纤维编织网增强混凝土力学性能的实验研究及理论分析 131页

大连理工大学博士学位论文纤维编织网增强混凝土力学性能的实验研究及理论分析姓名：李赫申请学位级别：博士专业：结构工程指导教师：徐世烺20050901 大连理工大学博士学位论文摘要纤维编织网是利用编织技术将连续纤维粗纱制成的平面或者立体纺织物。纤维编织网增强混凝土(Text丑eReinforcedConcrete,简称TRQ结构在工程中有很多优势，其不会像钢筋那样因氯离子和二氧化碳的侵入而腐蚀，因此混凝土的保护层可以作得很薄，这样即节省了混凝土又减轻了结构自重；作为一种连续纤维增强材料，纤维粗纱可以沿混凝土中的应力主向布置，其对混凝土的增强效率远比乱向分布于混凝土内的短切纤维高；碳纤维是一种防磁化的材料，利用碳纤维编织网增强混凝土建成的结构物可以屏蔽磁场，防止其内设备磁化。基于以上优点，纤维编织网增强混凝土的发展引起了众多的关注。作者结合国家自然科学基金重点项目“混凝土结构裂缝的形成与发展机理及控制技术的研究”，对TRC力学和耐久性能的进行了一系列试验和理论研究工作，具体如下：1．开发出了一种适合TRC结构的基体，其具有自密实能力，早高强能力，通过加速老化试验证明其对玻璃纤维的腐蚀在可接受的范围内，因其骨料最大粒径较小，这种基体被称为“高性能细集料混凝土”。2．测定了本试验所采用纤维编织网的力学性能，比如抗拉强度，弹性模量和极限应变等。3．利用4线性双平行线的黏结本构模型对纤维粗纱从混凝土基体中拔出的现象进行了解析分析，为印证黏结参数，分析拉拔力作用下的结构相应，提供了～种方法。4．通过纤维束从细集料混凝土中的拔出试验，探讨了纤维埋长、混凝土强度和工作性能、向混凝土内适当添加短切纤维，用环氧树脂浸渍纤维编织网并在其表面黏砂以及对TRC施加预应力对纤维编织网和混凝土黏结性能的影响。5．对TRC单向薄板进行了4点弯曲试验，探讨了维编织网表面黏砂，提高配网率以及适当地施加和提升预应力水平对板在荷载作用下的开裂行为的影响。6．本文对纤维编织网增强混凝土矩形截面梁的抗弯能力，包括极限弯矩和开裂弯矩进行了计算分析，并给出了计算方法。7．本文在计算纤维编织网增强混凝土T形截面梁的极限承载力时，对梁受压区压应力分布分别采用了直接积分计算压应力合力与合力作用点以及将曲线压应力分布采用等效矩形化处理，即依据T截面不同的边缘压应变采用了矩形截面相 同边缘压应变对应的等效系数计算压应力合力和作用点的两种方法，并对这两种方法计算得到的极限承载力进行了对比。关键词：纤维编织网；高性能细集料混凝土；拉拔分析；黏绪陛能；预应力；T形梁．Ⅱ． 犬连理L．大学博士学位论文AnalyticalandexperimentalstudyontextilereinforcedconcreteelementsTextileismadeoffiberrovingthroughknittingtechnologyintwoorthreedimensions．TextilereinforcedconcreteflaC,forshort)showsseveralsignificantadvantages．Contrarytosteel，mosttextilesdonotcorrodeincarbonatedorchloridecontainingconcretewhichpermitsreducingtheconcretecoverjustlargeenoughtotransferbondstressesfromthereinforcementtotheconcrete．Thisallowsproductionofthinreinforcedconcreteelements．Asakindofcontinuousfiberreinforcingmaterial，textilesmakeahigheffectivenessofthereinforcementforconcreteinsteadofshort-cutfibemdistributedrandomlyjllconcretebecauserovingcailbeorientedinlinewiththeoccurringstresses．Carbonfibersareantimagneticandthebuildingmadeuseofcarbontextilereinforcedconcretecanprotectinstrumentsinitagainstmagnetism．Duetotheseadvantagesabove，manyhavebeenfocusedondevelopmentofTRC．Inthispaper,combinedwi也thekeyprogramoftheNationalNaturalScienceFound；ltionofChina‘Researchonthemechanismofcrackformationandpropagationinconcretestructuresandcrackcontrolmethod’，aseriesoftestsandanalyticalworkaboutthemechanicalpropertiesandlongtimebehaviorofTRChavebeencompleted．andmanyconclusionshavebeen0brained．1．Amatrixwhichoffersaself-compactingcapability,rapidhardening,andllighearlystrengthsaswellaschemicalcompatibilitywithARglasstextilewhichisprovedbytheageingtests，hasbeendevelopedout．Duetosmallergrazesize，thismatrixisnamedas‘hi曲performancefineconcrete’．2．Somemechanicalpropertiesoftextilesusedinthistest，suchastensilestrength，Young’smodulusandultimatestrain，aremensurated．3．ThepuUoutmechanismofinterfacecrackoffiberrovingbetweenfineconcreteisanalyzedonthebaseoffourfoldlinearmodel，whichoffersawaytoverifybondparametersandestimatestructure’srespondingofTRCunderpulloutforce．4．Theinfluencesoftheinitialbondlengthoftextile，thesandcoatingoftextile，thestrengthandworkabilityofconcreteaswellasthelevelofprestressingforceonbondbehaviorhavebeeninvestigatedonthebaseofpullouttests．5．Theinfluencesofthesandcoatingoftextile，theratioofreinforcementandthelevelofprestressingromeonbehaviorofconcretecrackinghavebeeninvestigatedonthebaseofbendingtestsofone—wayslab．．m一 摘要6．Theresistancestobending，suchaSultimatebearingmomentandcrackingmoment，havebeenanalyzedandcorrespondingcalculatingmethodshavebeendeveloped．7．Inthispaper,theultimatebearingmomentofTRCbeam谢111T—shapedcross—sectioniscalculatedthroughtwoways．Inoneway,thecompressiveforceanditsworkingpointaregottenbyintegralmethod，andintheotherway，thecompressiveStI"essshowingcurve—figuredistributioninthepressedzoneofconcreteistransformedintoequivalentrectangleandfordifferentmal2：iIlalcompressives心痖_ls，fileequivalentcoe髓cientsofrectanglebeamareadoptedforthecalculationofthecompressiveforceanditsworkingpointofTRCbeamwithT-shapedcross—section．Atlast,theresultsfromthetwowaysaboveareanalyze(tandcontrastedKeyword：Textile；珏碘performancefinecenerete；Pulloutanalysis；Bond：Prestressingforce；T-shapedcross-sectionbeam．Ⅳ． 独创性说明作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。}lf作者签名：，2比日期：之丝Z乏鲨 大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：硅蕴：．导师签名：筮：丝趑砬年上月堕日．．130． 夫连理I大学博士学位论文1．绪论摘要：纤维编织网增强混凝土是一种新型的纤维增强水泥基复合材料，目前的研究主要集中在德国等欧美国家。本章介绍了纤维编织网增强混凝土技术在国内外的研究现状，包括研究内容，研究方法以及研究成果等，并针对我国纤维编织网生产和应用的实际情况提出了本课题的主要研究内容。关键词：纤维编织网；碳纤维；玻璃纤维；自密实混凝土；综述1．1引言在钢筋混凝土结构中，钢筋处于水泥水化时生成的强碱介质里(PH值在12—14之间)。钢筋在这种介质中表面形成钝化膜，可抑制钢筋的腐蚀。但是如果混凝土的密实性不足或保护层太薄以致受到破坏，这时施工时掺入的含氯外加剂或者冬季为防止混凝土桥面、路面结冰而撒的盐都会破坏钝化膜[1．3】．另外空气中的二氧化碳同样也会进入混凝土内部破坏钝化膜[4-5]如果钢筋混凝土结构长期处于侵蚀性或暴露性环境，这种破坏会进一步加剧。钢筋因钝化膜破坏而导致锈蚀，会引起体积膨胀，对混凝土产生压力，保护层出现碎片状胀裂、脱落；混凝土表层大面积疏松、剥落，破坏了混凝土的受力性能，降低了材料的耐久性。1991年在法国召开的第二届混凝土耐久性会议上，Mehta教授指出【6】：“当前世界混凝土破坏的主要原因为钢筋锈蚀，寒冷气候下的冻害、侵蚀环境下的物理化学作用”。钢筋锈蚀被认为是混凝土结构破坏的第一因素。因钢筋锈蚀而导致的经济损失是非常巨大的。世界一些国家的腐蚀损失，平均可占国民经济总产值的2％～4％；其中，被认为与钢筋腐蚀有关者可占40％。据1998年美国的报道，钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费，一年要2500亿美元。还有报道说，到本世纪末，美国要花3000亿美元用于修复和重建钢筋腐蚀破坏的工程阴。加拿大早期大量使用“防冰盐”，使钢筋混凝土桥梁等破坏严重。欧洲、英国、澳大利亚、海湾国家等，都有以氯盐为主的钢筋腐蚀破坏问题．英国修复费为每年50亿英镑。韩国曾发生一系列建筑物破坏、倒塌事件，其中也与“盐害”有关。我l虱也存在着广泛的腐蚀环境，北方地区使用化冰盐有增无减，我国海岸线很长，而大规模的基本建设大都集中于沿海地区，以往的海港码头等工程，多数达不到设计寿命要求；我国T．_qk环境中的建筑物，钢筋锈蚀破坏电十分普遍与严重，大多 1绪论数工业建筑达不到设计寿命的年限，目前正在进入大规模修复的时期。因此，我国钢筋锈蚀破坏的形势是严峻的。除了锈蚀损害，钢筋混凝土结构还有可能因为不能屏蔽磁场，给人类带来麻烦，在医院，尤其明显。1998年，美国德克萨斯州曾有两家医院使用的无线医疗远程监护设备受到数码电视台和大功率移动通讯台发射的干扰而中断工作。2000年，日本一家医院正输液抢救一位老年病人时，输液泵失控，停止输液。经查，原来是病房里有人打手机，手机的无线电干扰了输液泵的正常工作【8】。为解决上述问题，一种新型的建筑材料一纤维，进入人们的视野。上个世纪60年代人们发现向混凝土中添加高弹性模量、高抗拉强度的短切纤维，比如碳纤维和玻璃纤维能提高基体的抗拉强度同时抑制裂缝的扩展，其作用类似于钢筋。尽管如此，短切纤维因为在混凝土中乱向分布，其增强效率大为降低。后来人们发现如果能将纤维粗纱沿混凝土结构中的应力主向连续布置，那么增强效果就会大大提高『9．aOl。而后人们就将连续纤维粗纱编织而成了平面或立体的网状纺织物，即纤维编织Ncrextile)。将纤维编织网铺设在特制的混凝土内，让其经向或纬向纤维束沿混凝土中的拉应力主向布置，就构成了纤维编织网增强混凝土frextilereinforcingconcrete，简称TnC)。大部分纤维编织网都采用高抗拉强度、高弹性模量、化学性能稳定的碳纤维、其次是芳族聚酰胺纤维(简称Ammid纤维)和玻璃纤维。这些纤维有许多共性：所有纤维在拉力作用下，变形和外力都呈线性关系，所有纤维都轻质、高抗拉强度、有很强的耐腐蚀性以及防磁性，在可以预见的将来，TRC结构至少可以在下列领域内得到广泛应用：丸具有防磁化要求的结构，比如医院；B．腐蚀等恶劣环境下的海工、港工和水工以及环保混凝土建筑结构的修复和防锈蚀加固以及防治各种形式的混凝土开裂，尤其是大体积混凝土开裂，比如混凝土重力坝、拱坝、碾压混凝土重力坝、拱坝等各种坝体上游坝面的开裂，海洋平台、港工、海工大体积混凝土建筑物以及水工渡槽等的限裂防渗等：C．此外因纤维不腐蚀，混凝土保护层仅需满足黏结需要；纤维编织网本身很薄，利用纤维编织网增强混凝土必然薄壁轻质。通过组合许多简单的预制轻质TRC构件可以构成大跨度拱、壳和穹顶等许多复杂的结构；D．承载构件，比如楼板，屋面板门窗过梁；E．装饰构件，比如顶棚，桌面和内外墙板；F．免拆卸模板，在TRC模板上浇注混凝土，待混凝土硬化后，不必拆卸下来，使用过程中和内部本体混凝土一起受力。一2。 大连理：[大学|尊士学位论文本文结合国家自然科学基金重点课题“混凝土结构裂缝的形成与发展机理及控制技术的研究”，对TRC从基体的工作性能、力学性能和耐久性能，基体和纤维编织网的黏结性能，TRC薄板和TRC梁的力学性能等方面进行了研究。其主要目标是利用纤维编织网对脆性的混凝土形成更好的增强和开裂限制。1．2纤维编织网简介1．2．1纤维材料简介土木工程中常用的纤维包括高抗拉强度的碳纤维、玻璃纤维和芳族聚酸胺纤维(Aramid)以及高韧性的聚乙烯醇(PVA)纤维和聚乙烯(PE)纤维。TRC结构主要采用高抗拉强度的纤维。不同的纤维材料，物理力学性能并不一致，其价格也相差很多，以下是一些常用纤维的物理力学性能的比较，在比较中，加入了钢筋和TRC基体的物理力学性能，以作对比。表1．1纤维编织网的特性【11】Tablel．1Propertiesoftextilematerials由表1．1可知，普通钢筋HPB235的抗拉强度为0．37GPa，预应力钢绞线的抗拉强度1．86GPa，均小于以上碳纤维，玻璃纤维和Aramid纤维。然而玻璃纤维和Aramid纤维的弹性模量比钢筋低很多，普通Aramid纤维的弹性模量最低，仅为钢材的1／4，两种玻璃纤维．3． 1绪论的弹性模量大体相当，仅为钢材的l／3，碳纤维弹性模量和钢筋相当。普通钢筋的极限应变在22％左右，以上纤维的极限应变都比钢筋低很多，这说明纤维材料本质上是一种脆性材料。值得注意的是碳纤维和Aramid纤维材料的轴向温度膨胀系数为负值，而混凝土的膨胀系数为12×10-6K-1左右，把这两种纤维材料埋入混凝土中，在温差较大的环境下，有可能会导致二者脱黏。不同纤维材料的不同不仅体现在物理力学性能方面，其化学性能也是相差很多，并直接影响着其在混凝土中的耐久性能，对不同纤维性能的综合评价如表1．2所示：表1．2不同纤维和预应力钢筋性能的定性比较Tablel．2Qualitativecomparisonofpropertiesbetweendifferentfibersandprestressingsteel由表1．2可知，玻璃纤维、碳纤维和Aramid纤维在酸、碳化潮湿的环境中和海水内均表现了优异的力学性能，而钢筋在这3种环境下，强度将会退化。因此在酸、碳化潮湿的环境中和海水内使用以上三种纤维代替钢筋增强混凝土，其耐久性能将会得到保证。然而在碱性环境下，玻璃纤维的性能随时问增长而劣化，而钢筋和其他2种纤维则不会。但是因为玻璃纤维价格低，适合土木工程中的大量使用，因此玻璃纤维编织网增强混凝土的耐久性是个急需解决的问题。1．2．2纤维编织网编织方法简介把粗纱编织成网的方法有很多，最常见的有平织(weaving)，针织(knitting)。图1．1显示了这两种不同编织方法的原理。一4． 人连理工大学博=b学晦论文．纬向经向---·————————————-—■图1．1不同的纤维编织网结构形式【12】：(a)Co)针织，(c)平织Fi91．1Differenttextilestructures：(a)Co)knitting(c)weaving如图1．1所示，所谓针织是指在经纬两向纤维束的交接处，为固定经向束，纬向柬打一结扣系住平直穿过的经向束如图l(a)所示。也有针织方法没有经向纤维束，由另一纬向纤维束连续的穿过相邻两个纬向打结纤维束的结扣，结果这一纬向纤维束呈现波浪状，多个这种纬向纤维束的波峰就起到了增强方向的主筋作用，如图xCo)所示。图1(c)显示了另一种编织方法，即平织。经纬向纤维束彼此重叠交错，一般在纬向纤维束表面缠绕一条较细纤维束，在纬向束越过经向束的地方，这条较细束将把经向束绑定在纬向束上。除了固定作用以外，在纤维编织网经过环氧树脂浸渍后，其还可以增大纤维束和混凝土间的摩擦黏结。当然，把纤维粗纱编织成网的方法还有很多，不同编织方法对纤维编织网和混凝土的黏结性能的影响很不一致【12]。纤维编织网的每一个方向都是由若干纤维束组成，而纤维束是由纤维丝组成，比如如果纤维柬的级别为12K就说明这根纤维束包含了12000根纤维丝。