤维编织网纤维束的力学性能及几何特征参数如表3.3所示，力学性能通过第二章纤维编织网拉伸试验测得，几何特征参数采用厂家提供的材料参数。表3.3纤维束力学性能及几何特征参数纤维类型纤维型号抗拉强度弹性模量极限应变理论面积单位长度质量密度(MPa)(GPa)(%)(mm2)Tex(g/km)(g/cm3)碳纤维12k156497.81.61.448011.78玻璃纤维4k110030.13.651.026002.58注：表中理论面积为经过环氧树脂浸渍并粘砂处理的纤维束理论面积。-23- 3.2.3试件制作对于粘结性能的研究，试验方法各有不同，分为拉拔试验、拉伸试验以及梁式试验，拉拔试验可以直观反映复合材料的粘结滑移，集中反映各因素对粘结性能的影响，因此常采用拉拔试验分析粘结性能。目前普遍采用的拉拔试件是将纤维编织网按照试件尺寸剪裁，将试件颈部两侧纤维束全部剪断，只保留正中间的经向纤维束。为保证在纤维束埋长位置可以形成2mm的凹槽，在浇筑混凝土前预埋两个薄片，先在模具中浇筑保护层厚度的混凝土基体，将纤维编织网铺设在上面，再浇筑第二层混凝土，进行轻微振捣抹平，在标准养护条件下养护28天[32][34][36][37]。这种拉拔试件形式主要是通过拉拔中间单根经向纤维束研究埋长区纤维编织网与混凝土基体之间的粘结，但实际应用中常为多根经向纤维束同时受力，拉拔试件形式如图3.3所示。图3.3常用拉拔试件形式本试验将纤维编织网一端埋入水泥基体中，另一端在外边进行拉拔试验。试件模具采用有机玻璃模具，尺寸为300mm×100mm×20mm，模板两端各留出两个凹槽，以便放入玻璃长条。为浇筑不同保护层厚度的试件，玻璃长条厚度分别为9mm、5.4mm和3.5mm。首先在模板两端各卡好一个玻璃长条，浇筑第一层水泥基体，将按照试件尺寸剪裁好的纤维编织网铺设于水泥基体上，在两端凹槽处再各卡好一个玻璃长条，固定住内部的纤维编织网，并将上下两个玻璃条两端绑紧，防止基体流出，然后浇筑第二层水泥基体，并振捣抹平。本试验共17组试件，每组3个，试件浇筑完成后在常温下养护24小时，然后拆模，将其放入养护室中。达到标准养护龄期28天后用切割机从薄板中切割出标准拉拔试件，根据研究内容，纤维网埋长采用10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm六种尺寸，加载距离采用20mm、25mm、30mm三种-24- 尺寸，基体厚度分别采用12mm、15mm、20mm三种厚度，试件宽度均为50mm，试件制备过程见图3.4，试件示意图见图3.5。根据试验中考虑的不同影响因素，制作出不同试件形式，如图3.6所示。(a)试件模具(b)铺设纤维编织网(c)试件形式(d)标准拉拔试件图3.4试件制备过程图3.5拉拔试件示意图-25- (a)纤维编织网试件(b)单束纤维试件(c)未表面处理试件图3.6不同试件形式为分析纤维网埋置长度、加载距离、纤维网表面处理方式、纬向纤维束及基体保护层厚度对纤维编织网与水泥基体粘结性能的影响，制定如表3.4所示的试验方案。表3.4拉拔试验方案组别编号埋长加载距离表面处理情况纬向纤维基体厚度(mm)(mm)(mm)1WY2010-301030环氧树脂浸渍并粘砂有202WY2015-301530环氧树脂浸渍并粘砂有203WY2020-302030环氧树脂浸渍并粘砂有204WY2025-302530环氧树脂浸渍并粘砂有205WY2030-303030环氧树脂浸渍并粘砂有206WY2035-303530环氧树脂浸渍并粘砂有207WN2010-301030表面不处理有208WN2015-301530表面不处理有209WN2020-302030表面不处理有2010WN2025-302530表面不处理有20-26- 表3.4拉拔试验方案(续)组别编号埋长加载距离表面处理情况纬向纤维基体厚度(mm)(mm)(mm)11SY2010-301030环氧树脂浸渍并粘砂无2012SY2015-301530环氧树脂浸渍并粘砂无2013SY2020-302030环氧树脂浸渍并粘砂无2014WY1510-301030环氧树脂浸渍并粘砂有1515WY1210-301030环氧树脂浸渍并粘砂有1216WY2010-251025环氧树脂浸渍并粘砂有2017WY2010-201020环氧树脂浸渍并粘砂有20注：试件编号具体含义以WY2010-30为例，其中W为纤维编织网，纤维束用S表示，Y为粘砂处理，表面不处理用N表示，20为基体厚度，10为纤维网埋长，30为纤维网加载距离，单位均为mm。3.2.4拉拔试验过程试验仪器采用最大试验力20KN的三思纵横科技UTM4000系列的电子万能试验机，试验力由荷载传感器测定，试验机与计算机控制系统直接相连，在计算机控制系统中输出拉拔荷载—位移曲线。试验采用位移加载，加载速率为0.1mm/min。拉拔试验装置如图3.7、图3.8所示。试验夹具下部由两个倒L形部件相对放置，中间留出空隙以使纤维编织网穿过。准备试件时先将水泥基体表面磨平，将其顶面紧贴倒L形夹具下表面，纤维编织网从中间空隙穿过，并用夹具将其加紧。安装试件时要保证试件位于夹具正中间，避免出现偏心受力。开始试验时，设置计算机软件中的相应参数，将荷载、位移等示数清零，检查无误后开始加载。试验过程中观察拉拔荷载-位移曲线变化、基体裂缝开展以及纤维编织网变形及断裂情况，当纤维编织网出现拔断或拔出破坏时结束试验。纤维编织网破坏形式如图3.9所示。图3.7拉拔试验装置图-27- 图3.8试验装置示意图(a)拔断破坏(b)拔出破坏图3.9试件破坏形式3.3拉拔试验结果及影响粘结强度因素3.3.1影响粘结强度因素纤维编织网与水泥基体共同工作的基础是二者之间有可靠的粘结和锚固，纤维束在基体中的作用相当于钢筋，因此可以参考钢筋混凝土粘结机理进行分析。纤维编织网增强水泥基复合材料的粘结应力分为端部锚固粘结应力和裂缝间局部粘结应力。端部锚固应力是指纤维编织网承受拉力时，要求纤维编织网有足够的锚固长度以积累足够的粘结力，端部锚固应力不足不仅会使纤维编织网强度不能得到充分利用，而且会使承载力下降，提前失效。裂缝间局部粘结应力是指受拉区混凝土开裂后，裂缝间截-28- 面上混凝土仍承受一定拉力，纤维编织网的应力偏小。