结网方式对碳纤维混凝土板抗弯性能的影响.pdf

2 0 1 4年 第 l 1 期 l 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 4 NO ． 1 1 No v e mb e r 结网方式对碳纤维混凝土板抗弯性能的影响 李 强 ， 马芹永 ， 卢小雨 ， 刘 杰 ( 安徽理工大学土木建筑学院 ， 淮南 2 3 2 0 0 1 ) 摘 要 ： 采 用 平 织 法 和 打 结 法 两种 方 法 编 织 网格 间距 分 别 为 8 0 r n m 和 1 0 0 mr n的碳 纤 维 编 织 网 ， 通 过 板 的 抗 弯 试验研 究不同结网方式对不同网格问距 CT RC板抗弯性能的影响 。试验 结果表 明 ， 打 结法编织的碳纤 维编 织网在 减 小 CTRC 板 的挠 度 的 同 时也 相 应 降低 了抗 弯 强 度 ，且 当超 出板 的抗 弯极 限 承 栽 能 力 之 后 CTRC 板 不会 完全 破 坏 ， 仍具有残余承载 能力 。其 中网格 间距为 1 0 0 m m 打结碳 纤维编织 网增强混凝土板的抗 弯强度及极 限挠度较 平织 碳纤维编织 网分别降低 了 3 6 ．8 ％和 6 ． 0 ％。 关 键 词 ： 碳 纤 维 编 织 网 ； 混 凝 土 板 ； 结 网 方 式 ； 抗 弯性 能 Ab s t r a c t ：T w o me t h o d s o f p l a i n we a v i n g a n d k n o t we a v i n g we r e u s e d t o w e a v i n g c a r b o n fi b e r t e x t i l e wi t h d i f f e r e n t g r i d s p a c i n g s ( 8 0 mm a n d l O O mm) ， a n d t h e b e n d i n g t e s t s o f C TRC p l a t e we r e c a r r i e d o u t t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t o f we a v — i n g me t h o d s O H b e n d i n g p r o p e r t y o f C T RC p l a t e s w i t h d i f f e r e n t g r i d s p a c i n g s ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t c a r b o n fi b e r t e x t i l e s u s i n g k n o t w e a v i n g me t h o d c a n i mp r o v e d e fl e c t i o n a n d r e d u c e b e n d i n g s t r e n g t h o f C T RC p l a t e s ，a n d wh e n t h e l o a d e x — e e e d s t h e b e n d i n g u l t i ma t e c a r r y i n g c a p a c i t y o f p l a t e ， C T RC p l a t e s w i l l n o t b e c o mp l e t e l y d e s t r o y e d a n d s t i l l h a v e r e s i d u a l c a r r y i n g c a p a c i t y ． Wh e n t h e g r i d s p a c i n g i s l O O mm， the b e n d i n g s t r e n g t h a n d l i mi t i n g d e fl e c t i o n o f t h e c a r b o n f i b e r t e x t i l e r e i n f o r c e d c o n c r e t e p l a t e s a r e r e s p e c t i v e l y r e d u c e d b y 3 6 ． 