图1．2显示了两种常见的纤维束的制作方法。口叨斟(a)单根纤维丝(b)平直纤维柬(c)扭转纤维束图1．2纤维束的制作构成FiEl．2DefinitionofdifferenlyamtgT)es一5． 1绪论目前纤维编织网在国外已有规模生产，不同的产品，其编织形式和性能都可能不同。比较著名的主要有：(a)Kevlar．1966年美国的杜邦公司(DuPont)开发出⋯种有机纤维一芳族聚酸胺纤维，其商标为Kevlar，主要有Kevlar29和Kevlar49两种类型，作为增强材料，一般用后者。其经纬纤维束间距分别为2．5mm*n3．5mill，每个方向的纤维束都有1500个但尼尔(g／km)，经向纤维束有纱罗扭转。厂家提供的力学指标如下：抗拉强度为2800MPa；弹性模量为124GPm极限应变率为2．8％，密度1．449／cc。(b)Aragrid．这是欧洲的AKZO开发的一种品牌，也是芳族聚酸胺纤维，主要用来增强砌体。纤维编织网在出厂前经过了聚合物浸渍，经纬两向纤维束的间距都为10．5tnm。厂家提供的力学指标如下：抗拉强度为2030MPa；弹性模量为45GPa；极限应变率为4．5％，密度1．459／cc。(c)Spectra．美国AlliedSignal生产的一种高性能的聚乙烯纤维编织网。最初用于航空航天领域。经纬两商纤维束的间距都是2．5mm。厂家提供的力学指标如下：抗拉强度为2590MPa；弹性模量为118GPa；极限应变率为3．5％，密度0．97dcc。(d)Carbon(PAN基1．很多厂家生产，物理化学性能最为优良。在维向纤维束表面缠绕一条较细的Kevlar纤维，以固定经向纤维束，稳定纤维编织网。其经纬两向纤维束的间距有3rflln、5mm和10mm不等。在出厂使用前，要用环氧树脂胶或其他乳胶向其表面喷射，以使其硬化和每根纤维丝能相对稳定的黏结在一起。(e)PVA(聚L烯醇)纤维编织网．网格间距为5衄，弹性模量29GPa，抗拉强度400MPa,密度1．39／cc．重量111．139／m2。以上是高弹性模量，高抗拉强度的纤维编织网，还有一些低弹性模量和低抗拉强度的纤维编织网，比如聚丙烯纤维编织网和尼龙纤维编织网，暂时还无法从厂商得到他们的力学指标。利用这些低弹性模量的纤维编织网增强混凝土，结构变形和裂缝可能都会更大一些，而承载能力又会小一些。种类如此繁多的纤维编织网给我们提供了～个为满足不同基体和结构的需要选择增强材料的机会。1．3纤维编织网增强混凝土结构研究进展利用连续纤维粗纱增强混凝土的设L黼A[13—151，但是对纤维编织网混凝土的研究却始于21世纪初，成立于2002年的“欧美纤维编织网增强混凝土协会”标志着人类对该研究领域探索的正式开始。目前在德国专门成立了纤维编织网增强混凝土合作研究组织，共有10个研究机构同时进行着17个项目的研究。研究内容从微观到宏观，从。6． 大连理[大学博士学位论文材料特性到结构性能，从基本构件到结构体系组成，采用了许多新型的实验技术，比如用光纤贴片测量混凝土内粗纱的变形，比如声发射技术测量在拉拔力作用下，混凝土内粗纱的黏结反应和有效黏结长度；再比如用数字照相技术和层析x射线照相技术精确测量了纤维编织网混凝土结构的变形和裂缝变化[16—221，等等。他们准备用7年左右的时间，完成纤维编织网混凝土理论和实验的研究，并最终推向实际应用。纤维编织网增强混凝土的研究可以分为4个层面：第一个层面就是TRC基体，即高性能精细混凝土的研究第二个层面是纤维编织网和水泥基体的黏结性能的研究第三个层面是纤维编织网增强高性能精细混凝土构件，如板、梁的力学性能研究；最后一个层面是纤维编织网增强高性能精细混凝土构件组成的复杂结构形式f如壳，大跨度的拱等)的力学性能以及组合方法的研究。1．3．1高性能精细混凝土的研究研究的目的主要是找到一种适合纤维编织网的基体，由于纤维编织网网格尺寸小，要求混凝土基体粗骨料的最大粒径较小；TRC试件较薄，且立体浇注，某些装饰性构件，形状特别，如曲线型，且这种构件，对表面的高求很高，振捣不能满足要求。此外因为纤维强度高，TRC构件的变形较大，为充分利用纤维的高抗拉强度和减小构件的变形，应对TRC结构施加预应力，振捣可能导致预应力加载设备的松垮阻致预应力难以顺利施加，总之为保证混凝士充分渗透过纤维编织网，与其形成的良好黏结，避免孔穴，形成良好的表面，减少施工的难度，要求基体混凝土具有高流动性且不离析的自密实能力。另外，基体不能对纤维编织网，尤其是玻璃纤维编织网构成化学损害。为达到以上目的，骨料的最大粒径一般小于2ma,有的基体骨料最大粒径甚至只有1．2ram[23．241，为提高基体的流动能力一般要向混凝土基体添加粉煤灰，然而粉煤灰会降低基体的早期强度，这不利于预应力的施加。硅粉可以提高基体的早期强度，因此TRC基体一般采用粉煤灰和硅粉双掺的方式。TRC基体的胶体含量比较大，胶砂比在1：0．3～1：2左右。为保证基体具有自密实能力和较高的强度，必须合理地控制基体的水胶比，水胶比太小，流动性较差，水胶比太大，强度较低，一般的水胶比在0．32—0．5以内[25．261。碳纤维的化学性能非常稳定，但是价格昂贵。玻璃纤维则便宜许多，但是即便是抗碱玻璃纤维也能和普通硅酸盐中的游离碱反应，使纤维脆化，导致玻璃纤维增强混凝土(GlassReinforcedConcrete，简称GFRC的抗拉和弯拉强度大幅度降低。玻璃纤维在GFRC中力学性能的退化，目前国际上主要有以下三种不同观点：．7． (1)化学侵蚀[271：水泥水化产生的游离碱对玻璃纤维进行化学侵蚀，导致纤维本身抗拉强度与变形能力下降。(2)微结构变化机制【2卧由于水泥水化生成的Ca(Or02在纤维原丝的孔隙中沉积与结晶，使纤维原丝孔隙中的水泥微结构越来越密实，增加了纤维与水泥基材的黏结，从而使纤维丝失去了原先的柔顺性而变得“僵硬化”。在GFRC受拉或受弯时，玻璃纤维脆断。(3)应力侵蚀机制【29．30】：纤维在生产和制造过程中，在纤维表面产生了缺陷，且部分已进入亚临界扩展状态，Ca(OHh在这些缺陷中集结，加剧了其表面缺陷的扩展。玻璃纤维在混凝土中随时间增长性能劣化，可能是以上三种因素共同作用的结果，而不仅仅是某一种或某两种因素作用的结果。不管玻璃纤维在混凝士长期性能劣化的原因是什么，解决GFRC的耐久性问题，一般从两个方面入手：第一改进玻璃纤维的耐碱性，包括向玻璃内添加耐腐蚀的Zr02以及在玻璃表面涂层；第二降低混凝土基体的碱性，包括采用低碱的硫铝酸盐水泥，和向混凝土内添加聚合物或火山灰。目前，学者们一致认为进一步增进含锆抗碱玻纤的耐碱力是有限的，为提高GFRC的长期性能，必须从水泥基体着手，设法同时降低水泥基材液相的碱度并最大限度的减小水化产物中的CafoHh含量[31．33]。为检验GFRC的耐久性，除了使GFRC试件在不同气候环境中进行长期暴露并定期检测其强度和韧性的变化外，国内外学者普遍采用加速老化的试验，根据GFRC在高温、高湿环境下的抗弯或抗拉强度变化的规律，应用Arrhenius方程推测GFRC在实际气候环境中的强度变化并从而判断其长久性能。加速老化法可采用Litherland等提出的SIC试验法【27】，也可采用抗碱玻纤无黏纱制成的GFRC抗弯试件[34】。SIC为Strand．In—Cement的缩写，意即埋设在水泥浆中的玻璃纤维原纱。该法的原理为模拟GFRC中短切玻璃纤维束与水泥基材的黏结状况，将试件放在高温高湿的环境中(例如800c中抗碱玻璃纤维原纱的水中)，经历一定时间后测定试件的抗拉强度。通过对试验结果的处理，得到一归一化的Arrhenius曲线，就此求出GFRC在这一温度下加速老化时间与全年平均温度为某一值的某一地区的自然老化时间之间的关系。上个世纪80年代中期，陈尚【35]等人采用SIC方法直接测定了水泥介质中的玻璃纤维的强度，并建立了其和长期强度的预测结果的关系，即GFRC试件在800c恒温水浴中放置1天相对于在北京的大气环境中暴露4．2年。一般的混凝土建筑物设计寿命为．8． 大连理工大学博士学位论文50年。于是如果把GFRC试件在800c恒温水浴中放置12天，就可以知道其50年后的强度保留率。陈惠苏、孙伟和张亚梅等人以60％掺量的粉煤灰取代硅酸盐水泥配制成的GFRC试件，经老化实验验证了50年以后的强度保留率仍有85％以上，为解决了GFRC的耐久J性问题带来了曙光[31．321。1．3．2高·I生能精细混凝土与纤维编织网黏缔陛能的研究由于纤维编织网本身由经纬两向纤维束组成，每个纤维束都是由很多纤维丝组成，因此纤维编织网是一个各项异性的复合体，埋入混凝土中的纤维束的横截面的形状不能确定，面积也不能准确测量，单束纤维由于内部纤维造成的孔隙不能完全融入水泥中，因此纤维编织网和混凝土的黏结问题比钢筋混凝土复杂得多。纤维编织网和混凝土的黏结可以分为3种『361：n1老混凝土和纤维编织网的黏结；(21纤维丝之间的黏结；(31混凝士和纤维丝之间的黏结。一第一种研究的是对已建混凝土结构的补强和加固，对埋入混凝土中，作加强筋材的纤维编织网，我们关心的是后两种。纤维编织网有很多编织方法，不同的编织方法对纤维编织网和混凝土的黏结性能的影响很不一致[12】，如图1．1所示。然而对平织的纤维编织网，H．．WReinhardt教授的研究表IjJ][371：纬向纤维束并没有发挥出想象的作用，因此，对纤维编织网和混凝土黏结性能的研究可以集中于经向纤维束和混凝土的黏结性能上。每种纤维编织网的纤维束由许多纤维粗纱组成，埋入混凝土中后，因为混凝土不能完全浸入纤维束内部，只有最外面的纤维粗纱能和混凝土形成较好黏结并通过摩擦传力于里面粗纱。由于在制造和施工中，部分粗纱受到了损害，其抗拉强度大为降低。埋入混凝土中受力后，这部分粗纱将提前断裂，卸载部分将由余下的粗纱承担。这加快了余下的粗纱的破坏。这样埋入混凝土中的纤维编织网受力后，粗纱实际上是一批批的逐渐断裂下去。这降低了纤维粗纱的协同受力能力，于是纤维束的抗拉能力也降低了。然而对不同的基体和不同的纤维束，这种断裂的发展进程不一样。文献『38】的研究表明：黏结质量方程次数越高(外部粗纱和内部粗纱与基体的黏结质量不同，以粗纱到纤维束表面的距离比为自变量，以黏结质量为因变量所建立的函数，称为黏结质量方程，两个边界条件是当X=I时，Y=o；当X=0时，Y=I)，纤维丝的抗拉强度越大，从基体边缘到内部微裂缝发生之处的自由长度越大，激活应变越大(纤维束被埋入混凝土中时，不能完全伸直，受拉后，从基体边缘到内部微裂缝的发生之处，纤维束已经和基体脱黏，因此这部分纤维束在拉断以前一定会伸直，把对应这部分变形的应变称为激活应 变，activationstrain)，纤维越不容易断裂，协同受力能力越好。但是每种因素的影响力不同，纤维丝的抗拉强度的影响力大，而激活应变影响力就小。以上这些因素对纤维束从混凝土中拔出的力学行为(拉拔力峰值和拉拔荷载位移曲线)也有影响，但这神影响并不和对纤维束断裂的发展进程的影响一致。无论如何，不经处理，把纤维编织网直接埋入混凝土中，都不合适。徐世娘对素碳纤维束、玻璃纤维束、芳族聚酸胺纤维柬和环氧浸渍的碳纤维束、玻璃纤维束、芳族聚酸胺纤维束与高性能精细混凝土的黏结试验表明：在纤维束埋入混凝土中以前，对其进行环氧树腊浸渍能提高它们和混凝土的黏结性能f23—24】。环氧树脂的渗透性是水泥基体不能比肩的，它能渗透到纤维束内部，粗纱之间，凝固以后，将把粗纱结成一体，大大提高了其协同受力的能力。经树脂浸渍后的纤维束可看作一个整体，而不必再考虑粗纱之间以及粗纱和混凝土之间的黏结。下图为碳纤维编织网经树脂浸渍后的电境扫描图。图1．3环氧树脂浸渍碳纤维编织网详1磊[23．241Fi91．3：Detailofanepoxyimpregnatedcarbontextile纤维编织网经树脂浸渍后，对其施加预应力能进一步提高摩擦黏结强度和刚度。而摩擦黏结强度的提高归因于预应力增大了内部纤维的接触区域【23．241。黏结本构模型是对黏结性能的精确描述，而利用本构模型对纤维束在混凝土中的拉拔现象进行分析，不仅可以帮助理解脱黏破坏的本质，而且经与实验结果对比，能鉴定黏结参数和本构模型的正确性。徐世娘教授利用零宽度的黏结单元和4线性双平行线的黏结本构模型对他的试验结果进行了有限单元法的数值模拟，结果与试验非常吻合。这证明了4线性双平行线的黏结本构模型能够反应纤维编织网和精细混凝土的黏结性能。此后H．-W．Reinhardt和M．Krtlger改进了钢筋混凝土结构的黏结～滑移关系，使其适应 大连理工大学博士学位论文纤维编织网增强混凝土结构，并利用改进后的本构关系，用有限单元法计算了4点加载单向板的内力分布，结果与试验很吻合[391。1．3．3纤维编织网增强混凝土结构力学。陛能的研究作为建筑承重构件，为了充分利用纤维编织网和节省混凝土并减轻构件自重，适合于TRC构件的断面形式有薄板、T形梁、箱形梁、u形梁和双工字梁。因纤维不腐蚀，混凝土保护层仅需满足黏结需要，再加上纤维编织网本身很薄，利用纤维编织网增强混凝土制作的薄板必然轻质高强。通过组合许多简单的预制轻质TRC薄板可以构成大跨度拱、壳和穹顶等许多复杂的结构，此外TRC薄板还可单独作承载构件(比如楼板，屋面板)，装饰构件(比如顶棚，桌面和内外强板)和免拆卸模板。在TRC模板上浇注混凝土，待混凝土硬化后，不必拆卸下来，使用过程中和内部本体混凝土一起受力。因此研究TRC单向薄板的力学性能是研究其他形式构件和整体结构的基础。为充分利用纤维的高抗拉强度，提高TRC板的开裂荷载以及减小TRC板的挠度，应对TRC薄板施加预应力。H．一W．Reinhardt对厚度为10mill，长宽均为1000衄，玻璃纤维和碳纤维两种编织网增强混凝土薄板进行了单调加载和反复加载试验，其中纤维编织网被铺设于板的中面，即5眦高度处，用先涨法对部分薄板施加了预应力"结果表明预应力能明显提高玻璃纤维编织网增强混凝土薄板的极限承载力并减小变形，而对碳纤维编织网增强混凝土薄板，预应力的影响取决于碳纤维编织网在埋入混凝土前是否进行了环氧树脂涂层，如果进行了环氧树脂涂层，那么预应力能明显提高其极限承载力并减小变形，否则，预应力反而会降低碳纤维编织网增强混凝土薄板极限承载力，结构的变形也会增大。这主要是由于没有在碳纤维编织网表面涂环氧树脂导致其和混凝土的黏结较差，在释放预应力的时候，预应力使碳纤维编织网和混凝土发生脱黏『111。ManfredCurbach对高宽均为140龇，四周壁厚均为20砌，长600衄的玻璃纤维编织网增强混凝土箱形梁进行了四点弯曲试验，并和相同尺寸的短切玻璃纤维增强混凝土箱形梁和素混凝土箱形梁进行了对比，结果表明，玻璃纤维编织网增强混凝土箱形梁的极限承载力和最大变形分别是短切玻璃纤维增强混凝土箱形梁的1．6倍和5倍。如果考虑到纤维编织网增强混凝土箱形梁的纤维含量(0．72％)仅仅是短切玻璃纤维增强混凝土箱形梁的纤维含量(3％)的24％，这一增强效率更为惊人。素混凝土箱形梁的极限荷载和变形最小，分别为10．2KN和0．2帆【4JDl。ManfredCurbach的试验证实了纤维编织网对混凝土的增强效率要远远大于短切纤维。 l绪论1．4本文的主要研究内容对纤维编织网增强混凝土的研究，国内目前还没有，国际上I孙JN[J起步。本文作为国家自然科学基金的重点资助课题(50438m0)，主要进行了以下方面的工作：(11开发出一种能够和纤维编织网结合的混凝土基体一高性能精细混凝土。首先以自密实混凝土的试验为标准，调整基体的配比，优化开发出一种工作性能最好的符合自密实要求的基体，并对其进行了力学性能，主要是强度，弹性模量以断裂特性及收缩性能的检验。(2)采用GFRC试件的加速老化试验方法检验上一步所开发出的基体对耐碱玻璃纤维的腐蚀程度。(3)测定了本试验所采用纤维编织网的力学性能，比如抗拉强度，弹性模量和极限应变等。(4)利用4线性双平行线的黏结本构模型对纤维粗纱从混凝土基体拔出的现象进行了解析分析，不仅得到了拔出力和加载点位移之间的关系曲线，而且得到了拉拔力作用下，纤维粗纱上各点的剪应力、滑移和拉力的响应方程，为印证黏结参数，分析拉拔力作用下的结构相应，提供了一种方法。(5)通过纤维束从精细混凝土中的拔出试验，探讨了提高纤维编织网和精细混凝土的黏结性能的方法。(D对纤维编织网增强混凝土单向薄板进行了4点弯曲试验，考察了纤维编织网表面粘砂，提高配网率以及适当地施加和提升预应力对TRC板的裂缝、开裂荷载和极限荷载的影响。∽对纤维编织网增强混凝土矩形截面梁的抗弯能力，包括极限弯矩和开裂弯矩进行了计算分析，并给出了计算方法。(8)对纤维编织网增强混凝土T形截面梁的正截面极限承载力进行了计算分析，由于纤维材料和钢材的本构关系不同，这使得梁受压区曲线分布的压应力等效矩形化系数既是边缘压应变的函数，也和T形截面的具体形状有关。事实上，不可能对每种T形截面，对不同的边缘压应变给出相应的等效系数。而对TRC梁受压区压应力直接积分又非常复杂，不适于手算。本文对比了对梁受压区压应力直接积分计算极限承载力和对混凝土受压区的曲线压应力分布采用等效矩形化处理，即依据工截面不同的边缘压应变采用了矩形截面相同边缘压应变对应的等效系数来计算极限承载力两种计算方法，结果，表明这12， 大连理r大学博十学位论文两种方法算得的在相同配网率的情况下，梁的极限承载力、受压区高度和受压边缘应变非常接近。于是提出了一种简化的计算方法。．13． 2．纤维编织网增强高性能精细混凝十基体的开发和优化2．纤维编织网增强高性能精细混凝土基体的开发和优化摘要：纤维编织网增强混凝土(简称arc)结构是一种崭新的结构形式，其具有良好的承载能力和韧性，构件的尺寸小，重量轻，能防止器械磁化以及施工简便等许多优点。为使纤维编织网与混凝土协同工作，首先，也是最重要的是开发出一种合适的混凝土基体满足TRC结构的特殊要求，比如良好的黏结能力、高承载能力和耐久性能。因纤维编织网的网格尺寸较小，要求混凝土基体粗骨料的最大粒径较小；因为试件较薄，且为立体浇注，某些装饰性构件，对表面的高求很高，振捣不能满足要求。此外因为纤维编织网强度较高，非常适合用作预应力结构，振捣有可能导致预应力加载设各的松垮，以致预应力难以顺利施加，总之为保证混凝土充分渗透过纤维编织网，与其形成的良好黏结，避免孔穴，形成良好的表面，减少施工的难度，要求基体混凝土具有高流动性且不离析的自密实能力。又因为要施加预应力，要求基体具有早强和低收缩的特点。这种细骨料的，具有自密实和早高强能力且低收缩特性的混凝土是一种新型的高性能混凝土，即高性能精细混凝土(HighPerformanceFineConcrete)。在此，本文首先以自密实混凝土的实验方法为标准，不断调整基体配合比，优选出～种工作性能最优的混凝土，而后对其力学性能进行了的检验，并结合第三章(玻璃纤维编织网增强高性能精细混凝土的耐久性评价)的实验结果，表明：这种混凝土具有良好的工作性能、力学性能和耐久能力，适合用作TRC的基体。