粘结应力使得水泥基体内部纤维编织网的总变形或平均应变小于其单独受力时的变形，有助于增大试件刚度、减小裂缝宽度[1][2][59]。纤维编织网粘结强度由三部分组成，分别是水泥基体与纤维编织网之间的化学胶着力、水泥基体与纤维编织网在接触面间的摩擦力、纤维编织网表面粗糙不平引起的机械咬合力。在初步加载时，化学胶着力起主要作用，随着荷载的增加，摩阻力增大，胶着力破坏，纤维脱粘，发生滑移，二者产生相对位移。对于未经表面处理的纤维编织网，在滑移之前，粘结强度以化学胶着力为主，滑移后粘结强度取决于接触面间的摩擦力和机械咬合力；对于粘砂处理的纤维编织网，表面的细砂增大了二者间的机械咬合力，有利于改善其粘结作用。图3.10为拉拔纤维束过程中试件的反映区域，在拉拔初期，纤维束自由端会首先发生弹性变形，随着荷载的施加，达到脱粘点后纤维与基体出现脱粘，并向试件深处延伸，达到完全脱粘后纤维与水泥基体之间产生滑移，纤维束被拔出。图3.10拔出试验粘结界面[43]对于本文中的拉拔试件，在基体顶面纤维位置处首先产生裂缝，并逐渐向基体底面开展，形成一条主裂缝，纤维编织网承受的拉应力增大，然而裂缝间截面上的基体仍会承受一定拉力，这会导致缝间纤维应力发生变化。本试验中粘结力主要是裂缝间局部粘结应力，根据粘结应力的作用及种类得到基体强度、基体保护层厚度、纤维网埋置长度、纤维网结网方式、纤维种类、纬向纤维束等因素均会影响粘结强度。3.3.2纤维网埋置长度对粘结性能的影响本试验为了分析纤维网埋置长度对纤维编织网与基体粘结性能的影响，对经过粘砂处理的纤维编织网设置了六种埋长（10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm）以及对未表面处理的纤维编织网设置了四种埋长（10mm、15mm、20mm、25mm），得到如图3.11所示的拉拔荷载-位移曲线以及如表3.5所示的试验结果。-29- (a)粘砂处理(b)表面不处理图3.11纤维网埋置长度对粘结性能的影响表3.5纤维网埋置长度试验结果组别编号表面处理埋长破坏形式极限拉拔力极限拉拔力提高(mm)(N)(%)1WY2010-3010拔出706.34—2WY2015-3015拔出1014.39↑443WY2020-3020拔出1375.46↑36粘砂4WY2025-3025拔出1712.20↑245WY2030-3030拔出2012.20↑186WY2035-3035拔断2206.25—7WN2010-3010拔出656.20—8WN2015-3015拔出952.33↑45不处理9WN2020-3020拔出1258.63↑3210WN2025-3025拔断1544.27—无论是否对纤维编织网进行表面处理，极限拉拔力均会随纤维网埋置长度的增加而增大，这是由于埋长增大使纤维编织网与基体接触面积增大，导致拉拔过程中摩阻力增大，从而使得粘结力提高。随着埋长的增加，拉拔荷载-位移曲线所包含的面积增大，即表示拉拔耗能越大。对于粘砂试件，当埋长大于30mm时，随着拉拔荷载达到极限拉拔力，试件伴有清脆的断裂声，这是由于纤维束发生断裂，不能继续承载，出现拔断破坏。当埋长小于等于30mm时，拉拔过程中纤维编织网与水泥基体顶面接触位置首先产生裂缝，并延伸至试件底面，滑移“通道”逐渐形成，纤维编织网开始发生滑移，可以被缓慢拔出。为保证基体与纤维编织网有可靠的粘结，纤维编织网要有合适的埋置长度。对比试验结果，当试件厚度为20mm时，粘砂试件最佳埋置长度为30mm，未表面处理试件最佳埋置长度为20mm，此时可以保证有足够的粘结强度而不被拔出。-30- 3.3.3加载距离对粘结性能的影响纤维编织网加载距离是指水泥基体顶面到加载点的距离，为分析加载距离对粘结性能的影响，对埋长为10mm的试件分别采用20mm、25mm和30mm的加载距离进行试验，分析其对粘结性能的影响，拉拔荷载-位移曲线如图3.12所示，试验结果如表3.6所示。随着加载距离的增加，拉拔荷载-位移曲线弹性段斜率相应减小，这是由于加载距离增加会使拉拔过程中纤维编织网弹性变形增大，曲线弹性段斜率减小，但纤维编织网弹性模量较大，因此其变形相对较小，曲线形式不会产生大幅度改变。加载距离每增加5mm，曲线斜率平均降低14%，由此可知，加载距离会对曲线斜率产生影响，进而影响纤维编织网的滑移。图3.12加载距离对粘结性能的影响表3.6加载距离试验结果组别编号加载距离(mm)曲线斜率(N/mm)斜率提高(%)1WY2010-3030818.67—14WY2010-2525954.17↑1715WY2010-20201061.23↑113.3.4表面处理方式对粘结性能的影响本试验为研究纤维编织网表面处理方式对其与水泥基体间相互作用的影响，采用对纤维编织网表面进行环氧树脂浸渍并粘砂处理以及表面不作处理两种方式进行对比，图3.13中分别为埋长为10mm、15mm、20mm时不同表面处理情况下的拉拔荷载-位移曲线，表3.7为试验结果。-31- 图3.13表面处理对粘结性能的影响表3.7表面处理试验结果组别编号埋长(mm)表面处理极限拉拔力(N)极限拉拔力提高(%)6WN2010-30不处理656.20—101WY2010-30粘砂706.34↑87WN2015-30不处理952.33—152WY2015-30粘砂1014.39↑78WN2020-30不处理1258.63—203WY2020-30粘砂1375.46↑9如图所示，经过粘砂处理的纤维编织网极限拉拔力得到了提升，埋长为10mm、15mm、20mm时相对于未进行处理的纤维编织网极限拉拔力分别提高了8%、7%、9%，可见表面粘砂处理有利于提高纤维编织网与基体间的粘结作用。经过表面处理后粘结强度得到了提高有以下几点原因：环氧树脂浸渍使纤维束形成一个整体，内、外部纤维丝很好的粘结在一起，大大提高了其协同受力能力；表面粘砂增加了表面粗糙度，提高了纤维编织网与基体间的摩阻力与机械咬合力。3.3.5纬向纤维束对粘结性能的影响经、纬向纤维束重叠交错，在相交节点处经向纤维束插入纬向纤维束中，从而形成了纤维编织网。为分析纬向纤维束对粘结性能的影响，浇筑试件时将单根经向纤维束铺设于基体中，并保证纤维束位于基体宽度正中间。本文共设置三组单束纤维试件，采用不同的埋长，分别为10mm、15mm、20mm，拉拔荷载-位移曲线如图3.14所示。