玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究 83页

学校代号10532学号S1501W0068分类号TU599密级公开工程硕士学位论文玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究学位申请人姓名周航培养单位土木工程学院导师姓名及职称朱德举教授许宁高级工程师学科专业建筑与土木工程研究方向织物增强水泥基复合材料论文提交日期2018年5月27日 学校代号：10532学号：S1501W0068密级：公开湖南大学工程硕士学位论文玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究学位申请人姓名：周航导师姓名及职称：朱德举教授许宁高级工程师培养单位：土木工程学院专业名称：建筑与土木工程论文提交日期：2018年5月27日论文答辩日期：2018年5月30日答辩委员会主席：史才军教授 TheresearchonmechanicalpropertiesofglassfiberbundlesandthebondpropertiesofglassfibertextilereinforcedconcretebyZHOUHangB.E.(HunanUniversityofTechnology)2014AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinCivilEngineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorZHUDejuApril,2018 湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密□，在年解密后适用本授权书。2．不保密□√。(请在以上相应方框内打”√”)作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日I 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究摘要玻璃纤维编织网增强混凝土（GlassTextileReinforcedConcrete，简称GTRC）是一种新型建筑材料，其具有高承载力、抗裂性能好、耐腐蚀等优点。研究玻璃纤维编织网与基体之间的粘结性能是应用玻璃纤维编织网增强混凝土的前提条件。而在将玻璃纤维编织网应用到混凝土基体前，首先应先测试玻璃纤维网的基本力学性能。为此，本文进行了如下几方面的研究：利用MTS万能试验机对五种常见的玻璃纤维束进行了准静态拉伸测试。利用InstronCeast9340落锤系统对五种玻璃纤维束进行动态冲击试验。利用Weibull分布模型对试验数据进行统计分析，量化了玻璃纤维强度的离散性。从结果可以看出：每种玻璃纤维束表现出其不同的力学性能应变率相关性。静载下有涂覆层定型而成的玻璃纤维束其破坏模式是分步破坏的，动载下玻璃纤维束又呈现随应变率不同的破坏形态，这与其纤维的力学性能差异有关，且表明玻璃纤维束的破坏形态与应变率有关。同时，采用Weibull分布拟合玻璃纤维束拉伸强度的相关系数r值均大于0.95，说明Weibull分布能很好的预测应变率条件下玻璃纤维束的分布规律。对玻璃纤维编织网增强混凝土的基体进行TRC基体流动性能的测试，采用了自密实混凝土的坍落度、坍落流动度以及坍落流动时间T50对TRC基体流动性能力进行了检测。在试验基础上，调整水胶比和减水剂的含量，配制出C1、C2、C3三种配合比不同的混凝土基体，而后对三种基体进行了工作性能和力学性能的试验和分析。结合混凝土基体的工作性能及强度，选出具有良好工作性能和力学性能的TRC基体。试验结果表明：C3基体的流动性能好且强度较高，其工作性能比C1基体和C2基体好，且强度也满足TRC基体的要求，即采用混凝土C3配合比的基体能满足TRC的基体要求。利用MTS万能试验机对两种涂覆层玻璃纤维束的埋深深度（10mm、15mm、20mm）、混凝土强度和工作性能以及纤维网表面浸渍环氧树脂后粘砂处理三种情况下进行拔出试验测试，研究两种玻璃纤维束与TRC基体的粘结性能影响。试验结果表明：随埋深的增大，拔出刚度呈整体上升的趋势，且拔出刚度始终为正值；在10-20mm的埋深深度内最大拔拉力随着纤维束的埋深增加而增大；等效粘结强度其随着埋深的增大而减小；拔出功随着埋深增加而增大，且在埋深20mm时的增加幅度最大。混凝土的强度和工作性能均能影响纤维编织网与混凝土基体的粘结性能，提高混凝土基体的强度以及改善基体的工作性能均能提高混凝土基体与纤维编织网的粘结能力。且改善混凝土基体的工作性能更能提高纤维编织网与基II 工程硕士学位论文体的粘结性能。纤维编织网涂覆环氧树脂粘砂处理后能提高其二者的粘结性能,且增强效果很明显。关键词：玻璃纤维束；静态拉伸试验；应变率相关性；粘结性能；流动性能力III 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究AbstractGlasstextileReinforcedConcrete(GTRC)isanewtypeofbuildingmaterial,whichhastheadvantagesofhighbearingcapacity,goodcrackingresistanceandcorrosionresistance.Thebondingeffectbetweenglassfibermeshandmatrixistheguaranteeforthemechanicalperformanceofglassfiberreinforcedconcretestructure.Beforeapplyingtheglassfibermeshtotheconcretematrix,thebasicmechanicalpropertiesoftheglassmeshshouldbetestedfirst.Forthisreason,thispaperhascarriedoutthefollowingaspectsofresearch.FivekindsofcommonglassfiberbundlesaretestedbyqusaistatictensiletestwithMTSuniversaltestingmachine.TheInstronCeast9340drophammersystemisuesdtotestthedynamicimpactoffivekindsofglassfiberbundleswithastandarddistanceof25.0mm.Thevelocityoftheimpactis1m/s,2m/s,3m/sand4m/srespectively.Theconvertedstrainratesare40s-1,80s-1,120s-1and160s-1.TheWeibulldistributionmodelisusedtoanalysetheexperimentaldataandquantifythediscretenessofglassfiberstrength.Itcanbeseenfromtheresultsthatthestrainratecorrelationofeachglassfiberbundleshowsitsdifferentmachanicalproperties.Thefailuremodeoftheglassfiberbundlesunderthestaticloadingisbrokenstepbystep.Theglassfiberbundlesinthedynamicloadshowthefailureformwithdifferentstrainrates,whichisrelatedtothedifferenceofthemechanicalpropertiesofthefibers,andindicatesthatthefailuremodeoftheglassfiberbundleisrelatedtothestrainrate.Atthesametime,thecorrelationcoefficientofthetensilestrengthoftheglassfiberbundlewithWeibulldistributionisgreaterthan0.95,indicatingthatthedistributionofWeibulldistributioncanpredictthedistributionofglassfiberbundlesunderthestrainrate.Theself-compactionpropertiesofTRCmatrixreinforcedbyfiberbraidreinforcedconcreteweretested.Theself-compactionpropertiesofTRCmatrixweretestedbyslump,slumpfluidityandslumpflowtimeT50.Onthebasisofthetest,themixtureratioofwaterbinderratioandwaterreducingagentwasadjusted,threekindsofmixtureratiosofC1,C2andC3wereprepared.andthenthemachanicalpropertiesofthreekindsofmatrixweretestedandanalyzed.Basedontheperformanceandstrengthofconcretematrix,TRCmatrixwithgoodworkingandmachanicalpropertiesisselected.thetestresultsshowthattheC3matrixhasgoodflowperformanceandIV 工程硕士学位论文highstrength,anditsworkingperformanceisbetterthanthatofC1matrixandC2matrix,andthestrengthofC3havelittledifferencethanthatofC1andC2.Thatis,thematrixthatusestheconcreteC3(waterglueratiois0.40,waterreducingagentis3.5kg/m3)canmeetthematrixrequirementsofTRC.UsingTheMTSuniversaltestmachinetotesttheembeddeddepth，strengthandperfomanceofconcreteandthetreatmentofpostdipcoatingofexpoxyresinonthesurfaceoffibernetoftwokindsofglassfiberbundles.StudyingtheeffectsofthetwokindsofglassfiberbundlesonthebondingpropertiesofTRCmatrix.Thetestshowsthatthepulloutstiffinessincreasesastheembeddeddepthincreaes,andthepulloutstiffinessofSCNET80fiberbundlehasalocalfluctuationandthepulloutstiffinessisalwayspositive.Thepeakpulloutloadincreasewiththeembeddeddepthofthefiberinthedepthof10mm-20mm,andtheequivalentbondstrengthdecreaseswiththeincreaseoftheembeddeddepth,theworkingofpulloutforceincreasewiththeincreaseoftheembeddeddepth,andincreasegreatlywhenburiddepthis20mm.Thestrengthandworkingperformanceofconcretecanaffectthebondingperformanceofthefiberbraidnetandtheconcretematrix.Thestrengthoftheconcretematrixandtheimprovementoftheworkingperformanceofthematrixcanimprovethebondabilityoftheconcretematrixandthefiberweavenetwork.Amongthem,improvingtheworkabilityofconcretematrixcanimprovethebondingperformanceoffiberwovenmeshandmatrix.Afterimpregnatingwithepoxyresin,thebondingstrengthbetweenfibermeshandconcretecanbeimproved,andtheenhancementeffectisobvious.KeyWords：Glassfiberbundles;Statictensiletest;Strainratedependence;Bondingproperties;SelfcompactingabilityV 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究目录学位论文原创性声明与学位论文版权使用授权书...................................................I摘要............................................................................................................................IIAbstract...................................................................................................................IV插图索引................................................................................................................VIII附表索引....................................................................................................................X第1章绪论................................................................................................................11.1研究背景及意义............................................................................................11.2纤维编织网和TRC基体混合料的开发.......................................................11.2.1纤维编织网............................................................................................41.2.2TRC基体混合料的开发........................................................................61.3研究现状.......................................................................................................81.4本文研究的主要内容..................................................................................10第2章玻璃纤维束的力学性能研究.......................................................................122.1引言.............................