关键词：高性能精细混凝土；自密实混凝土；纤维编织网2．1引言向混凝土中添加纤维能提高其承载能力和控制它的开裂【41．42】。过去，纤维混凝土的研究重点主要集中于短切纤维混凝土(FRC)。因为短切纤维在混凝土中的乱向分布，使纤维的强度不能充分发挥，需要较大剂量使用，造成浪费。如果将连续的纤维粗纱沿混凝土中的应力主向布置，增强效率将会大大提高。如果同时在和主向垂直的方向布置负向纤维粗纱以定位主向纤维粗纱，那么就形成了一种稳定的增强体系。此后，人们就利用编织技术将连续纤维粗纱编制成了平面或立体的纺织物一一纤维编织网。纤维编织网的主向纤维即为经向纤维，负向纤维即为纬向纤维。常用的纤维编织网主要有碳纤维编织网和玻璃纤维编织网。碳纤维化学性能稳定，弹性模量和钢筋相当，单丝碳纤维的抗拉强度可以达到4900MPa，远高于普通的钢材，但是碳纤维的价格很高，目前，在土．14— 大连理。I：人学博士学位论文木工程中的大量使用碳纤维并不合适。玻璃纤维便宜，但弹性模量仅为钢材的]／4，抗拉强度和高强钢丝差不多。尽管已经出现了耐碱玻璃纤维，但因耐碱玻璃纤维在波特兰水泥基混凝土中仍会受到碱离子的侵蚀，其长久性能仍然难以保iJt[43—44]。目前，大幅度提高玻璃纤维的抗碱能力并不现实，应开发出一种低碱环境的混凝士基体，控制腐蚀于可接受范围内。尽管利用TRC的设想由来已久，但是其基本的性能，比如黏结性n一-[23．241、承载能力和耐久性能『25—26]等，仍然不为人们所详细了解。为使纤维编织网与混凝土协同工作，首先，也是最重要的是开发出一种合适的混凝土基体满足TRC结构的特殊要求，具体来讲，合适TRC的混凝土基体应满足：1、不会对纤维编织网，主要是玻璃纤维编织网，造成化学上的侵窖，必须控制基体的碱性。2、纤维抗拉强度很高，特别适合预应力结构，为保证预应力释放的时候，不至于破坏纤维编织网和混凝土基体的黏结，以及最大限度的减小由于混凝土收缩导致的预应力损失，要求基体具有早硬高强和低收缩的特点。3、为保证混凝土充分渗透过纤维编织网，与其形成的良好黏结，避免孔穴，形成良好的表面，减少施工的难度，要求基体混凝土具有高流动性且不离析的自密实能力。图2．1总结了对TRC基体的基本性能的要求及相应试验检验方法。图2．1高性能精细混凝土的性能Fig2．1Thepropertiesofhighperformancefineconcrete．15。 2．纤维编织网增强高性能精细混凝土基体的开发和优化2．2自密实混凝土简介从工作性能上看，高性能精细混凝土是一种自密实的混凝土。自密实混凝土(Self-CompacingConcrete，SCC)亦称高流态混凝Jz(HighlyFluidizedConcrete，Ⅲ7c1或流动性混凝土(FlowableConcrete，FC)，系指混凝土拌合物主要靠自重，不需振捣即可充满模型和包裹钢筋，属于高性能混凝土。自密实混凝土是20世纪80年代，由日本东京大学冈村教授首先提出开发的。其后，经过各国学者不断发展完善，其主要特征是：·高流动能力(F10wingability)：保证混凝土能够绕过障碍物，充分填充模型内的每一个角落。·高通过(钢筋，纤维编织网)能力(Passingability)：保证混凝土穿越钢筋间隙或纤维编织网网眼时不发生阻塞。·不离析(Resistancetosegregation)：保证混凝土质量均匀一致，既不泌水，骨料不离析。因为具有以上性能，自密实混凝土具有施工方便，无需振捣，减小噪音，对工人要求较低，易于保证混凝土的质量，优良的耐久性能和抗渗性能，尤其适用予浇筑困难，无法振捣以及配筋密集的结构。评定自密实混凝土的流变性能的方法有很多，常用的方法有测混凝土的坍落度和坍落流动度，即测试混凝土拌合物的坍落高度和扩展直径，以及用坍落度筒测试拌和物流出时间。但是这些方法无法反映混凝土实际应用的情况，如通过钢筋的能力以及填充模板空间的能力。后来人们又根据各自的研究情况，开发了一些新的测试方法，如L型仪、u型槽、和V型漏斗、Orinaet仪、GMT筛析和填充箱等等。表2．2总结了测定自密实混凝土工作性能的试验方法与检验自密实混凝土工作性能的典型值范围。然而事实上，由于采用了不同的混凝土组成材料，使用了不同的试验设备，而且混凝土自密实能力的试验本身就具有不可重复性[451，因此不同专家建议的测定混凝土白密实能力试验方法和评价标准并不一致，有些相差还比较大【46．51】。测定混凝土自密实能力试验所采用的设备，其尺寸有些是要根据骨料的最大粒径调整的，如表2．2所示。由于自密实混凝土具有3种特性，而每一种试验方法仅仅能反应其中的一两种特性，因此对混凝土自密实能力的检测往往需要进行～系列试验。本章对TRC基体自密实能力的检验采用了自密实混凝土的坍落度与坍落流动度、v型漏斗和u型槽的实验方法，并根据试验混凝土骨料最大粒径较小的情况，对u型槽进行了等比例缩小(其实是提高了试验标准)。在试验基础上，不断调整基体配合比，筛选出一16 大连理：【：大学博七学位论文一种工作性能最优的混凝土，而后对其力学性能进行了的检验。配合第三章(玻璃纤维编织网增强高性能精细混凝土的耐久性评价)的试验结果，表明：这种混凝土具有良好的工作、力学和耐久性能，适合作TRC的基体。表2．2自密实混凝士工作性试验方法与典型值范围[40Table2．2ThetestsforworkabilityofSCCandrationalrangeofcharacteristicvalue1坍落流填充能力衄650动度2坍落流填充能力S2动度T50试验3J形环试通过钢筋间衄0验隙能力4V型漏填充能力S8斗试验5V型漏斗抗离析能力S0T5曲试验6L形箱试通过钢筋间(h2／h1)0．8验隙能力唧／咖7u形箱通过钢筋间012m1)0试验隙能力衄／Im8填充箱通过钢筋间％90试验隙能力9GMT筛抗离析能力％0析稳定性试验10Orimet填充能力S0口下料试验800不需要调整5不需要调整试验室／现场试验室，现场10调整试验室12最大16咖+3最大16ffffll1．0调整30调整100调整试验室，现场试验室／现场试验室15不需调整试验室／现场5最大16tnm试验室／现场注1)坍落流动度1岛试验是指从坍落度捅提起到混凝土扩展到直径为50aIl的圆时，所用时间。注2)V型漏斗Bm试验是指：悔混凝土静置于V形漏斗5分钟后，卸空漏斗所需时间。．17． 2．纤维编织网增强高性能精细混凝土基体的开发和优化2．3自密实能力试验2．3．1原材料砂：为保证基体顺利通过纤维编织网，要求采用细骨料的混凝土。在此，选定基体骨料最大粒径为1．2mln。为确保骨料级配均匀连续，选择了粒径O一0．6mm和0．6_1．2ram的两种砂，且后者的重量是前者的两倍。胶凝材料：为提高混凝土的强度和早期强度，采用了52．5R硅酸盐水泥和硅灰。自密实混凝土的配制，最主要是要控制好“高流动性”和“高稳定性”之间的平衡。为提高流动性，掺加了超细粉煤灰[521。然而粉煤灰将降低早期强度，硅粉能够提高基体的早期强度，但是将会增加基体的塑性黏度，不利于基体的渗透流动能力。按照文献[531，硅灰掺量5％，粉煤灰掺量30％一40％时，基体流动陛、旱强能力和干缩性能均能达到最优。本文以此为基础，调查了六种胶体配比的基体的工作性。细节如表2．3：表2．3基体的变量Table2．3Thevaiiableofmatrices参数实验材料变量值水胶比60．28，O．30，0．32，0．35，0．40，0．42水泥／粉煤灰／硅灰570：25：5；65：30：5；60：35：5；55：40：5；480：154：41超塑剂(％胶体含量)60，1，2，2．5，3，3．52．3．2自密实能力试验过程按照自密实混凝土的试验要求，进行了坍落度、坍落流动度(扩展度)、流动速率和渗透能力的检验。所有的试验都是按次序进行，在本类试验中不能达到自密实要求的配比将不会在下一类试验中进行。2．3．2．1坍落流动度试验钢板．1000咖×坍落度简仓⋯幽如一图2．1坍落流动度的试验装置Fizure2．1Slump-flowtestarrangement．18， 大连理工大学博士学位论文试验采用圆锥型桶(具体尺寸见表2_3)。将圆锥桶润湿后平放于钢板中心，然后浇注混凝土至桶顶，抹平。当把桶提起的时候，混凝土自然坍落，测量混凝土的坍落高度h和在板平面内的两个互为垂直方向的扩展直径d，，如。2．3．2．2V型漏斗测量流出时间把一V形漏斗至于水平位置，在底面出口处插入玻璃薄板，待混凝土浇注至漏斗顶面抹平后，拔出玻璃薄板，让混凝土自然流落，待混凝土连续流动停止之时，记录流出时间。表2．4试验设备Table2．4EquipmentsoftestsI．10qⅡIP弋一、／，叮／IA／1■／J30an(110)l卜—r]EwL．LItm／胆ill-’7恒设备尺寸Il130lI＼I厂、I、K～一锄0∞高ll⋯1I州“测量值扩展直径dl，d2流出时间t填充第二个箱内的高度垃换算值F=(dlXdrd02)／d02R=lO／tL=h2／15说明验方法混凝，J、试由02一等人建议宋标准试验方、法比例缩19— 2．纤维编织网增强高性能精细混凝t基体的开发和优化2．3．2．3渗透钢筋能力试验准备一个u形玻璃容器(具体尺寸见表2．4)，在u形容器的两侧玻璃箱中间插入一不锈钢板。在U形容器的底部，两玻璃箱中间的连接处放置3排间距为10衄的钢筋(考虑到骨料的粒径较小，按照白密实混凝土的试验标准[49】，把钢筋间距按比例适当的减小，这实际上是提高了试验标准)。当把混凝土浇满一个玻璃箱之时，立即拔出中间挡板，基体将通过连接处流入另一玻璃箱。为此，基体必须成功通过钢筋。当流动停止时，测量混凝土在另一箱达到的高度h2并记录。表2-5：基体OFF的配比组成Table2．5：ThecompositionofbasicmixtureOPT表2．6：基体OFF的流变性Table2．6ThefluiditypropertiesofthebasicmixtureOFFh(cm)26．5>25——出(锄)72．560cm-72cinr12．Q58-】2f(seo)Rok(锄)工7s1．4314．3cm0．95O．8．1．2O．738．20 大连理工大学博士学位论文2．3．2．4渗透纤维编织网能力试验考虑到自密实混凝土的试验方法的局限性，为准确考察基体和纤维编织网的黏结情况，在一玻璃模具中放入一层或几层纤维编织网，然后浇注混凝土，待其硬化后，据开试块，观察空洞和破坏。2．3．3试验结果和讨论流变性最好的基体为OPT(optimization)，配合比和流变性分别列于表2．5和表2．6。由表2．6可以看到，混凝土的坍落流动度指标12．05，略高于自密实混凝土的要求，但是基体的流出V型容器的时间为7s，流出比率为1．43，超出了自密实混凝土的要求，这说明OPT比普通自密实混凝土流得更快。L=0．95说明拌和物的透过钢筋的填充能力非常强。2．4基体OPT力学性能试验2．4．1强度、弹性模量和收缩试验精细混凝土是一种新材料，基本的力学性能不为人所知。精细混凝土的最大骨料粒径不过1．2姗，所以在测量其弯曲、弹模的时候采用了砂浆试件的试验标准，即试件的尺寸为40111111×40咖×160111111。为利用现有模具，对抗压强度采用了IOOXl00×100iRnl的试验标准。所有试块均为200C水养。纤维材料一般具有较高的抗拉强度，而TRC结构的变形较大。为充分利用纤维编织网较高的抗拉强度，减小TRC构件的变形，要对TRC结构旌加预应力。为减小预应力的损失，应减小混凝土的收缩变形，因此在这部分，我们对基体OPT的收缩性能进行了调查，试件的尺寸为40minx40rmx160inln，试块浇筑后置于200c和65％r．h环境中养护。幽辖605040302010O⋯一⋯．一⋯．一一一．．一一271428养护天数(d)图2．2基体OPT的抗压强度Fi醇．2CompressivestrengthofOPT。21l71428养护天数(d)图2-3基体OPT的弯曲强度Fi92．3FlexumlstrengthofOPT厂98765432lO一罡专越喂署种言∞苫一巡黑 2．纤维编织网增强高性能精细混凝土基体的开发和优化34000盘32000墅。oooo州蕃28000271428养护天数(d)图2．4基体OPT的弹性模量Fi92．4Young’SModulusofOPT271428养护天数(d)图2．5基体OPT的收缩Fi92．5ShrinkageofOPT2．4‘2断裂试验为进行混凝土的数值分析，求得其断裂力学参数是非常重要的。在此，作一个中间开口3点弯曲梁(40x40x240mm)断裂试验，开13高度为梁高的1／2。得到的试验曲线光滑平缓，如图2．7，其断裂参数(断裂能、断裂韧性)可通过试验曲线计算得到，结果如表2．7。00．020．030．050．080．1015020．25位移Displacement(ram)图2．6荷载一位移曲线FiE．2．6LoadVSdisolacement22．765432lO0O目／1目螂持掣O0O0柏加∞柏加暑vp琶01柩糖 大连理工大学博士学位论文表2．70PT的28d力学特性Table2．7ThemechanismpropertiesofOPTat28days力学特性养护环境结果单位弯曲强度弹性模量收缩断裂能G≥N／m断裂韧性KicN／ram3／2200c，水中200c和65％r．h200(2，水中7．8322000．64019MPaⅣ口amrn／mN／mN／II"LITl3／22．5小结TRC结构是一种崭新的结构形式，其具有良好的承载能力和韧性，构件尺寸小，重量轻，防止器械磁化以及简化施工等等。纤维编织网已经生产出来，配制出一种适合纤维编织网的混凝土基体是TRC应用的前提。本章所配制的混凝土OPT能满足TRC的基体要求，比如高流动性、充分的渗透能力和早高强性。将来的研究重点应该集中在TRC的耐久性上，中心任务就是开发出低碱的胶凝系统或者具有快速碳化的能力的基体，以及测定碳化后的力学性能。．23— 3．玻璃纤维编织网增强高性能精细混凝土的耐久性评价摘要：埋入混凝土中的钢筋会因为氯离子和二氧化碳的侵入而腐蚀，造成承载能力的下降和后期维修费用的增加，利用纤维编织网增强混凝土则会一劳永逸的解决这个问题。常用的纤维编织网有碳纤维编织网和玻璃纤维编织网。碳纤维的物理化学性能稳定，不会和混凝土中的成分反应；而玻璃纤维会受到混凝土中游离碱离子的侵蚀而导致性能劣化，因此，玻璃纤维编织网增强混凝：f：(GlassTextileReinforcedconcrete,以下简称GTRC)结构的耐久性能吸引了众多的关注。目前，常用“加速老化试验”评定玻璃纤维在混凝土中的耐久性能。“加速老化试验”一般包括两种，即SIC试验法和抗碱玻纤短切纱制成的玻璃纤维混凝i(GlassFiberReinforcedConcrete，以下简称GlmC)抗弯试件，即将GFRC试块放于恒温热水中，经过设定时间后，GFRC试块的强度值即相当于将GFRC试块直接放置于某地大气环境中若干年后的强度值。本章采用GFRC抗弯试件，调查了以高性能精细混凝土OFF为基体的GFRC(以下简称0nGFRc)试件的耐久性，结果表明：经过相当于50年自然老化的“加速老化试验”后，GFRC试件的强度保留率在85％以上，这说明基体OFF对玻璃纤维的腐蚀是可以接受的。结合第二章的试验结果，表明：OFF具有良好的工作性能、力学性能和耐久能力，适合用作TRC的基体。关键词：高性能精细混凝土；玻璃纤维混凝土；纤维编织网；玻璃纤维；加速老化试验：耐久性3．1引言和乱向分布于混凝土中的短切纤维相比，因纤维编织网的粗纱能沿混凝土中的应力主向布置，纤维编织网对混凝土的增强效率大大提高。常用的纤维编织网有碳纤维编织网和玻璃纤维编织网。碳纤维物理化学性能稳定，弹性模量和钢筋相当，抗拉强度远高于普通的钢材，但价格高，大量使用不经济。玻璃纤维便宜，但弹性模量仅为钢材的1／4，抗拉强度却和高强钢丝差不多。利用玻璃纤维编织网增强混凝土，可以提高混凝土的抗拉强度，使构件的裂缝细密均匀，增大构件韧性和抗冲击性能，耐火、耐水、隔音、抗温湿变化能力强。因埋入混凝土中的玻璃纤维不会因氯离子和二氧化碳的侵入而腐蚀，混凝土保护层仅需满足黏结需要，纤维编织网本身很薄，这样制成的TRC构件必然薄壁轻质；此外，GTRC的可模性非常好，能在其表面进行艺术雕凿，可以作出非常有质感(比如仿木、仿金属和仿石等)和力感(稳、重和强的感觉，其实构件是非常轻巧的)的表面。因此，可以利用GTRC作建筑物的各种装饰部件，比如外墙挂板、屋面、顶棚和墙面，以．24． 大连理f一大学}尊七学位论文及室外广场的雕塑和桌面。利用GTRC的隔音效果，还可以制作市内轻轨两侧的隔音栅栏和室内隔音墙。一般而言，GFRC是指短切玻纤增强混凝土。实际上GTRC也是GFRC的一种，只不过是一种连续玻纤增强混凝土。无论是短切玻纤增强混凝土还是连续玻纤增强混凝土，埋入混凝土中的玻璃纤维的性能都将会逐渐劣化，造成构件承载能力下降，其在混凝土中的老化机理是一致的，因此GTRC的耐久性就是GFRC的耐久性。一般认为，硅酸盐玻璃在碱性介质中的老化是由于Si—O键被OH离子所打断，si02与Ca(On)2结合，反应生成低钙的水化硫酸钙。这种反应可以进行到全部si02被消耗殆尽而终止，因而玻璃纤维的抗拉强度随之大幅度下降，直至失去增强作用，此即所谓的游离碱对玻璃纤维进行化学的侵蚀[27,54-551。但也有人认为，由于水泥水化生成的ca(on)z在纤维原丝的孔隙中沉积与结晶[28，56—59]，尽管可使纤维原丝孔隙中的水泥微结构越来越密实，增加了纤维与水泥基材的黏结[60—61]，但却使纤维丝失去了原先的柔顺性而变得“僵硬化”。在GFRC受拉或受弯时，玻璃纤维脆断[56，621。也有人不同意这种说法，认为：纤维在生产和制造过程中，在纤维表面产生了缺陷，且部分已进入亚临界扩展状态，Ca(OHh在这些缺陷中集结，加剧了其表面缺陷的扩展，导致提前破坏f29—301。把玻璃纤维埋在混凝土中，以上三种作用都可能存在，究竟那一种是主要原因，仍然不得而知。不论原因如何，解决GFRC的耐久性问题，～般从两个方面入手：1，玻璃纤维的改进；2，混凝土基体的改进。具体方法如下：图3．1改进GFRC耐久性的某些方法Fig3．1SomewaystodevelopthedurabilityofGFRC一25— 3．玻璃纤维编织网增强高性能精细混凝十f}勺耐久性评价研究表HN[54—551：和Si．O键相比，Zr-O键更加稳定，不容易被OH-离子所打断。