将单束纤维试件试验结果与纤维编织网试件作对比，拉拔荷载-位移曲线如图3.15所示，试验结果见表3.8。-32- 图3.14单束纤维试件拉拔荷载-滑移曲线(a)埋长10mm(b)埋长15mm图3.15纬向纤维束对粘结性能的影响表3.8纬向纤维束试验结果组别编号埋长经向纤维束纬向极限拉拔力极限拉拔力极限拉拔力(mm)根数纤维(N)平均值(N)平均提高(%)SY2010-30-1171.939SY2010-30-2183.61101无177.40—SY2010-30-3176.67WY2010-30-1706.341WY2010-30-2718.05104有721.95↑307WY2010-30-3741.46SY2015-30-1256.1010SY2015-30-2241.46151无251.71—SY2015-30-3257.56WY2015-30-11100.492WY2015-30-21014.39154有1065.94↑323WY2015-30-31082.93如图3.14所示，三组单束纤维试件极限拉拔力随埋长的增加而增大，与3.3.2节-33- 结论相同。在埋长相同的情况下，纤维编织网试件比单束纤维试件极限拉拔力要大，且极限拉拔力平均提高了315%，一方面是由于基体中埋置的经向纤维束根数为4倍关系，使极限拉拔力成比例增长，另一方面是由于纤维编织网经过环氧树脂浸渍后，经、纬向纤维束在相交节点处紧密结合在一起，埋长区纬向纤维束在拉拔过程中发挥了对经向纤维束的约束作用，阻止了纤维编织网在基体中的滑移，提高了极限拉拔力，所以极限拉拔力提高倍数大于3。同时纬向纤维束的布置增大了基体与纤维编织网的接触面积，使摩阻力增大，从而使得粘结强度得到了提高。3.3.6基体保护层厚度对粘结性能的影响保护层厚度是指从纤维编织网表面到基体表面的距离，本次试验采用了三种基体保护层厚度，分别是6mm、7.5mm和10mm，拉拔荷载-位移曲线如图3.16所示，试验结果见表3.9。从图中可知，提高水泥基体保护层厚度可以提高极限拉拔力，这是因为增大保护层厚度有利于加强外围基体的抗劈裂能力，进而提高极限粘结强度。针对保护层厚度试验，三组试件破坏形式均为劈裂破坏，但若保护层厚度超过一定值后，试件将不会发生劈裂破坏，而是纤维编织网表面的细砂切断水泥基体而被拔出，所以粘结强度不会继续增大。图3.16基体保护层厚度对粘结性能的影响表3.9基体保护层厚度试验结果组别编号基体厚度保护层厚度极限拉拔力(N)极限拉拔力提高(mm)(mm)(%)13WY1210-30126465.43—12WY1510-30157.5577.56↑241WY2010-302010706.34↑22-34- 3.4本章小结纤维编织网增强水泥基复合材料能否充分发挥其优良的力学性能取决于二者间可靠的粘结，本章通过对该复合材料进行拉拔试验分析纤维网埋置长度、加载距离、表面处理方式、纬向纤维束以及基体保护层厚度对粘结性能的影响，得出以下结论：1、增加纤维网埋置长度可以提高极限拉拔力，且拉拔耗能增加。当试件厚度为20mm时，对于粘砂试件，埋置长度大于30mm，基体对纤维编织网的约束过强，而使纤维编织网出现拔断破坏，不能继续承载；当埋置长度小于等于30mm时，纤维编织网与基体间有良好的粘结，可以将纤维编织网缓慢从基体中拔出；对未表面处理试件，埋长20mm时粘结性能较好。因此确定了最佳埋置长度。2、增加加载距离会增大纤维编织网弹性变形，减小拉拔荷载-位移曲线弹性阶段的斜率。3、对纤维编织网进行环氧树脂浸渍可以提高其整体性，表面粘砂处理有助于增大纤维编织网与水泥基体间的摩阻力和机械咬合力，改善二者间的粘结作用，经过环氧树脂浸渍并粘砂处理的纤维编织网协同受力能力大大提高，且极限拉拔力增加。4、埋长区布置纬向纤维束增大了其与基体间的接触面积，提高了摩阻力，可以增强二者间的粘结作用，并且经、纬向纤维束通过相交节点固定在一起，充分发挥了两向纤维束的协同作用以及纬向纤维束的约束作用。5、增加基体保护层厚度可以提高外围基体抗劈裂能力，提高粘结强度。保护层厚度超过一定值后试件不再发生劈裂破坏，粘结强度不再增加。-35- -36- 第四章纤维编织网增强水泥基复合材料数值模拟通过有限元法研究纤维编织网增强水泥基复合材料粘结性能是一种比较经济且有效的方法，有助于验证理论的准确性。同时，有限元软件能够模拟各种试验方案、减少试验工作量，利于进一步完善理论部分。本章应用在非线性分析方面具有明显优势的有限元软件ABAQUS对纤维编织网增强水泥基复合材料拉拔试验进行数值模拟，对受力过程中试件应力分布以及纤维编织网变形情况进行分析，并且将有限元分析结果与试验结果进行对比，验证有限元模型的合理性，并利用该模型进一步模拟其它因素对粘结性能的影响。4.1有限元基本理论4.1.1非线性有限元问题ABAQUS具有强大的分析功能，既可以求解简单的线弹性问题，又可以求解接触条件变化、包含多种材料等非线性组合问题，在非线性问题上，ABAQUS可以实现几何非线性、材料非线性和边界条件非线性三方面内容。1、几何非线性在几何非线性问题中，几何变形会引起结构刚度的改变，方程中的应力-应变曲线也不再是线性关系，包含高阶项。几何非线性问题通常分为三类：第一种是大位移小应变问题，此时位移很大，而应变很小，甚至未超过弹性极限，主要是由于存在“大转动”和应力刚化效应；第二种是大应变问题，由于单元方向、形状改变以及应力刚化效应导致结构刚度变化，此时的应变是“大应变”或称作有限应变，由大应变引起大变形，产生几何、材料双重非线性问题；第三种是应力刚化，即具有较大应变的单元在某个面内有较大应力状态，进而影响面外的刚度。三类问题相互包含，大应变包括大位移和应力刚化，大位移包含其自身及应力刚化。2、材料非线性材料模型有线性、非线性和特殊材料三类，材料非线性通常是指除本构方程非线性以外，其他的控制方程和边界条件均与线弹性条件下完全相同的小变形问题。由于应力边界条件和平衡微分方程的虚功方程在满足位移边界条件和几何方程的情况下与材料特性无关，因此有限元分析中线弹性问题的基本表达式同样适用于非线性问题，将本构方程改成合适的形式求解即可。温度和加载速率均会影响材料变形，当温度超过一定值后，材料的屈服应力会随-37- 温度的升高而降低，而塑性变形能力会得到提高，且会出现蠕变现象。