................................................................................122.2试验材料与方法..........................................................................................122.2.1试验材料与性质...................................................................................122.2.2玻璃纤维束截面积的测量...................................................................142.2.3试样制备..............................................................................................182.2.4静态拉伸试验......................................................................................202.2.5动态冲击试验......................................................................................212.3静态拉伸力学性能......................................................................................222.4动态冲击力学性能......................................................................................252.4.1应变率对SCNET80玻璃纤维束力学性能的影响.............................262.4.2应变率对TD150玻璃纤维束力学性能的影响...................................282.4.3应变率对ARNP300玻璃纤维束力学性能的影响..............................292.4.4应变率对ARNM165玻璃纤维束力学性能的影响.............................312.4.5应变率对ARNM305玻璃纤维束力学性能的影响.............................322.4.6玻璃纤维束不同应变率下的破坏形态................................................342.4.7Weibull分析.........................................................................................352.5本章小结.....................................................................................................39第3章TRC基体流动能力试验..............................................................................40VI 工程硕士学位论文3.1引言.............................................................................................................403.2原材料.........................................................................................................403.3TRC基体流动能力试验过程.......................................................................413.3.1基体搅拌方法......................................................................................413.3.2基体组分配合比...................................................................................423.3.3试验方法..............................................................................................423.3.4基体的流变性能...................................................................................433.3.5基体切面的宏观形态...........................................................................433.3.6基体的基本力学性能...........................................................................453.4本章小结.....................................................................................................48第4章玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究............................................494.1引言.............................................................................................................494.2拔出试验试件制备......................................................................................504.2.1基体组分配合比...................................................................................504.2.2玻璃纤维编织网...................................................................................504.2.3TRC基体试样制备..............................................................................514.3试验方案.....................................................................................................524.4测试仪器与方法..........................................................................................534.5试验结果与分析..........................................................................................564.5.1纤维束不同埋深对粘结性能的影响....................................................564.5.2混凝土强度和工作性能对粘结性能的影响........................................584.5.3纤维编织网表面处理后对粘结性能的影响........................................614.5.4试件破坏形态......................................................................................624.6本章小结.....................................................................................................64结论与展望...............................................................................................................64参考文献...................................................................................................................66致谢.........................................................................................................................71VII 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究插图索引图1.1钢筋混凝土的性能劣化过程...................................................................1图1.2TRC的应用...........................................................................................3图1.3纤维束的制成方式..................................................................................5图1.4纤维束编织形式......................................................................................5图1.5纤维网的编织方式..................................................................................6图1.6斜向布置纤维束的纤维编织网...............................................................6图2.1耐碱玻璃纤维编织网............................................................................14图2.2玻璃纤维网经纬向的平均截面面积.....................................................15图2.3镶嵌模具................................................................................................16图2.4手工湿磨操作方法................................................................................16图2.5玻璃纤维束截面图及其面积纵向分布.................................................18图2.6试件几何形状........................................................................................19图2.7试件标距图............................................................................................19图2.8拉伸试件标距控制模具.........................................................................20图2.9静态拉伸测试装置................................................................................21图2.10INSTRON9340落锤冲击系统..........................................................22图2.11静态拉伸下玻璃纤维束的应力-应变曲线..........................................24图2.12SCNET80玻璃纤维束在不同应变率下的应力-应变曲线...............27图2.13应变率对SCNET80玻璃纤维束力学性能参数的影响.....................28图2.14TD150玻璃纤维束在不同应变率下的应力-应变曲线.....................28图2.15应变率对TD150玻璃纤维束力学性能参数的影响...........................29图2.16ARNP300玻璃纤维束在不同应变率下应力-应变曲线....................30图2.17应变率对ARNP300玻璃纤维束力学性能参数的影响......................31图2.18ARNM165玻璃纤维束在不同应变率下的应力-应变曲线...............32图2.19应变率对ARNM165玻璃纤维束力学性能参数的影响.....................33图2.20ARNM305玻璃纤维束在不同应变率下的应力-应变曲线...............33图2.21应变率对ARNM305玻璃纤维束力学性能参数的影响.....................34图2.22不同应变率下玻璃纤维束的破坏形态...............................................36图2.23不同应变率条件下玻璃纤维束拉伸强度的Weibull分布曲线..........39图3.1基体的搅拌过程....................................................................................42图3.2坍落度筒尺寸........................................................................................44VIII 