因此高氧化锫(Zr021含量的玻璃纤维能耐碱腐蚀。但是生产高百分比氧化锆玻璃纤维(即耐碱玻璃纤维，alkaliresistantglassfiber，简称AR玻纤)需要很高的能量以熔化Zr02，这无疑增加了生产难度和成本。有文献研究表明：即便是Zr02含量较高的AR玻璃纤维，其在硅酸盐水泥基的混凝土中的长久性能，仍然不能得到保it[351。这极大地限制了GFRC在建筑承重构件中的应用。目前，大幅度地提高玻璃纤维的抗碱能力不现实，应开发出一种低碱环境的混凝土基体，控制腐蚀于可接受范围内。为控制基体的碱陛，可采用低碱的硫铝酸盐水泥。然而硫铝酸盐水泥昂贵且不易得，一个现实的办法是向混凝土中添加活性灰材料(比如粉煤灰和硅粉)，部分的取代硅酸盐水泥，作胶凝材料。1997年张亚梅、孙伟和陈惠苏等人，采用高掺量粉煤灰混凝土为基体，得到了较好耐久性能的GFRC[31．32,63]，而后曹巨辉、汪宏涛和蒲心诚等人也进行了相似的研究，得到了相似的结论f641。本章以此为基础，采用GFRC的“加速老化试验”调查了OPT基体对玻璃纤维的腐蚀程度，并与没有掺加粉煤灰和硅粉的基体(oPT的粉煤灰和硅粉被水泥等量取代1GFRC作对比，结果表明：掺加了25％粉煤灰和5％硅粉的GFRC经过相当于50年自然老化的“加速老化试验”后，GFRC试件的强度保留率最少也在85％以上，而纯硅酸盐水泥GFRC试件的强度都不同程度地出现下降，其中最大下降幅度超过了50％，这说明经过掺加粉煤灰和硅粉的基体OPT对玻璃纤维的腐蚀是可以接受的。结合第二章(高性能精细混凝土的工作性能和力学性能的试验研究)的实验结果，表明：这种混凝土具有良好的工作性能、力学性能和耐久能力，适合用作TRC的基体。3．2加速老化试验简介3．2．1加速老化试验的来历和原理从六十年代开始，人们对玻璃纤维的耐碱性进行了大量研究。当时主要采用化学的方法测定玻璃和玻璃纤维与碱液之间的反应程度，比如失重试验、化学萃取以及使用显微镜直接观察纤维腐蚀前后直径变化等等。这些方法虽然都能不同程度地反映玻璃纤维的耐碱性，但是它们和玻璃纤维在水泥基混凝土中的实际情况还有差距，即无法找到一种溶液的浓度和侵蚀时的温度和时间能与GFRC几年以至更长时间老化后的反应程度相当。八十年代初，英国的K．LLitherland[27]等人提出了一种新的测量GFRC耐久性的方法，即对埋置在水泥基材中的玻纤原丝进行“加速老化试验”，通过直接测定玻纤原．26． 大连理T大学博士学位论文丝的抗拉强度在“加速老化试验”前后的变化，求得玻纤在水泥基体中的耐久性能。这种试验被称为水泥中的纤维原丝(Strand—in—Cement)试验，简称SIC试验。所谓“加速老化试验”，其基本概念是指高温(例如800C)T，材料的强度损失可用于估计在较长时间内出现的较低温度(例如200C)下的强度损失；而其理论依据是AR玻纤在水泥介质中仍要受到化学的侵蚀，这个化学侵蚀的速率与加速老化的温度(一般在200C到800c的常用温度范围内1有密切的关系，且这种关系符合Arrhenius关系，即玻璃纤维到达其经水泥腐蚀后的某一残余强度的时间的对数与玻璃纤维所处的温度的倒数成正比，即时间和温度有等效性。如果已知温度和时间的Arrhenius等效关系，可以推得任何在常用温度范围内的某一温度下，玻璃纤维到达其经水泥腐蚀后的某一残余强度所需的时间。由等效关系曲线可知温度越高，需要的时间越少。于是，玻璃纤维在较长时间内出现的较低温度(例如200C)下的强度损失可以用高温(例如800c)T，材料的强度损失预估。3．2．2SIc试验简介SIC试验是“加速老化试验”的一种，因SIC试验是直接测定在水泥介质中的玻璃纤维原丝的强度，它包括了GFRC材料的物理和化学条件，可以真实地反映实际的情况。其基本方法是取一束玻璃纤维原丝，将它的中段埋入水泥试块中，在玻璃纤维外露的两端均匀地涂上树脂加以保护，并使玻璃纤维上的树脂涂层深入到水泥试块中～小段，以便保护玻璃纤维原丝不致于受到水泥块剪切力的破坏。另外，在水泥试块的两端还埋入两个塑性环，以防止树脂深层与水泥间的黏结，具体尺寸如图3．2所示：1蚴×1∞×3锄R＼刁—一塑性环玻纤原丝浸树脂段IN玻纤原丝浸树脂段2an玻纤原丝未浸树脂段长度图3．2SIC试件的示意图Fig3．2ThemapoftheexhibitionofSICspecimen．27— 3．玻璃纤维编织网增强高性能精细混凝土的耐久性评价制成的试块经过一段时间的养护，然后放入不同温度的水中老化，经过设定时间后取出直接测定玻璃纤维粗沙的断裂荷载，并与老化试验前的断裂荷载比较，就可知玻璃纤维的裂化程度。文献【35】通过SIC试验，得到了AR玻纤在北京气候下的时间和温度的等效性的Arrhenius曲线，并由此推得AR玻纤“加速老化试验”的时间与北京地区年平均气温leOc时自然老化时间的关系，见表3．1表3．1耐碱玻璃纤维加速老化试验时间与北京地区自然老化时间的关系[35】Table3．1TherelationshipbetweenacceleratedageingtesttimeofGFRCinlabandnormalageingtimeofGlRCinB蝴ing条件相当于北京地区自然老化时间在800c的水中1天1530天，约4．2年在600C的水中1天270天，约9个月在500C的水中1天85天，约3个月一般建筑物的设计寿命为50年，由表3．1的对应关系，只要我们将GFRC试件放入800c恒温水中12天，或500c的水中215天，GFRC所剩余的强度将和其50年以后的相当。然而SIC试验的相对复杂，其中玻璃纤维原丝强度的测定不易操作。GFRC的抗拉强度或者抗弯强度主要来自于玻璃纤维的贡献，如果玻璃纤维遭到了侵蚀，GFRC的强度就会下降。因此，通过测量GFRC的抗拉强度或者抗弯强度在“加速老化试验”前后变化，就可以推知玻璃纤维在混凝土内的腐蚀情况。测量GFRC的抗拉强度或者抗弯强度比直接测量玻璃纤维粗纱的强度容易许多，其中GFRC的抗弯强度的测量比其抗拉强度的测量还要容易。因此，本章，通过测量以高性能精细混凝土OPT为基体的GFRC试件在“加速老化试验”前后抗弯强度的变化，推测OPT对玻璃纤维耐久性能的影响。3-3试验材料、设备及过程3．3．1原材料玻璃纤维：耐碱玻璃纤维短切纱，其性能见表3．2。水泥：采用标号为52．5的普通硅酸盐水泥。粉煤灰：原状灰比表面积2400aIlZ／g，其性能见表3．3。．28． 大连理工大学博士学位论文硅粉：原状灰比表面积约20000Ⅱr佗。砂：选择了粒径0-0．6mm和0．6．1．2mm的两种砂，且后者的重量是前者的两倍。表3．2玻璃纤维短切纱的特性Table3．2PropertiesofARFiberglassChoppedStrand表3．3粉煤灰化学和物理性能Table3．3Thechemicalandphysicalpropeni船offlyashIndexresult45．pm筛余需水量烧失量含水量S03含量5．2％90％2．05％O．25％1．5％表3A原材料的化学成分Table3．4ChemicalIngredientofrawandprocessedmaterials表3．5实验基体配合比TaMe3．5Mixtureratioofexperimentalmatrices编配合E匕／k∥m2水胶比号琢汀]两瓯1孩]丽面面F]丽面函酉■『飞琢打1”472168354609202623．250．428675一·4609202623．250．4注1)其中18即为OPT．29． 3．玻璃纤维编织网增强裔性能精细混凝十的耐久性评价试验包括3种试件：A，基体采用1”(OPT)，纤维含量1％；B，基体采用2”，纤维含量l％；C，基体采用1”(OFT)，纤维含量0。3_3-2恒温系统恒温系统按照“ASTM／C1560-03”【65】设计。如图3．3所示。这一匾温系统主要包括：数字调控仪、温度传感器、加热棒和数字调控仪指示交流开关。其中温度可以通过数字调控仪设定，数字调控仪具有屏幕，由温度传感器测得的温度值能直接显示在数字调控仪的屏幕上。把温度传感器放入盛满蒸馏水的容器中。容器能绝热，避免内外热交换，比如采用塑料容器。通电后，用加热棒给容器内的水加热，水温上升。温度传感器把水温信息传给数字调控仪。当水温超过设定温度2℃，数字调控仪指示交流开关切断电源，于是温度下降。相反，当水温下降低于设定温度20c，数字调控仪指示交流开关接通电路，于是加热棒开始工作，温度上升。这样试件就一直处在水温在“设定温度±20c”的温水浴中。待水温稳定以后，将GFRC试件放入其中，每块试件的距离至少应在25衄以上。为避免容器中水蒸发流失，GFRC试件放入容器中后，应将容器密封。3．3．3实验过程图3．3加热系统Fig3．3Thesystemofthermostat玻璃纤维增强OPT的搅拌过程如图3．1。由于混凝土为细骨料，试件采用砂浆试件标准40mix40Imn×16011Ⅱ11，玻璃纤维掺量为1％。所有抗折强实验均采用3点弯曲。试件浇注完毕后，放于室内静置一’天后，拆模。而后放试件于室内水中。待28d后，取．30， 大连理jj大学博士学位论文出一部分放于在800C恒温水浴中放置3d、6d、9d和12d，另一部分放于500c恒温水浴3d、7d、28d和56d。图3．4GFRC的制备流程Fig3．4PreparationtechnologyflowdiagramoftheGFRC3．4实验结果和讨论3．4．180。C热水加速老化试验结果800C热水加速老化时，粉煤灰和硅粉对GFRC强度的影响见图3．5。—-_A—扣B036912老化时间(Ageingtime)／d图3．5800C老化试验曲线Fi够．5111eageingcurveof80。C从图中可以看出，B种纯硅酸盐水泥的GFRC试件的强度，在800c热水加速老化试验的开始，就出现了下降。此后，这种下降趋势一直保持到实验的最后，在第12天，即相当于第50年的时候，其强度保留率不足50％。这说明仅用耐碱玻璃纤维与普通硅酸盐．31．208642O醇—n毫＼一￡p∞LIm“p∞召莹答_【邑越嘿钟蟮 3．玻璃纤维编织网增强高性能精细混凝F的耐久性评价水泥生产GFRC的技术路线是不行的。A种以OPT为基体的GFRC试件，在800c热水加速老化试验的开始，其强度出现了上升，而后在第12天，即相当于第50年的时候，才出现了下降，但仍然保持了85％的强度(和加速老化试验前的强度比)。这说明粉煤灰和硅粉是有利于GFRC的长久性能的，这是因为碱性水化的硅酸盐水泥被粉煤灰和硅粉代替，基体的碱性降低，减轻了对玻璃纤维的腐蚀，其大部分强度得到了保留。3．4．2500C热水加速老化试验结果500c热水加速老化时，粉煤灰和硅粉对GFRC强度的影响见图3．6。从图3．6中可以看出，在加速老化的前7d，两种试件A和B的强度都保持增长，其中试件A增长较大。7d后，试件B的抗弯强度出现了下降，到第56天，其强度已经下降为“加速老化试验”前的水平。与此相反，试件A的强度在加速老化试验过程中，强度一直增长，7d后，其增长的趋势不过略缓。尽管试验仅仅做到56d，即相当于试件直接暴露于北京大气13年左右，然而仍然从800C热水加速老化试验结果和图3．6中可以看出，试件B的强度在56d仍将继续下降。这再一次说明了由于基体OPT中含有大量的粉煤灰和硅粉，其对玻璃纤维的碱性腐蚀大为降低。曲线C为不掺玻纤的基体OPT强度在“加速老化试验”过程中的发展规律。对比A和c，可以看出，在整个“加速老化试验”过程中，GFRC试件的强度明显比其基体的高。这说明在500c热水加速老化的后期，玻璃纤维腐蚀有限，其仍对混凝土的抗弯强度贡献很大。·◆-A——卜B——扣C07142l2835424956图3．6500C老化试验曲线Fi93．6Theageingcurveof50"C．32．642O86420_B鱼＼jp∞口∞hp∞京鲁X9_[邑雠暇舯辖 大连理工大学蹲十学位论文3．4．3OPT对玻璃纤维腐蚀机理分析如前所述，GFRC长久性能裂化的原因可以归结为物理和化学两方面原因。无论哪一种都是由于水泥的碱性过高造成的。由于粉煤灰和硅粉等滑阻渗合料中包含了大量的sich，而Si02能和ca(OH)2反应生成C．S．H凝胶，反应方程式如下：Ca(OH)2+Si02+rlH20～CaOSi02+nI-120因此，OPT利用粉煤灰和硅粉取代水泥，不仅减小了硅酸盐水泥的用量，而且会与水泥水化产生的Ca(OH)2发生二次反应，进一步消耗了Ca(OH)2的量，从而降低了基体游离碱的数量，以至于无法达到和玻璃纤维组分发生反应的活化能，因而玻璃纤维得到了保护。C-S—H凝胶还可以改善基体和玻璃纤维的界面黏缔隋况，提高GFRC的力学性n。。．[66—67]。3．4．4加速老化试验前后OPT—GFRC的SEM分析为验证OPT对玻璃纤维的腐蚀程度，对800C加速老化试验前后的OPr_GFRc试件进行了电子显微镜扫描，每组选取一个，对比如图3．7所示：(a)(b)图3．7GFRc电镜扫描图(a)老化实验前；@老化实验后Fig3．7SEMofGFRC．(a)beforeageingtests(b)afterageingtests两个SEM图像中都没有看到玻璃纤维明显的断裂或者截面被明显削弱的情况，这说明OPT对玻璃纤维的腐蚀程度是轻的，是可以接受的。33 3．玻璃纤维编织网增强高性能精细混凝士的耐久性评价3_5高性能精细混凝土的碳化碳化是混凝土耐久性能的重要方面。当潮湿空气中的C02渗入混凝土中就能和Ca(Oh32等混凝土中的碱性物质发生反应，从而减弱基体碱性，这个过程被称为碳化。埋在混凝土里的钢筋，因为基体的高碱性而在其表面形成了一层氧化膜，它能保护钢筋免于锈蚀。当混凝土的保护层被碳化至钢筋表面时，那里的碱性大大降低，会使附着在钢筋表面的氧化膜破坏，钢筋就会渐渐锈蚀。碳纤维和玻璃纤维都不会像钢筋那样锈蚀，碳化对纤维就没有不利影响。相反，碳化可降低基体的碱性，对GTRC的耐久性能是非常有利的。由于TRC试件很薄且基体含有大量粉煤灰，这样碳化速度就会加快。实际上，TRC将长期处于碳化以后的状态。因此研究其碳化后的力学性能具有更为重要的意义。这也正是下一步的研究重点。3．6小结GTRC因其良好的力学和物理性能以及低廉的价格，在TRC结构中，最有可能得到广泛应用。但是由于玻璃纤维会受到硅酸盐水泥基混凝土的腐蚀而导致GTRC的长期性能裂化，因此基体的碱性必须得到控制。目前，检验混凝土对玻璃纤维腐蚀程度主要采用“加速老化试验”。本章继第二章，采用“加速老化试验”对OPT对玻璃纤维的腐蚀程度进行了检验。结果表明：尽管基体OPT仍呈碱性，其对玻璃纤维的腐蚀仍然存在，但是经过相当于50年自然老化的800c热水的“加速老化试蹬’后，GFRC试件的强度保留率在85％以上，这说明基体OPT对玻璃纤维的腐蚀是可以接受的。结合第二章的结果，说明高性能精细混凝土OPT适合做TRC结构的基体。．34 大连理工．大学博士学位论文4．纤维编织网基本力学性能的试验研究摘要：纤维编织网增强混凝土(简称TRC)结构具有优异的力学性能和使用性能。常用的纤维编织网主要有碳纤维编织网和玻璃纤维编织网。纤维编织网用于工程以前，首先要知道它们的力学性能。然而作为～种新兴的增强材料，目前国内很少有厂家具有纤维编织网的编织生产能力。根据本课题要求特别为我们生产纤维编织网的厂家也仅仅提供一些纤维单丝的强度，基本不能提供纤维编织网的力学指标。纤维编织网不同于钢筋，纤维编织网包括经纬两向纤维束，其表面粗糙且没有固定的截面形状，难以在其表面黏贴应变片，这些都给测定它们的力学性能带来了困难。本章正是针对以上问题，结台相关的试验，对纤维编织网基本的力学性能进行了测定。关键词：纤维编织网；抗拉强度：弹性模量4．1引言纤维编织网是利用编织技术将纤维粗纱制成的平面或立体的纺织物，其主要由经纬两向纤维柬构成。有的也可能在对角线方向布置纤维束。常用的纤维编织网主要有碳纤维编织网和玻璃纤维编织网。碳纤维编织网的物理化学性能稳定，抗拉强度和弹性模量都远远高于玻璃纤维，但其价格非常昂贵，玻璃纤维则便宜很多。在建筑结构中，不同方向的纤维束扮演的角色可能不会完全一样。对单向结构，比如梁，沿梁长方向起主要增强作用的经向纤维束的强度应该比维向纤维束更高一些：对双向结构，比如双向板，经纬两向纤维柬的强度应差不多。在单向TRC结构中，结构的承载能力仅和经向纤维束有关挑向纤维束没有发挥出预想的懒1[371，因此对单向TRC结构而言，对经向纤维束力学性能的测定要远远比维向纤维束的重要。不同于钢筋，纤维编织网是一种各向异性材料，经纬两向纤维束由很多纤维单丝组成。纤维丝只能受拉，不能受压。由于生产和使用过程中，部分纤维丝受N-g损坏，当纤维束受拉时，这些受损的纤维丝首先断裂，而后把荷载转加到没有受损的纤维丝上去，这进一步加剧了没有受损的纤维丝的负担，加速了它们的破坏。因此纤维柬的抗拉强度要比纤维单丝低很多。为了提高纤维丝的协同受力能力，进而提高纤维柬的抗拉能力，在使用前，应将纤维编织网浸渍于环氧树脂中。环氧树脂能浸入纤维束内部，纤维丝之间．将纤维丝黏在一起。经过环氧树脂浸渍的纤维束，其抗拉强度提高了倍，将其埋入混凝土中，黏结强度也有很大改善【23．24]。因此纤维编织网在实际应用中，都要经过环氧树脂的浸渍处强度也有很大改善IZ3-24]。因此纤维编织网在实际应用中，都要经过环氧树脂的浸渍处35 4．纤维编织网基本力学性能的试验研究理。经过环氧树脂的浸渍处理的纤维编织网可以看成是一种刚性的单质体。而对纤维编织网基本力学性能的测定也就主要是针对环氧树脂浸渍处理过后的纤维编织网。测定纤维编织网基本力学性能主要包括3个方面，即纤维束的抗拉强度、纤维束的极限应变和纤维束的弹性模量。其中纤维束的弹性模量是抗拉强度除以极限应变的结果。所以对纤维编织网基本力学性能的测量也就主要包括测量纤维束的抗拉强度和极限应变两个方面。然而经过环氧树脂浸渍后的纤维编织网表面非常粗糙，难以在上面黏贴应变片。目前，国外已开始采用“光纤技术”测量纤维丝的应变[68—731。然而光纤的价格较贵，国内在应用光纤测量纤维编织网应变的相关技术仍然不是很成熟。本文采用了一种主要以“应变夹”为主要测量设备的试验[741，对纤维编织网的力学性能进行了测量，并得到了一些基本数据。4．2试验用纤维编织网简介4．2．1试验纤维编织网结构和基本性能为节省试验材料，降低成本，本文所用纤维编织网的经向采用碳纤维编织，而维向采用玻璃纤维。纤维编织网为经纬纤维束平织结构，即经纬向纤维束彼此重叠交错，在纬向纤维束表面缠绕一条较细纤维束，在纬向束越过经向束的地方，这条较细束将经向束绑定在纬向束上。纤维编织网的网格尺寸为20衄×20／11111，具体结构形式如图4．1：a)b)图4．