8 ％ a n d 6 ． 0 ％ c o mp a r i n g w i t h t h o s e o f c a r b o n fi b e r t e x t i l e u s i n g t he pl ai n we a v i n g me t ho d． K wo r d s ：C a r b o n fi b e r t e x t i l e ；C o n c r e t e p l a t e ； W e a v i n g me t h o d ； Be n d i n g p r o p e r t y 中图分类号 ： T U 5 2 5 ． 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 — 4 6 3 7 ( 2 0 1 4 ) 1 1 — 5 6 — 0 4 O前 言 碳纤维具有较高的抗拉强度 ， 编织 成网布置在 混凝土 内部可提高混凝土构件的强度 ， 且混凝土开 裂后 由 于碳 纤 维 的 化 学 性 质 稳定 不 会 使 构 件 的 耐 久性能显著降低。碳纤维编织网增强混凝土的这一 特 点在 地下结构等处 于潮湿环境的工程中具有 突 出的意义 ， 引起 了国内外学者的广泛关注。碳纤维 编织 网增强混凝土复合材料的组合效果取决于碳 纤维与混凝土基体的粘结性 能。徐世娘 、 苟勇等” - 2 ] 研究表明 ， 将纤维编织网用环氧树脂浸渍可显著改 善纤维编织 网和混凝土之间的粘结性能 。尹世平 、 李赫 等研究表明， 纤维经环氧树脂浸渍后并在其 表面粘砂将提高基体与纤维束之间沿纤维束径 向 的粘结力。P e l e d等研究表明[ 5 1 ， 纤维网的界面粘结 及增强效果受其几何特性的影响较大 ， 不 同纤维编 织网的编织方法对纤维编织 网和混凝土基体 的粘 结性 能 的影 响很 不一 致 。 总体来说 ， 目前 的研究 主要集 中在碳纤维编织 网对混凝土薄板的增强效果上 ， 对于碳纤维编织网 基金项 目： 淮 南市 科技计 划项 目( 2 0 1 1 A 0 7 9 1 8 1 ； 安徽 理工 大 学大学生科研项 目( Z Z I 3 0 2 ) 。 一 56一 增强普通混凝土板 的研究较少 。孟辉 、 吴娇等 I 对 厚度为 8 0 m m的碳纤维编织 网增强普通混凝土板 的 抗 弯 强度 进 行 了试 验 与 分 析 ， 结 果 表 明 ， 碳 纤 维 编 织网能够提高普通混凝土板 的抗弯强度 ， 但 由于碳 纤 维 与 基 体 粘 结 强 度较 低 ， 裂 缝 开展 迅 速 ， 这 对 结 构的继续承载产生较为不利的影响。为了改善碳纤 维束与混凝土基体问的粘结 ， 更好控制混凝土裂缝 的宽度 ， 受打结纤维 可明显提高复合材料试件拉伸 性 能阎 的启 发 ， 本试 验 通 过对 平 织 法 和 打结 法 两 种 结 网方法 的碳纤维编织 网增强混凝 土板抗 弯性 能 的试验与分析 ， 研究 了结网方式对碳纤维 网增强普 通 混凝 土板 抗弯 性能 的影 响 。 1 原 材 料 1 ． 1 试验用混凝土原材料和配合比 水泥采用 P O 4 2 ． 5级普通硅酸盐水泥 ； 粗骨料 采 用粒 径 为 5 ～ 1 5 m m 的石 子 ； 细骨料 为淮河 中砂 ； 水 为普通 自来 水 。 设计基体为 C 3 0普通混凝土 ，水灰 比 0 ． 4 5 ， 砂 率 4 8 ％， 每 m 。 混凝土使用水泥 、 水 、 砂 、 石 的质量分 别为 4 8 1 k g 、 2 1 6 k g 、 8 1 8 k g 、 8 8 5 k g 。 1 ． 2 碳纤维编织网和碳纤维浸渍胶 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李强 ， 马芹永 ， 卢小雨 ， 等 结 网方式对碳纤维混凝土板抗弯性能 的影响 碳纤维采用安徽某公 司生产的碳纤 维丝 ， 抗拉 强度为 3 4 4 9 MP a ， 受拉弹性模量为 2 4 8 G P a ， 伸 长率 1 ． 7 9 ％。