工程硕士学位论文图3.3坍落流动度的试验装置.........................................................................44图3.4C3基体扩展度和坍落度.....................................................................45图3.5基体试块切面宏观形态.........................................................................46图3.6基体的抗压强度（单位：MPa）..........................................................47图3.7基体的弯曲强度（单位：MPa）..........................................................47图3.8基体的弹性模量（单位：GPa）..........................................................47图4.1未处理过的玻璃纤维编织网.................................................................51图4.2经环氧树脂浸渍后沾砂处理过的玻璃纤维编织网..............................52图4.3试件制备过程........................................................................................53图4.4拔拉试验试件图....................................................................................53图4.5试验装置图............................................................................................55图4.6试件端部加固铝片（mm）...................................................................56图4.7试件端部粘贴铝片工具.........................................................................56图4.8环氧树脂粘结破坏................................................................................56图4.9不同埋深对粘结性能的影响.................................................................57图4.10不同埋深对玻璃纤维束拔出刚度、最大拔拉力、等效粘结强度和拔出功的影响.......................................................................................................58图4.11混凝土强度和工作性能对ARNP300玻璃纤维束与基体粘结性能的影响.......................................................................................................................59图4.12混凝土强度和工作性能对SCNET80玻璃纤维束与基体粘结性能的影响...................................................................................................................60图4.13混凝土强度和工作性能对玻璃纤维束拔出刚度、最大拔出力、等效粘结强度和拔出功的影响................................................................................61图4.14ARNP300及SCNET80表面处理后对粘结性能的影响..................61图4.15试件的拔出破坏形式..........................................................................63IX 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究附表索引表1.1纤维网的力学性能参数...........................................................................4表1.2各种纤维材料和预应力钢筋的耐久性...................................................4表1.3细骨料混凝土的类型..............................................................................8表2.1玻璃纤维编织网的技术指标.................................................................13表2.2纤维束纬向截面面积及截面面积相对应平均值的变化率...................18表2.3纤维束经向截面面积及截面面积相对应平均值的变化率...................18表2.4试件各部分取值....................................................................................19表2.5玻璃纤维束静态力学性能.....................................................................25表2.6不同应变率下玻璃纤维束拉伸强度的Weibull参数............................37表3.1外加剂性能参数....................................................................................42表3.2基体组分配合比....................................................................................43表3.3基体的水胶比和外加剂掺量.................................................................43表3.4基体的流变性........................................................................................45表3.5基体的28d力学性能............................................................................47表4.1C3基体组分配合比.............................................................................50表4.2C3基体流变性....................................................................................50表4.3玻璃纤维束的力学性能.........................................................................52表4.4试验方案................................................................................................54表4.5纤维网表面处理对纤维束最大刚度、最大拔出力、等效粘结强度和拔出功的影响.......................................................................................................62X 工程硕士学位论文第1章绪论1.1研究背景及意义在近200年以来，混凝土的技术有了突飞猛进的发展。凭借其材料来源广泛、性能可调节范围大、硬化前有良好的塑性、施工工艺简单、有较高的强度和耐久性等诸多优点，使混凝土被大量用在房屋建筑、桥梁隧道、交通公路、水利工程以及土木工程各类建筑的装修中，并表现出了不可替代的作用[1,2]。但同时在大量使用以及对混凝土研究的过程中表明其在工程应用中也存在一些缺点，比如混凝土的自重大、拉伸强度低、养护周期长、不耐高温、韧性差以及抗裂性能较差等，严重限制了混凝土在一些应用对于裂缝、强度要求高的工程中的使用[3]。Mehta教授指出:“钢筋锈蚀、寒冷地区的冻害是导致混凝土破坏的原因，其中钢筋的锈蚀是其破坏的主要原因。”钢筋锈蚀后，体积膨胀到2.5倍左右，导致混凝土产生向外膨胀力，混凝土表面出现裂缝甚至脱落，一定程度上使混凝土的耐久性丧失，钢筋混凝土构件的性能劣化过程如图1.1所示[4]。限制混凝土的裂缝宽度是解决钢筋混凝土钢筋锈蚀问题的关键所在[5]。一般环境下，当混凝土裂缝的宽度小于0.2mm时，对结构构件承载力的影响不大，而钢筋表面的锈蚀程度也可忽略不计。随着裂缝宽度的进一步增加，结构构件的承载力因损伤而变小，这时候的钢筋锈蚀就不能再忽略了，因而只要对混凝土结构的裂缝宽度加以限制，混凝土的耐久性就会得到保障，才能延长结构寿命，降低维修所用的费用以及减小能源的耗损[6]。图1.1钢筋混凝土的性能劣化过程1 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究钢筋的锈蚀破坏是一笔巨大的开销。据美国1980的报道称，美国每年花在因钢筋锈蚀破坏的修复费大约在2500亿美元左右。因为使用除冰盐会导致有近56万座公路桥梁受到剥蚀破坏和钢筋锈蚀作用，其中需要大修或者重建才能继续使用的有近9万座，而这些破坏严重的桥梁中大部分使用年限低于20年，仅维修这些破损桥梁的费用就高达950亿美元。据最新资料显示，至今为止，美国总投资高达6万亿美元用于混凝土基础工程的建设。同时，每年也要花费近3000亿美元用于受损严重的道路桥梁维修和重建[7]。英国建设部门给出的一份报告称，英国每年的基础工程成交额为55亿英镑，由于钢筋锈蚀破坏，英国每年需要支付高达5亿英镑的费用用于道路、桥梁、建筑、港口码头等混凝土工程的维修和加固，仅维修和加固费用就占到了新建工程费用的11%[8]。我国钢筋锈蚀的现象也很严重，我国的海岸线长达1.8万公里，使我国面临严酷的环境条件，在冬季北方地区的路面、桥面仍在大量使用除冰盐，导致钢筋锈蚀非常严重，大大增加了用于混凝土工程建设和加固的维修费。例如，1981年我国检测了18座使用时间少于20年的混凝土海港码头，发现15座是由于钢筋的锈蚀破坏导致的。北京人民大会堂因施工时掺入了含氯的外加剂，梁柱等构件中的钢筋在几年后就已经开始锈蚀，到1994年钢筋锈蚀已经非常严重，致使梁柱等构件随时可能发生破坏而不得不进行修复，当时总修复费用为1.1亿元。北京西直门立交桥在使用了20年就被迫拆除重建是由于大量使用了除冰盐而造成的钢筋锈蚀严重[9,10]。纤维混凝土能够改善混凝土的易裂性，从而保障了混凝土的耐久性。将低体积掺量的短切纤维掺入到基体中，短纤维的拉伸强度可以提高混凝土的开裂荷载，同时还可以提高混凝土的拉伸强度和延性，这种材料称为纤维增强混凝土，简称FRC[11~13]。但是FRC的缺点在于短纤维的分布是乱向、无规律的，因而只有少部分的纤维可以充分发挥材料强度，导致纤维的利用效率并不高[14]。国内外学者对纤维增强混凝土材料做了大量的试验与分析，但大部分的研究都只是把短切纤维掺入到基体中从而起到增强的效果，常见的短切纤维有短切玄武岩纤维、短切碳纤维以及短切玻璃纤维等。研究结果表明短切纤维掺入到基体中后，明显提高了其抗拉强度、抗裂等性能。同时，纤维的掺入使基体具有了一些如防辐射、抗渗、保温等性能的能力[15~17]。20世纪70年代就有研究者将短切纤维或玻璃纤维（长度为1-2cm）掺入到混凝土中作为基体的增强材料，试验结果发现这些短切纤维不仅能提高混凝土的极限承载能力和开裂荷载，而且能对裂缝有很好的控制效果，很大程度上其作用与钢筋类似。但是其缺点也显而易见，就是这些短切纤维在混凝土基体中的分布是随机乱向的，它不能承担某个明确方向的力。为了能使纤维的受力更加均匀、得到明确方向的力，学者开始将纤维束沿混凝土的受力方向连续布置，试验结果表明这样布置后对承载能力的增强效果显著提高[18~20]。后来的研究者便将纤维束编织成各种网状结构，形成一种连续的2 工程硕士学位论文纤维织物，即为纤维编织网。将纤维网平铺在混凝土基体内，使混凝土的受力方向上布置贯通连续纤维束，便构成了纤维编织网增强混凝土（TextileReinforcedConcrete，简称TRC）[21]。纤维编织网增强混凝土将纤维网按一定的方向铺在基体当中，因而纤维束的受力方向是可以控制的，大部分的纤维束可以充分发挥材料强度，充分利用了纤维束的强度，很大程度上提高了纤维的利用效率。因为纤维具有耐腐蚀的优点，TRC结构可应用于海港、码头等水工恶劣环境。同时TRC可以不用考虑纤维编织网保护层厚度的要求。结构构件的厚度只需要取决于纤维编织网增强混凝土不发生剥离破坏即可,故混凝土基体的厚度可低至20mm以内，这是钢筋混凝土构件所无法实现的[22~24]。此外，TRC结构可用作幕墙等装饰构件、楼板、桥梁等承重构件。如图1.2所示。（a）幕墙结构（b）墙体结构（c）人行天桥（d）网状结构（e）壳结构（f）三明治结构图1.2TRC的应用3 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究1.2纤维编织网和TRC基体混合料的开发1.2.1纤维编织网TRC所用纤维中广泛应用的通常是玻璃纤维和碳纤维。表1.1列举了一些常用纤维的力学参数并将普通钢筋和钢绞线列入其中作为对比数据[25]。表1.1纤维网的力学性能参数杨氏模量抗拉强度极限应变温度膨胀系数纤维类型（GPa）（GPa）（%）（10-6/K）耐碱玻璃纤维71-743.0-3.52.0-4.3--E玻璃纤维72-743.4-3.73.3-4.88.8高杨氏模量碳纤维350-4502.0-4.01.75-1.91径向：18高抗拉强度碳纤维200-2503.0-5.01.75-1.91轴向：0.1-1.3钢筋（HPB235）2100.372212钢绞线（1×7）1951.863.512从表1.1可以看出耐碱玻璃纤维和E玻璃纤维的杨氏模量比钢筋低了近1/3，碳纤维的杨氏模量略高于钢筋。碳纤维的抗拉强度和玻璃纤维的相差不大，但都远远高于钢筋的抗拉强度。玻璃纤维和碳纤维的极限应变都远远小于钢筋的极限应变，这说明纤维是一种脆性材料，当达到其抗拉强度时，在没有明显预兆的前提下就会突然断裂。除了在力学性能方面的差异外，纤维材料在化学方面也相差很大。在不同的环境中，各种纤维的耐久性也表现出差异性，表1.2所示的是纤维在四种常见环境下的耐久性[26]。表1.2四种常见环境下纤维和预应力钢筋的耐久性环境因素玻璃纤维碳纤维预应力钢筋酸性环境良好好较差碱性环境较差良好好海水良好好较差已碳化混凝土良好好较差从表1.2可以看出两种纤维材料在处于酸性环境、海水中和已碳化的混凝土中其强度等级都表现出良好的性能，表明其具有良好的耐久性能，而预应力钢筋在这三种环境中由于表面的钝化膜会被腐蚀破坏，因而强度会下降较多，耐久性较差。在碱性环境中碳纤维和预应力钢筋具有良好的耐久性，而玻璃纤维强度退化、耐久性较差。试验研究表明可以通过在玻璃纤维中加入锆元素、在水泥中掺4 工程硕士学位论文入粉煤灰和硅灰以降低混凝土碱性、采用低碱度的硫铝酸盐水泥等措施改善玻璃纤维在混凝土中的耐久性。纤维编织网就是按一定的方向将纤维束有规律的编织而成，有经纬两个方向，每个方向都是由纤维束编织而成，而纤维束又由许多的纤维单丝组成，图1.3所示的是纤维束的制成方式，纤维束可以是平直编织而成，也可以是多束纤维束扭转形成。（a）单根纤维丝（b）平直纤维束（c）扭转纤维束图1.3纤维束的制成方式[27]编织网是由纤维束通过不同的编织方式编织而成，而纤维束本身也有不同编织形式，包括连续长丝纱线和复合纱线，纤维束编织方式见图1.4。连续长丝纱线由单根或多根连续纤维组成，有方向性，纱线中纤维互相平行顺直，如（b）；纱线中纤维有捻，如（c）~（f）；也可弯曲成圈形，如图（d）。复合纱线是由连续纤维和短切纤维或两种以上的纱线混合组成的纱线[28]，如（e）~（f）。图1.4纤维束编织形式[28]目前由纤维束编织成纤维网的方式有很多种，其中最常见的有针织和平织两种方式，如图1.5所示。针织和平织都由经纬两个方向构成，纤维网一般是经向沿受力方向布置，承担主要的受力方向，纬向纤维束一般受力较小。其主要不同是经纬向在交接处的处理方式不同，针织法是在经纬交接处，为固定经向束，纬5 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究向束打一结扣，经向束穿过结扣。如图1.5a所示。这种编织方法的好处在于经向束被纬向束形成的节扣紧，埋入混凝土中的纤维不会因外力作用而改变形状。平织法是将纤维编织网两个方向上的纤维束相互交错缠绕，并且在纬向上缠绕一根细线将经向纤维束固定，以达到两个方向能连在一起的作用。如图1.5（b）所示。（a）针织（b）平织[28]图1.5纤维网的编织方式纤维束的编织方式决定了纤维束与混凝土的粘性性能，针织法所形成的纤维网会出现网格结构，而平织法可以不出现网格，整体性能更强，更能起到增强的效果。