1纤维编织网结构图，a)N格结构图，b)节点结构图Fi酣．1Textilefabric，a)Meshfabric’b)nodeconfiguration36向 大连理工大学博士学位论文纤维编织网经纬向分别采用了碳纤维和玻璃纤维，其基本性能如表4．1所示。表4。1纤维材料的数据表Table4．1Propertiesoffibers纤维类型纤维型号拉仲强度拉伸模量断裂伸长单位长度质量密度MPaGPa％Texg／cm3(∥1，000m)TT00S(碳纤维112k49002302．18001．{；0Gf玻璃纤维)6k1800742．49002．70表中纤维类型12k和6k即表示每一根纤维束包括l万2千根纤维原丝和6千根纤维原丝，拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率都是纤维原丝的性能。4-2．2纤维束理论面积的计算当纤维编织网埋在混凝土中，经纬向纤维束的断面没有固定的形状，如4．2所示。记经向纤维束的面积为A6单位长度的质量为"rex，密度为D6则有爿，。iTex。—800丁x10-5×102。0．44mm2(4．1)^。瓦。—矿“叫‘竹1’同理，维向纤维束的面积爿g=O．33衄2。图4-2埋在混凝土中的纤维束断面【23】Fi94．2Thesectionoffiberyarninconcrete4．3纤维编织网抗拉强度、弹性模量和极限应变的测定4．3．1试件形式及尺寸纤维编织网是一种新型的增强材料，对其基本力学性能的测定至今没有明确的规范可循。由于纤维编织网也是一种定向的纤维增强复合材料，本适用于测定纤维增强塑料板材基本力学性能的相关规范可以借用参考，比如国内的规范GB／T3354-1999《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》【75]和我国学者赵彤介绍的日本的相关试验方法f76】。试验所采用的纤维束越长，其所能包含的缺陷越多，强度越低，不同规范对试验时纤维束的测量长度有不同规定。不论采用哪一种规范，对所有试验的纤维柬，必须取用同一长度，避免由纤维束长度不同带来的力学性能的误差。37 4．纤维编织网基本力学性能的试验研究4．3．1．1GB／T3354．1999《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》GB／T3354-1999《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》中介绍的定向纤维增强塑料测试拉伸强度的试件形式和尺寸见图4．3和表4．2。哥·??二-二-I_I¨?I¨I『Ⅲ骶二习BAHT图4．3试件型式和尺寸fGB／T3354-1999)Fig4．3Theshapeanddimensionofspecimens(GB／T3354-1999)表4．2试件各部分允许取值(单位；衄)Table4．2Designeddimensionofdifferentpartsofspecimens4．3．1．2日本规范日本相关规范介绍的碳纤维片材拉伸试验试件尺寸如图4．4所示和表4．3。lJ．Ll二C7图4．4日本拉伸试件尺寸Fi笆4．4ThedimensionofsoecimensfromJanan38一BE 大连理．[人学『尊士学位论文表4．3试件各部分允许取值(尊位：皿)Table4．3Designeddimensionofdifferentpartsofspecimens4．3．1．3本文采用试件形式及尺寸芒三戛三三：lI=i=二二三二∑I?二I过BADL卜一图4．5本文纤维束拉伸试件的型式和尺寸Fig4．5Thedimensionoffib．-yamspecimensinthistest表4．4本文试件各部分允许取值(单位：咖)Table4．4DesigneddimensionofdifferentpartsofspecimensofthispaperE名称值总长(L)300试件宽度(B)13夹具与玻璃纤维垫片长度(A)100工作段长度(D)100夹具、被测纤维和加强垫片的总厚度(E)20±0．5 4．纤维编织网基本力学性能的试验研究本文参考了以上两种连续纤维增强塑料拉伸性能的试验方法，并根据纤维编织网材料的实际宽度和厚度，确定了本试验纤维编织网拉伸试件的型式和尺寸，试件各部分示意如图4．5所示和表4．4。为防止被测纤维束被钢夹具夹碎，应在半圆形钢夹具和被测纤维束之间垫一层玻璃纤维片材。4．3．2试件的制作程序n1作一个门式框架，框架四周为方木，中空。将框架竖直固立于地上，用钉子将纤维编织网的每一根维向纤维束平行于地面固定于左右方木上，每根经向纤维束垂直于地面固定于上下方木上，且每一根纤维束均处于绷紧状态。(2)将固化剂和环氧树脂按重量比1：5混合，略微搅拌，而后加入稀释剂，目测其流动性满足要求。(3)将配制好的环氧树脂黏结剂用刷子均匀涂在纤维编织网前后两个面上，要保证黏结剂充分渗入纤维束内部。而后留待一天，容其固化。(4)第二天用剪刀沿经向把纤维编织网按照图4_5和表4．4的标准剪夹具图4．6纤维束拉伸试验装置示意图嗍n24．6Sketchmadoftensiletestsoffibrebundles成一根根纤维束，保证经向纤维束为测量纤维束。(5)试验前，为了防止夹具所带来的应力集中引起纤维束的提前破坏，在纤维束的两端各加两块玻璃纤维布作为垫片。垫片与纤维束采用黏结剂黏贴在一起，并把加过垫片的纤维束端部黏在经过倒角处理的钢夹具上，用细铁丝将钢夹具勒紧，放在室内固化。到此，完成了整个试件的制作。4．3．3试验方法及过程采用以“应变夹”为主要测量设备的试验【74】。试验装置如图4．6所示。将纤维束一端的夹具固定在拉伸试验机的下台座上，另一端通过固定螺丝固定于夹具套内。传感40 大连理工大学博士学位论文器的一端与夹具套通过固定螺栓连接，另一端连接在拉伸试验机的上台座，这样，完成了整个试验设备的连接。应变夹原理如图4．7所示。两个弹性钢片固定在刚度很大的底座上，在两个弹性钢片的上面和下面共贴4个电子应变，采用全桥连接方式相连，导出A、B、C、D四个接线，连接在应变计上，使用前，先标定弹性钢片之问距离变化所对应应变计输出的电压变化。测量时，在碳纤维束上固定两个带切口的小钢块，记录两个钢块之间的距离后，将应变夹上的卡槽卡在钢块的切口ABCD图4,7应变夹原理示意图嘲n94．7Sketchmapofstrainjig上，这样应变夹弹性钢片之间距离的变化除以钢块之间的初始距离，就可以得到纤维束的平均应变值。试验中，试件的拉力通过拉力传感器得到，用拉力除以理论面积就可以得到应力，用应力除以应变就可以得到弹性模量。所有试验的纤维束都应在测试长度内断裂，断裂发生在夹具处的试件不予记录。4．3．4试验结果和分析试验一共记录了20根纤维柬的极限拉力和变形，所测数据比较离散。纤维束的抗拉力基本分布在1000N和2000N以内，其平均值F为1548N，方差为0．1，离散系数6．7％；而对应极限拉力的纤维束变形基本分布在1咖到2咖之间，其平均值五云为1．52film，方差为0．1，离散系数6．7％；试验测得纤维束的极限拉力和相应变形的值如图4．8所示。互5—2詈Ls美。努O50㈥蛐2·52喜1．5蚓差，050123456789】0111Z13I4I516t718】920l234567891011121314151617181920纤维柬编号图4．8纤维束的极限拉力和极限伸长Fj94．8Ultimatepullforceandultimateelongation一41— 4．纤维编织网基本力学性能的试验研究由抗拉强度定义，L：三一15483518．18MPaJm—Ar—0．4—42。l8由应变定义，有％：些一1．520．01525m2—L—2—10—02由弹性模量定义．有E：丘：!!!!：!坠231459．33MPa：231．46GPas。．0．0152(4．2)(4．3)至此完成了纤维编织网沿混凝土应力主向布置的纤维束，即经向纤维束的基本力学性能，包括抗拉强度、极限应变和弹性模量的测定或计算，现总结于表4．5表4．5试验用纤维编织网力学性能Table4．5Propertiesoftextilefortests类型抗拉强度弹性模量极限应变理论面积Tex(g／1，丽面再一比较表4．1和表4．5，可以看出纤维束的极限抗拉强度3518MPa比纤维单丝的4900／V[Pa降低了28．2％，而纤维束的极限应变0．0152比纤维单丝的0．021降低了27．6％，但是两者的弹性模量基本相当。表4．5的Tex值仅为纤维束所包含的纤维原丝的重量，没有考虑环氧树脂黏结剂的重量。4．4小结作为一种新型的建筑形式，TRC具有优良的使用性能和力学性能。不同于各向同性的钢材，纤维编织网是一种各向异性的材料，一般由经纬两向纤维束构成。每一条纤维束包含许多纤维单丝。为提高纤维单丝的协同受力能力和提高纤维编织网和混凝土之间的摩擦，在纤维编织网埋入混凝土以前，要将其用环氧树脂黏结剂浸渍。经过环氧树42 大连理r人学博十学位论文脂浸渍处理的纤维编织网可视为刚性的单质体。而对纤维编织网基本力学性能的测定也就主要是针对环氧树脂浸渍处理过后的纤维编织网。对于不同的结构形式，经纬两向纤维束发挥的作用可能不同。比如，对单向结构，沿应力主向布置的经向纤维束承担了主要荷载，维向纤维束对承载能力几乎没有贡献，而其作用在于提高纤维编织网和混凝土的黏结能力。因此，对单向结构，测定经向纤维束的力学性能要远比维向的重要。对纤维编织网力学性能的测定是结构设计的基础，也是本文工作的基础。本章主要参考了中日两国关于连续纤维增强塑料拉伸性能的试验方法，采用了以“应变夹”为主要测量设备的试验，对后续几章将要用到纤维编织网的力学性能进行了测定，得到了一些基本数据，为后续几章的试验奠定了基础。 5．纤维编织网增强混凝土的拉拔计算分析5．纤维编织网增强混凝±的拉拔计算分析摘要：因具有良好的承载能力和优良的韧性，不腐蚀，防磁化，自重轻，易于旖工等优势，纤维编织网增强混凝土(简称TRC)结构被认为是未来最有前途的结构形式之一。纤维编织网能否和混凝土良好地协同工作，取决于它们的黏结，所以理解纤维编织网和混凝土的黏结性能，对分析和计算TRC结构至关重要。对TRC，拔出试验能较真实的反映其实际受力状况下，黏结面上的应力分布。黏结本构模型是对黏结性能的精确描述，是进行结构计算的基础。本文在介绍了几种黏结本构模型后，利用四线性双平行线的虚拟裂缝模型对纤维粗纱从混凝土中拔出的力学机制进行了解析分析，得到了在拉拔外力作用下，荷载滑移曲线以及纤维粗纱和混凝土的黏结面上各点的剪应力、纤维滑移和拉力的响应方程，并与试验结果对比，印证了模型的真实性。关键词：纤维编织网；纤维丝；拉拔分析5．1引言因纤维的抗拉和变形能力均高于混凝土，利用纤维增强混凝土能提高复合物的抗拉强度和变形能力。按长度分，用来增强混凝土的纤维包括两种：短切纤维和连续纤维。利用编织技术由粗纱制成的纤维编织网就是连续纤维增强材料的一种。因连续纤维可沿混凝土中的应力主向布置，增强效率比短切纤维大大提高。在TRC复合物受力时，力通过黏结面从基体传向纤维，因此黏结面直接决定了纤维的增强效率，因而研究复合物受力时的黏结性状就非常重要。对于脆性材料的水泥基体，拔出实验能较真实的反映其实际受力状况下黏结面上的应力分布。和单向的钢筋不同，纤维编织网至少包括经纬两向纤维束，有的在对角线方向还要布置一条纤维束，各向纤维束交汇的节点有助于提高黏结性能，因此研究纤维编织网和混凝土的黏结机理要比钢筋混凝土复杂得多。然而TRC的研究刚刚起步，为简化问题，最初的研究仍然从单向连续纤维从混凝土中拔出现象开始。最近有研究表明在单向TRC结构中，比如梁，结构的承载能力仅和经向纤维束有关，维向纤维束没有发挥出预想的作用[371。因此可忽略维向纤维束对黏结的影响，直接研究经向纤维束和精细混凝土的黏结机理。黏结本构模型是对黏结性能的精确描述，是进行结构裂缝宽度计算、塑性角转动能力计算、剪切破坏计算以及非线性有限元分析的基础。利用黏结本构模型对纤维粗纱从混凝土中拔出的力学机制进行解析分析，不仅有助于理解脱黏破坏的本质，而且经与实验结果对比，能鉴定黏结参数和本构模型的正确性，为结构计算奠定基础。．．44．． 大连理I一大学博士学位论文本文在分析TRC复合物的黏结机理，介绍了几种黏结本构模型后，利用四线性双平行线的虚拟裂缝模型对纤维粗纱从混凝土中拔出的力学机制进行了解析分析，得到了在拉拔外力作用下，荷载滑移曲线、纤维粗纱和混凝土的黏结面上各点的剪应力、纤维滑移和拉力的响应方程，最后将其和实验结果迸行了比较，证明了解析解的正确性。5．2哪屺的黏结机理和本构模型纤维和混凝土的黏结由胶结力和摩阻力组成。荷载作用下，TRC的脱黏机理非常复杂，一般认为当裂缝尖端的剪切强度或能量释放率分别达到极限rd和Gk的时候，脱黏开始【77-79】。然而实际上其脱黏区域的前方不是开始于一个点(即裂缝尖端)，而是一个模糊区域，其长度可达几个纤维直径。在这个区域，纤维和混凝土之间存在部分黏结，彻底脱黏(黏结面仅存摩阻力)发生在这一模糊区域后[80．811。因此无论加载情况和材料自身特性如何，纤维从基体里拔出一般要经历3个过程：加载前，试件内就随机分布了一些裂缝和空穴，加载后，原本存在的裂缝和空穴和新出现的贯通起来，形成一个裂缝发展区域，向试件内部延伸。在这个区域内，靠近荷载那部分最先脱黏失效，仅残留摩阻力。在外载作用下，脱黏不断向试件深处发展，当固定端处的纤维脱黏后，脱黏区域扩展于整个黏结面，纤维拔出。图5．1是拔出实验的材料反应区域分布。1L拉拔力P纤黏维接基柬面体耜缈真实裂纹区域(脱黏)脱黏点虚拟裂缝区域(有黏结)起裂点完蛙体区域图5．1拔出实验材料反应区域分布Fig5．1Thedistributionofmaterialpropertiesofpullout．45．． 5．纤维编织网增强混凝土的拉拔计算分析图5．1中的“完整区域”随机分布了一些试件浇注以来就存在的裂缝和空穴，所谓“完整”是相对于虚拟裂缝区域和真实裂纹区域而言。在虚拟裂纹区域仍有胶结力，而在真实裂纹区域仅存摩阻力。起裂点相对于原本存在及新出现的裂缝和空穴贯通起来的区域(虚拟裂纹区域起点)，即外作用力所能影响到的最远点；脱黏点对应于真实裂纹区域的起点。所有的黏结本构模型都是描述黏结面上剪应力和滑移的关系的，所谓“滑移”是指纤维和混凝土的相对位移。按对剪应力的不同处理，有的黏结本构模型取用黏结面上的平均剪应力，即剪应力等于拉拔力除以黏结埋长与纤维束周长的积；有的黏结本构模型取用虚拟裂缝区域和真实裂纹区域内某一点的实际剪应力。前者，当实际纤维的埋长不同，剪应力不具有可比性，而后者在黏结面的任何一点上都成立，不涉及到纤维埋长，所以应用更为广泛。按照对脱黏的理解不同，黏结本构模型可以分为两种。最普通的一种称为黏结滑移模型，它认为虚拟裂纹区域内某点的剪应力总是滑移的函数，即认为只有发生滑移才有剪应力产生。而另一个模型称为黏结脱黏模型，它认为脱黏总是在某点的黏结力(或断裂能)达到极限的时候发生。在脱黏区域，由摩擦传力。对摩擦的理解也存在差异，主要有3种。第一，摩擦力也是滑移的函数：第二，认为摩擦和正应力有关(即莫尔一库伦法则)；第三，认为摩擦为常值。具体到纤维和混凝土的黏结，适用的黏结本构模型主要有以下3种：A．mBEP模型【82]：开始，剪切应力随滑移曲线增长，剪切应力达到最大值以后，曲线下降，超过某一滑移长度后，接触面上剪应力为零。其本构方程为：f(s)；Cs4(1一_S)d(5．1)确定c、a和d就可以确定本构方程。B．3线段模型[831：由3段直线段组成。在剪应力达到最大r。以前，剪应力随滑移线性增长，而后线性下降，当滑移超过某一值(母)后，黏结面上仅有摩阻力，剪应力降为常值，相应的点进入脱黏区域。与r。和母相应的滑移和剪应力为％和r，。确定了rm、rr、岛和Sf4个参数就可以确定本构方程。C．4线段模型[23—24]：由4段直线段组成，其中两段为平行直线。在剪应力达到最大r。以前，剪应力随滑移线性增长，而后有一个短暂的塑性流动，然后直线下降，当滑移超过某一值(&)后，黏结面上仅有常值摩阻力，相应点进入脱黏区域。如记与r。。 大连理：[：大学博士学位论文对应的滑移为品，开始下降时的滑移为&，对应&的剪应力为rp则确定了r。r卜＆、&和S5个参数就可以确定本构方程。mBEP模型没有考虑纤维和混凝土脱黏以后的摩擦，同时方程本身为非线性函数，不便于数学分析，不在本文的分析之列。有限元分析表明[23-24]：四线段模型能较准确的反映纤维和混凝土的黏结情况，与实验结果较符。而三线段模型仅是四线段模型的特例，因此本文采用了四线段模型对纤维的拉拔现象进行了解析分析。dsfsm(a)mBEP模型Co)3线段模型图5．2Fi窟5．2s4shsc(c)4线段模型常用的黏结本构模型Comnlonconstitutivemodel5．3拔出分析和钢筋不同，纤维编织网是—种各项异性的非均匀材料，埋入混凝土中的纤维束横截面没有一种固定的形状，无法准确的测量，而且纤维束内部的纤维丝不能完全和水泥接触，内部纤维丝和精细混凝土的黏结要远远差于外部纤维丝。除此以外，影响黏结行为的因素仍然很多，比如基体的力学性能、加载形式(静态的、动态的还是重复的)和频率、纤维束的表面处理情况、断面形式和配筋率、试件的几何性状以及是否有侧向约束等等[84．88]。考虑到以上问题，为分析问题简单，对埋入混凝土中的连续纤维束进行如下假定：(1)纤维(纤维柬)为均质各项同性线弹性圆柱体：(2)拉拔力是缓慢施加的：(3)计算纤维滑移的时候，不考虑基体的变形：(4)不考虑波松效应和正应力对黏结和摩擦的影响：(5)黏结长度足够，满足加载端进入摩擦阶段前，自由端没有滑移。47 5．纤维编织网增强混凝‘卜的拉拔计算分析5．3．1自由端没有滑移时的拔出分析在拉拔外力下，混凝土内纤维某段受力如图5-3图5．3拉拔力学模型Fig5．3Mechanicalmodelforpullout1990年Russo[89]等人推出了著名的剪应力和滑移的微分关系方程：d2s-j一苦邵)’瓦万。俐(5．2)q，4，目分别为纤维截面的周长、面积和弹性模量，剪切面上滑移、黏结力、应变、应力和拉力都是z的函数，分别记为5㈨、r∽、e∽、s∽和以”，其在自由端的值分别记为品，r。、ee、Se和^。s。sbs：图5．4计算用黏结本构模型Fig5．4constitutivemodelforcalculation．．48． 大连理～[大学|尊士学位论文f。、’1·I研7阮7l妁7；确7rrmr，∥l＼lX／ll12b14(a)Ls似蛳5俐或利／l∽。—————一L图5．5(a)黏结面上剪应力分布图，(b)黏结面上的函数分布Fig5．