当加载速率比通常静力试验高几个数量级时，屈服应力提高，而塑性变形能力降低。3、边界条件非线性边界条件非线性是指在分析过程中由于边界条件发生变化而引起的非线性。接触问题是一种典型的边界条件非线性问题，物体之间的接触、碰撞是很普遍的现象，当分离的两个表面相接触并互切即为接触状态。在接触问题中，接触面和接触状态会随物体变形、运动而发生变化，并且常常伴有材料非线性和大变形问题。在有限元分析中，通过接触单元来模拟两物体间的接触作用，或通过定义接触类型、接触表面、接触相关参数来实现物体间的相互作用。接触是一种高度非线性行为，其边界条件需要在计算过程中确定，刚度突变会导致收敛困难，分析前接触区域未知也会使求解遇到困难，且接触问题通常需要考虑摩擦，收敛性成为了一个难点。4.1.2粘结性能有限元分析纤维编织网与水泥基体能够协同工作、承担外部荷载，主要是由于二者之间有很好的粘结作用，在数值模拟方面将粘结性能考虑进去，可以更准确的模拟二者间的界面作用。有限元分析中模拟粘结滑移问题主要有三种方式：第一种是在粘结界面定义接触，确定分析中的目标面和接触面；第二种是在界面处添加弹簧单元；第三种是在界面位置设置粘结单元，有效模拟复合材料的分层。接触问题在工程技术模拟中应用很普遍，主要分为两种：“刚—柔”接触和“柔—柔”接触。“柔—柔”接触是指两接触体刚度相近、且均为变形体的情况，如栓接法兰、过盈配合等；“刚—柔”接触是指一种软材料与一种硬材料接触，如金属成型问题等。在ABAQUS中提供了多种接触模型，包括自接触模型、通用接触模型及表面与表面接触等多种模型，通过定义主接触面和从接触面创建相互作用。在复合材料中添加弹簧单元也可以用于分析粘结滑移现象，通常设置一组相互垂直的双弹簧单元以分析剪切力和法向力，弹簧没有实际尺寸，具有一定的刚度。用粘结单元模拟复合材料失效问题时，通常会在完整结构中切割出一个薄层以模拟cohesive单元，此时cohesive单元通过与其它单元共用节点来传递力和位移；也可以分别建立cohesive层以及其它部件实体模型，并通过“tie”来绑定约束以使cohesive单元两侧的单元应力和位移协调。-38- 4.2模型建立4.2.1单元选取ABAQUS中具有丰富的单元库，单元种类多达433种，总共分为8大类：实体单元、杆单元、连接单元、壳单元、薄膜单元、梁单元、刚体单元、无限元。针对特殊问题，ABAQUS中还提供了特种单元，如针对钢筋混凝土结构的加强筋单元、针对海洋工程的土壤/管柱连接单元等[60]。丰富的单元库使单元类型有多种选择，每种单元都有其优点和缺点，根据特定分析中对于维度、单元形状、插值阶数、积分类型等要求选择合适的单元，这样才能用较短的计算时间得到较为精确的结果。通常建立钢筋混凝土结构有限元模型有三种方式：整体式模型、分离式模型、组合式模型。整体式模型又称为分布式模型，其利用单元的加筋性能将钢筋均匀地分布在模型中，认为钢筋和混凝土之间为刚性连接，粘结性能很好，不会发生滑移。分离式模型将混凝土和钢筋定义为不同单元，并可以通过加入弹簧单元等考虑二者间的粘结滑移，是整体式模型和组合式模型不能实现的。组合式模型介于整体式模型和分离式模型，其认为钢筋与混凝土之间有较好的粘结，不会发生滑移，因此可分别计算混凝土单元和钢筋单元对总刚度矩阵的贡献。基于模拟中着重分析纤维编织网与水泥基体之间的粘结性能，本文采用分离式模型分别建立纤维编织网和水泥基体，并在纤维编织网和水泥基体之间加入弹簧单元，以分析二者之间的粘结性能[59][61][62]。1、水泥基材料单元ABAQUS中基于应力/位移的实体单元类型最丰富，可以用于分析线性问题和复杂接触、塑性及大变形的非线性问题。剪切锁定和体积锁定是有限元分析中常见的因单元选择而造成的模型缺陷，因此选择单元类型时要充分考虑到模拟过程中可能出现的问题，选择合适的单元。由于二次完全积分实体单元不能模拟弹塑性问题，因此有限元建模时，混凝土采用连续实体单元C3D8R，即八节点六面体线性减缩积分实体单元。对三维模型，采用六面体减缩积分单元可以有效减少运算时间，以最小的费用得到最好的模拟结果。与完全积分不同，减缩积分单元只有一个积分点，因此可以很方便地查看积分点上的分析结果，并且对于位移的求解结果更为精确。对于模拟中可能出现的剪切锁定和体积锁定问题，减缩积分单元可以使单元软化，并且为克服沙漏问题，模型需要划分较细的网格。C3D8R单元模型如图4.1所示。2、纤维编织网单元在本模型中对经向纤维束与纬向纤维束均赋予实体模型，建立出纤维网状结构，由于经、纬向纤维束力学性能不同，因此分别输入各自的材料参数。纤维编织网模拟采用T3D2单元，即三维二节点桁架单元，这种单元只能承受轴向力，不能承受弯矩，-39- 能够很好的模拟纤维编织网的拉拔过程。T3D2单元模型如图4.2所示，从图中可以看到T3D2单元只有中间一个积分点。图4.1C3D8R单元几何图4.2T3D2单元几何3、弹簧单元纤维编织网与水泥基体的粘结性能对整个结构力学性能的发挥有着至关重要的作用，为了模拟纤维编织网与水泥基材料的粘结性能，需要在二者之间引入界面单元，以分析平行于界面方向的剪应力和垂直于界面方向的压应力。在ABAQUS中分析粘结作用通常是通过设置弹簧单元、粘结单元或者定义接触。粘结单元cohesive理论上厚度为零，但在模拟中零厚度粘结层很难实现，且由于本文中水泥基材料内部为纤维网格，粘结界面较多，很难用cohesive层实现。在界面定义接触可以使力通过接触表面传递，但大多数接触问题均需要计算摩擦，使得收敛变得困难，且在求解前不能确定接触区域，因此接触问题具有高度非线性。综合考虑，本文选用弹簧单元模拟粘结性能。在ABAQUS中，共有三种弹簧单元，分别为SPRING1，SPRING2和SPRINGA，其中SPRING1用来连接节点与面，SPRING2用来连接两节点，这两种弹簧均作用于固定方向。SPRINGA作用于两节点，在大变形分析中会发生扭转。在本文模拟中，通过划分网格使纤维编织网与水泥基材料有重合节点，将弹簧单元布置在重合节点上，以分析两者之间的粘结性能，因此选用SPRING2单元。SPRING2单元既可以分析线性问题，也可以分析非线性问题，根据本模型特点，选用弹簧单元的非线性性质。