当然，平织法编织的纤维网除经纬向都布置纤维束外，有的纤维编织网在斜向上（与水平方向成45°角）也布置多根纤维束，如图1.6所示。图1.6斜向布置纤维束的纤维编织网[29]1.2.2TRC基体混合料的开发与普通混凝土不同，TRC中所用的混凝土必须满足以下的特殊要求[30,31]。（1）纤维编织网与所浇筑的混凝土基体要形成良好的粘结性，目的是保证纤维编织网和混凝土基体协同受力；（2）为确保混凝土与纤维网间有较好的界面性能和良好的承载力，混凝土不能振捣；6 工程硕士学位论文（3）混凝土应具有良好的流动性，目的是保证混凝土能够顺利的渗入纤维编织网，填满整个模具；（4）玻璃纤维编织网在TRC中的应用比较广泛，要求混凝土的基体低碱性，不能腐蚀纤维；综上所述，纤维编织网增强混凝土的基体应具有自密实能力、不离析性以及流动性能好等特点。而自密实混凝土具有不离析的自密实能力、流动性能好、早期强度高等优点都很适合用于充当TRC的基体，其依靠自重并可填满整个模具，试件成型较好。因此，用于TRC的基体一般选用自密实混凝土[32]。20世纪80年代，日本东京大学冈村教授首次提出自密实混凝土，后来，经过各国的学者研究与分析，现自密实混凝土的使用已普遍增加。其主要特征为：（1）高流动性：保证混凝土能绕过钢筋/纤维编织网，充分填满整个模具，使试件成型较好。（2）高通过钢筋/纤维网的能力：保证混凝土能顺利流过钢筋/纤维网的网孔，不出现空洞，不密实的情况。同时保证基体与钢筋/纤维编织网的界面粘结充实，无破坏现象出现。（3）不离析性能：保证混凝土在浇筑时各层的质量相差小，胶凝材料（主要是水泥）和骨料（砂）不发生离析现象。避免混凝土出现质量不均导致其强度在一定程度上降低过大。因为具有以上的一些特殊性能，自密实混凝土为保证基体成型较好，良好的抗渗性能以及不出现离析现象，特别适用于浇筑困难以及网孔较小的结构[33~35]。当前检测自密实混凝土性能的方法各有不同。其中，测试自密实混凝土的坍落度与流动时间是最常用的方法。换言之，就是测试自密实混凝土的坍落高度与扩展度和测试当拌合物流动到直径为50cm的圆时所用的时间[36]。用坍落度来测试混凝土的自密实能力要求简单、方便。但其缺点也是显而易见的，即用眼观察拌合物的流动性，对其指标难以控制，人为因素影响较大，对试验的精准度以及对操作人员的细致度要求高。从自密实混凝土的性质上看，自密实混凝土的坍落高度应大于240mm。坍落扩展度的测试是指测试混凝土拌合物在停止流动后最大直径和最大直径方向上与其垂直的另一个方向上的直径的平均值。同时，坍落扩展度可以直接判定混凝土拌合物抗离析的性能。当拌合物在钢板上两个垂直方向上的直径相差越小，即拌合物越接近圆形，说明其流动性能较好、抗离析性好以及变形能力好等特点。流动时间T50是指混凝土拌合物自坍落度筒提起开始计时到其扩展到钢板上直径为50cm的圆时所用的时间。流动时间能反应混凝土的粘度系数，但是流动时间的测试操作较为困难，需要注意控制提起坍落度筒的速度以及时间需要准确7 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究测试等。纤维编织网增强混凝土基体中所用砂的最大粒径不超过1.2mm，因此这种混凝土常被称作水泥砂浆。粉煤灰与水泥水化会产生氢氧化钙反应，降低其基体的碱性，同时还提高混凝土的流动性。因此，一般在配合比中用较多的粉煤灰来代替水泥的用量。但是掺入粉煤灰后会使得混凝土的早期强度有所降低，影响其力学性能的测定，因此可以在搅拌过程中参与一定量的硅灰。因为硅灰可以提高混凝土的早期强度，所以在TRC混凝土配比中粉煤灰与硅灰要一同使用来改善混凝土的工作性能，而且可以取代部分水泥，降低造价。TRC基体中胶体（水泥、粉煤灰和硅灰）的含量较大，胶砂比通常控制在1:0.3-2以内，基体的水胶比宜控制在0.30-0.45以内。为满足TRC基体的特殊要求，表1.3汇总了国内外试验研究调配的各种类型的细骨料混凝土基体[37,38]。表1.3细骨料混凝土的类型基体系统水泥类型添加物施工技术GlassaggregateOPC偏高岭土注射concrete减水剂、粉煤灰、硅酸盐水泥OPC层压硅灰矿物系统减水剂、粉煤灰、ReinhardtOPC拉压硅灰减水剂、粉煤灰、SFB532(Brameshuber)OPC喷射、层压硅灰铝酸盐水泥CAC粉煤灰、硅灰层压磷酸盐水泥IPC减水剂层压改性系统减水剂、粉煤灰、掺入短纤维OPC层压硅灰在矿物系统中添加粉煤灰，可以提高砂浆的和易性，改善其工作性能，但同时掺入粉煤灰会使得砂浆的早期强度下降，所以掺入一定量的硅灰，硅灰可以很好的填充水泥的颗粒空隙当中，使水泥砂浆更加紧密，提高其早期强度。同时铝酸盐水泥和磷酸盐水泥均为低碱水泥，这对提高玻璃纤维网的耐久性有利。在基体中掺入短纤维不但可以增强混凝土的拉伸强度和韧性，而且可以提高混凝土的抗裂性能，使混凝土由单一裂缝变为多条裂缝的开裂模式，并且在开裂处起到桥连作用，抑制混凝土与纤维网的脱粘。8 工程硕士学位论文1.3研究现状朱等[39]试验研究了参数对于玻璃纤维束拉伸力学性能的影响：文献分别从不同标距（25,50,100,200和300mm）、不同应变率（40,80,120和160s-1）以及不同温度（25,50，75和100℃）对玻璃纤维束进行了研究。研究结果表明：玻璃纤维具有明显的尺寸效应、应变率效应和温度效应。朱等[40]还研究了玄武岩纤维束在不同应变率和不同温度下的力学性能，以获得其拉伸强度、杨氏模量、极限应变以及韧性等力学性能。试验结果表明：在一定的应变率条件下（40s-1-160s-1），玄武岩纤维束都表现出了其基本力学性能的应变率相关性。而玄武岩纤维束在一定的温度条件下也表现出相应的温度相关性，在25-100℃的温度范围内，最大应变和韧性增大，拉伸强度先减后增。目前，国内外关于在较低应变率（40s-1-160s-1）的冲击作用下以及温度在25-100℃下开展的试验研究较少，而关于在中等应变率冲击以及高温下的研究更是缺少。通过对低速率以及低温的情况下进行研究与分析同时建立玄武岩纤维在动态荷载作用下本构模型，为玄武岩纤维在中高速以及高温干燥等恶劣环境下提高依据与基础。张等[41]对Kevlar49纤维单丝和纤维束进行了拉伸测试。利用MTS万能试验机对Kevlar49单束进行了准静态拉伸试验，测试的变量为纤维单丝和纤维束的不同标距，并统计其得到的力学性能参数，用Weibull分析纤维单丝和纤维束的强度随机性，得到纤维单丝拉伸强度的离散性要大于纤维束的。最后用ANSYS模拟软件模拟纤维束的应力-应变曲线。试验结果表明：Kevlar49纤维单丝随着标距的增大，其拉伸强度减小，杨氏模量也减小，而最大应变和韧性则随着标距的增大而增大。纤维束的拉伸强度和杨氏模量变化趋势和纤维单丝的一致，但是其最大应变和韧性却表现出和纤维单丝相反的趋势。欧等[42]主要研究Kevlar49单束在准静态（1/600s-1）和应变率范围（40-160s-1）内的。在不同标距下对Kevlar49单束进行了准静态拉伸测试，还对标距为25mm的试样进行了动态拉伸测试，讨论了标距和应变率对Kevlar49单束力学性能参数的影响，得出以下结论：Kevlar49单束在标距为25-200mm的范围内具有明显的尺寸效应；在40-160s-1范围内，随着应变率的增大，Kevlar49纤维束的拉伸强度增大，而最大应变和韧性则出现减小的趋势；从图中分析可知，纤维单丝的强度比纤维束的大，而纤维束的强度又大于纤维网的，这主要是由于三种形态的纤维在拉伸作用下变形不同以及其破坏的机理不同。Kevlar49单束准静态拉伸强度的形状参数大于动态拉伸的，表明在动态拉伸的作用下，Kevlar49单束表现出更随机的破坏分布。Peled等[43~45]研究了在纤维束的屈曲状态下对于混凝土中纤维束与基体的粘结作用的影响，试验结果表明：纤维束在屈曲后，能与基体的界面形成一种锚固9 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究作用，这种作用能够在一定程度上改善纤维网与界面的粘结性能。同时影响其粘结性能的相关因素还有很多，比如波长与波峰。在不同形式下，其对于纤维网与基体的粘结作用也有很明显的不同。Peled等在已研究过的纤维束上，建立粘结-滑移模型，讨论了不同形势下波峰和波长与拔出力的关系。Combe等[46,47]研究了在两种不同编织方法下纤维编织网纬向纤维束对粘结性能的影响，试验结果表明：对于平织法而言，纬向纤维束对纤维网与基体的粘结作用提高不明显，这是由于平织法形成的网口抑制了基体砂浆流入纤维束内部；而对针织法而言，其纬向纤维束与经向纤维束形成纽扣，能很好的和基体形成粘结作用，因此与基体的粘结性能好。1.4本文研究的主要内容本文研究了玻璃纤维束做为水泥基增强材料的可行性，对五种不同玻璃纤维束的力学性能、应变率效应以及对其两种玻璃纤维束与水泥基体的粘结性能进行了研究。（1）为了获得玻璃纤维束的力学参数，利用C43电子式万能试验机进行了玻璃纤维束经纬向的准静态拉伸试验，试验在1/600s-1应变率条件下进行，获得了五种玻璃纤维束经向和纬向的杨氏模量、拉伸强度、极限应变和韧性值。试验结果表明：每种玻璃纤维束经向和纬向的杨氏模量相差较小，但不同纤维束之间的杨氏模量却相差较大。TD150玻璃纤维束经纬向拉伸强度相差较大，源自于TD150玻璃纤维束纬向的横截面积0.132mm2比经向的横截面积0.141mm2减少了6.4%，其他三种玻璃纤维束经纬向的拉伸强度都相差不大。（2）为了探究玻璃纤维束的应变率敏感性，利用CEAST9340落锤试验冲击系统对五种玻璃纤维束进行了冲击试验，获得了杨氏模量、拉伸强度、极限应变和韧性随应变率变化的规律。试验在4种不同应变率（40s-1、80s-1、120s-1和160s-1）条件下对标距为25mm的试件进行了测试。测试结果表明：在动态冲击荷载作用下，SCNET80玻璃纤维束的拉伸强度随着应变率的增加而增大，而极限应变随着应变率的增加而减小，杨氏模量和韧性则处在某个固定的值上下波动；TD150和ARNM165玻璃纤维束的杨氏模量、拉伸强度、韧性都随着应变率的增加而增大，而其极限应变则随着应变率增加而减小；ARNP300和ARNM305玻璃纤维束的杨氏模量、拉伸强度随着应变率增加而增大，而极限强度、韧性则随着强度的增加而减小。（3）为了探究实验所配制的基体能满足TRC的特殊要求，即不离析的自密实能力、高流动性等特点。本文对所配制TRC基体流动能力采用了自密实混凝土的坍落度、坍落流动度以及坍落流动时间T50的检验。并获得了一种适合TRC基10 工程硕士学位论文体的最优配合比。（4）为了探究玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究，本文从纤维网不同埋深、混凝土强度和基体工作性能以及纤维编织网表面环氧树脂浸渍后粘砂处理后三种情况下对粘结性能影响进行了研究。利用C43电子式万能试验机进行了纤维束的拔拉试验，试验速度控制在1mm/min，并对比了SCNET80和ARNP300在不同埋深、不同基体强度和工作性能以及纤维网用环氧树脂浸渍后再表面粘砂（0.6mm-1.2mm）处理三种试验条件下的粘结性能，并与表面未做任何处理的纤维网进行比较。通过拔拉试验研究了SCNET80和ARNP300在这三种试验条件下与混凝土基体之间粘结性能的影响。11 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究第2章玻璃纤维束的力学性能研究2.1引言纤维网是近20年来新起的增强材料，将纤维编织网布置在混凝土基体中组成复合材料（简称TRC），纤维编织网的受力方向和混凝土基体受荷的应力方向一致不仅能使其承载力提高，还能提高其韧性。现在工程中应用较多的是碳纤维网格布和玻璃纤维网格布，碳纤维编织网抗拉强度大、韧性以及杨氏模量都较好，但其造价太高，而玻璃纤维编织网虽然抗拉强度、韧性没有碳纤维编织网好，但其造价低，因而更具要研究的前景。玻璃纤维网是一种由经纬向组成的各向异性材料，每个方向上又由连续的玻璃纤维束编织而成，纤维束只能受拉而不能受压。由于国内对纤维编织网的应用及研究较少，而得到纤维束的基本力学性能参数是应用纤维编织网的前提条件。因此，在应用纤维编织网之前，首先应测试纤维束的基本力学性能。本章测试的纤维束为耐碱玻璃纤维束，准静态试验在1/600s-1应变率条件下对标距为25.0mm的5组不同种类（SCNET80、TD150、ARNP300、ARNM165、ARNM305）玻璃纤维束进行了拉伸测试，对标距为25.0mm的五种玻璃纤维束进行动态拉伸测试，应变率分别采用40s-1、80s-1、120s-1及160s-1；利用Weibull分布模型对试验数据进行统计分析，量化了玻璃纤维强度的离散性。2.2试验材料与方法2.2.1试验材料与性质试验所采用材料耐碱玻璃纤维编织网的技术指标如下表2.1及其所对应的网格布如图2.1所示。12 工程硕士学位论文表2.1玻璃纤维编织网的技术指标织物克重网孔尺寸序号纤维类型产品名称涂覆层编织方式（g/m2）（mm）涂覆二氧化锆1耐碱玻璃纤维SCNET8080二氧化锆25×25平织网格布涂覆二氧化锆2耐碱玻璃纤维TD150150二氧化锆5×5粘结网格布涂覆丁苯胶液3耐碱玻璃纤维ARNP300300丁苯胶液6×6.75针织网格布耐碱玻璃纤维4ARNM165165无8×8平织热熔网格布耐碱玻璃纤维5ARNM305305无8×8平织热熔网格布SCNET80和TD150这两种玻璃纤维网格布产自日本，其表面涂覆有大量的ZrO2，这种涂覆材料具有耐高温、难溶于水、盐酸、稀硫酸等特性，如图2.1（a）和图2.1（b）所示；另外三种纤维网格布产自山东省泰安市，其中ARNP300其主要通过高分子涂层丁苯胶液涂覆定型而成，其通常以经向为受力方向，纬向为两束纤维束缠绕在经向上起固定作用，见图2.1（c）；另两种材料分别为ARNM165和ARNM305，这两种纤维网格布主要使用高性能耐碱玻璃的无捻直接粗纱，采用特殊工艺织造而成，为经纬纤维束平织方式，见图2.1（d）及图2.1（e）。（a）SCNET80（b）TD150（c）ARNP30013 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究（d）ARNM165（e）ARNM305图2.1耐碱玻璃纤维编织网2.2.2玻璃纤维束截面积的测量耐碱玻璃纤维网格布主要有两种类型，一种是耐碱纤维无涂覆网格布，如ARNM165和ARNM305。其是使用高性能Cem-Fil耐碱玻璃的无捻直接粗纱，采用特殊工艺织造而成；一种是耐碱纤维涂覆网格布，如ARNP300、SCNET80、TD150。其主要是通过涂覆高分子材料定型而成。对于无涂覆的耐碱玻璃纤维网格布，因玻璃纤维束是由成百上千根单丝组成，其截面面积沿长度方向变化在一定长度范围内十分微小，所以可取该范围内的平均截面面积代表玻璃纤维单束的截面面积。因为在混凝土中，无涂覆的耐碱玻璃纤维网格布其纤维束不能拧成一个整体，而导致其截面面积难以测出[48]。所以在求玻璃纤维束的截面尺寸时可用如下公式：-3ATexD×10/（2.1）ffA2f：纤维束的截面面积，单位mm；Tex：单位长度纤维束的重量，单位g/1000m；D3f：纤维束密度，单位g/cm；式中Tex的得出可通过万分之一天平（精度1mg）称量获得，即在一定长度范围内选取5cm的玻璃纤维束称量得出其重量，并换算成Tex；Df为纤维束的密度，其由产商提供，取2.7g/cm3；随机选取20根无涂覆网格布的玻璃纤维束，由上述方法测得其经向和纬向的平均截面积分布结果见图2.2所示。可以看出，同一种纤维的纤维束之间平均截面的面积差异较小，ARNM165经向和纬向的平均截面面积均为0.237mm2，其相对于平均截面其最大偏差只有8.49%；而ARNM305纬向平均截面面积为0.252mm2，经向平均截面面积为0.244mm2，其相对于平均截面其最大偏差也仅仅只有6.67%。14 工程硕士学位论文注：红线上数字为纤维束的平均截面面积值（单位：mm2）图2.2玻璃纤维网经纬向的平均截面面积对于涂覆定型而成的耐碱玻璃纤维网格布，本实验通过对单束纤维纵向每20mm位置处截面面积进行了测量，可通过用光学显微镜测量其表面横截面积，具体方法如下：（1）试验用牙托粉冷镶嵌的方法[49]来制备耐碱玻璃纤维束的试样，镶嵌模具见图2.3所示。制备过程如下：首先在模具内壁涂抹一层均匀的润滑剂；然后将单根玻璃纤维束固定在模具的中间部位，纤维束的两端用夹子固定住；镶嵌材料配比为每24g牙托粉配20ml牙托水，加到适量时搅拌至粘稠胶状并具有一定流动性后，浇入模具至均匀后放置3h。待试件完全固化后，拆模并剪去多余的玻璃纤维束，试样长度为100mm。（2）沿试件长度方向每20mm处选取一个待测截面面积，总共选取4个不同的待测截面，利用精密切割机依截面面积对试样进行切割，切割时保证切割面与试验纵向垂直。将切割的样品清洗，编号。（3）精密切割仪器只能粗略的切割试样的截面，试样的截面不光滑，会出现严重的变形层。