5(a)shearstressdistributionCo)thedistributionoffunctionatshearplane若在11,lzb14内分别建立局部坐标系，定它们的左端点为局部坐标系原点，则有X1、X2、x3、x4。记纤维在b如b14左端点处正截面力分别为五、丘、f3、^。在完整区，纤维没有滑移(却=0)，有^；吼AI=F萌E五／A：万=留丘和A。为混凝土的弹模和面积。外力作的虚功5(z)z5(z)o屹。，(户(s)凼)dQ=c，且Po)出)出；c，尸(o，so))出Q0内力作的虚功(5．3)(5．4)卟好(啦)dF叫五乎，eds)dx=甜(嘶)_o；)dx00(55)％t2小户。矽s=爿，小产，2主甜(口20)一(5．5)Te!!。一i．49 5．纤维编织网增强混凝土的拉拔计算分析根据虚功原理，内、外虚功相等有i(c，V(。，s∽)一参夯扩∽一嘭))矗=。整理得c，V(。，s。))一鲁p2。)一盯；)=。经整理得到，20)一^2=2E，A，C，Ⅲ(O，s0))如x=L，并把(5．3)式代入(5．8)式，得F(s)=扛历万丽丽研碡万；尼肛俩计算得到F(s)=k(5．6)(5．7)(5．8)(5．9)6s，ssS；压ii丽，S。0且逐渐增长，到G点Se=Sc,拔出力达最大，整个接触面脱黏，进入摩擦。E、F点分别对应于Se=Sa和Se----,76。G—H．整个接触面脱黏的瞬间，拉拔力突降，H点以后拉拔力等于摩擦力，随纤维拔出，摩擦力减小，拉拔力降低。(2)与实验结果对比：纤维编织网的经、纬向纤维束的粗纱由若干纤维丝组成，为提高粗纱的协同受力能力，在埋入混凝土前，用环氧树脂浸渍。经过浸渍后的纤维束可以看成一个整体，而忽略纤维束内纤维丝之间的摩擦。有一Aramid纤维束2500tex，面积0．93硼2，弹性模量123．5GPa，埋长20nlm，采用有限元计算得到的本构模型[231，有限元本构模型和计算结果如图5．7．56— 大连理一f大学博士学位论文7，647．557．20．0190．1190．6加t靖姨出位移qn州图5．7(a)有限元计算得到的本构模型，(b)计算模型和试验结果的对比Fi庐．7(a)TheconstitutivemodelfromFEM，(b)TheComparisonbetweencalculationalresultsandexperimentallyresults从图5．7右可以看出，由于忽略了纤维束内部纤维丝的摩擦，且纤维丝在拉拔力作用下是一批批逐渐断裂的，其承载能力逐渐弱化，在接近拉拔力峰值的时候，实验得到的结果不能达Nd,于按照第一条假定(纤维束为均质各项同性线弹性圆柱体)计算得到的结果。另外，纤维束埋长较短，不能满足第5条假定，因此在实验曲线达最大拉拔力以后，实验中的纤维束开始全截面进入脱黏拔出，而计算分析得到曲线的仍呈上升趋势。5．5小结TRC在实际工程中有很多优势，而这些优势的发挥依赖于纤维编织网和混凝土形成良好黏结，因此理解纤维编织网和混凝土的黏结机理就变得非常重要。纤维编织网是由纤维粗纱编织而成的二维或3维结构，埋入混凝土中，各向纤维束交汇的节点有助于提高黏结性能。然而TRC的研究刚冈噙：步，为简化问题，最初的研究仍然从单向连续纤维从混凝土中拔出现象开始。即便如此，单向连续纤维从混凝土中拔出仍是非常复杂的问题，影响因素很多，而其本构方程是对黏结特性的一种精确描述，为结构计算提供可能。本文在忽略次要影响因素后，对黏结拔出的实验现象，进行了解析分析，不仅得到了拔出力和加载点位移关系曲线，而且得到了拉拔力作用下，黏结面上纤维上各点的剪应力、滑移和拉力的响应方程，为印证黏结参数，分析拉拔力作用下的结构相应，提供了一种方法。，57．． 5．纤维编织网增强混凝士的拉拔计算分析但这种简化计算带来的误差也是明显的，其中假定纤维束为均质的各项同性线弹性圆柱体对结果影响最大。这是由于内外纤维丝和混凝土的黏结状况不同，在受载下，不能协同受力，造成承载力降低。为此应该区分内外纤维丝，并研究纤维丝之间的应力传递机制。解析法不能解决这个问题，利用有限单元法能对纤维束拉拔行为很好预测『23．24]。在实际情况下，很多纤维的自由端在加载端没有进入摩擦阶段以前，就开始滑移了，因此第五条假定不成立，给分析结果带来误差。下一步的工作应该着力解决埋长任意的拔出解析解。一58． 大连理1。大学博士学位论文6．纤维编织网和高性能细粒混凝土黏绪陛能的试验研究摘要：纤维编织网增强混凝土(简称ntC)结构所有的力学性能都与纤维编织网和混凝土之间的黏结性状相关，其良好的黏结是TRC结构发挥优异力学性能的保证。因此纤维编织网和混凝土之间黏绪陛能方面的研究引起了众多的关注。本文分析了纤维编织网和精细混凝土之间应力传递的机理并通过拉拔试验得到的结果，探讨了碳纤维编织网埋长、表面处理情况、混凝土强度和工作性能、以及预应力水平对纤维编织网和混凝土黏结性能的影响。试验结果表明：随纤维埋长增大，纤维束的最大拉拔力不断增大，提高混凝土强度，改善其工作性能，用环氧树脂浸渍纤维编织网并在其表面粘砂以及对TRC施加预应力均能改善纤维编织网和混凝土的黏结性能，提高拉拔荷载峰值。关键词：纤维编织网，黏结，拉拔试验6．1引言TRC结构优异的力学性能的发挥依赖于纤维编织网和精细混凝土形成良好的黏结。如何提高纤维编织网和混凝士的黏结成为当前最重要的课题。不同于钢筋，纤维编织网至少包括经纬两向纤维束，有的在对角线方向还要布置一条纤维束，如图6．1所示图6．1玻璃纤维编织网【11】Fi96，1Glassfiberfabric一59． 6．碳纤维编织网和高性能细粒混凝士黏结性能的试验研究从图6．1可以看出，在各向纤维束的交汇处形成了节点，当TRC结构受力时，节点阻碍了纤维编织网在混凝土中的滑移，提高了纤维编织网和混凝土的黏结。研究表明：不同的编织方法直接决定了纤维编织网和混凝土的黏结性状甚至是极限承载能力[121。因此研究纤维编织网和混凝土的黏结不仅要考察经向纤维束和混凝土的黏结，还应同时考察维向和其他副向纤维束对黏结的影响。有别于各向同性的钢材，构成纤维编织网的经、纬向纤维束包含大量纤维单丝，埋入混凝土中的纤维束的横截面没有固定的形状，其面积不能准确测量且混凝土不能完全浸入纤维束内部，只有最外面的纤维粗纱能和混凝土形成较好黏结并通过摩擦传力于里面粗纱。这使得纤维束内部纤维丝和混凝土的黏结状况远比外部纤维丝差。这实际上是减弱了纤维编织网和混凝土的黏结能力。图6．2显示了这一状况：图6．2埋入混凝土中的纤维束f11】FigThefiberyaminconcrete为转变这种状况，纤维编织网埋入混凝土前，要用聚合物浸渍。聚合物的渗透性是水泥基体不能比肩的，它能渗透到纤维束内部，粗纱之间，凝固以后，将把粗纱结成一体。常用来浸渍纤维编织网的聚合物有环养树脂和聚脂树脂。试验表ltfj[23—241：纤维束经环养树脂浸渍后和混凝土的黏结性能大为改善。经树脂浸渍后的纤维束可看作一个整体，而不必再考虑粗纱之间以及粗纱和混凝土之间的黏结。综上所述，纤维编织网和混凝土的黏结机理要比钢筋混凝土复杂得多。然而最近的研究表明：对单向结构，维向纤维束对极限承载力的贡献很小[37]，此外TRC的研究刚刚起．60． 大连理工大学博士学位论文步，为简化问题，最初的研究仍然从单向连续纤维从混凝土中拔出的现象开始。本文通过拉拔试验得到的结果，探讨了碳纤维编织网埋长，表面处理清况，混凝土强度和工作性能，以及预应力水平对纤维编织网混凝土黏结性能的影响。试验结果表明：随纤维埋长增大，纤维束的最大拉拔力不断增大，提高混凝土强度，改善其工作性能，用环氧树脂浸渍纤维编织网并在其表面粘砂以及对TRC旌加预应力均能提高拉拔荷载峰值。6．2试验研究6．2．1混凝土基体为考察基体混凝土的强度和工作性能对拉拔荷载峰值的影响，调配出4种不同强度和工作性能的混凝土，分别为C1、c2、c3、c4。这四种基体的干料成分相同，其中标号52．5的硅酸盐水泥472kg／m3，I级粉煤灰168kg／m3，硅粉35kg／m3，砂微径0--0．6Im)460kg／m3，砂f粒径0．6--1．2ma)920kg／m3。为取得不同的强度和工作性能，基体c1、c2、c3、c4的水胶比和超塑剂用量并不一致，具体情况及其28d养护后的力学性能如表6．1所示：表6．1混凝±的组成和性能Table6．1Mixturecompositionofthematrices基体水胶减水剂抗压强度抗弯强度收缩率弹性模量短切玻璃纤比维含量C10．284．35kg／m"76MPa11．5MPa一0C20．353．75州57MPa8．8MPa一OC30．403．25kg／m352MPa7．8MPa0．6mlhn32．2GPa0C4O．406．35kg／m348MPa12．8MPa一1％注1)经过对基体工作性能检测，发现C3满足自密实混凝土的标准f49．51】。表6．2自密实混凝土C3的流变性Table6．2PropertiesofthemixtllreC3流动时间to7s流动时间t308．2sU，-b，ox㈣0．95．密度2496kg／m3．61． 6．碳纤维编织网和高性能细粒混凝土黏结性能的试验研究6．2．2纤维编织网试验采用纤维编织网，经向为碳纤维，纬向纤维为抗碱玻璃纤维，编织结构如图4—1。本次试验主要考察了经向碳纤维束从混凝土中拔出的现象，其性能总结如表6．3表6．3试验用碳纤维束性能Table6．3Propertiesofcarbonyarnfortests已有研究明确表明，利用环养树脂浸渍纤维束能明显改善其和混凝土的黏结[23，24】，因此本试验所有纤维编织网均经过环养树脂浸渍处理(史b理方法见第四章)。为考察纤维编织网表面粘砂和预应力水平对黏结性能的影响，本试验趁一部分纤维编织网表面的环养树脂没凝固之就将细砂均匀撤于其上，待环养树脂凝固后，细砂就黏结于纤维编织网表面；而对另一部分在纤维编织网埋入混凝土前，对其进行了不同水平的预张拉。预应力的施加方法如下所述。6，2．3预应力加裁设备的研制给纤维编织网施加预应力的设备如图6．3所示：图6．3预应力加载装置Fig6．3EquipmentoftheprestressingloadTRC预应力的施加方式为先张法，首先利用特制的夹具沿经向纤维束，在纤维编织网的两端将其夹住；然后将一端夹具固定于铁支架左端竖直钢板上，另一端夹具和拉力传感器相连(此前，拉力传感器应进行标定)，在拉力传感器内插拧一螺杆，螺杆上下固定于支架钢板上，即螺杆上下不能移动，但可以左右移动(以图6．3的方向为准)。当所有设备连按完毕以后，旋转螺杆’使萁向右移动(如图6．3)，即实现了纤维编织网的绷紧张拉萁中纤维编织．62— 大连理_I．大学陴—I学位论文网受到的拉力由拉力传感器测定。为夹住纤维编织网以实现对其的张拉。特别设计了夹具，其具体形状和尺寸如图6．4广}一＼一／n什lOOm图6．4一半夹具的示意图Fig6．4Anehalfofclampingdevice6．2．4试件制作对无预应力试件，为得到有代表性的试件，制作一个尺寸为900X900x20衄的薄板以便将纤维编织网放入其中。首先将厚度为10衄的混凝土层置于模具中，然后将纤维编织网放于其上，最后浇注10衄厚的混凝土层并轻微振捣。对预应力试件，制作一个尺寸为600X100X20哪的模板，先对纤维编织网张拉，然后一次浇注20衄厚的混凝土层直至纤维编织网全部埋入混凝土中。施加张拉的时候，用图6．4所示的夹具夹住纤维编织网。为防止打滑，用T型建筑结构胶将纤维编织网黏到夹具上。实验表明纤维束在T型建筑结构胶中的脱黏拉力将会达到700N以上，我们施加的预应力最大不过600N，这样为夹住纤维编织网，就有了双保险：1夹具的摩擦，2结构胶的黏结。因为夹具同时夹住的不止一条纤维束，拉力分配不均将导致某一条纤维束承受较大荷载提前断裂，作者在这次实验前进行了比较，表明用T型建筑结构胶把纤维编织网黏到夹具上能缓和拉力分配不均。预应力的张拉通过螺杆的旋转移动达到，其测量通过夹具后的拉力传感器得到。对非预应力试件，24h后拆模：为防止在混凝土没有达到强度以前拆模造成脱黏，对预应力试件7d以后拆模，拆模前测量预应力的值。共养护28d。用石材切割机从TRC薄板锯出拉拔实验所用试件，试件长160nml，宽40113111，纤维初始黏结埋长从20IDm一40mill不等，在纤维束黏结埋长处，用石材切割机切下纤维束周围多余的混凝土，对于纤维柬．63— 6磁纤维编织网和高性能细粒混凝土黏结性能的试验研究附近的包裹混凝土应轻轻敲落，直至那里的纤维束从混凝土中裸露出来。试验中每一个拉拔试件内仅仅保留一个纤维束，试件具体形状尺寸见图6．6。(a)(b)图6．5(a)用建筑结构胶把纤维束黏在薄钢板上，(b)测定结构胶黏结力的拉拔试验图6．5(a)Theyamadheredtothinarmorplatewithgum．Co)pullouttestforthemeasurementofbindingpowerofthegum6．2．5拉拔试验方法加载速率为1．0rm／min，图6．6是拉拔试验的装置图M图6．6拉拔试件实验装置a)试件尺寸b)位于一半夹具中的试件Fig6．6Schematictestset-upforpullouttesta)Specimendimension¨Spech-neninonehalfofclampingdevice试验中拉拔力由和夹具相连的拉力传感器测定，而拉拔位移由LVDT测定，拉力传感器和LVDT直接和电脑相连，在显示器上输出拔出曲线。一64 大连理r大学博士学位论文6．3结果与对比纤维埋长从20--40ram变化不等。图6．7为不同黏结长度下，混凝土强度和工作性能对黏结的影响：450400350300z250啬20015010050O1000900800700600鼍5004003002001000(a)。5n辊m1520@蛐图6．7混凝土强度和工作性能对纤维束黏结的影响(a)埋长20衄(b)t．里长30millFig6．TIheinfluenceofstrengthandworkabilityonbond，(a)initialbondlength20衄㈣initialbondlength30栅从图6．7中可以看出，在黏结长度相同时，C1的最大拉拔力和把纤维拔出外力需要作的功都要比C2的大，这说明混凝土强度越高，黏结越好；同时尽管C3的强度比C2低，但是由于其工作性能要远远好于Q，具有自密实能力，因此它的黏绪陛能都要好于C2。140012001000z800-6004002000510152025slip／ram图6．8表面粘砂对纤维束黏结的影响(埋长30帅)Fig6．8Theinfluenceofsandsonbond(initialbondlength30mm)一65． 6．碳纤维编织网和高性能细粒混凝士黏结性能的试验研究图6．8反映了纤维编织网表面粘砂对黏结的提高效应。从图6．8中可以看出，在黏结长度相同时，把纤维编织网环氧树腊浸渍并粘砂能明显提高最大拉拔力。但是峰值过后，环氧树脂浸渍并粘砂处理的纤维束的拉拔力陡降，甚至降到接近0，这说明纤维束内大部分纤维丝已经断裂，以至于不能继续承载。随混凝土埋长增长，最大拉拔力增长不断增长，图6．9反映了这一趋势。1000800600400200O1020slip／ram图6．9埋-Ex寸纤维束黏结的影响Fig6．9Influenceofinitialbondlengthonbondbetweenfiberandcementmatrix向混凝土中添加适量的短切纤维能控制混凝土的开裂，有助于提高纤维束和混凝土的黏结性能，但是其对最大拉拔力提高的幅度不如粘砂明显，如图6．10所示。1400120005lO152025SBp／mm图6．10短切纤维对纤维束黏结的影响(埋长30曲n)Fig6．10Influenceofchoppedfiberonbond(initialbondlength30m吼．66一唧蝴㈣伽批。毛山 大连理1j大学博士学位论文1015sllp／mJ图6．11预应力水平对黏结的影响(埋长40枷)Fig6．11Influenceofprestressingforceonthebondbetweenfibreandcementmatrix(initialbondlength40ram)从图6．11中可以看到当每束施加的预应力为600N时，其最大拉拔力为1700N左右，当每束施加的预应力为400N时，其最大拉拔力略高于1400N，而没有施加预应力的最大拉拔力不到1400N，这说明适当的施加预应力可以提高拉拔荷载峰值。这是由于预应力可以带来“泊松效应”和“约束效应”【23—24]。图6．12可以看到预应力的约束效应带来内部纤维接触区的增大。图6．12混凝土中碳纾维束断面图(左)和预应力碳纤维束断面图(右)【24】Fig6．12CrosssectionofplaincarbonOef-t)andprestressed(fight)carbonrovinginmortar6．4小结TRC是一种新型的结构增强方式，弄清它们之间的黏结本征是结构增强加固的基础。然丽由于纤维编织网本身是～种各向异性的材料，由许多纤维丝组成，埋入混凝土内受力后，不能协同受力，为此应用环氧树脂将其浸渍。浸渍后的纤维编织网可以看成67．咖㈣蛳{耄咖啪㈣蝴猢。 6．碳纤维编织网和高性能细粒混凝—栩#绪牲能的试验研究一个刚性薄网，而不必再考虑纤维丝和混凝土的作用。如果向环氧树脂浸渍过后的纤维编织网表面粘砂能提高峰值拉拔力，这是因为纤维表面的砂提高了摩擦能力，甚至产生了一种咬合效应。但是峰值拉拔力过后，拉拔力陡降，这说明纤维束内部许多纤维丝已经断裂，不能继续承载。随纤维束埋入混凝土中的长度增加，需要拔出的拉拔力增长。增强混凝土强度，提高其工作性能对黏结性能有利。适当的施加预应力能增大水泥和纤维束内部纤维丝的接触面积，有利于拉拔荷载峰值的提高。．68— 大连理工大学博士学位论文7．纤维编织网增强混凝土单向薄板弯曲性能的试验研究摘要：埋入混凝土中的纤维编织网，不会因为氯离子和二氧化碳的侵入而腐蚀，因此混凝土保护层厚度仅需满足黏结需要，此外纤维编织网本身很薄，利用纤维编织网增强混凝土(简称TRC)必然薄壁轻质。通过组合许多简单的预制轻质TRC构件可以构成大跨度拱、壳和穹顶等许多复杂的结构，单向薄板是这些构件中最简单和最实用的。此外单向的TRC薄板还可单独作承载构件，装饰构件和免拆卸模板。研究TRC单向薄板的力学性能是研究其他形式构件和研究整体结构的基础。为充分利用纤维的高抗拉强度，提高TRC板的开裂荷载以及减小TRC板的挠度，应对TRC薄板施加预应力。本文对尺寸为400哪×100m_l×20腿的单向TRC板的弯曲力学性能进行了试验研究，结果表明：在纤维编织网表面粘砂，提高配网率以及适当地施加和提升预应力都能使TRC板的裂缝更加细密均匀。