由于ABAQUS中CAE不支持非线性弹簧，因此通过修改INP文件来建立。在本文中，由于纤维束直径很小，因此可以忽略垂直于拉拔方向的作用，主要分析平行于拉拔方向的粘结应力。弹簧受拉、受压时形式如图4.3所示。-40- (a)受压弹簧(b)受拉弹簧图4.3弹簧形式弹簧相对位移为弹簧1节点沿i方向的位移量与2节点沿j方向的位移量差值，通过赋予节点自由度来定义弹簧方向，表达式如式(4.1)所示。SPRING2单元模型如图4.4所示。弹簧单元输出结果包括：弹簧内力S11，弹簧中相对位移E11。12Δu=u−u(4.1)ij图4.4SPRING2单元几何4.2.2材料属性1、水泥基材料ABAQUS中提供了三种混凝土本构模型，分别为混凝土弥散裂缝模型(ConcreteSmearedCrackingModel)、混凝土脆性破裂模型(ConcreteBrittleCrackingModel)和混凝土塑性损伤模型(ConcreteDamagePlasticityModel，简称CDP模型)。弥散裂缝模型考虑了裂缝所导致的开裂以及开裂后材料的各向异性，适用于材料中表现出拉伸裂缝或压缩破碎的行为；脆性破裂模型考虑了由裂缝引起的材料各向异性，主要用于拉伸裂纹控制材料行为或压缩失效不重要时；塑性损伤模型用于混凝土中单调应变、动力荷载、循环荷载等各种荷载分析，包含拉伸开裂和压缩破碎，可以模拟硬度退化机制和反向加载刚度恢复的混凝土力学特性。在本文中水泥基体本构模型采用塑形损伤模型，由试验测出水泥基材料立方体抗压强度为38.2MPa，模拟中泊松比取值为0.2。基于以往对水泥基体数值模拟时，材料参数通常会按照混凝土来计算和取用，且模拟结果较好，因此在本文中根据GB50010-2010《混凝土结构设计规范》[63]计算本构关系及相应参数。单轴受拉应力-应变曲线按式(4.2)~式(4.5)取值。σ=()1−dEε(4.2)tc-41- 51−ρ[]1.2−0.2xx≤1tdt=ρt(4.3)1−x.>1()1.7αx−1+xtεx=(4.4)εt.rft,rρ=(4.5)tEεct,r式中：d——混凝土单轴受拉损伤演化参数；tα——混凝土单轴受拉应力-应变曲线下降段的参数值，按表4.1取用，本t文取值为3.82；ε——与轴心抗拉强度代表值f相应的混凝土峰值拉应变，按表4.1取用，t,rt,r取值为1.28×10-4；f——混凝土单轴抗拉强度代表值，可根据实际分析需要取f、f或f，t,rttktm本文取f。t表4.1混凝土单轴受拉应力-应变曲线参数取值f(N/mm2)1.01.52.02.53.03.54.0tε(10-6)658195107118128137t,rα0.310.701.251.952.813.825.00t水泥基体单轴受压应力-应变曲线按式(4.6)~式(4.10)确定。混凝土受拉、受压应力-应变曲线如图4.5所示，其中受拉为负、受压为正，所取比例不同。σ=()1−dEε(4.6)ccρcn1−x≤1nn−1+xdc=(4.7)ρ1−cx>1()2αx−1+xcfc,rρ=(4.8)cEεcc,r-42- Eεcc,rn=(4.9)Eε−fcc,rc,rεx=(4.10)εc,r式中：d——混凝土单轴受压损伤演化参数；cα——混凝土单轴受压应力-应变曲线下降段参数值，按表4.2取用，取值c为2.345；ε——与立方体抗压强度f对应的混凝土峰值压应变，按表4.2取用，取c,rc值为1.624×10-3；f——混凝土单轴抗压强度代表值，可根据实际分析需要取f、f或f，c,rcckcm本文取f。c表4.2混凝土单轴受压应力-应变曲线参数取值f(N/mm2)2530354045505560657075cε(10-6)15601640172017901850192019802030208021302190c,rα1.061.361.651.942.212.482.743.003.253.503.75cε/ε2.62.32.12.01.91.91.81.81.71.71.7cuc,r图4.5混凝土单轴受拉、受压应力-应变曲线在受拉应力-应变曲线中，0~f应力范围内为线弹性变化，之后曲线为塑性变化，t-43- 对受压应力-应变曲线，0~0.7f的应力范围内曲线为线弹性阶段，之后为塑性阶段，c塑性本构曲线应取塑性变化部分。在定义塑性本构关系时，应变取对应的塑性应变，pltelpltel应变关系为ε=ε−ε，其中ε为真实塑性应变，ε为真实总应变，ε为弹性应变。ABAQUS中混凝土塑性损伤模型由受拉损伤变量D和受压损伤变量D组成，损tc伤变量均是关于塑性应变、温度和场变量的函数，表达式如式(4.11)、式(4.12)所示。~plD=D(ε,θ,f);0≤D≤1(4.11)tttit~plD=D(ε,θ,f);0≤D≤1(4.12)cccic~pl式中：ε——等效塑性拉伸应变；t~plε——等效塑性压缩应变；cθ——温度；f——其他预定义场变量。i损伤变量取值范围从0到1，其中0表示混凝土无损伤，1表示混凝土完全损伤。由于本文不考虑温度与场变量的影响，因此损伤状态仅由等效塑性应变表示。根据Britel和Mark[64]的模型确定Dt、Dc表达式，见式(4.13)、式(4.14)。混凝土受拉、受压塑性损伤见图4.6、图4.7。−1σ⋅EtcD=1−(4.13)t~pl−1ε⋅(1/b−1）+σ⋅Etttc−1σ⋅EccD=1−(4.14)c~pl−1ε⋅(1/b−1)+σ⋅Ecccc式中：b——取值0.7；cb——取值为0.1。t-44- 图4.6混凝土受拉损伤图4.7混凝土受压损伤2、纤维编织网纤维束力学性能由第二章纤维编织网拉伸试验测得，材料参数见表4.3。表4.3纤维束材料参数纤维类型弹性模量(GPa)抗拉强度(MPa)泊松比面积(mm2)经向碳纤维97.815640.21.44纬向玻璃纤维30.111000.21.023、弹簧单元本文中考虑到所用纤维束直径较小，可以忽略经向弹簧的销栓作用，仅沿拉拔方向设置弹簧单元，通过修改INP文件定义非线性弹簧节点以及粘结-滑移曲线，粘结-滑移曲线如图4.8所示。粘结-滑移关系通过试验得到的拉拔荷载-位移曲线确定。