为了去除试样的变形层以获得清晰的试样横截面图像，利用不同细度（400目、800目、1200目、2000目、3000目）的砂纸依次从小到大对切割15 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究面进行手工磨，具体操作方法如图2.4所示。（4）将试样清洗，待其自然晾干后置于光学显微镜下进行观察。图2.3镶嵌模具图2.4手工湿磨操作方法试样在光学显微镜下的观察图样（32X）如图2.5所示。采用Image-ProPlus6.0图像分析软件计算所得各纤维束的面积，玻璃纤维束截面图其所测横截面积位置的对应关系如图2.5所示。图中红线表示截面积的平均值，各观测位置处的各纤维束截面面积相对应平均值的变化率依次为下表2.2和表2.3所示：16 工程硕士学位论文17 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究注：红线上数值为纤维束的平均截面面积（单位：mm2）图2.5玻璃纤维束截面图及其面积纵向分布表2.2纤维束纬向截面面积及截面面积相对应平均值的变化率（单位：mm2）20406080SCNET800.300（1.67%）0.303（2.42%）0.286（3.15%）0.291（1.37%）TD1500.135（2.22%）0.134（1.49%）0.137（3.65%）0.122（8.19%）表2.3纤维束经向截面面积及截面面积相对应平均值的变化率（单位：mm2）20406080SCNET800.351（2.86%）0.364（5.58%）0.319（5.58%）0.326（2.86%）TD1500.136（3.68%）0.138（2.17%）0.147（4.01%）0.143（1.40%）ARNP3000.225（2.22%）0.227（3.08%）0.222（0.90%）0.208（6.79%）2.2.3试样制备本实验测试玻璃纤维束经向和纬向单向的力学性能，其每个方向的纤维束都能单独受力，故玻璃纤维编织网的受力方向是一定的。参考GB/T3354-2014《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》中试件的几何形状及试样尺寸，设计了本试验要求的试件形状和尺寸取值，如图2.6和表2.4所示。（a）试件尺寸18 工程硕士学位论文（b）试件横截面图2.6试件几何形状表2.4试样尺寸取值（单位：mm）LDd取值（mm）551520本试验的试件类型和测试的标距如图2.7所示。本试验进行拉伸强度测试的标距为25.0mm。为了避免拉伸破坏发生在试件的端部，试件的两端采用0.2mm厚的铝片固定住试件，目的是加大试件端部和夹具的接触面积，使其在拉伸过程中端部的受力分布均匀。图2.7试件标距图本试验玻璃纤维束的具体制备过程如下：（1）在玻璃纤维网格布上依试件标距25mm确定合适的纤维束剪切长度，纤维束长度至少应大于55mm才能满足标距控制模具的要求。确定剪切长度后，对网格布上的玻璃纤维束进行剪切，剪切时应保证纤维束的剪切长度一致。利用万分之一天平（精度1mg）对纤维束样品进行称量。（2）将0.2mm厚的铝片裁剪至15×20mm的标准尺寸，并对折成合页状。铝片过厚，则刚度过大，粘结夹持纤维时容易把纤维束切断；铝片过薄，则刚度过小，铝片容易发生翘曲，导致纤维束不易被夹紧而影响试验结果。选择0.2mm厚的铝片刚好适宜。铝片的裁剪尺寸取决于测试设备的夹具构造，本试验中的粘结铝片尺寸如图2.6和表2.4所示。19 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究（3）将玻璃纤维束放在标距控制模具中的控制线上，利用夹子将纤维束的两段固定住，如图2.8所示。该模具由一片厚度适宜的铝片切割而成，其不仅能够确保试件所需标距的准确精度，同时操作简单，利于试件的制备。（4）在对折成合页状的铝片一测涂抹上一层均匀的环氧树脂胶，胶体的粘固时间在120-180min，利于平口钳将纤维束两端的铝片夹紧使其能牢牢的固定住纤维束。胶体的涂抹需适量，涂抹过多，夹紧铝片时胶体外溢，易粘在标距内的纤维束上，使得其拉伸强度偏大；涂抹过少，胶体不能和纤维束牢固的粘结在一起，在拉伸过程中易出现滑移现象。（5）将制备好的试件放在室温下静置48小时，待其完全固化后即可使用。图2.8拉伸试件标距控制模具2.2.4静态拉伸试验静态试验在1/600s-1应变率条件下对5组不同种类（SCNET80、TD150、ARNP300、ARNM165、ARNM305）的玻璃纤维束进行了拉伸测试。其中ARNP300只进行了经向纤维束拉伸试验的测试，因其纬向为两束纤维缠绕在经向上，主要是通过经向受力，纬向通常起固定作用。测试由MTS万能试验机完成，测试装置见图2.9。具体操作方法如下：（1）从电脑控制程序中选择纤维束力学性能测试的操作模块，仪器右侧控制按钮控制试件到指定的高度，保证仪器右侧的标尺控制距离和电脑程序上的控制距离一致，以确保在试验过程中试件的位移和在电脑程序上显示出来的位移相同。（2）将纤维束端部多余的纤维切断，试件一端置于仪器的上部夹具中，将铝片置于夹具上刻度为0的中心处，保证在拉伸过程中消除偏心的影响，同时铝片全部位于夹具内，其边缘位置处要与夹具的下边缘平齐。将试验机的力传感器清零，消除人为因素导致的拉力以及纤维束本身重量带来的重力影响。打开试验机下部夹具，控制仪器上部夹具向下移动，直到纤维束下侧端部铝片完全进入到下20 工程硕士学位论文部夹具中停止，铝片边缘位置要与夹具的边缘平齐。夹紧铝片后再微调夹具的移动距离，待试件拉紧且在电脑程序中力的大小显示为正值时即停止。（3）本试验的试验加载方式为位移控制方式，加载速度为2.5mm/min。由于仪器在拉伸过程中存在细微的振动导致试件在拉伸初期其力-位移曲线存在细微的波动。在拉伸开始阶段，当波动导致曲线的强度下降到负值时，仪器会认为试件遭到了破坏而停止试验，因此需要设置仪器的断裂阈值。断裂阈值在电脑程序中设置，不同的试验对应着不同的最大力，勿使断裂阈值的设置超过试验的最大力，当拉伸强度首次大于断裂阈值时该试验机判定破坏机制才启动。在试验最大力值大于断裂阈值的条件下，试验机在最大力后力值下降到最大力值的设定百分比后认定破坏，终止试验，该百分比即断裂灵敏度。为了获取试验全过程曲线，本实验设定断裂灵敏度为99%。（4）所有试验玻璃纤维束都应在标距范围内发生断裂，对于在端部发生断裂和滑脱铝片的纤维束数据不予记录。基于标距25.0mm的纤维束离散性过大，每组试验测试30个有效试验数据。当纤维束被拉断或者失去受力能力即停止试验。试验结束后将部分被拉断的破坏试件整理、编号。图2.9静态拉伸测试装置2.2.5动态冲击试验对标距25mm的玻璃纤维束试件采用InstronCeast9340落锤系统进行4组不同应变率（40s-1、80s-1、120s-1、160s-1）条件下的动态拉伸测试。落锤质量为37.5kg、锤头自由落体的高度为0.03-1.11m、最大冲击能量为405J、速度范围为0.77-4.65m/s。动态拉伸的测试装置见图2.10。具体操作方法如下：（1）将纤维束试件端部多余的纤维切断，试件的一端夹持在动态拉伸装置上部固定夹具内，调整粘结铝片的位置使其边界恰好与上部夹具下边缘平齐，确保纤维束上端居中，避免产生偏心影响。拉出装置两侧的滑动杆，将下部活动夹具紧贴在滑动杆下表面。将玻璃纤维试件下端夹持在活动夹具内，确保铝片位于夹21 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究具中心位置处，保证纤维束下端居中。沿滑动杆调整下部夹具，使其位于受力最弱处，使纤维束在侧方向居中，同时满足正侧两方向的居中，即保证了纤维束的竖直，实现在冲击拉伸过程中的均匀受力。滑动杆下表面与上部固定夹具下表面之间的距离是固定的25mm，即选取动态拉伸玻璃纤维试件的标距等于固定距离值。（2）试验速率可根据公式VL计算获得，重量参数为冲头、配重器和额e外配重三部分重量之和。冲头和配重器的重量是恒定不变的，重量的变化主要是由额外配重所引起。理论上下落高度和冲击能量可由既定试验速率和重量参数获得，具体计算如下：2H=（2.2）2g12Em（2.3）2式中，H为下落高度；为试验速率；g为重力加速度；E为冲击能量；m为重量参数。（3）动态荷载作用下试验结果离散型更大，动态拉伸的整体曲线波动较大，动态曲线的波动是由冲击荷载作用下的仪器振动所导致的，基于标距25mm的纤维束离散性过大，每组试验测试30个有效试验结果。在端部发生断裂或者铝片脱落的纤维束不需记录，这种破坏很可能是试件制备中的人为损伤。试件断裂后，试件连同下部活动夹具在冲击作用下产生坠落碰撞，易引起玻璃纤维束试件下部断裂面原貌的改变，因而选取夹持在上部固定夹具的断裂试件进行断裂面观察，将断裂后的试件编号、整理。图2.10INSTRON9340落锤冲击系统2.3静态拉伸力学性能五种玻璃纤维束的经纬向静态拉伸应力-应变曲线见图2.11，从曲线可看出：对于有涂覆层定型而成的纤维束（SCNET80、TD150、ARNP300）在峰值附件有22 工程硕士学位论文较大波动，其原因是由于玻璃纤维束的分布断裂破坏所致，由于纤维表面涂有高分子材料涂覆层，其将纤维束中的纤维丝拧在一起，且组成玻璃纤维束各纤维丝的力学性能又有所差异，拉伸过程中杨氏模量大且强度低的纤维丝先断裂，释放应力，导致应力-应变曲线下降，而未发生断裂的纤维丝应力并没有达到其强度极限值，随着应变的增加，应力-应变曲线继续上升，产生波动。23 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究图2.11静态拉伸下玻璃纤维束的应力-应变曲线由静态拉伸下玻璃纤维束的应力-应变曲线图，可获得经纬向的杨氏模量、拉伸强度、峰值应变以及韧性。力学性能参数见下表2.5所示。（1）杨氏模量代表曲线的线性斜率，表示材料线弹性段内应力和应变的比例关系。在准静态拉伸试验中，曲线上升段基本为线性阶段，因此获得其杨氏模量比较准确。同一种玻璃纤维束经纬向的杨氏模量相差较小，但对于涂覆层不同和不同种类的玻璃纤维束其经纬向杨氏模量相差却较大，可知对于同一种玻璃纤维束而言，其涂覆层不同也会有不同的力学性能。由图2.11及表2.5可以得知，ARNM165的经向纤维束杨氏模量达到了（91.4±5.2）GPa，而TD150的经向杨氏模量只有（40.8±2.3）GPa，仅仅只有ARNM305纤维束的一半。可见不同玻璃纤维束的杨氏模量相差较大，其在不同环境下的使用也有所不同。对于需要变形相对较大，发生变形柔性好的环境下，选择TD150作为增强材料较为合适，对于要求在刚度大，不易变形的环境下，则需要选择杨氏模量较大的ARNM305作为混凝土的增强材料。（2）拉伸强度表示试件在拉伸过程中达到的最大应力值，由试件拉伸过程中的最大力除以纤维横截面积得到，五种纤维束中拉伸强度最大应力值为SCNET80的1484±89MPa，最小应力值为TD150的495±78MPa，可见不同纤维束其拉伸24 工程硕士学位论文强度差异较大。其适用的各种环境也有所不同。TD150纤维束的经向拉伸强度为（495±79）MPa，而纬向的拉伸强度为（793±75）MPa，其增大了60.2%，这主要源自于TD150纤维束纬向的横截面积0.132mm2比经向的横截面积0.141mm2减少了6.4%，导致其经纬向的强度相差较大。其他三种玻璃纤维束经纬向拉伸强度都相差不大。（3）极限应变表示材料受力后对应于最大应力的应变值。从图2.11可看出五种玻璃纤维束的应变值都相差不是很大。韧性表示材料在断裂过程中吸收能量的能力，由应力-应变曲线的面积得到。从表2.5可看出韧性较好的两种玻璃纤维束为SCNET80和ARNP300，表明这两种玻璃纤维束发生脆性破坏的可能性较其他三种玻璃纤维束要小。表2.5玻璃纤维束静态力学性能杨氏模量拉伸强度极限应变名称方向韧性/MPa/GPa/MPa/(mm/mm)经向60.7（3.4）1484（89）0.0325（0.0031）38.9（4.8）SCNET80纬向70.9（2.9）1277（226）0.0233（0.0048）24.7（8.0）经向40.8（2.3）495（78）0.0158（0.0029）6.5（2.2）TD150纬向47.7（1.7）793（75）0.0215（0.0018）12.9（1.9）经向91.4（5.2）1162（153）0.0156（0.0019）12.7（2.5）ARNM165纬向93.9（4.6）1120（149）0.0161（0.0017）14.9（2.5）经向55.1（2.0）577（61）0.0138（0.0012）7.2（1.3）ARNM305纬向51.8（3.4）623（88）0.0155（0.0025）7.9（1.9）ARNP300经向78.3（2.3）1382（161）0.0235（0.0028）26.6（5.3）注：括号内的数值为标准差2.4动态冲击力学性能本试验研究了五种玻璃纤维在不同应变率下（40s-1、80s-1、120s-1、160s-1）对经向玻璃纤维束的动态冲击影响。相对于静态拉伸而言，动态冲击使得程序中曲线的波动较大，动态拉伸曲线波动较大的原因主要是因为在动态荷载作用下激发的落锤振动，从而使试件有微小的振动导致其受力不均，即出现了曲线的波动现象，从玻璃纤维束在不同应变率下的应力-应变曲线图中可看出，动态冲击的速度越大，出现波动的现象就越不明显。应力为试验所测荷载与纤维束横截面积的比值，应变为试验所测纤维束位移与其长度的比值。试验过程中的实际应变率比试验开始前仪器所设定的初始应变率略小，这主要是因为仪器在加载过程中试件存在反作用力，使试件的实际速度降低，并且在相同测试的条件下由于试件存在25 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究差异导致不同试件的实际应变率也略有所差异。从这些玻璃纤维束在不同应变率下的应力-应变曲线图中可获得玻璃纤维束的基本力学参数：杨氏模量、拉伸强度、极限应变和韧性。2.4.1应变率对SCNET80玻璃纤维束力学性能的影响不同应变率（初始应变率）下SCNET80玻璃纤维束的拉伸力学性能如图2.12所示。图2.12SCNET80玻璃纤维束在不同应变率下的应力-应变曲线动态冲击作用下的力学参数统计如图2.13所示，同时将静载试验的试验结果作为对比放入图中，可以看出：动态荷载作用下的力学性能参数值都比静载试验的参数值大，具体而言，杨氏模量从静载的（60.7±3.4）GPa增加到40s-1的（67.2±2.3）GPa，拉伸强度从静载的（1484±89）MPa增加到40s-1的（2053±240）MPa，峰值应变从静载的（0.0325±0.0031）mm/mm增加到40s-1的（0.0713±0.0110）mm/mm，韧性从静载的（38.9±4.8）MPa增加到40s-1的（106.8±19.2）MPa，增幅分别为10.7%、38.3%、119.4%、174.6%。在动态荷载作用下，随着应变率的增大，SCNET25X25玻璃纤维束的拉伸强度增大；SCNET25X25在动载试验下26 工程硕士学位论文的峰值随着应变率增大而略减小；杨氏模量和韧性都处在一个平稳的状态，杨氏模量在70GPa上下浮动，而韧性在125MPa上下浮动。具体来说：拉伸强度由40s-1的（2053±240）MPa增加到160s-1的（3708±624）MPa，增幅为80.6%，峰值应变由40s-1的（0.071±0.011）mm/mm减小到160s-1的（0.055±0.009）mm/mm，减幅为22.5%。图2.13应变率对SCNET80玻璃纤维束力学性能的影响2.4.2应变率对TD150玻璃纤维束力学性能的影响不同应变率（初始应变率）下TD150玻璃纤维束的拉伸力学性能如图2.14所示。27 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究图2.14TD150玻璃纤维束在不同应变率下的应力-应变曲线动态冲击作用下的力学参数统计如图2.15所示，同时将静载试验的试验结果作为对比放图中，可以看出：动态荷载作用下的力学性能参数值都比静载试验的参数值大，具体而言，杨氏模量从静载的（40.8±2.3）GPa增加到40s-1的（45.8±6.2）GPa，拉伸强度从静载的（495±78）MPa增加到40s-1的（1632±131）MPa，峰值应变从静载的（0.0158±0.0029）mm/mm增加到40s-1的（0.0529±0.0069）mm/mm，韧性从静载的（6.5±2.2）MPa增加到40s-1的（49.6±7.9）MPa，增幅分别为12.3%、229.7%、234.8%、663.1%。在动态荷载作用下，杨氏模量、拉伸强度和韧性随着应变率的增大而增大，而峰值应变随着应变率的增大而减小。