此外预应力还有助于提高TRC板的开裂荷载。关键词：纤维编织网；单向板；弯曲试验；裂缝7．1引言钢筋混凝土是一种非常成功的复合物，充分；}Ⅱ用了钢材的高抗拉强度与高韧性和混凝土的高抗压强度。然而钢筋会遭到侵入混凝土中的氯离子和二氧化碳的腐蚀，最终导致结构性能裂化。为避免钢筋腐蚀，要求混凝土具有一定的保护层厚度，在某些特殊的场合，比如腐蚀环境，保护层厚度较大(比如7an以上【92】)，这样不但浪费材料而且导致结构笨重。为节省材料并减轻自重，一些不腐蚀的纤维材料就有了优势。这些纤维包括高抗拉强度的碳纤维、玻璃纤维和芳族聚酸胺纤维(aramid)以及高韧性的聚乙烯醇(PVA)纤维和聚乙烯(PE)纤维。和乱向分布于混凝土中的短切纤维造成较低的增强效率相反，连续纤维粗纱因为可以沿混凝土中的应力主向布置，极大的提高了增强效率。为固定主向纤维粗纱并增大与混凝土的黏结，利用编织技术将纤维粗纱制成了平面或立体的纺织物．即纤维编织网。因纤维不腐蚀，混凝土保护层仅需满足黏结需要，再加上纤维编织网本身很薄，利用纤维编织网增强混凝土得到的构件必然薄壁轻质。通过组合许多简单的预制轻质TRC构件可以构成大跨度拱、壳和穹顶等许多复杂的结构，单向薄板是这些基本构件中最简单和最实用的。此外TRC薄板还可单独作承载构件(比如楼板，屋面板)，装饰构件(比如顶棚，桌面和内外强板)和免拆卸模板。在TRC模板上浇注混凝土，待混凝土69． 7纤维编织网增强混凝土单向薄板弯曲性能的试验研究硬化后，不必拆卸下来，使用过程中和内部本体混凝土一起受力。以上纤维编织网混凝土构件都可以实现工厂化生产，在现场施工组装。薄板是TRC最适合的结构形式之一，研究TR．C单向薄板的力学眭能是研究其他形式构件和整体结构的基础。为充分利用纤维的高抗拉强度，提高TRC板的开裂荷载以及减小TRC板的挠度，应对TRC薄板施加预应力。本文对单向TRC薄板的弯曲力学胜能进行了试验研究，结果表明：在纤维编织网表面粘砂，提高配网率以及适当地施加和提升预应力都能改善TRC板的开裂形态，使裂缝更加细密均匀。此外预应力还有助于提高TRC板的开裂荷载。7．2试验研究7．2．1混凝土基体试验采用了商陛能精细混凝土OPT’其具体的配比和力学性能如表7．1和表7_2。表7．1：基体On’的配比组成Table7．1：ThecompositionofbasicmixtureOPT表7．20PT的28d力学特性Table7．2ThemechanismpropertiesofOPTat28days力学特性养护环境结果单位弯曲强度弹性模量收缩200c，水中200C，水中200c和65％r2a7．8322000．6Ⅳ【PaMPamn“m70． 大连理．【：犬学博士学位论文7．2．2纤维编织网试验采用纤维编织网，经向为碳纤维，纬向纤维为抗碱玻璃纤维，网格尺寸为20mmX20哪，编织结构如图7．1。图7．1纤维编织网结构图，a)N格结构图Fi97．1Textilefabric,a)Meshfabric其经向碳纤维和维向玻璃纤维粗纱的特性如表7．3表7．3纤维材料的数据表Table7．3Propertiesoffibers向纤维类型纤维型号拉伸强度拉伸模量断裂伸长单位长度质量密度MPaGPa％Texe4crn3(g／1，000m)T700S(碳纤维112k49002302．18001．80G(玻璃纤维)6k1800742．49002．70单向板的极限承载力将主要由经向碳纤维束承担潍向玻璃纤维几乎没有贡献，经向碳纤维束的力学性能如表7．4所示(具体钡I定方法见第四章)：表7．4试验用碳纤维束性能Table7．4Propertiesofcarbonyarnfortests．71． 7纤维编织网增强混凝士单向薄板弯曲性能的试验研究为提高纤维编织网和混凝土的黏结，本试验所有纤维编织网均经过环养树脂浸渍处理(具体方法见第四章)，而部分纤维编织网表面在环氧树脂凝固以前被黏上细砂，部分TRC板施加了不同水平的预应力(具体预应力的施加方法见第六章1。经过环养树脂浸渍处理的纤维束可以忽略内部纤维丝的作用，而将其视为一个单质体。7．2．3试件制作对无预应力试件，为得到有代表性的试件，制作～个尺寸为900×900X20m的模具以便将纤维编织网放入其中。首先将厚度为15哪的混凝土层置于模具中，然后将纤维编织网放于其上，最后浇注5nlm厚的混凝土层并轻微振捣。对预应力试件，制作一个尺寸为600X100X20衄的模板，将纤维编织网置于模板底面15姗处，然后对纤维编织网预张拉，然后一次浇注20蛳厚的混凝土层直至纤维编织网全部埋入混凝土中。对非预应力试件，24h后拆模；为防止在混凝土没有达到强度以前拆模造成脱黏，对预应力试件7d以后拆模，拆模前测量预应力的值，所有试件均在水中一共养护28d。试验前，用石材切割机从纤维编织网混凝土薄板锯出试验所用试件，尺寸为400栅×100IIlltl×20ll,Jn。为考察纤维编织网含量对TRC薄板力学性能的影响，本试验在一部分试件里铺设了两层纤维编织网，这两层纤维编织网的网格上下相错排列，上下两层纤维编织网在纤维束交汇的节点处用细线绑定，如图7．2所示：绑定，≥P。。1一一r’幺乏一卜--．-一一卜·=．．—～N‰。J一一L．、▲·●上层纤维编织网下层纤维编织网下层纤维编织网维图7．2两层纤维编织网的绑定示意图Fi97．2Theexhibitionofthebindingmethodoftwotextilefabrics7．3试验过程和结果一72． 大连理工大学}尊士学位论文7．3．1试验过程本试验考察了纤维编织网表面粘砂、配网率以及预应力水平对单向TRC板力学行为的影响。试验单向板长400m，宽100mill，厚20衄，纤维编织网铺设在距离底面5mm处。试验为4点弯曲试验，荷载P由荷载传感器测定，挠度为加载梁中点变形，由LVDT测定。荷载传感器和LVDT直接连在电脑上，在显示屏输出荷载位移曲线。加载速度2mm／min，加载如图7-3所示。50∞100mm100∞1001口n500图7．3板加载图Fig7．3Thedistributionofload011testingslab7．3．2试验结果按纤维编织网不同处理情况，如是否在其表面粘砂，是否施加了预应力，施加预应力的水平以及纤维编织网在混凝土内的含量是否相同，对试验结果进行了分类，如表7．5所示。表7．5碳纤维编织网混凝土板弯曲试验结果Fi97．5Resultsofbendingtestswithcarbontextile情况开裂荷载／开裂挠度极限荷载／极限挠度A网经环氧树脂浸渍1．()5瑚啪．38mill1．40kN／13．66衄B．网经环氧浸渍粘砂1，02l小∞．43mm1‘30kN／13．0r唧C．预应力400NI柬l|3210啪．36mm2．42艟W13．4砸nD．预应力600N／束1．54l(N加．51him3．13】dWl2．5IIIInE．2层纤维编织网粘砂1，15kN／0．38mm3．62kN／13．65lllm．73． 7纤维编织网增强混凝士单向薄板弯曲性能的试验研究本次试验中，施加了预应力的构件C、D，破坏时纤维束同时拉断，没有施加预应力的构件A和B，纤维束的破坏并不同时，本试验对构件A和B，当第一根纤维柬或第一批纤维束(可能同时几根)断裂，试验即终止。试验得到的荷载位移曲线如图7-4所示：43，，莒曩2枢02468i01214挠度(IIlHI)图7．4TRC薄板荷载位移曲线Fig7．4Curveofload．disolacementofTRC—slab在本试验中，除情况E外，其配网率增大一倍(由图7．2可以看出，其相当于纤维编织网的网格尺寸减小了一倍，即由原来的20m×20lllnl转变为10咖×10mm)，构件为混凝土压碎破坏以外，其他均为纤维束的拉断破坏。其中只有施加了预应力的构件C和D，破坏时纤维束同时拉断，破坏突然，没有施加预应力的构件A和B，纤维束的破坏并不同时，从卸下来的板的裂缝看去，有的纤维束彻底拉断，有的仅有些外部纤维丝断裂，整个纤维束仍然连通。由于破坏不同时，弱化了承载能力，使得其极限承载能力比预应力构件还低。本次试验中，情况A和B，当第一根纤维束或第一批纤维束(可能几根)断裂，试验即终止。．从表7．5和图7．4中可以看到，预应力能明显提高基体的开裂荷载，预应力越大捉副越明显。增大配网率对开裂荷载提升不大，极限荷载却得到了很大提高，构件的裂缝也变得更加小而密。预应力增大也会优化构件开裂行为，使裂缝变得更加细密均匀，图7．5是板裂缝的照片。74． 大连理工大学博士学位论文a1c)曲情况Aa)ConditionAb)情况Bb)ConditiOilB¨c)情况Dc)ConditionDd)情况Ed)ConditionE图7．5不同情况下板的裂缝Fig7．5Cracksofdiffc珊ntcondition从图7．5中可以看到，由于在树脂浸渍后的纤维编织网表面粘砂，增加了纤维编织网和混凝土的摩擦，使黏结能力大大提高，在板受力区裂缝变得小而密，其数量由2个(A)增为5个∞)，裂缝间距由90mm左右降低为20nflll，这两者的裂缝基本都发生在纯弯段以内。对粘砂的纤维编织网板施加预应力，裂缝变得更加小而密，其数量由5个增为10个(c)，试验曲线的振动幅度更小，弯剪区底部也出现了类似纯弯段内的裂缝。减小纤维编织网格尺寸，增大配网率，能进一步减小裂缝间距和宽度，配网率增大一倍以后，受拉区的裂缝数量已有5个增为14个，裂缝的平均距离大约在1crn左右，试验曲线变得更光滑。．75— 7纤维编织网增强混凝土单向薄板弯曲性能的试验研究从表7．5可以看到，五种情况板的挠度差不多，最小的是D，其挠度为11．6film，其他的都在13衄左右，预应力似乎并没有使挠度减小，这是由试验所设定破坏的条件所决定的，即当第一批纤维束(可能一根或同时几根)断裂，试验即终止。实际上，当第一批纤维束断裂时，仍有一部分纤维束没有断裂构件仍能继续承载，挠度增长，荷载趋小。7．3-3试验结果分析复合材料的所有力学行为都和复合物的黏结行为有关。黏结一滑移法的力学模型简单明了，清晰地反映平均裂缝间距的影响因素，但对钢筋混凝土构件平均裂缝间距的预测仍然缺乏足够的准确性。此法也不能对TRC构件裂缝间距准确预测，但是我们仍然可以利用此法对TRC构件裂缝间距定性分析。裂缝平均间距的公式为『9311，=1．5l一-s芒(7．1)其中km是裂缝的最小间距，d是纤维束断面的理论直径，_是配网率，五是混凝土的抗拉强度，r。是平均黏结应力，可以从拉拔试验中得到，Ffm2面其中F是最大拉拔力，z是埋长。把(7．2)带入(7．1)得到1；兰生型“3F(7．2)(7．3)其中A。是TRC构件的混凝土部分断面面积，因为纤维束的断面面积非常小，其实就相当于TRC构件的截面面积。从(7．3)式中可以看到，因为在纤维编织网表面粘砂、适当地施加和提升预应力能提高拔出荷载峰值其具体试验结论见第六章)，因此裂缝间距会减小。．76— 大连理工大学博士学位论文7．4小结薄板是TRC的理想结构形式，不仅是组成复杂结构的单元，也可以单独作为承载结构。TRC的研究才刚网H开始，对TRC薄板研究是研究复杂结构形式的基础。通过研究表明，所有埋入混凝土中的纤维编织网都应该利用环氧树脂进行浸渍，环氧树脂凝固以前，在纤维编织网表面粘砂，适当地施加和提升预应力都能提高拔出荷载峰值从而改善纤维和混凝土的黏结，使TRC板的裂缝更加细密均匀。提高配网率同样自E使裂缝细密均匀，其原因来自于复合材料理论，而不是黏结性能。预应力还可以提高TRC板的开裂荷载。77— 8．预应力与非预应力TRC矩形梁的正截面承载能力计算分析摘要：纤维材料具有较高的抗拉强度，纤维编织网的经向纤维束可以沿混凝土中的应力主向布置，因此利用纤维编织网增强混凝土(简称TRC)可以以较低的配网率获得较高的承载能力。然而纤维材料弹性模量较低,TRC构件较薄，再加上低配网率，荷载作用下，TRC构件变形较大，裂缝开展过宽。为减小变形和裂缝，应对TRC构件施加预应力。和钢材不同，纤维材料在拉力作用下，应力应变呈线性关系，没有屈服阶段,TRC构件的破坏也不可能以纤维达到屈服点为判断条件，这决定了预应力与非预应力TRC构件正截面弯曲承载力的计算和钢筋混凝土有诸多不同之处，本章对预应力与非预应力TRC矩形截面梁的正截面弯曲承载力进行了计算分析，并与钢筋混凝土梁进行了比较。关键词：纤维编织网增强混凝土；矩形梁；正截面承载力；预应力8．1引言纤维编织网是由纤维粗纱编织而成的二维或三维结构，至少包括经纬两向纤维束。利用纤维编织网代替钢筋增强混凝土的益处非常明显，比如具有较高的增强效率，优良的承载能力，不会因为氯离子和二氧化碳的侵入而腐蚀，因纤维编织网轻柔而减小了施工难度以及TRC构件本身的轻薄等等。常用的纤维编织网主要由碳纤维粗纱和玻璃纤维粗纱织成，碳纤维的抗拉强度可以达到4900M‰远远高于钢材，而弹性模量跟钢差不多：玻璃纤维的抗拉强度和高强钢丝差不多，而弹性模量却仅为钢的四分之一，碳纤维价格昂贵，玻璃纤维则便宜很多，根据工程的不同要求，同一张纤维编织网经纬向纤维束可以采用不同的材料，比如经向采用碳纤维，维向采用玻璃纤维。无论那一种纤维，拉力作用下，应力和应变均为线性关系，没有屈服阶段，其破坏为脆性断裂，非常突然。TRC梁的正截面弯曲破坏可以分为三种：1)由梁上表面混凝土压碎所导致，简称混凝土的压坏：2)由梁下部受拉区纤维编织网的拉断所导致，简称纤维编织网的拉断；3)上表面混凝土的压碎和下部受拉区纤维编织网的拉断同时发生，又称为平衡破坏。绝大部分TRC梁的破坏均可归结为混凝土的压坏和纤维编织网的拉断两种原因．平衡破坏发生的概率非常小。无论是混凝土的压坏还是纤维编织网的拉断都属于脆性破坏．发生的都比较突然。．78． 大连理工大学博士学位论文由于纤维材料弹性模量较低,TRC构件较薄，再加上低配网率，荷载作用下，TRC构件第一个裂缝和此后出现的裂缝开展过宽，构件的刚度较小，变形较大，力学原理如图8．1所示。ⅣN吡N口l图8．1增强构件的拉力和变形Fig8．1ForceVSelongationofareinforcedelement图8．1中，第一种情况代表低配网率和低弹性模量构件，第二种情况代表高配网率和刚度较大的构件。从图中可以看出无论配网率如何"开裂前，TRC构件的刚度差不多，不同仅发生在第一个裂缝出现以后。此时，配网率较小的构件刚度较小，相同荷载作用下，变形较大。这时由正截面极限承载力确定的配网率往往不能满足变形的限制要求。为较小变形以满足正常使用要求，应加大配网率，然而这无疑会增加投入。为节省材料且达到减小裂缝宽度和变形的目的，可利用先涨法对TRC构件施加预应力。预应力能够提升初裂荷载，提升幅度直接和预应力的大小有关。如对一轴拉TRC试件，没施加预应力就开裂荷载为肛一。旆加预应力％后，开裂荷载升为^k=N。I+Np。如图8．2。没有施加预应力以前，构件受力后荷载位移曲线从0’点开始，当荷载达到^b时，TRC构件开裂，纤维编织网开始承担主要荷载。纤维编织网刚度越大，配网率越高，曲线越陡。如果配网率较低，在第一个裂缝出现后，将导致很大变形。旌加预应力以后，构件受力后荷载位移曲线从0点开始，当荷载达到虬r2时，构件才开始开裂。所以构件没有开裂的弹性状态相当于被预应力％延长了，其正常使用状态的范围也相应扩大了。．．79，． 8．预应力与非预应力TRC矩形梁的正截面承载能力计算分析ⅣO厶￡图8．2预应力构件的拉力和变形【11】Fig8．2Forcevselongationofaprestressedelement纤维材料的本构关系根本不同于钢材，应力应变呈线性关系，不屈服，这决定了TRC构件的正截面弯曲承载力的计算和钢筋混凝土有诸多不同之处，本章对预应力与非预应力TRC构件的正截面弯曲承载力进行了计算分析，并与钢筋混凝土构件进行了比较。8．2TRC矩形截面梁正截面极限承载能力计算分析如前所述，TRC梁的破坏可能是由混凝土受压边缘的应变达到极限而致，也可能是纤维拉断而致，如是前者，且截面为矩形，计算承载力的时候，为简化计算，可把混凝土受压区曲线分布的压应力等效为矩形，相应的等效系数a和卢可在《规范》【叼中找到；如是后者，《规范》并没有给出此时的等效系数a和口，其应依照受压区合力大小和作用点相同的原则重新确定，具体计算方法如下：8．2．1基本假定(1)截面应变呈直线分布；(2)纤维应力—应变里直线关系：仃=EsefOs8，sefu(8．1)辱为纤维编织网的受拉弹性模量，r且为纤维编织网经向纤维束的极限拉应变，混凝土受压应力应变关系取为一80． 大连理工大学博士学位论文叹世嘉嚣祭‰式中，黼凝土轴心抗压强度；F—混凝土压应变：￡r_混凝土受压边缘应变；F—昆凝土刚达到．疋对应的应变，f。=o．002；￡。—混凝土的极限压应变，按规范取为0．0033，(3)不考虑拉区混凝土的作用。TRC矩形梁截面应力应变如图8_3：母oPc0≤￡c≤f口P口≤fc≤占口(8．2)碰．通Pf．．．j二———．．．．．．．．．J．．．．．．．．．．J7(a)横截面@应变图(c)应力图(d)等效应力图图8．3矩形截面应力和应变图Fig8．3PlotofstressandstlainofrectangleCl"O$8．2．2积分计算混凝土受压边缘不同应变下的a和p对压应变分布积分，即(8．2)式积分，计算混凝土压合力G为Cv=lqLb％o=式中唼一委撬肌乞s％(1一_eo珑‰，Eo>【921(以下简称<<规范>>)。然而由于纤维材料的本构关系根本不同于钢材且TRC梁的破坏形式也和钢筋混凝土梁不一样，因此TRC梁的正截面极限承载力的计算又和钢筋混凝土梁有诸多不同。<<规范>>在计算钢筋混凝土适筋粱正截面极限承载力的时候，仅考虑了断面力的平衡方程和内外弯矩的平衡方程，即∑z=0，即。1Lbx=^爿，EM=0,EPM。=a1Lbz(h。一iX)．96．(9．1)(9．2) 大连理工大学博士学位论文式中aj—爱压区等效矩形化应力系数，按<<规范>>选取；正一混凝土轴心抗压强度；b一截面宽度；上一等效受压区高度工=卢。‰，卢，受压区等效矩形化高度系戴按<<规范>>取；h口一截面的有效高度；疗—嘲筋的屈服应力；以—_受拉钢筋的总面积；^丸广一正截面极限弯矩。对适筋梁，承载极限状态钢毁达到屈服应力矗于是方程p。1)右边可知，由(9．1)式求出墨代入(9．2)式求正截面极限弯矩^死。<<规范>>认为梁受力后，断面应变符合平截面假定，并以此为基础确定了界限受压区高度Xb，如图(9．2)所示。但这一假定在正截面极限弯矩的计算中没体现出来。事实上，由图(9．2)左钢筋本构关系，只要钢筋应变大于屈服应变gs>s，钢筋拉力T=fO。于是(9．