图4.8弹簧单元特征曲线-45- 4.2.3几何建模及网格划分数值模拟方面以分析埋长区纬向纤维束对试件应力分布的影响，进而得出其对二者间粘结性能的作用，并与试验结果进行对比。试件尺寸为50mm×20mm×10mm，纤维编织网网格尺寸为12.5mm×12.5mm，加载距离为30mm，埋置长度为10mm，分别建立纤维编织网与水泥基体模型，通过装配将二者组装到一起，如图4.9所示。网格的划分会影响计算的精准性，网格划分精细可以得到更接近真实的结果，但同时会增大计算量，因此合理的网格划分既可以节省分析时间，也可以得到准确结果，模型单元以2.5mm为单位划分网格，如图4.10所示。(a)纤维编织网试件(b)单束纤维试件图4.9有限元模型透视图(a)纤维编织网试件(b)单束纤维试件图4.10模型网格划分图-46- 由于本文主要分析二者间的粘结滑移，因此在网格划分时使纤维编织网与水泥基体产生重节点，并通过修改INP文件的方式在重节点处添加非线性弹簧单元。埋长区未布置纬向纤维束的模型采取相同的建模方式，由于所添加的非线性弹簧单元数量减少，更易于收敛。4.3计算求解4.3.1加载与边界条件对于数值模拟方面，选取合适的单元类型、用适当的精度划分网格等对最终结果的收敛性及精确性非常重要，同时边界条件与加载对结果也有着不可忽视的作用，施加正确的边界条件能够更好地模拟实际试验状况。根据试验中加载形式，在数值模拟中对水泥基体上表面施加完全固定约束，即约束3个平动自由度和3个转动自由度，施加在Initial荷载步中；拉拔试验中夹具夹住纤维编织网上端施加向上的位移荷载，因此在模拟中将纤维编织网顶部四个节点耦合至参考点RP-1点处，并施加向上的位移荷载，加载速率为0.1mm/min，施加在Step荷载步中，见图4.11。图4.11模型约束与加载示意图4.3.2非线性求解本章中的数值模拟为非线性分析，且由于模型中添加了非线性弹簧单元，使收敛成为模拟中的难点，针对这一问题，模拟中采用以下方法来提高求解的收敛性。1、Newton-Raphson算法ABAQUS中对于非线性问题求解方法主要分为以下几种[65]：直接迭代法、牛顿-47- 法、修正的牛顿法、拟牛顿法、弧长法和载荷增量法，其中在迭代算法中主要采用NewtonRaphson（牛顿-拉弗森法）和Quasi-Newton（拟牛顿法）。Newton-Raphson具有很好的收敛性，适用于各种非线性问题，尤其是针对高度非线性问题。Quasi-Newton可用于非线性程度不高、但自由度较多的问题中，可以提高计算效率。针对不同算法的适用性，本文采用默认算法Newton-Raphson。2、用非线性求解计算在“分析步”模块中将几何非线性命令打开，并设定增量步相关参数。非线性问题是通过荷载增量的方式施加预先设定好的荷载值，直至无限趋近于最终值。ABAQUS计算增量步时会根据初始增量步大小进行迭代，当在某一增量步结果发散，软件会放弃当前增量步，并将增量步大小减小为当前增量步的1/4，重新进行迭代计算，若减小后的增量步仍出现发散的情况，会重复上述步骤继续减小增量步大小，直至得到收敛解。若在ABAQUS所允许的5次减小增量步过程中均未达到收敛，则会终止分析。因此在设定初始增量步时，数值过小会增加计算量，数值过大会使在迭代计算过程中5次折减后仍未收敛，导致计算终止。经过试算以及最终结果确定增量步大小按表4.4设定。表4.4增量步的设定最大增量步数初始增量步大小最小增量步最大增量步1000000000.0011E-1513、分步施加荷载当荷载比较多时，分步施加荷载避免了将荷载一次性施加所导致的收敛困难，本文中位移荷载为0.1mm/min，设置多个荷载步进行施加，有利于结果收敛。4、网格划分ABAQUS中网格划分技术分为三种，分别是：结构网格、扫掠网格和自由网格。网格划分均匀可以保证荷载传递的精准性，在本模拟中采用结构网格，这是因为模型本身形状规则，且结构网格划分单元为四边形或六面体，可保证均匀划分网格。另外，在单元边长相同的情况下，结构网格可以减小计算所需资源，加快计算速度，计算精度也更高。网格精度同样会影响结果的收敛性，网格过密容易出现小幅震荡，截断误差增大，使结果不易收敛，网格过疏会使计算精度降低，因此要选用合适的网格精度，本文以2.5mm为单位进行网格划分。5、弹簧单元的设定弹簧单元的设置增加了收敛的难度，针对研究内容适当简化模型有利于计算收敛。由于纤维束直径很小，可以忽略垂直于拉拔方向弹簧单元的销栓作用，仅在纤维编织网与水泥基体重合节点上设置平行于拉拔方向的弹簧单元，以分析拉拔过程中纤维编织网与水泥基体的相互作用。模型中弹簧单元形式如图4.12所示。-48- (a)纤维束上的弹簧单元(b)弹簧单元细节图图4.12弹簧单元4.4有限元结果及分析4.4.1试件应力分析通过对复合材料施加向上的位移荷载，分析拉拔过程中试件在不同时刻的应力云图及应力路径图，并观察试件受力状况和应力开展情况，进一步研究纤维与水泥基体间的粘结性能。图4.13为纤维编织网试件的应力分布云图，从图中可得到荷载传递路径，在加载初期，荷载由试验夹具传递至经向纤维束，并由界面剪力作用传递至水泥基体，在四根经向纤维束周围基体应力增大，并逐渐向外开展，应力集中于纤维编织网与水泥基体接触位置，这与试验中试件首先在复合材料接触位置产生裂缝并向底面延伸的现象一致。随着裂缝的开展，纤维编织网逐渐发生滑移，实现纤维编织网被拔出。本章中模拟得到的云图单位均为MPa。-49- 图4.13纤维编织网试件应力分布图图4.14为单束经向纤维试件的应力分布云图，在加载过程中同样是纤维束首先承担荷载，传递至水泥基体，在纤维束附近的基体应力最大，但应力值相比于纤维编织网试件偏小，一方面是由于经向纤维根数为纤维编织网试件的1/4，导致接触面积减小，拉拔力降低，另一方面是因为埋长区纬向纤维束的布置增大了二者间的摩阻力和机械咬合力，起到了对经向纤维束的约束作用，改善了粘结性能。与纤维编织网试件相同，单束经向纤维试件同样是在界面处最先产生裂缝并向外扩展。图4.14单束纤维试件应力分布云图在拉拔试验中，夹具夹在纤维编织网顶端，荷载由经向纤维束顶部向下传递，并通过经、纬向纤维束相交节点传递至纬向纤维束。如图4.15所示，在加载初期，经向纤维束承担主要荷载，随着位移荷载的施加，经向纤维束发生弹性变形，并通过节点将应力传递至埋长区纬向纤维束，并在节点处略微屈曲，模拟结果验证了埋长区纬向纤维束在加载中所起的约束作用，与试验结果一致。