具体而言，当应变率从40s-1增大到160s-1时，杨氏模量从（45.8±6.2）GPa增大到（52.5±6.4）GPa，拉伸强度从（1632±131）MPa增加到（1768±97）MPa，韧性从（49.6±7.9）增加到（54.9±5.5）MPa，增幅分别为13.0%、8.3%、10.7%，然而峰值应变从（0.053±0.007）MPa减小到（0.049±0.007）MPa。减幅为7.5%。28 工程硕士学位论文图2.15应变率对TD150玻璃纤维束力学性能的影响2.4.3应变率对ARNP300玻璃纤维束力学性能的影响不同应变率（初始应变率）下ARNP300玻璃纤维束的拉伸力学性能如图2.16所示。29 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究图2.16ARNP300玻璃纤维束在不同应变率下的应力-应变曲线动态冲击作用下的力学参数统计如图2.17所示，同时将静载试验的试验结果作为对比放图中，可以看出：动态冲击下杨氏模量、拉伸强度、峰值应变以及韧性都比静载试验的大，杨氏模量从静载的（78.3±2.3）GPa增加到40s-1的（80.2±2.9）GPa，拉伸强度从静载的（1382±161）MPa增加到40s-1的（3253±213）MPa、峰值应变从静载的（0.0235±0.0028）mm/mm增加到40s-1的（0.0545±0.0070）mm/mm、韧性从静载的（26.6±5.3）MPa增加到40s-1的（115.4±18.9）MPa，增幅分别为2.4%、135.4%、131.9%、333.8%。在动态荷载作用下，杨氏模量和拉伸强度都随着应变率的增加而增大，而峰值应变随着应变率的增加而减小。具体而言，杨氏模量从40s-1的（80.2±2.9）GPa增加到160s-1的（90.3±5.4）GPa，拉伸强度从40s-1的（3253±213）MPa增加到160s-1的（3572±370）MPa，增幅分别为12.6%、9.8%。然而峰值应变从40s-1的（0.0545±0.0070）mm/mm减小到160s-1的（0.0376±0.0054）mm/mm，减幅为31%。30 工程硕士学位论文图2.17应变率对ARNP300玻璃纤维束力学性能的影响2.4.4应变率对ARNM165玻璃纤维束力学性能的影响不同应变率（初始应变率）下ARNM165玻璃纤维束的拉伸力学性能如图2.18所示。图2.18ARNM165玻璃纤维束在不同应变率下的应力-应变曲线动态冲击作用下的力学参数统计如图2.19所示，同时将静载试验的试验结果作为对比放图中，可以看出：动态冲击下杨氏模量值比静载试验小，而拉伸强度、31 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究峰值应变以及韧性都比静载试验的大，具体而言，杨氏模量从静载的（55.1±2.0）GPa减小到40s-1的（44.0±4.5）GPa，减幅为20.1%；而拉伸强度从静载的（577±61）MPa增加到40s-1的（1508±96）MPa、峰值应变从静载的（0.0138±0.0012）mm/mm增加到40s-1的（0.0434±0.0041）mm/mm、韧性从静载的（7.2±1.3）MPa增加到40s-1的（36.4±4.5）MPa，增幅分别为161.4%、214.5%、405.6%。在动态荷载作用下，杨氏模量拉伸强度和韧性都随着应变率的增加而增大，而峰值应变随着应变率的增加而减小。具体而言，杨氏模量从40s-1的（44±4.5）GPa增加到160s-1的（54.3±6.5）GPa，拉伸强度从40s-1的（1508±96）MPa增加到160s-1的（1618±165）MPa，韧性从40s-1的（36.4±4.5）MPa增加到160s-1的（42.1±2.3）MPa，增幅分别为23.4%、7.3%、15.7%。然而峰值应变从40s-1的（0.0434±0.0041）mm/mm减小到160s-1的（0.0392±0.0025）mm/mm，减幅为9.7%。图2.19应变率对ARNM165玻璃纤维束力学性能的影响2.4.5应变率对ARNM305玻璃纤维束力学性能的影响不同应变率（初始应变率）下ARNM305玻璃纤维束的拉伸力学性能如图2.20所示。32 工程硕士学位论文图2.20ARNM305玻璃纤维束在不同应变率下的应力-应变曲线动态冲击作用下的力学参数统计如图2.21所示，同时将静载试验的试验结果作为对比放图中，可以看出：动态冲击下杨氏模量值比静载试验大，而拉伸强度、峰值应变以及韧性都比静载试验的值大，具体而言，杨氏模量从静载的（91.4±5.2）GPa减小到40s-1的（79.0±8.2）GPa，减幅为13.6%；而拉伸强度从静载的（1162.2±152.9）MPa增加到40s-1的（2437.9±260.5）MPa、峰值应变从静载的（0.0156±0.0019）mm/mm增加到40s-1的（0.0465±0.0078）mm/mm、韧性从静载的（12.7±2.5）MPa增加到40s-1的（71.0±7.8）MPa，增幅分别为109.8%、198.1%、459.1%。在动态荷载作用下，杨氏模量、拉伸强度随着应变率的增加而增大，而峰值应变、韧性随着应变率的增加而减小。具体而言，杨氏模量从40s-1的（79±8.2）GPa增加到160s-1的（82.4±6.2）GPa，拉伸强度从40s-1的（2438±261）MPa增加到160s-1的（2478±255）MPa，增幅分别为4.3%、1.6%。然而峰值应变从40s-1的（0.0465±0.0078）mm/mm减小到160s-1的（0.0371±0.0058）mm/mm，韧性从40s-1的（71.0±7.8）MPa增加到160s-1的（64.0±10.1）MPa，减幅分别为20.2%、9.8%。33 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究图2.21应变率对ARNM305玻璃纤维束力学性能的影响2.4.6玻璃纤维束不同应变率下的破坏形态试件的破坏形态如图2.22所示。可以看出，在不同的应变率下试件呈现不同的破坏形态，主要表现为试件破坏的完整度不同。由于纤维的最薄弱处沿着纤维束长度方向分布不一致，导致断裂时不能够形成规则的断裂面，而是形成一定长度的破坏区域。随着应变率的增大，纤维束断裂面的单丝分布越离散，甚至脱落遗失，从而大大降低了该区域的完整度。具体来说，当应变率从准静态（1/600s-1）增加到160s-1时，每种玻璃纤维束试件的拉伸强度增幅都超过了一倍以上，表现出玻璃纤维束的应变率相关性，这是因为在准静态拉伸荷载作用下（即应变率为1/160s-1时），试件破坏的断裂部分比较集中。而在动态冲击荷载作用下，断裂部位形成了涵盖一定长度范围的破坏区域。这说明，动态冲击作用下，荷载作用的力随着应变率的增大分散到标距范围内的单元上更加均匀，纤维单丝有更多的部位参与耗能，使其强度得到充分发挥。另外，纤维单丝在拉伸过程中不是同步断裂受损，而是分布断裂破坏。而纤维束单丝间的摩擦力在拉伸过程中一直存在，纤维单丝随着应变率的增加使其滑动摩擦力不断增大，进一步提高了纤维束的整体受力性能，因此其强度也在一定程度上明显的增大。34 工程硕士学位论文（a）SCNET80（b）TD150（c）ARNP300（d）ARNM165（e）ARNM305图2.22不同应变率下玻璃纤维束的破坏形态2.4.7Weibull分析以前研究表明，纤维本身属于脆性材料，纤维的表面缺陷会对纤维单丝的拉伸强度产生不同程度的影响，而且纤维束的强度具有一定的离散性，离散性的大35 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究小直接影响纤维束的强度和试验结果，所以需要找出一个和实际情况相近的分布函数来描述和预测大量纤维束的强度，对于分析纤维质量、预测复合材料强度断裂过程的计算机模拟都有着重要意义。描述纤维强度离散分布的函数以二参数Weibull分布应用最为广泛。Weibull应变率效应统计理论基于以下两个基本假设：（1）当材料中任何一个小的单元达到极限强度时，材料就会破坏，导致失效；（2）材料本身的强度极限都是随机的。材料单元可以用Weibull累计分布函数来描述在小于某一应力水平下不发生破坏的概率。换言之，Weibull理论只适用于以下两种情况：（1）材料在宏观断裂处发生失效；（2）失效发生在应力重分布很小的断裂扩展区，即Weibull应变率效应理论只适用于结构几何相似的均匀材料，这种结构破坏的形式属于脆性破坏。Weibull分析的理论基础是弱链理论，弱链理论认为纤维束试件在一定长度内的缺陷分布是随机的，当长度范围内的最薄弱区发生破坏时，也就是试件的最大缺陷处发生破坏，试件随即失效。二参数Weibull分布一般形式如下：mP()1exp[()]（2.4）式中：表示拉伸强度，表示尺度参数，m表示形状参数一定应力下的失效概率密度可由下式表示：iP（2.5）N1式中：N为测试的数据个数，i为当前测试编号（当前数据标号为从小到大顺序排列）将（2.5）代入（2.4）可得回归方程YmXmIn（2.6）ii0其中，iYIn{In[1]}（2.7）iN1XIn（2.8）i其中方程的斜率m是Weibull方程的形状参数，截距是Weibull方程的尺度参数。若概率图能回归成一条直线，且相关系数向1靠近，则说明符合Weibull二参数分布。形状参数m和尺度参数可由回归曲线的斜率和横截距确定。表2.6列出了五种纤维束在不同应变率下其拉伸强度的Weibull参数。为尺寸参数，表示数据的平均强度。m为形状参数，表示数据的离散性。形状参数36 工程硕士学位论文m决定的是曲线形状特征，一方面，形状参数m值越大，说明材料的均匀性越好，即可靠性越高；另一方面，形状参数m表示试验数据的离散性，m值越小，则离散性越大。换句话说，m值越大，不仅表明材料的均匀性越好而且说明材料的离散性越小，材料的应力-应变曲线的重合性越好。从表中可看出，动态冲击荷载作用下玻璃纤维束的形状参数m值小于静态荷载作用下的值，这说明在动态荷载作用下，玻璃纤维束试件的离散性更大，即表现出更随机的破坏形式。表2.6不同应变率下玻璃纤维束拉伸强度的Weibull参数种类应变率/S-1尺度参数/MPa形状参数m相关系数r1/600151616.90.97894021368.010.9611SCNET808028709.510.961312028378.020.980316035768.310.95381/6005216.340.95014016851.330.9679TD1508016671.530.968212017262.430.986116018041.850.98011/60014399.400.96044033041.750.9845ARNP3008033732.920.983712035551.960.996616036797.890.97091/6005929.660.97474015451.920.9761ARNM1658015531.270.967812015839.070.964616016609.040.97471/60012157.920.95644025571.100.9652ARNM3058025661.030.970112025047.170.971716025207.860.9748玻璃纤维束拉伸强度的Weibull分布曲线如图2.23所示。该图反应了在不同应变率条件下五种玻璃纤维束拉伸强度的整体分布趋势。从图中可看出：37 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究（1）不同应变率条件下每种玻璃纤维束强度分布的离散性不同，ARNM305玻璃纤维束在动态条件下离散性的分布较小，而SCNET80玻璃纤维束的离散性分布较大；对比ARNP300玻璃纤维束应变率为120s-1和160s-1的两条分布曲线，在拉伸强度为3500MPa条件下，应变率为160s-1的试件失效概率大，这说明该组试件中强度小于3500MPa的试件多；而在拉伸强度为4000MPa时，应变率为160s-1的试件失效概率小，说明该组试件中强度大于4000MPa的试件较多。即应变率为160s-1的试件强度离散性大。换言之，曲线越平缓，试件强度离散性越大；曲线越竖直，试件强度离散性越小。（2）Weibull分布曲线随着应变率的增大而朝高应力区偏移，表示应变率的增加使得试件的最大强度增大，尽管图中部分曲线有重叠，但是重叠部区段的比例相对比较少，试件材料本身又存在较大的离散性及试验的偶然误差等，故可认为玻璃纤维束强度随应变率的变化时是规律的。（a）SCNET80（b）TD150（c）ARNP300（d）ARNM16538 工程硕士学位论文（e）ARNM305图2.23不同应变率条件下玻璃纤维束拉伸强度的Weibull分布曲线2.5本章小结（1）玻璃纤维束的横截面积有两种测试方法。对于无涂覆网格布的玻璃纤维束而言，采用公式计算法较为方便，准确，测试的试样相对于平均截面最大偏差也仅仅只有6.67%。对于涂覆网格布的纤维束而言，则采用光学显微镜的方法来测量横截面积，截面的大小沿长度方向是变化的，其截面积相对于平均值的最大变化率为8.19%。（2）每种玻璃纤维束都表现出其力学性能的应变率相关性。在动态拉伸试验条件下，SCNET80玻璃纤维束的拉伸强度随着应变率的增加而增大，而极限应变随着应变率的增加而减小，杨氏模量和韧性则处在某个固定的值上下波动；TD150和ARNM165玻璃纤维束的杨氏模量、拉伸强度、韧性都随着应变率的增加而增大，而其极限应变则随着应变率增加而减小；ARNP300和ARNM305玻璃纤维束的杨氏模量、拉伸强度随着应变率增加而增大，而极限强度、韧性则随着强度的增加而减小。（3）静载下有涂覆层定型而成的玻璃纤维束（SCNET80、TD150、ARNP300）其破坏模式是分步破坏的，动载下玻璃纤维束又呈现随应变率不同的破坏形态，这与其纤维的力学性能差异有关，且表明玻璃纤维束的破坏形态与应变率有关。（4）对于玻璃纤维束来说，不同应变率条件下玻璃纤维束强度分布的离散性不同，Weibull分布曲线随着应变率的增加朝着高应力区移动。同时，采用Weibull分布拟合玻璃纤维束拉伸强度的相关系数r值均大于0.95，说明Weibull分布能很好的预测应变率条件下玻璃纤维束的分布规律。39 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究第3章TRC基体流动能力试验3.1引言与普通混凝土相比，基于TRC的特殊结构，用于TRC的基体须满足以下的特殊要求。（1）纤维编织网与所浇筑的混凝土要形成良好的粘结性，目的是保证纤维编织网和基体一同受力；（2）混凝土在浇筑完后不能振捣，目的是保证混凝土与纤维网间有良好的界面性能，同时避免出现混凝土离析现象，降低混凝土的承载力；（3）混凝土应具有良好的流动性，目的是保证混凝土能够顺利的渗入纤维编织网，填满整个模具。从工作性能上来看，用于TRC的基体是一种自密实混凝土。自密实混凝土具有不离析的自密实能力、流动性能好、早期强度高等优点很适合用于充当TRC的基体，其依靠自重并可填满整个模具，试件成型较好[32]。本章采用了自密实混凝土的坍落度、扩展度以及流动时间对TRC基体的流动性能进行了测试，即测试了混凝土基体的坍落高度、扩展直径以及混凝土从坍落度筒中流出至扩展到直径为50cm的圆时所用的时间。在试验过程中，通过调整混凝土的水胶比以及减水剂掺量，对不同配合比的混凝土进行力学性能测试与分析，从中选出一种工作性能最好的混凝土做为后续TRC拔出实验的基体。3.2原材料胶凝材料：水泥采用基准水泥，由硅酸盐水泥熟料硅酸三钙，硅酸二钙，铝酸三钙，铁铝酸四钙，加石膏后磨细而成，不掺加任何混合材；同时掺入了一定量的粉煤灰，目的是为了提高基体的流动性和粘聚性，粉煤灰主要氧化物包括SiO2、Al2O3、FeO和Fe2O3，孔隙率50%-80%；因基体中掺入粉煤灰会降低混凝土的早期强度，所以掺入了少量的硅灰。砂：为了使混凝土基体能顺利的通过纤维编织网网孔，要求细骨料的最大粒径不超过1.2mm，同时为保证细骨料的连续级配，选择了0-0.6mm以及0.6-1.2mm的两种砂，试验中的用砂选用的是湘江河沙。外加剂：减水剂选用青岛虹厦高分子材料有限公司的HSC聚羧酸高性能减水剂，消泡剂选用佛山市许氏化工科技有限公司的XS-2510大头公水泥砂浆消泡剂。其性能参数如表3.1所示。40 工程硕士学位论文表3.1外加剂性能参数HSC高性能减水剂XS-2510水泥砂浆消泡剂外观：淡黄色粉末外观：乳白色粉末减水率：25%-35%成份类别：聚醚改性硅PH值：6-8PH值：4-10缓凝时间：2-8h含量：50%比重：1.08±0.02有效物质含量：100%固含量：40%参考用量：0.1-0.5%3.3TRC基体流动能力试验过程3.3.1基体搅拌方法纤维编织网增强混凝土基体由于自重导致的不密实性等不可避免的使水泥砂浆内部存在初始裂缝，这些初始裂缝会降低TRC的强度以及对试验的结果产生会很大的偏差。为最大限度的控制试件在制备过程中出现的初始裂缝，减少对试件造成的损伤，采用严格的质量控制方法来制备试件。