碳纤维浸渍胶采用北京某公司提供 的 Y J S - 6 0 1改性 环 氧 粘 碳 胶 ， 抗 拉 强 度 4 5 ． O MP a ， 与 混 凝 土 的正拉粘结强度为 4 ． 1 MP a ，胶体配 比为 主剂： 固化 剂= 4 ： 1 。 碳 纤 维 编织 网为 手工 编 织 ，网格 间距有 8 0 mm 和 l O O mm两种 ，网格布置分别如图 1 和图 2所示。 每种 网格间距分别采用平织法 和打结法两种编织 方法编织成四种规格的编织网。平织法是指由经纬 两个方 向碳纤维束彼此重叠交 错相互交织而成 的 碳纤维 网； 打结法是在经纬 向纤维束交接处采用八 字打结法打结扣 ， 如图 3所示。结扣在 固定经纬向 纤维束 的同时可提 高碳纤 维编织 网与基体之 间的 机械咬合力 。 『 1 _● 纬 向 8 0 8 0 8 0 8 0 图 1 间距 8 0 ra m 的碳纤 维网 图 2 间距 1 0 0 mm的碳 纤维网 图 3经 纬 向纤 维 束 结 扣 2 试 件 制作 及 养护 采用编网一 浸胶一 粘砂一 浇筑的方法将一定规格 的碳纤维编织 网配置于混凝土试件内部。首先在规 格 为 4 0 0 m mx 4 O O mmx 8 O m m 的木模 具 内编 织一 定规 格 的碳 纤维 编 织 网 ， 碳 纤 维 编 织 网 与模 具 底 部 间距 4 0 3 5 3 0 苎 2 5 藉 2 0 挺l 5 l O 5 O 为 2 0 mm。本 试验 制 作 的 5组 混 凝 土板 配 置 的碳纤 维编织网编织方案如下 ： P 一 1组板 内不 布置碳纤维 编 织 网 ， P 一 2组 板 内布置 平 织 法 编 织 的 网格 问距 为 8 0 ram 的 碳 纤 维 编 织 网 ， P 一 3组 板 内 布 置 平 织 法 编 织 的 网格 间距 为 1 0 0 m m 的碳 纤 维 编织 网 ， P - 4组 板 内布置 打结 法 编织 的 网格 间距 为 8 0 ra m 的碳 纤维 编 织 网 ， P 一 5组 板 内 布 置 打 结 法 编 织 的 网 格 间 距 为 1 0 0 ra m 的碳 纤 维编 织 网 。 使用改性环氧粘碳胶浸渍碳纤维编织网 ， 浸渍 完成后及 时在碳纤维上面涂一层砂 ， 静置 1 h ， 待碳 纤维浸渍胶初步 固结后进行浇筑。混凝土的浇筑分 两次进行 ，先浇筑约 3 0 ra m厚 的混凝土置于振动台 上振动 2 0 s ， 然后继续浇筑。浇筑完成后将试件置于 振动台上振动 9 0 s 。采用这种浇筑方式可以提高混 凝土 的密实度 ， 减少混凝土 内部孑 L 隙 ， 使混凝土更 好地渗透到纤维束 内部 ， 提高基体与碳纤维束 的之 间的粘结。试件 1 d后脱模 ， 放人标准养护室内养护 28 d。 3试验 结 果与分 析 3 ． 1 试 验过 程 在 C S S — Y A W3 0 0 0电液伺服压力试验机上进行 混凝土板的抗弯强度试验 ，加 载时板 四边简支 ， 并 在混 凝 土板 上面 中心 处放 置直 径为 6 0 ra m 的 圆形钢 柱作 为 加载 点 。 加 载速 度 为 0 ． 5 mn ff mi n ， 加 载 过程 中 记 录荷 载大 小及 对应 加载 点处 的位 移 。 3 ． 2试验结 果 根据记录的试验数据 ， 依次绘 出素混凝土板的 荷 载一 挠度 曲线 如 图 4所示 ，平 织法 编 织 的 网格 间 距分别为 8 0 ra m和 l O O mm的碳纤维编织 网增强混 凝土板 的荷载一 挠度 曲线分别如图 5 、图 6所示 ， 打 结 法 编 织 的 编 织 的 网 格 间 距 分 别 为 8 0 ram 和 1 0 0 ram 的碳 纤 维 编织 网增强 混凝 土 板 的荷 载一 挠 度 曲线 分别 如 图 7、 图 8所 示 。 3 - 3 试 验结 果 分析 由图 4可 知 ， 对 于 P 一 1组板 ， 在试 验 过程 中 ， 下 部受拉 区混凝土一旦开裂 ， 则裂缝迅速发展 ， 荷 载 Z 柩 挺 1 ． 5 2 ．O 2 ． 5 3 ． O 3 ． 5 O ． O O ． 5 1 ．O 1 ． 5 2 ． O 2 ．5 3 ． O 3 ． 