在整个过程中，经向纤维束为主要受力部分，纬向纤维束为次要受力部分，并且纤维编织网受力大于水泥基体。-50- (a)加载初期(b)加载后期图4.15纤维编织网应力分布云图图4.16(a)为经向纤维束应力路径图，其中横坐标0mm处为经向纤维束顶端，40mm处为纤维束底端，荷载施加在顶端使得经向纤维束顶部应力最大，逐渐向下传递，底端应力值最小。图4.16(b)为埋长区纬向纤维束的应力路径图，横坐标0mm与50mm分别为纬向纤维束两端，由于荷载作用经向纤维束发生变形，应力通过两向纤维束相交节点向埋长区纬向纤维束传递，使得纬向纤维束在节点处应力突增，并向两边传递。荷载均匀施加在纤维编织网顶部，因此纬向纤维束在四个节点处应力大小一致。(a)经向纤维束应力路径图(b)纬向纤维束应力路径图图4.16应力路径图4.4.2试件位移分析图4.17为纤维编织网位移云图，位移荷载施加在纤维编织网顶端，因此顶部位移最大，并由顶部向下传递。经向纤维束发生弹性变形，纬向纤维束位移在两向纤维交汇处最大，并在进入滑移阶段后纤维编织网会出现滑移现象。-51- (a)加载初期(b)加载后期图4.17纤维编织网位移云图4.4.3拉拔荷载-位移曲线分析对求解结果进行后处理分析，输出ODB场变量中的位移U2及反作用力RF2，绘制出拉拔荷载-位移曲线，并与试验结果作对比，如图4.18所示。由图可知，数值模拟曲线与试验曲线趋势相同，在拉拔初期，拉拔力随位移荷载增加而增大，此时纤维处于弹性变形阶段。纤维开始发生脱粘后，曲线上升趋势减缓，直至达到极限拉拔力，曲线开始下降，纤维随后达到完全脱粘点，进入滑移阶段，纤维与基体产生相对位移。纤维编织网试件较单束纤维试件极限拉拔力提高了315%，结果表明在埋长区布置纬向纤维束可以在一定程度上提高极限拉拔力，这是由于纬向纤维束的布置增大了二者间的接触面积，使摩阻力增大，有效阻止了纤维编织网在基体中的滑移，同时纬向纤维的约束作用使其在节点位置会发生屈曲。试验曲线与数值模拟曲线存在一些差异，这可能是由于只考虑了平行于拉拔方向的粘结作用，同时网格划分也会影响计算结果。试验与模拟的极限拉拔力相差不超过10%，满足误差允许范围。图4.18纬向纤维束对粘结性能的影响-52- 4.5影响因素分析4.5.1纤维网格尺寸通过对试验中纤维编织网试件和单束纤维试件进行数值模拟，所得拉拔荷载-位移曲线与试验结果吻合良好，且应力分布、裂缝开展与试验现象一致，验证了数值模拟的合理性。在本节中运用上述数值模型进一步分析纤维网格尺寸以及水泥基体强度对粘结性能的影响，预测试验结果。本文共设置5种网格尺寸，分别为5mm×5mm，10mm×10mm、12.5mm×12.5mm、15mm×15mm和17.5mm×17.5mm，水泥基体尺寸均为50mm×20mm×10mm，加载距离为30mm，材料参数取值见4.2.2节。纤维编织网经过粘砂处理后，可忽略纤维丝与纤维丝之间的滑移作用，采用一体式建模。为使纤维编织网均匀受力，纤维编织网居中布置在水泥基体中。在网格尺寸为17.5mm×17.5mm的试件中埋长区设置3根经向纤维束和1根纬向纤维束，其它三种网格尺寸试件均布置4根经向纤维束和1根纬向纤维束，试件应力分布见图4.19。(a)网格尺寸5mm(b)网格尺寸10mm(c)网格尺寸12.5mm(d)网格尺寸15mm-53- (e)网格尺寸17.5mm图4.19纤维网格尺寸对粘结性能的影响如图4.19所示，在接触面积相同情况下，当网格尺寸小于5mm时，由于纤维间距过小，导致相邻两纤维束影响范围叠加，出现应力增强现象，极限拉拔力增大，基体沿纤维束连线劈裂，试件提前失效；当网格尺寸大于5mm时，改变纤维网格尺寸对纤维编织网承载力影响不大。网格尺寸为17.5mm时，由于埋长区纤维束数量减少，纤维编织网与基体的接触面积减小，摩阻力和机械咬合力降低，纤维编织网承载力相应减小。因此，为避免试件提前失效，网格尺寸应大于5mm。假设最外侧纤维束距基体边界距离为a，网格尺寸的改变会影响a取值，进而影响应力分布，为了分析边界距离对应力分布的影响，针对网格尺寸为12.5mm的试件采用3种边界距离，分别为2.5mm，3.75mm和6.25mm，如图4.20所示。从图中可知，边界距离越小边界效应越明显，应力传递会受边界效应的影响。当a取值小于等于2.5mm时，边界效应最为显著，基体两端易开裂，当a取值大于2.5mm时，仍存在边界效应，但边界位置应力分布较a小于2.5mm时有所减小。这是因为边界效应的存在使得水泥基体中骨料体积分数由外到内逐渐增加，并最终达到了稳定值。骨料具有限制裂缝开展的作用，由于边界处骨料含量少，致使边界易产生裂缝，基体破坏。网格尺寸模拟结果见表4.5。(a)边界距离2.5mm(b)边界距离3.75mm-54- (c)边界距离6.25mm图4.20边界距离对应力分布的影响表4.5网格尺寸模拟结果编号网格尺寸边界距离a经向纤维纤维应力边界效应叠加作用(mm)(mm)根数(MPa)1517.54320.1无有210104292.3无无312.56.254292.2有无4152.54292.1明显无517.57.53218.9有无612.53.754292.2有无712.52.54292.2明显无4.5.2水泥基体强度在已有模型的基础上，分析水泥基体强度对复合材料粘结性能的影响，共选用3种基体强度，分别为38.2MPa，45MPa，50MPa，图4.21中均为应力值最大时刻的应力云图。随着基体强度的增加，纤维编织网极限应力值增大，极限拉拔力也随之增加，同时基体应力值也随之增强，这说明基体强度越高，基体对纤维编织网的约束作用越强，粘结性能越好，变化趋势如图4.22所示。-55- (a)基体强度38.2MPa(b)基体强度45MPa(c)基体强度50MPa图4.21基体强度对粘结性能的影响图4.22峰值应力随基体强度的变化趋势4.6本章小结本章通过采用ABAQUS软件对纤维编织网试件与单束纤维试件拉拔试验进行数-56- 值模拟，引入非线性弹簧单元模拟纤维编织网与水泥基体间的粘结滑移，将试验结果与数值模拟结果进行对比，并对影响粘结性能的因素进行分析，得到以下结论：1、由于埋长区纬向纤维束的布置，纤维编织网试件较单束纤维试件极限拉拔力有所提高，发挥了纬向纤维束的约束作用。