通过多次预实验，得到现确定的搅拌程序：先将称量好的全部胶凝材料（包括水泥、粉煤灰和硅灰）和细骨料加入到水泥净浆搅拌机中干搅90s，使各种干料成分混合均匀后在加入一半的水和一半减水剂继续慢搅120s，将剩余的水和减水剂缓慢加入到搅拌机中，最后将全部的消泡剂加入搅拌机中搅拌120s后停止搅拌，静置30s，检查搅拌机壁上是否有未被搅拌的干料成分，用小刀将粘结在搅拌机壁上和叶片上的干料成分刮下，然后继续慢搅60s后停止。搅拌顺序如图4.2所示。图3.1基体的搅拌过程41 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究3.3.2基体组分配合比TRC基体流动性能的检测采用了测试基体的坍落高度、混凝土扩展后其相互垂直的扩展直径以及从坍落筒提起开始到混凝土扩展到直径为50cm的圆时所用的时间T50。本文通过改变基体的水胶比和减水剂掺量来改变混凝土的配合比，配制了三种不同工作性能和强度等级的混凝土基体C1、C2和C3。根据相关参考文献[3,28]的研究表明水胶比在0.3-0.4之间的工作性能较好，这三种基体的胶凝材料、细骨料和消泡剂的成分都不变。胶凝材料、细骨料和消泡剂的配比见表3.2所示，同时三种基体的水胶比和减水剂含量配比如表3.3所示。表3.2基体组分配合比成分含量（kg/m3）42.5基准水泥410一级粉煤灰490硅灰50285（粒径0-0.6mm）细骨料570（粒径0.6mm-1.2mm）消泡剂2.8表3.3基体的水胶比和外加剂掺量基体水胶比减水剂（kg/m3）C10.304.9C20.354.3C30.403.53.3.3试验方法（1）试验前，应先湿润钢板和坍落度筒，同时保证在实验过程中坍落筒内壁和钢板上无明水；刚板应放在坚实的水平面上，并把坍落度筒放在钢板中心，坍落筒在装混凝土拌合物时应保持在中心位置，固定住避免坍落筒的移动而造成实验误差。坍落度筒及其尺寸如图3.2所示。（2）在新拌混凝土拌合物不产生离析的状态下，将其填入坍落度筒内，利用盛混凝土的容器使内盛的拌合物均匀流入坍落度筒内，不分层一次性填充至满，自开始填入拌合物至填充结束应控制在90s内完成，且仅靠自重作用使其密实而不用任何的捣实或振动。（3）用刮刀刮除坍落度筒中已填充混凝土顶部的余料，使拌合物与坍落筒入42 工程硕士学位论文料口齐平。待其与坍落度筒的入料口齐平后，将坍落度筒沿竖直方向匀速提起，提起过程保证基体能顺利流出不出现阻挡现象，提起时间应控制在5s以内。坍落流动度的试验装置如图3.3所示。（4）待基体停止流动后，测量基体在钢板上扩展圆形的直径d1以及和测得直径相垂直的另一直径d2。并取平均值d。（5）测量基体展开的圆形中心处至坍落度筒上边缘的垂直距离h。（6）从坍落度筒提起时开始计时，即混凝土开始从坍落度筒中流出至扩展到钢板上为50mm的圆时所用的时间，用秒表测定基体扩展度达到500mm时的流动时间T50。图3.2坍落度筒尺寸坍落度筒坍落流动度值=(d1＋d2)/2d1d2图3.3坍落流动度的试验装置3.3.4基体的流变性能表3.4所示的是混凝土流动能力试验所测得基体流变性的三个参量，扩展度43 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究d、坍落度h、流动时间T50以及基体的密度。表3.4基体的流变性扩展度d坍落度h流动时间密度基体直径d1直径d2（cm）（cm）T50（s）（kg/m3）C15253.452.726.8162151C26462.663.727.2132094C371.67171.327.972037从表3.4中可以看出流变性性能最好的基体为C3基体，坍落流动度指标换算值=（d221×d2-d0）/d0（其中d1和d2为相互垂直的测量直径，d0为坍落度筒的底面直径），可得C3基体的坍落流动度指标为11.7，流动时间T50为7s，自密实混凝土的扩展度要求在60cm-70cm之间，而C3基体扩展度达到了71.3cm，其扩展度超过了自密实混凝土的要求，说明C3基体比普通自密实混凝土流动性能更好，即具有高流动性。图3.4所示为测量C3基体流变性的扩展度和坍落度。图3.4C3基体扩展度和坍落度3.3.5基体切面的宏观形态为测定基体渗入纤维编织网的能力情况，即测定基体与纤维编织网的粘结情况。为保证纤维编织网固定在基体的中间部位，采用先固定纤维编织网，在浇筑混凝土的方法，即先在模具中铺入一层纤维编织网，固定住纤维编织网后在浇筑混凝土，待其硬化后，切开试块，观察试块切面的光滑程度。图3.5为三种基体试块的切面宏观形态，从图3.5中可看出，C1基体试块切面空洞多且密集，表面较为粗糙不平，与纤维编织网的粘结界面有松散现象；C2基体试块切面空洞较少，且分布较为分散，表面较为光滑，与纤维编织网的粘结界面较为饱和；而C3基体试块切面空洞很少，宏观观察基本上无空洞出现，表面平整光滑，与纤维编织网的粘结界面较为饱和。三种试块均无破坏面出现。从图中可看出C3基体在浇筑时渗入纤维编织网的能力强，能充分密实的填满整个模板，其工作性能好。44 工程硕士学位论文（a）C1基体试块（b）C2基体试块（c）C3基体试块图3.5基体试块切面宏观形态3.3.6基体的基本力学性能本文通过改变基体的水胶比和外加剂掺量来改变混凝土的配合比。由于基体的最大骨料不超过1.2mm，所以在测定混凝土基体基本力学性能时采用了砂浆试件的试验标准，分别用基体C1、C2和C3做70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体试块进行抗压试验。做40mm×40mm×160mm的长方体试件进行三点弯曲试验。做70.7mm×70.7mm×210mm的棱柱体进行抗压试验，试块制作后放在室温为（20±5）℃的环境下静置24h，然后对试块进行编号、拆模。试块拆模后即刻放入温度为20℃，湿度在90%以上的标准养护室中养护。养护期间，试块彼此间隔不小于10mm。养护28天后从养护室取出，待干燥后测其28天后抗压强度、弯曲强度和弹性模量。三种基体的抗压强度值、弯曲强度值和弹性模量如图3.6、图3.7以及图3.8所示，图中红线表示试块强度的平均值。28天后的试块的力学性能参数见表3.5。从表3.4和表3.5可看出，C1、C2和C3基体试块的抗压强度、弯曲强度以及弹性模量均呈现依次减小的关系，在其他材料不变的情况下，水胶比的增大将导致混凝土的强度降低同时使得基体的流动性能更好，三种不同配合比混凝土的基本力学性能均能满足TRC基体的基本要求，在基体力学性能良好的情况下TRC基体选用流动性能最好的C3基体。45 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究（a）C1基体(b)C2基体（c）C3基体图3.6基体的抗压强度（单位：MPa）（a）C1基体（b）C2基体（c）C3基体图3.7基体的弯曲强度（单位：MPa）（a）C1基体(b)C2基体（c）C3基体图3.8基体的弹性模量（单位：GPa）表3.5基体的28d力学性能基体抗压强度（MPa）弯曲强度（MPa）弹性模量（GPa）C157.49.935.5C249.79.630.7C347.38.229.346 工程硕士学位论文3.4本章小结本章通过改变基体水胶比和减水剂掺量配制了三种不同配合比的混凝土基体，通过测定混凝土基体的扩展度、坍落度以及流动时间可以得出流动性最好的是C3基体。又研究了三种基体渗入纤维编织网的能力情况，其中C3基体的切面光滑、空洞较少，与纤维网的粘结饱和。所以可以得出工作性能最好的基体为C3基体。同时，又对三种不同配合比的基体进行了基本力学性能的测试，得出三种基体的力学性能均能满足TRC基体的基本要求，结合工作性能最优的因素考虑，本文选择C3基体作为后续试验的TRC基体。47 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究第4章玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究4.1引言玻璃纤维编织网与基体之间的联合使用具有很多方面的优势，比如具有更高的承载力、优良的抗裂能力、防渗以及耐腐蚀等。这些优势发挥的前提是纤维网与混凝土基体能够共同受力协同工作，而决定纤维网与基体协同工作的关键主要在于纤维网与基体之间界面的粘结性能。与各向同性的钢筋不同，纤维网属于各向异性材料，其复杂的结构组成决定了其复杂的力学性能，事实上在埋入混凝土基体后，纤维束的截面没有固定的形状，因此其纤维束的截面面积很难测出，也就不能准确确定单束纤维的应力。由于内部纤维单丝的强度小于外侧纤维单丝与混凝土基体的粘结强度，当受到外力作用时，首先应由与基体粘结的最外侧纤维单丝与基体一起受力，传递荷载，当外部纤维单丝达到承载能力极限后，内部纤维单丝才开始受力，承担荷载，纤维束的纤维单丝是一批批的逐步破坏，这在很大程度上影响了纤维束与基体协同受力的能力，使其承载力大大降低。造成这一现象的原因是因为纤维束埋入基体后，混凝土不能充分渗入到纤维束内部[50,51]。鉴于此，为了转变上述发生的不利状况，同时使纤维束能够整体受力，在应用纤维束之前，可先用环氧树脂浸渍纤维网，因环氧树脂的渗透能力要比混凝土好的多，它能够浸入到纤维束内部，待其凝结后，使纤维束结合成一体，纤维单丝紧紧牢固在一起。已有研究表明：纤维编织网经过聚合物浸渍后，其强度大大提高，这是因为聚合物浸渍可以将纤维单丝牢牢的结合成一整体，而不必在考虑内外层纤维丝与混凝土之间的不同粘结状况。本文采用经纬向平织的玻璃纤维编织网，已有研究表明纤维编织网的纬向纤维束并没有发挥出预想的作用，其对TRC的力学性能影响不大。因此本次试验只研究单束纤维的经向纤维束与TRC基体的粘结情况。拔出试验能准确反映玻璃纤维束与混凝土基体之间的粘结作用。本章主要研究两种不同玻璃纤维束（ARNP300、SCNET80）的埋置深度、不同强度和工作性能的基体以及玻璃纤维网表面经环氧树脂浸渍粘砂处理后对纤维编织网与混凝土基体之间粘结性能的影响。48 工程硕士学位论文4.2拔出试验试件制备4.2.1基体组分配合比混凝土基体选用第3章流动能力实验测试性能较好的C3基体，C3基体能满足TRC的基本要求，即具有良好力学性能的同时有高流动性、高通过纤维网的能力以及自密实的不离析性。C3基体的组分配合比和其流变性能如表4.1和表4.2所示。表4.1C3基体组分配合比成分含量（kg/m3）42.5基准水泥410一级粉煤灰490硅灰50285（粒径0-0.6mm）细骨料570（粒径0.6mm-1.2mm）水332.5减水剂4.3消泡剂2.8表4.2C3基体流变性能特性结果直径d171.6直径d271扩展度d（mm）71.3坍落度h（mm）27.9流动时间T50（s）7密度（kg/m3）20374.2.2玻璃纤维编织网因ARNP300和SCNET80这两种玻璃纤维束的静态力学性能较其他三种更好，同时其表面的涂覆层使得其应力在断裂破坏区的分布更为均匀，因此本章应用于TRC粘结性能试验的玻璃纤维网采用的是ARNP300和SCNET80。ARNP300主要通过高分子涂层丁苯胶液涂覆定型而成，网孔尺寸为6×6.75mm，编织方式是经纬向绞接而成，以经向为受力方向，纬向起固定经向位置作用。SCNET80表面涂覆有大量的二氧化锆（ZrO2），这种涂覆材料具有耐高温、难溶于水、盐酸、49 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究稀硫酸等特性。网孔尺寸为25×25mm，编织方式为经纬向平织而成，即经向纤维束与纬向纤维束彼此交错重叠，在重叠部位由一根细纤维丝缠绕在经纬向纤维束表面，以固定两个方向的纤维束，细纤维丝引起的表面凸起会提高纤维网与混凝土的粘结力。实验所测试的玻璃纤维编织网如图4.1所示。（a）ARNP300（b）SCNET80图4.1未处理过的玻璃纤维编织网本实验采用的一部分玻璃纤维编织网表面是经环氧树脂浸渍后粘砂处理过的。具体方法为：将环氧树脂、固化剂和稀释剂按10:4:2混合，要确保聚合物搅拌均匀，并具有良好的流动性，待聚合物混合均匀后用刷子将配制好的环氧树脂均匀的涂刷在纤维网两个表面上，在环氧树脂固化前，将粒径0.6-1.2mm的砂子放入准备好的筛子内，将纤维网拉紧铺平，把筛子内的砂子均匀筛在纤维网的两个表面上，最后将粘砂的纤维网置于干燥处固化24h后使用，经环氧树脂浸渍后粘砂处理过的编织网如图4.2所示。50 工程硕士学位论文（a）ARNP300（b）SCNET80图4.2经环氧树脂浸渍后粘砂处理过的玻璃纤维编织网本试验测试的是玻璃纤维经向纤维束与混凝土基体之间的粘结强度。玻璃纤维束的力学性能在第2章测得，其力学性能参数如表4.3所示。表4.3玻璃纤维束的力学性能抗拉强度杨氏模量极限应变韧性理论截面面积纤维类型纤维名称（MPa）（GPa）（mm/mm）（MPa）（mm2）涂覆丁苯胶液耐碱玻璃ARNP300138278.30.023526.60.22纤维涂覆二氧化锆耐碱玻璃SCNET80148460.70.032538.90.34纤维4.2.3TRC基体试样制备传统方法研究纤维编织网与混凝土的粘结性能是只将纤维束的一端埋入混凝土基体中，而另一端则留在外面做拔出试验，但是这个方法有三个缺点：1.不能确定纤维束纬向方向是否对经向方向的力学性能产生影响；2.试件制备时，未埋入混凝土基体内的纤维束与基体的接触点存在界面损伤现象，这种损伤在很大程度上会减弱纤维束与基体的粘结作用，影响实验结果。3.纤维束只有一端埋在混凝土中，不能完整的表现出纤维束在混凝土中的整体荷载-位移曲线。鉴于此，本章为研究纤维束与混凝土基体之间的粘结作用，采用的是将纤维织物全部埋入混凝土基体中的方法，根据试件尺寸将试件剪成规定尺寸。下面以经环氧树脂浸渍后粘砂处理的ARNP300来介绍制备过程：将纤维网用环氧树脂浸渍，在环氧树脂固化前在纤维网表面两侧都洒上0.6-1.2mm的砂子，待纤维网在干燥条件下固化24h后方能使用。制备尺寸为540mm×210mm×10mm的模具，模板两侧有10mm凹槽，目的是放置钢条固定纤51 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究维网格布以及将两侧的水泥砂浆分开。首先在底部插上5mm的钢条，将纤维网铺在5mm厚的钢条上，两边拉紧使纤维网平直铺在钢条上；再将上部5mm厚钢条插入槽内固定住纤维网的位置使之不松动；浇筑10mm厚混凝土并抹平，待24小时后放入养护室养护28天。制备试件过程如图4.3所示。试件养护28天后，根据试验尺寸要求切割尺寸为180mm×30mm×10mm的拔拉试件的位置，在试块上做好标记切割，使拔拉的纤维束在基体的中间部位，切割完成后编号备用。在试件两段的一定距离涂抹环氧树脂，并粘上铝片，试件如图4.4所示。待试件在干燥环境下24小时后，把准备好的试件放在MTS万能试验机上进行拔出实验。步骤1制作模具步骤2模具底部插上5mm厚钢条步骤3铺设纤维网步骤4浇筑混凝土图4.3试件制备过程图4.4拔出试验试件图4.3试验方案本文研究两种玻璃纤维编织网（ARNP300、SCNET80）的不同埋深深度、混凝土强度和工作性能以及纤维网表面经环氧树脂浸渍后粘砂处理后对纤维编织52 工程硕士学位论文网与基体之间粘结性能的影响。设计了表4.4所示的试验方案。表4.4试验方案纤维埋深编号纤维类型基体表面处理方法（mm）1ARNP300C3表面未处理102ARNP300C3表面未处理153ARNP300C3表面未处理204ARNP300C3环氧树脂浸渍后粘砂105ARNP300C1表面未处理156ARNP300C2表面未处理157SCNET80C3表面未处理108SCNET80C3表面未处理159SCNET80C3表面未处理2010SCNET80C3环氧树脂浸渍后粘砂1011SCNET80C1表面未处理1512SCNET80C2表面未处理154.4测试仪器与方法采用MTS万能试验机进行拔出试验，拔出力由MTS试验机上的拉力传感器测定，纤维束与基体之间的相对位移用引伸计测定，引伸计与MTS万能试验机连接，当纤维束不能承受拉力时即停止试验。试验加载的速度为1mm/min。夹具采用球铰式夹具，将试件固定在夹具的中间位置，为避免试件在拉伸过程中产生偏心现象要求保证试件始终呈垂直状态。试验装置如图4.5所示。试验测试前端部使用铝片加固，铝片尺寸如图4.6所示。在试件端部涂抹均匀的环氧树脂，用铝片夹住试件，待环氧树脂固化后方可使用，为了保证铝片能顺利的穿过球铰中，要求试件的夹具铝片空洞位置对齐一致，专门设计了用于试件端部粘贴铝片的工具，如图4.7所示。这种工具既能使铝片的空洞位置对齐，也可以提高粘贴的速度，节省了大量的时间。一个试件需要4个夹片，因此需要大量的铝片，考虑循环利用以及节约成本，在试件破坏后将试件的夹片取下待下一次继续使用，一般会出现三种破坏形式，如图4.8所示。