1)式中的等效受压区高度X就被唯一确定，由(912)式唯一确定正截面极限弯矩舰。因此只要受拉钢筋达到屈服，由平截面假定所确定的几何方程就失去了约束作用，在计算正截面极限承载力的时候就不必考虑几何方程。图9．2(a闻筋本构关系，(b)钢筋混凝土梁的3种破坏形式Fi沙．2(a)Constitutiverelationshipofsteel(b)Threefailuresofsteelreinforcedconcrete如上所述,TRC梁的破坏可以分为纤维拉断控制、混凝土压碎控制和平衡破坏3种，如图9．3。对纤维拉断控制的TRC粱方程(9．1)右边为纤维拉力霸得．97．． 9．纤维编织网增强混凝iv(或曰形粱的正截面极限承载能力计算分析Tf；f—f式中西——纤维束的极限拉应力；4——受拉纤维柬的总面积。J’廓图9．3(a)纤维本构关系，Co)TRC梁的3种破坏形式Fia9．3(a_1Consfitufiverelationshidof丘ber．帆rcefailuresofTRC坏(9．3)由于缸和一，都是已知的，因此方程(9．1)右边巧可知。然而混凝土受压边缘不能达到极限应变，因此不能利用规范给定的等效系数对受压区应力分布矩形化处理，即(9．1)左边的。J应重新根据受压区应变大小和作用点均不变的原则确定。对混凝土压坏控制的TRC梁，(9．1)左边的aJ可查<<规范>>确定，但此时纤维没有达到极限应变，即s芦r硒纤维拉力不可知，即(9．1)右边不可知，为此必须联立平截面假定确定的变形几何方程和力的平衡方程求解x，而后按(9．2)式确定％f详见第八章)。平衡破坏是一种l临界状态，可以归为纤维拉断控制和混凝土压碎控制任何一个之内。以上比较了TRC梁和钢筋混凝土梁在正截面极限承载力计算上的差异，这种差异存在于所有截面，比如矩形和T形。此外由于纤维和钢的本构关系不同和TRC梁与钢筋混凝土梁破坏形式的不同，现行<<规范)．)，用于判断钢筋混凝土粱T形截面的公式不适用于TRC-T。对钢筋混凝土T形截面粱有下式：．98． 人连理I大学博士学位论文，。．eelsEalLb。h。式中6。——T形截面翼缘宽度；h。——T形截面翼缘高度；其他符号意义同前。若(9．4)式成立，则正截面极限承载力可按矩形截面计算否则按T形截面计算。然而对TRC-T,(9．4)变为fhAfEQl{囊whw(9．4)(9．5)当破坏为纤维拉断控制时，(9．5)式左端可知，然而由于此时受压区上边缘混凝土没有达到极限应变，等效系数口，和不能按照cc规范，>定，应重新根据受压区应变大小和作用点均不变的原则确定。然而由于此时截面为T形第八章求得的矩形截面TRC粱不同混凝土压应变下对应的等效系数不适用。求TRC-T不同混凝土压应变下对应的等效系数正是本章的工作。由于等效系数。J不可知，(95)式右边不可知，即(9．5)式不可用。另一方面，当TRC-T的破坏为混凝土压坏控制时，(9．5)式右端可知，此时纤维没有达到极限拉应力，(9．5)式左端不可知，所以(9．4)式也不能用。因此TRC-T梁正截面极限承载力计算不能照搬钢筋混凝土梁的公式，而应根据cc规范>>的基本假定重建一种计算方法。9．2TRC-T梁正截面极限承载力的计算9．2．1基本假定(1)截面应变呈直线分布；(2)纤维的应力—应变呈直线关系：，，；EyefOh。|截面为T形，利用平衡方程，即}～Af=吼Acoo将(9．16)代入(9．31)，并计算蜀得：三(丛生一盟+笠113、对cb陆8。(9．30)f9．31)p．s2)同时利用几何方程(9．29)，求得Xo，将平衡方程和几何方程求得的两个Xo比较，如果不等重新给定受压边缘应变r。(步骤1)，重复步骤3．2，直到二者相等。计算受压区图形形心儿，联立(9．17),11(9．18)式，得到：。：鳖：皇!笠±丛生!二丝21垒!±笠!。‘爿。2(6。h。+6(犀r。一，l。))于是正截面极限承载弯矩尬。r9．33)Mu=Ff(hi—y。)或M。=吼彳⋯(^，一_y。)=可p。h。+6(肛。一^。))∞r—y。)(9．34a,b)108．踢砷万瓤盟一博』屯 人连理I‘人学博士学位沦文B．当破坏由混凝土压坏控制时：混凝土受压边缘应变为极限应变r。，此时梁一般都会进入T型截面状态，利用几何方程(9．28)求得ef,E口在(9．28)式中用r，代替8血，用F。，代替r。计算得到由纤维本构关系，得纤维拉力而{h—E|8fr9．35)四．36)将(9．35)代入(9．36)，而后代入平衡方程(9．3a)h勉，将(9．16)代入(9．31)右边，得到E，譬掣铲吼M一(阶¨)解得关于％的～元二次方程：r9．37)G唾c辟)x：+(ccf。bwhw—c唾囊whw+AfEf￡，●xb-AfEfg。hf=0p。38)On+B=畈6。h。一唬6。h，+爿，E，s。RB>0解得％X。；兰竺等掣(负徵8喻。；————。———————————————一f1自{酉易}}除、”2吼触⋯⋯“”7(9．39)而后计算受压区图形形心托，联立(9．17),11(9．18)式，但此时混凝土已达到f。，应用卢。代替声。：垒：皇!垒i!皇!墅Q二生狴!鱼±笠!～爿。2(b。h。+b(fl，‰-h。))。109一(9．40)一唑。 9．纤维编织网增强混凝十㈠或n形梁的U：截面极限承载能力计算分析展根据混凝土的强度级别按<<规范，>．取值而后按下式确定正截面极限承载弯矩必，：M“2a，fcAco．(hr一)，c)；a·，pw矗w+懈石。一^w))Q，一yc)f941)口，根据混凝土的强度级别按<<规范，，取值c．当破坏时，混凝土压坏和纤维编织网拉断同时发生将式(9．29)中的s。用f。代替，得到驴羔F删+S向然后判断截面形式，如局≤‰则截面为矩形，按下式计算极限弯矩M。=口。，c卢。z。b(h，一孥)四．42)r9．43)如蜀拍，则截面为T形，按(9．删计算儿，按(9．41)计算极限弯矩必须重申：以上TRC-T梁受压区应力图等效矩形化计算承载力的方法建立在一个假定基础上，即T型截面的a、鼻在不同受压边缘应变下，也可以采用矩形截面的值。这种假定能给结果带来多大误差，很难通过数学公式给出一个估计。比较现实的办法是把利用这种方法计算的结果和精确解比较一下，得出一个判断。以下就是一个例子。9．3算例一玻璃纤维纤维编织网增强混凝土梁，单束玻璃纤维抗拉强度1200N，理论面积0．5mm2，弹性模量74GPa，其极限拉应变为O．0324，混凝土强度为50MPa，梁截面工型，梁高150mrn，翼缘宽100mm，高10mm，腹板宽20mm，纤维编织网距混凝土外边缘5mm。对混凝土受压区的压应力图分别采用积分计算和等效矩形化计算，两种方法处理得到压应力合力。计算结果见图9．6、图9．7和图9．8：．110． 人连理1．．人学博十学位论文0．00350．003制000254≥i蠢0．002嫠0．0015出谢0．0010．00050373839404142434445505260100纤维根数图9．6受压边缘应变比较图Fig9．6Comparativeplotsofmarginalcompress-strain373839404l42434445505260IOCI纤维根数图9．7受压高度比较图Fig9．7ComparativeCotsofcompress—height．111∞巧加埔∞5O吕目《趟俺凶趟似 9．纤维编织网增强混凝tI．(或1)形梁的正截面极限承载能力计算分析f攀。——————／[一积分法+矩形化法纤维根数图9．8弯矩比较图Fig9．8Comparativeplotsofmomentofflexure纤维根束小于37时，两种算法都得出截面为矩形的结论。采用矩形简化算法，得出纤维根束38根时，截面转为T型；这个值对积分法为37。两者相差很小。采用矩形简化算法，平衡破坏时，纤维根数为42．8，这个值对积分法为44．1，相差仅一根多。两种算法得到极限弯距相差最多3．5％，完全在工程可接受范围内。9．4小结(1)不考虑受压区混凝土的抗拉能力，工形截面梁正截面承载力的计算等同于T形截面梁。(2)TRC-T梁正截面承载力的计算和T形截面类型的判断，必须同时考虑平衡方程和几何方程。(3)TnC-T的等效系数。和卢不仅是混凝土梁受压边缘应变的函数而且和截面的具体形状有关系。(4)对TRC-T,不考虑T形截面和矩形截面。和卢的差异，采用矩形截面的等效系数计算出来的正截面极限承载力足够精确。(5)对破坏由纤维编织网拉断控制的梁，正截面承载力的计算是一个渐进的，需要不断调整混凝土边缘压应变，使受压区高度同时满足平衡方程和几何方程。而混凝土压碎控制的破坏和平衡破坏的正截面承载力的计算可以一次完成。．112．98765432l0g。z岜裂静 人连理I：大学博士学位论文10．结论钢筋混凝土是一种成功的复合物，将钢材的高抗拉强度与高韧性和混凝土的高抗压强度充分结合起来。然而钢筋会遭到侵入混凝土中的氯离子和二氧化碳的腐蚀，最终导致结构性能裂化。为避免钢筋腐蚀，混凝土要具有一定的保护层厚度，在某些特殊的场合，比如腐蚀环境，保护层厚度要在7an以上，这样不但浪费材料而且使结构笨重。为节省材料并减轻自重，一些不腐蚀的纤维材料就有了优势。这些纤维包括高抗拉强度的碳纤维、玻璃纤维和芳族聚酸胺纤维(Aramid)以及高韧性的聚乙烯醇(PVA)纤维和聚乙烯(PE)纤维。因可以沿混凝土中的应力主向布置，连续纤维粗纱对混凝土的增强效率远远高于乱向分布于混凝土中的短切纤维。为固定主向纤维粗纱并增大与混凝土的黏结，利用编织技术将纤维粗纱制成了平面或立体的纺织物，即纤维编织网。本课题是国家自然科学基金重点项目“混凝土结构裂缝的形成与发展机理及控制技术的研究”的一部分，通过对纤维编织网增强混凝土佩C)结构力学性能的研究，解决利用纤维编织网对脆性的混凝土形成更好的增强和开裂限制的问题。10．1本文工作的总结(1)实现TRC结构首要的，同时也是最为重要的，是开发出一种适合纤维编织网的基体。为保证混凝土充分渗透过纤维编织网，与其形成的良好黏结，避免孑L穴，形成良好的表面，这种基体应具有高流动性且不离析的自密实能力，同时由于纤维材料抗拉强度较高，而TRC构件变形较大，为充分利用其高抗拉强度和减小构件变形，应对其施加预应力。本文首先以自密实混凝土试验方法为标准，对TRC基体进行了优化开发，找到了一种工作性能最好的基体配合比，并对其进行了力学性能的检验，结果表明：其具有早高强能力，适合施加预应力。(2)本文采用GRC试件的加速老化试验方法检验上一步所开发出的基体对耐碱玻璃纤维的腐蚀程度。相当于50年的加速老化试验的结果表明，GRC试件仍保留了试验前强度的85％，因此这种基体对玻璃纤维的腐蚀在可接受的范围内。(3)了解纤维编织网的力学性能是进行结构试验的基础，本文采用了一种以”应变夹”为主要测量设备的试验方法，测定了本试验所采用纤维编织网的力学性能，比如抗拉强度，弹性模量和极限应变等。113． 10．结论(4)黏结本构模型是对纤维编织网和混凝土黏结性能的精确描述，是进行结构裂缝宽度计算、塑性角转动能力计算、剪切破坏计算以及非线性有限元分析的基础。本文利用4线段双平行线的黏结本构模型对纤维束从混凝土基体拔出的现象进行了解析分析，不仅得到了拔出力和加载点位移关系曲线，而且得到了拉拔力作用下，纤维束上各点的剪应力、滑移和拉力的响应方程，为印证黏结参数，分析拉拔力作用下的结构相应，提供了一种方法。(5)纤维编织网能否和混凝土良好的协同工作在于它们能否形成良好的黏结。本文通过纤维束从精细混凝土中的拔出试验，探讨了提高纤维编织网和精细混凝土的黏结性能的方法。试验结果表明：随纤维埋长增大，纤维束的最大拉拔力不断增大，提高混凝土强度，改善其工作性能，向混凝土内适当添加短切纤维，用环氧树脂浸渍纤维编织网并在其表面粘砂以及对纤维编织网施加预应力均能提高黏结强度。(5)板是TRC最简单和最适合的结构形式，其不仅能单独作为承载构件，而且通过组合许多简单的预制轻质TRC薄板可以构成大跨度拱、壳和穹顶等许多复杂的结构，研究TRC单向薄板的力学性能是研究其他形式构件和研究整体结构的基础。本文对纤维编织网增强混凝土单向薄板进行了4点弯曲试验．结果表明在维编织网表面粘砂，提高配网率以及适当地施加和提升预应力都能改善TRC板的开裂形态，使裂缝更加细密均匀。(6)本文对纤维编织网增强混凝土矩形截面梁的抗弯能力，包括极限弯矩和开裂弯矩进行了计算分析，并给出了计算方法。(7)为节省混凝土，减轻结构自重并充分利用纤维编织网，建筑中的TRC梁一般采用工字形截面。如果忽略受拉区混凝土的抗拉能力，工字形截面梁正截面极限承载力的计算等同于T形截面。由于纤维材料和钢材的本构关系不同，这使得梁受压区曲线分布的压应力等效矩形化系数既是边缘压应变的函数，也和T形截面的具体形状有关。事实上，不可能对每种T形截面，对不同的边缘压应变给出相应的等效系数。而对TRC梁受压区压应力直接积分又非常复杂，不适于手算。本文对比了对梁受压区压应力直接积分计算极限承载力和对混凝土受压区的曲线压应力分布采用等效矩形化处理，即依据T截面不同的边缘压应变采用了矩形截面相同边缘压应变对应的等效系数计算极限承载力两种计算方法的结果，表明这两种方法算得，在相同配网率的情况下，梁．．114． 大连理：[火学博十学位论文的极限承载力、受压区高度和受压边缘应变非常接近。于是一种简化的计算方法得以产生。10．2需要进一步解决的问题(1)高性能精细混凝土胶凝材料用量较大，特别是粉煤灰的用量较大，这可能导致较大的收缩。对预应力TRC结构，较大的基体收缩将会导致较大的预应力损失。本文对高性能精细混凝土的收缩仅仅测到28d,高性能精细混凝土较长时间内的收缩量应该在以后的研究中被测定。(2)碳化将会降低混凝土的碱性，这对玻璃纤维编织网增强混凝土结构的耐久性非常有力。由于高性能精细混凝土含有大量的粉煤灰，无疑加速了碳化速度，TRC构件很薄，碳化将很快进入试件内部，也就是说TRC试件将在很短的时间内彻底碳化完毕。TRC试件绝大部分工作时间内，都处于碳化后状态，因此研究高性能精细混凝土基体和TRC试件碳化后的力学性能以及碳化后的玻璃纤维编织网增强混凝土的耐久性的意义更为重大。(3)钢材不同，埋入混凝土中的纤维编织网未面粗糙，断面细小且没有固定形状，普通的应变计难以固定其上；纤维编织网的经纬向纤维束由很多纤维丝组成，只有外部的纤维丝能和水泥基体形成较好黏结，而后通过摩擦传力于内部纤维丝，为研究内外纤维丝的变形差异，测量一个纤维丝的应变和滑移是必要的，然而普通应变计不能满足要求。利用F-P光纤传感器可以实现测量水泥基体中的纤维丝或纤维束的应变。下一步的研究重点在于F-P光纤传感器在TRC结构的测量应用上。(4)本文对纤维束进行了拉拔试验，这是TRC黏结性能研究的非常重要和基础的一步。然而纤维编织网的不同编织形式将会对其和混凝土的黏结造成很大影响，对这个问题的探讨不可回避。(5)ECC是一种以PVA短切纤维为增强材料的具有高韧性的水泥基复合体，联合使用ECC和TRC，即在ECC基体内铺设纤维编织网，将会进一步优化结构性能，使其在荷载作用下，裂缝开展的更加细密均匀。(6)因纤维材料的弹性模量较低且TRC构件的配网率较小，因此TRC构件的变形较大。对TRC构件而言，正常使用极限状态设计的重要性有可能超过承载能力极限状态而成为控制因素，因此应对TRC构件挠度的计算进行研究，并找到一些能减小TRC构件变形的方法。．115 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攻读博士学位期间发表(含录用)的论文攻读博士学位期间发表学术论文情况[1】徐世娘，李赫．纤维编织网增强混凝土的拉拔计算分析．铁道科学与工程学报，2005，20)：15-21，一级学会期刊，中文核心，论文第五章[2]徐世娘，李赫．碳纤维编织网和高性能细粒混凝土的粘缔陛能研究．建筑材料学报(已录用)，EI，论文第六章【3】李赫，徐世娘．纤维编织网增强自密实混凝土基体的配制．建筑材料学报(已录用)，EI，论文第二章和第六章【4】李赫，徐世煨．纤维编织网增强混凝土(TRC)的基体开发和优化冰力发电学报f已录用)，一级学会期刊，飘论文第二章[5】5LiHe，XuShilang．Serf-compactingconcretefortextilereinforcedelements．14InternationalSymposium011Design,PerformanceandUseofSCC．R11EMPR042，Cha口gsha，China,2005，EI检索，论文第二章[叼XuShilang,LiHe．AstudyOllbondpropertybetweenhighperformancefineconcreteandcarbonfibertextile．JoumalofWuhanUniversityofTechnology(MaterialsSciencezaition)，已录用，SCI核心期刊，论文第六章．122． 创新点摘要l。配制了一种高性能精细混凝土，其具有自密实能力，早高强性能以及对玻璃纤维化学侵袭在可以接受的范围内，适合作TRC结构的混凝士基体。2．提出了一种将纤维编织网用环氧树脂浸渍并在其表面粘砂，而后再将其埋入混凝土中，以提高纤维编织网和混凝土粘绮陛能的方法，并对纤维柬从混凝土中拔出的试验现象进行了解析分析。3．设计开发出了一种适合TRC梁的先张法预应力加载设备，并对预应力与非预应力TRC构件进行了试验研究和理论分析，提出了TRC-T型截面梁正截面极限承载力的简化计算方法。，123 致谢致谢在日月轮回中，三年多的攻读博士学位的生涯就要结束了。这三年多的时间里，作者的思想和知识都得到了长进，而所有这些进步都和结构大厅全体老师和同学的帮助分不开。首先要感谢作者的导师徐世娘教授，他不仅在学业上悉心指导并全力支持，使作者能够顺利完成论文，而且在处事方面给了作者很多建议，相信这些建议将在作者以后的人生道路上发挥重要作用。在此谨向导师徐世娘教授表示衷心的感谢。求学期间，赵国藩院士、宋玉普教授、黄承逵教授、王清湘教授、吴智敏教授、丁一宁教授、贾金青教授、殷福新副教授、任慧韬老师、刘毅老师以及何化南老师都给了作者很多关心和支持，在此表示感谢。土建学院结构大厅是一个团结和谐的集体，作为其中的一员，能时刻体会到来自这个集体的关怀和爱护。无论是学长，同级同学还是学弟学妹们，都曾对作者给予了热心的帮助。他们是王文炜、赵艳华、周长东、王丹、高洪波、李贺东、管仲国、杨萌、张宏战、张小钢、冯秀峰、朱美春、牟晓光、徐磊、张滇军、高淑玲、王冰、朱榆、李庆华、孙进等，祝他们今后的事业灿烂辉煌。最后，然而却是最重要的，感谢作者的家人，我的父母、爷爷、姑姑和妹妹，感谢他们五年来的支持，他们是我心灵的故乡。一124李赫2005—9—27