根据应力分布云图得到荷载传递路径，可知两种试件裂缝均是先产生于纤维编织网与水泥基体接触面上，向基体底面开展，并逐渐发生脱粘，产生滑移。2、将试验得到的拉拔荷载-位移曲线与数值模拟结果作对比，曲线趋势相同，误差在10%以内，满足误差允许范围，验证了模型的适用性。3、利用本模型进一步模拟纤维网格尺寸对粘结性能的影响。当纤维编织网与水泥基体接触面积相同时，网格尺寸小于等于5mm致使相邻纤维束应力叠加，极限拉拔力增强，试件易过早失效；当网格尺寸大于5mm时，改变网格尺寸对承载力影响不大。当纤维束数量减少时，纤维编织网与基体接触面积减小，极限拉拔力降低。边界距离改变会影响应力分布，边界距离小于等于2.5mm时边界效应显著，易在边界产生裂缝，使基体破坏。4、在已有模型的基础上模拟水泥基体强度对粘结性能的影响，极限拉拔力随基体强度的增加而增加，提高基体强度有利于改善粘结性能。-57- -58- 第五章结论与展望5.1结论钢筋混凝土结构在土木工程中应用广泛，但钢筋在工作过程中容易发生锈蚀，导致结构承载力下降，减少使用年限。为减缓钢筋锈蚀，增强钢筋混凝土的耐久性，工程中通常会增加混凝土保护层厚度，这样不仅使结构自重增加，而且会浪费材料。纤维编织网增强水泥基复合材料与现有的钢筋混凝土材料相比，具有自重轻、承载力高以及钢材无法比拟的耐腐蚀性。由于非金属材料在水泥基体中不会锈蚀，故可减小保护层厚度做成薄层结构。在外荷载作用下，该复合材料的裂缝行为取决于水泥基体与纤维编织网间的粘结作用，改善界面粘结作用有助于力学性能的发挥。本文基于纤维编织网增强水泥基体复合材料拉拔试验及有限元分析，得出以下结论：1、对经过环氧树脂浸渍并粘砂处理的纤维束进行拉伸试验，测定极限拉力及相应的位移，进而得到抗拉强度、极限应变及弹性模量，为后续试验研究及有限元分析提供力学参数。2、根据不同因素对纤维编织网与水泥基体界面粘结性能的影响，得出以下结论：增加纤维编织网埋置长度、对纤维编织网表面进行环氧树脂浸渍并粘砂处理、埋长区布置纬向纤维束均可以改善纤维编织网与水泥基体间的界面粘结性能；增大加载距离会增大纤维编织网弹性变形，减小曲线弹性段斜率；增加基体保护层厚度可以增强外围基体的抗裂能力，极限拉拔力会先随保护层厚度增大而增大，之后趋于稳定。3、运用有限元软件ABAQUS建立了拉拔模型，在水泥基体与纤维编织网重合节点处添加非线性弹簧单元SPRING2，用以分析二者间的界面粘结作用，后处理得到的拉拔荷载-位移曲线与试验曲线趋势一致，误差在10%以内，满足误差要求，验证了模型的可行性。4、通过应力分布云图可以得到荷载传递路径。荷载首先由试验夹具传递至纤维编织网，纤维编织网承担主要荷载，其中经向为主要受力方向，随着荷载的增加，埋长区纬向纤维束发挥约束作用，在节点处应力突增，并由相交节点向两侧传递，通过界面剪力作用将荷载传递至水泥基体，在纤维编织网与水泥基体相交位置产生裂缝，向基体底面传递。5、位移云图可以反映纤维编织网在拉拔过程中的变形和滑移。变形由顶端纤维向下传递，纬向纤维束位移在两向纤维交汇处最大，进入滑移阶段后，纤维编织网底端产生相对位移，实现纤维编织网的拔出。6、在已有模型的基础上，进一步模拟纤维网格尺寸及水泥基体强度对粘结性能-59- 的影响。当埋长区纤维编织网与水泥基体接触面积相同时，网格尺寸小于等于5mm会使相邻纤维束之间应力叠加，试件过早失效，网格尺寸大于5mm时改变网格尺寸对粘结作用影响不大；边界距离会影响应力分布，当边界距离小于等于2.5mm时，边界效应明显，基体两端最先开裂；极限拉拔力随水泥基体强度的提高而增大，粘结性能得到改善。5.2展望本文重点讨论了纤维编织网与水泥基体的界面粘结性能，并对应力传递、变形情况以及荷载-滑移曲线进行分析，提出了增强界面粘结作用的方式。但本文的研究还不够全面和深入，仍需从以下几个方面做进一步的探讨：1、研究不同纤维类型、纤维编织方式、纤维束直径对界面粘结作用的影响。2、通过微观电镜扫描的方法，分析纤维编织网与水泥基体之间的作用机理，得到受力过程中埋长区纬向纤维束的约束作用。3、研究纤维编织网增强水泥基复合材料在疲劳荷载或侵蚀环境等复杂状态下的界面粘结作用及耐久性。4、进行纤维编织网拉拔的力学分析，得出判断纤维编织网脱粘的依据并进行脱粘过程的理论计算。5、将本文提出的有限元模型进一步细化，并基于本文研究成果，深入研究纤维编织网增强水泥基复合材料在工程实例中的应用，起到对实际工程的指导作用。基于界面作用的复杂性，对纤维编织网与基体间的界面粘结作用有待于进一步研究，获取更为准确的性能指标，为该复合材料的实际应用提供理论依据和技术支持。-60- 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攻读学位期间所取得的相关科研成果田稳苓,刘旭,张利民,等.纤维编织网增强水泥基复合材料粘结性能研究[J].河北农业大学学报（录用待刊）-65- -66- 致谢首先由衷地感谢我的导师田稳苓教授，田老师严谨的学术态度、渊博的知识、独到的学术观点以及其人格魅力均让我受益匪浅，是一生受用的财富。本论文是在田老师的悉心指导下完成的，三年的研究生期间，田老师对我们的教育在百忙之中也从未有过松懈，不仅在学术方面为我们指引了方向，生活方面关怀备至，在处事原则方面也给予了建议。在此向恩师表达我最诚挚的敬意和谢意！感谢王浩宇师兄在论文完成方面给予建设性意见。感谢同门张希瑾、朱瑞经、刘金朋、常翔宇在生活和学习上给予了无微不至的关心和帮助。感谢师弟刘博雄、孟毅远、魏延凯、宋昭、刘大亨、孙梦阳在试验期间无私的帮助和支持。感谢结构试验室的老师和同学们在试验过程中提出宝贵的意见和热心的指导。另外要感谢我的室友李晓迪、么亚楠，感谢她们在日常生活中对我的关怀，陪伴我度过难忘的研究生生活，我非常珍惜这段友谊。深深地感谢我的父母，感谢他们对我多年的照顾和培养，给予我关怀和鼓励，一直做我坚强的后盾和避风的港湾，让我从容面对一切困难。最后再次向教导过我、培养过我、关心过我、帮助过我的良师益友表达诚挚的感谢，感谢母校河北工业大学对我的培养，祝愿所有老师、父母长辈身体健康，所有同学事业有成、前程似锦，也祝愿母校更展宏图，铸造新的华章！-67-