（1）环氧树脂与混凝土脱粘破坏（2）环氧树脂层破坏（3）环氧树脂与铝片脱粘破坏53 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究三种破坏形式中出现前两种的破坏形式比较多，而对于循环利用来说，我们更愿意出现环氧树脂与铝片脱粘的破坏形式，因为前两种破坏形式会使环氧树脂粘在铝片上面而需要用打磨机将环氧树脂层去掉，由于打磨铝片会使其表面的光滑度产生不可避免的差异而引起其厚度的变化，导致试件在拉伸过程中端部的受力不均而引起试验结果的差异，因而不可再继续使用该夹具。分析试件与铝片脱粘破坏的三种形式，第一种破坏形式是由于混凝土在切割和放置的时候，落入其表面太多的灰尘，导致铝片混凝土界面粘结的强度很低，因此可以通过清洗混凝土达到去除表面灰尘的效果；第二种破坏形式是由于环氧树脂层厚度较薄，在拉伸过程中环氧树脂层的抗折强度低于环氧树脂与混凝土试件的粘结强度，导致出现环氧树脂层的破坏，因此可以通过适当增加环氧树脂层的厚度来避免第二种破坏形式；第三种环氧树脂与铝片的脱粘破坏是希望出现的破坏形式，当拉伸过程中的拔出力大于环氧树脂层与铝片的粘结力时就会出现这种破坏形式，即为了获得第三种破坏形式，可通过降低环氧树脂层和铝片的粘结力作用。因环氧树脂的强度是随着时间的延长而降低的，通过先在试件端部和铝片一侧涂抹一层厚薄均匀的环氧树脂，待其强度降低到一定程度的时候在将铝片贴在试件的端部位置，但是需要保证在拉伸过程中环氧树脂不会与铝片脱落。所以大部分的铝片都可循环使用，节约了时间和成本。图4.5实验装置图54 工程硕士学位论文图4.6试件端部加固铝片（mm）图4.7试件端部粘贴铝片工具a）环氧树脂与混凝土脱粘b）环氧树脂层破坏c）环氧树脂与铝片脱粘图4.8环氧树脂粘结破坏4.5试验结果与分析4.5.1纤维束不同埋深对粘结性能的影响本试验测试了ARNP300和SCNET80不同埋深对纤维网与基体粘结性能的影响，埋深分别为10mm、15mm和20mm。设计了ARNP300和SCNET80在10mm-20mm混凝土基体中粘结性能的对比试验，不同埋深试件的拔出力-位移曲线如图4.9所示。55 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究图4.9不同埋深对粘结性能的影响从力-位移曲线图中可获得拔出刚度、最大拔拉力、等效粘结强度以及拔出功随着纤维束的埋深对粘结性能的变化影响，如图4.10所示。（1）拔出刚度表示拔出力-位移曲线初始线性阶段的斜率，反映了试件在未脱粘状态抵抗弹性变形的能力。从图中可看出，拔出刚度整体呈上升趋势，SCNET80的拔拉试件在埋深为15mm时有局部的波动。（2）在10-20mm的埋深深度内最大拔拉力随着纤维束埋深的增加而增大。（3）等效粘结强度表示为将最大拔出力沿纤维束与TRC基体界面均匀分布所得到的应力，其随着埋深的增大而减小。而SCNET80的拔拉试件比ARNP300的拔拉试件要小，这是因为SCNET80的横截面积比ARNP300大很多，使其等效粘结强度小于ARNP300的试件，具体计算公式如下：Pmax（4.1）eqCL·式中：P为最大拔出力；C为纤维束横截面周长；L为纤维束埋置深度max其中，56 工程硕士学位论文C2S（4.2）a式中：Sa为纤维束截面面积的平均值（4）拔出功表示纤维束在拔出过程中耗能的能力，其值等于拔出力-位移曲线下的面积值。随着埋深的增加，拔出功增大，且在埋深20mm时增加幅度较大。图4.10不同埋深对玻璃纤维束拔出刚度、最大拔出力、等效粘结强度和拔出功的影响4.5.2混凝土强度和工作性能对粘结性能的影响本实验为研究混凝土强度和工作性能对粘结性能的影响，在15mm的埋深下设计了三种不同强度等级和工作性能的混凝土基体C1、C2、C3，三种基体的强度等级依次降低，见表3.5所示。但C3基体的工作性能最好，其流变性能也最好，见表3.4。混凝土强度和工作性能试件的拉出力-位移曲线如图4.11和图4.12所示。57 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究图4.11混凝土强度和工作性能对ARNP300与基体粘结性能的影响58 工程硕士学位论文图4.12混凝土强度和工作性能对SCNET80与基体粘结性能的影响由图4.11及4.12可看出当埋深为15mm时，C1基体中的最大拔拉力均大于C2基体的最大拔拉力，可得出混凝土强度的增加能改善纤维编织网与混凝土基体的粘性能。同时尽管C3基体的强度比C1和C2的低，但C3基体的流动性能好，具有自密实的能力，其工作性能好于C1和C2基体，从图中可看出，C3基体的粘结性能高于C1和C2基体与纤维编织网的粘结力。将实验结果进行统计，获得拔出刚度、最大拔出力、等效粘结强度以及拔出功，如图4.13所示。从图4.13可看出两种纤维束的力学性能参数变化趋势大致相同，C1基体纤维束的拔出刚度、最大拔出力、等效粘结强度以及拔出功都比C2基体的要大，说明混凝土强度的提高能改善纤维束与基体的粘结效果，同时C1基体纤维束的力学性能参数又都比C3基体的要小，说明改善混凝土的工作性能更能提高纤维束与基体粘结效果。由此可得出：提高混凝土基体的强度以及改善基体的工作性能均能提高混凝土基体与纤维编织网的粘结能力。其中改善混凝土基体的工作性更能提高纤维编织网与基体的粘结性能。59 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究图4.13混凝土强度及工作性能对玻璃纤维束拔出刚度、最大拔出力、等效粘结强度和拔出功的影响4.5.3纤维网表面处理对粘结性能的影响本试验为研究ARNP300和SCNET80表面处理情况对粘结性能的影响，将纤维网表面用环氧树脂浸渍后再粘砂处理，砂的粒径为0.6mm-1.2mm。并同时与表面未做任何处理的纤维网进行对比。图4.14为埋深为10mm时，纤维网表面处理后的对比试验结果。图4.14ARNP300及SCNET80表面处理后对粘结性能的影响从图4.14可以看出，对纤维网进行环氧树脂浸渍后表面粘砂处理可以很明显的提高纤维网与混凝土之间的粘结强度。且环氧树脂浸渍后粘砂处理的增强效果十分明显，同时纤维束在拔出时的滑移减小。将试验结果进行统计，获得经环氧树脂浸渍后表面粘砂处理后纤维束的拔出刚度、最大拔拉力、粘结强度和拔出功，数据见表4.5，同时将未处理的纤维束进行对比。从表4.5可以得到：对于同一种纤维网而言，经环氧树脂浸渍后粘砂处理后的纤维束其拔出刚度、最大拔拉力、60 工程硕士学位论文等效粘结强度和拔出功都大于未处理过的纤维束试件，这是由于在拉伸过程中，环氧树脂浸渍粘砂处理后，表面的沙粒与基体界面的机械咬合力得到了提高，试件在拉伸产生滑移时，其摩擦系数增加，导致其滑动摩擦力大大增加，即在位移一定的情况下需要更大的力才能将纤维束从基体中拔出。因此使各项的性能参数明显的到了提高。表4.5纤维网表面处理对纤维束拔出刚度、最大拔出力、等效粘结强度和拔出功的影响拔出刚度最大拔出力等效粘结强度纤维网类型表面处理情况拔出功（J）（N/mm）（N）（MPa）无379（5.7）168（5.4）10.1（0.3）81.4（3.5）ARNP300环氧树脂浸渍670（49.1）267.9（5.4）16.1（0.3）85.5（13.9）后粘砂无350（15.9）211.6（8.5）10.2（0.4）133.8（22.8）SCNET80环氧树脂浸渍554（24.2）317.8（23.2）15.4（1.1）135.4（31.3）后粘砂注：括号内的数值为标准差4.5.4试件破坏形态试件有两种破坏形态，一种是纤维束被拉断破坏，如图4.15（a）所示；一种是纤维束被拔出破坏，如图4.15（b）所示。当TRC基体与玻璃纤维网的粘结强度比纤维束的极限强度大时，纤维束被拉断破坏，此时尽管纤维束并未被完全拉断，但其已失去受力的能力。当TRC基体与玻璃纤维网的粘结强度比纤维束的极限强度小时，纤维束被拔出破坏，图4.15（b）所示的破坏图按试验方案表4.4所示的编号顺序从1至12排列。当纤维束被拉断或者纤维束未被拉断但是已经失去了继续受力的时候，这时候试验停止。（a）纤维束被拉断破坏61 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究编号1编号2编号3编号4编号5编号6编号7编号8编号10编号9编号11编号12（b）拔出破坏图4.15试件的拔出破坏形式62 工程硕士学位论文4.6本章小结本章通过拔拉试验研究了SCNET80及ARNP300在TRC基体中不同埋深、不同混凝土强度和工作性能以及纤维网表面不同处理后对纤维编织网与混凝土基体之间粘结性能的影响。得到以下结论：（1）随埋深的增大，拔出刚度呈整体上升的趋势，SCNET80的拔拉试件有局部波动，且拔出刚度始终为正值；在10-20mm的埋深深度内最大，拔拉力随着纤维束的埋深增加而增大；等效粘结强度其随着埋深的增大而减小；拔出功随着埋深增大而增大，且在埋深20mm时增加幅度较大。（2）混凝土的强度和工作性能均能影响纤维编织网与混凝土基体的粘结性能，提高混凝土基体的强度以及改善基体的工作性能均能提高混凝土基体与纤维编织网的粘结能力。其中改善混凝土基体的工作性更能提高纤维编织网与基体的粘结性能。（3）对纤维网进行环氧树脂浸渍后表面粘砂处理可以提高纤维网与混凝土基体之间的粘结强度，纤维网表面粘砂后，纤维网与基体之间的机械咬合力大大提高，因此与基体之间的摩擦力大大提高，从而使其粘结强度提高较为明显。63 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究结论与展望为了充分发挥玻璃纤维编织网增强混凝土的优异性能，研究玻璃纤维网的力学性能及玻璃纤维编织网与混凝土基体的粘结性能成为关键。本文主要利用MTS万能试验机对标距为25mm的五种常见玻璃纤维束进行准静态拉伸测试，通过试验得到了五种不同玻璃纤维束在准静态试验条件下的基本力学性能，同样对标距为25mm的五种玻璃纤维束试件采用InstronCeast9340落锤系统进行4组不同应变率（40s-1、80s-1、120s-1、160s-1、）条件下的动态拉伸测试，通过试验数据来探究应变率对标距25mm的不同玻璃纤维束的影响。将在静态和动态试验条件下测得的数据通过Matlab进行处理，得到五种玻璃纤维束的基本力学参数，包括拉伸强度、杨氏模量、韧性、极限应变等。利用Grapher绘出其应力-应变曲线，并对曲线图及力学参数进行统计分析，利用Weibull分布对不同应变率下的五种玻璃纤维束进行统计分析，量化试验结果的离散性。从两个方面对TRC基体进行了研究与分析，首先是TRC的基体工作性能上需满足高流动性、高通过纤维网能力以及自密实能力。然后是基体的基本力学性能，分别从抗压强度、抗弯强度和弹性模量上对其进行了试验测试。最后研究ARNP300及SCNET80的埋深深度、混凝土强度和工作性能以及纤维网表面处理后对粘结性能的影响。得出以下结论：（1）在动态荷载冲击作用下，SCNET80纤维束的拉伸强度随着应变率的增加而增大，而极限应变随着应变率的增加而减小，杨氏模量和韧性则处在某个固定的值上下波动；TD150和ARNM165玻璃纤维束的杨氏模量、拉伸强度、韧性都随着应变率的增加而增大，而其极限应变则随着应变率增加而减小；ARNP300和ARNM305玻璃纤维束的杨氏模量、拉伸强度随着应变率增加而增大，而极限强度、韧性则随着强度的增加而减小。可看出每种玻璃纤维束的力学性能都表现出应变率相关性（2）静载下有涂覆层定型而成的玻璃纤维束（SCNET80、TD150、ARNP300）其破坏模式是分步破坏的，动载下玻璃纤维束又呈现随应变率不同的破坏形态，这与其纤维的力学性能差异有关，且表明玻璃纤维束的破坏形态与应变率有关。（3）对于玻璃纤维束而言，不同应变率条件下玻璃纤维束强度分布的离散性不同，Weibull分布曲线随着应变率的增大而朝高应力区偏移，故可认为玻璃纤维束强度随应变率的变化时是规律的，这体现了玻璃纤维束拉伸强度的应变率相关性。同时，采用Weibull分布拟合玻璃纤维束拉伸强度的相关系数r值均大于0.95，说明Weibull分布能很好的预测应变率条件下玻璃纤维束的分布规律。（4）随埋深的增大，拔出刚度呈整体上升的趋势，SCNET80的拔拉试件有局部波动，且拔出刚度始终为正值；在10-20mm的埋深深度内最大拔拉力随着纤64 工程硕士学位论文维束的埋深增加而增大；等效粘结强度其随着埋深的增大而减小；拔出功随着埋深增大而增大，且在埋深20mm时增加幅度较大。（5）混凝土的强度和工作性能均能影响纤维编织网与混凝土基体的粘结性能，提高混凝土基体的强度以及改善基体的工作性能均能提高混凝土基体与纤维编织网的粘结能力。其中改善混凝土基体的工作性更为显著的提高纤维编织网与基体的粘结性能。（6）对纤维网进行环氧树脂浸渍后表面沾砂处理可以提高纤维网与混凝土基体之间的粘结强度，纤维网表面沾砂后，纤维网与基体之间的机械咬合力大大提高，因此与基体之间的摩擦力大大提高，从而使其粘结强度提高较为明显。虽然对玻璃纤维束的力学性能以及纤维网与基体之间的粘结性能进行了一系列的实验研究，但是由于时间有限，还存在许多与本研究相关的问题亟待解决。对于后续需要研究的方向主要有以下几个方面:（1）本文研究了在标距在25mm下时，纤维束准静态的力学性能以及不同应变率条件下的动态力学性能，但是对于纤维的应用并不是一束一束的，大多是以纤维网格布使用的，本文并没有涉及纤维单束对于纤维布的影响，以及经、纬向对于另一方向的影响效果。本文仅从应变率角度研究了五种常见的玻璃纤维纬向的力学性能，但对于其经向的研究较少，仅在静态荷载作用下测试了其力学性能，而在动态荷载冲击作用下并没有涉及，这一方面的研究亦有待解决。（2）本文通过流动能力试验获取了一种适合纤维编织网的TRC基体，所配制的TRC混凝土基体能满足TRC的基本要求，但仅仅只从高流动性、高通过纤维网的能力和不离析性三个方面进行试验研究，对于TRC基体的早强性以及施加预应力来减小TRC构件的变形、充分利用纤维网的抗拉强度等方面并未研究。同时本文并未涉及到TRC耐久性方面的问题。（3）本文通过准静态拔出试验研究了SCNET80、ARNP300两种玻璃纤维束在基体中不同埋深、三种不同配合比的基体以及纤维网表面经环氧树脂浸渍后粘砂处理对纤维编织网与混凝土基体之间粘结性能的影响。对于在动态荷载冲击试验条件下的研究还有待完成。65 玻璃纤维束的力学性能及玻璃纤维编织网增强混凝土的粘结性能研究参考文献[1]田稳苓，张芳源，赵晓艳等.纤维编织网增强混凝土（TRC）研究进展，河北工业大学学报，2013，42(1)：100–105[2]艾珊霞，尹世平，徐世烺.纤维编织网增强混凝土的研究进展及应用.土木工程学报，2015，48(1)：27–40[3]赵国藩.高等钢筋混凝土结构学.北京：机械工业出版社，2012，7–50[4]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析：[大连理工大学博士学位论文].大连：大连理工大学，2005.1–120[5]张利民.纤维编织网增强混凝土粘结性能研究：[河北工业大学硕士学位论文].河北：河北工业大学，2012，18–70[6]冯乃谦，邢锋.混凝土与混凝土结构的耐久性.北京：机械工业出版社，2009，4–4[7]MechtcherineV.Novelcement-basedcompositesforthestrengtheningandrepairofconcretestructures.ConstructionandBuildingMaterials.2013，41：365–373[8]蒋元酮，韩素芳.混凝土工程病害与修补加固.北京：海洋出版社，1996，29–33[9]洪乃丰，张成科.防冰盐的腐蚀危害及其防止.工业建筑，1995，25(2)：3–7[10]黄平.论混凝土中氯离子对钢筋腐蚀及防腐对策.现代物业(上旬刊)，2014，13(6)：100–103[11]刘数华，何林.聚丙烯纤维混凝土抗裂性的试验研究.化学建材，2005，21(2)：50–52[12]王雪芳，吴成泉，郑建岚.混杂纤维超高强混凝土抗裂性能试验研究.福州大学学报(自然科学版)，2013(2)：225–228[13]刘君杰，王建坤.纤维增强混凝土的应用现状.天津纺织科技，2003，41(04)：9–14[14]Häußler-CombeU，HartigJ.Bondandfailuremechanismsoftextilereinforcedconcrete(TRC)underuniaxialtensileloading.CementandConcreteComposites,2007,29(4)：279–289[15]杜玉兵，荀勇.织物增强水泥基复合材料研究与应用展望.材料导报，2007，21(1)：97–101[16]沈玲华，王激扬，徐世烺.掺入短切纤维的纤维编织网增强混凝土薄板弯曲力学性能试验研究.建筑结构学报，2016，37(10)：98–107[17]张英琪.再生混凝土中掺入短切纤维的力学试验研究.中小企业管理与科技(中66 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