5 挠度／ mm 挠度／ ra m 图 4素混凝土 P 一 1 板荷载一 挠度 曲线 图 5 P - 2板荷载一 挠度 曲线 图 6 P 一 3 板荷载一 挠度 曲线 一 5 7一 ∞ 如 加 0 z 锚妪 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 1 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 3期 4 0 3 5 3 0 互 2 5 2 0 挺1 5 1 0 5 0 0 ．O O．5 I ． O 1 ． 5 2 ．O 2 5 3 ． 0 3 ． 5 挠度／ ram 图 7 P 一 4板荷载一 挠度 曲线 Z 繇 挺 0 ． 0 0 ． 5 1 ．O 1 ． 5 2 ． O 2 ． 5 3 ．O 3．5 挠度／ ram 图 8 P 一 5板荷载一 挠度 曲线 急剧下降 ， 混凝土板完全破坏失去承载能力。此时 对 应 的开裂 荷 载 即为极 限荷 载 。P 一 2组板 受 弯破 坏 过程与钢筋混凝 土适筋梁相似 ，可分为未裂阶段 、 带裂缝 工作 阶段 和破 坏阶段 三个 阶段 。在未裂 阶 段 ， 拉应力 主要 由受拉 区混凝 土传递 ， 当受拉 区边 缘混凝土达到其抗拉强度时混凝土板开裂 ， 此时对 应 的荷载一 挠度 曲线出现第一个峰值 ，以此峰值处 荷载为混凝土的开裂荷载。随着裂缝的发展受拉区 混凝 土逐渐丧失传递拉应力的能力 ，退 出抗弯工 作 ， 混凝土板进入带裂缝工作阶段。与钢筋网不同， 碳纤维编织网为柔性材料 ， 且碳纤维束与基体间的 粘结力较钢筋与基体间 的粘结力更弱 ， 因此 ， 受拉 区混 凝 土 开 裂 后 碳 纤 维 束 与 混 凝 土 基 体 产 生 一 定 的滑移后碳纤维束才能传递应力 。此后继续加载 ， 混凝土板能够继续承受荷载 ， 荷载上升 ， 板 出现较 大变形 ， 随着荷载的增加挠度值也显著增 大。随着 荷载的不断增大 ，碳纤维束表面粘结开始破坏 ， 无 法继续传递应力 ，此时对应的荷 载一 挠度 曲线 出现第二个峰值 ， 以 此 峰值处 荷 载为极 限荷载 。之 后 ， 混 凝 土 板进 入破 坏 阶段 ，碳 纤 维 束粘结破坏 ， 碳纤维束被拉 断 ， 此 后 继 续 加 载 荷 载 也 不 会 再 次 上 升 ， 混凝 土 板 发 生 破 坏 ， 完 全 丧 失 承载能 力 。 P 一 4和 P 一 5两组 板 的 受 弯破 坏 过 程 可 分 为未 裂 阶段 、 带 裂 缝 工 作 阶段 、 残 余 承 载 阶段 和破 坏 阶段 四个 阶段 。在 带裂 缝 工 作 段 ， 由 于打 结 法 编 织 碳 纤 维 编织 网 节 点处 结 扣 的“ 固定 端 ” 作用 ， 可为纤维束 与基体间提供机械咬合力 ， 限 制两 者 间 的相 对 滑移 ， 因此 ， 在 此 阶段 相 比平 织 法 ， 打结 碳 纤 维 网 混凝 土板 荷 载 增 长 迅 速 ，对 应 的荷 载一 挠度曲线斜率较大 。随着荷载的增大 ，会听到 “ 啪 啪 ” 的 断 裂 声 ， 此 时混 凝 土 板 达 到极 限 承 载 ， 荷 载也随之下降 。但与平织法直接进入破坏 阶段不 同， 此时继续加载 ， 混凝土板将进入残余承载 阶段 ， 即在荷载下降后仍会 出现小 幅度上升段 。在此阶 段 ，裂缝发展迅速 ，对应的荷载一 挠度曲线斜率较 小 ，在荷载上升 的同时混凝土板会产生较大 变形 。 直到出现“ 噗噗 ” 的剥裂声 ， 荷载再次下降 ， 混凝土 板进 入破 坏 阶段 ， 混凝 土板 完 全破 坏 。 各组板 的荷载和挠度值见表 l 。加载后各组碳 纤 维编 织 网增强 混凝 土板 破坏 后 的形 态见 图 9 。 表 1 开裂与极 限状态 的荷载一 挠度值 对 比表 1 各组板开裂与极限状态 的荷载 、 挠度 值可知 ，各组板的开裂荷载及挠度值均大致相同。 对 比P 一 1 、 P 一 2和 P 一 3 一 a三 组 混 凝 土板 的 极 限 荷 载 一 5 8一 和 极 限挠 度 可 知 ， 在混 凝 土 板 中配 置 碳 纤 维 编织 网 可 以显著 的提高混凝土板的抗弯强度 ， 但此时混 凝 土 板也 会 出现较 大 的变形 。 ∞ ∞ 加 m O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m