杜運興 ，張忻穎 ，周芬 1，，張蒙蒙

（1.湖南大學綠色先進土木工程材料及應用技術湖南省重點實驗室，湖南長沙410082；2.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙410082）

纖維編織網(wǎng)增強混凝土（TRC）作為一種新型復合材料，在建筑領域備受關注.TRC結合了高性能混凝土和纖維編織網(wǎng)的優(yōu)點，具有承載力高、延性好、自重輕、耐久性好的特點[1].同時，TRC可根據(jù)建筑需要制作成各種形狀，具有較高的靈活性[2].可見，TRC作為受彎構件相比于傳統(tǒng)混凝土材料更具潛力，而充分了解TRC的抗彎性能有利于其在工程中的廣泛應用[3-5].

一些學者已對TRC板的抗彎性能進行了一定的試驗研究，表明短纖維有助于改善TRC受彎構件的抗彎承載力和裂縫形態(tài)，預應力有助于延緩TRC受彎構件開裂.Li等[6]的研究發(fā)現(xiàn)，在基體中摻入短切聚乙烯醇（PVA）纖維改善了基體的抗裂能力，顯著提高了試件的韌性，增加了試件裂縫數(shù)目.王激揚等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維提高了TRC板常溫下的抗彎承載力和剛度，而鋼纖維的長徑比對TRC板抗彎性能沒有明顯影響.卜良桃等[8]研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維可以顯著改善水泥基體的性能，使其具備高強度和良好的韌性及抗裂性能.Vilkner[9]的研究發(fā)現(xiàn)，預應力延緩了TRC板開裂，提高了板開裂后的抗彎剛度和板的承載力，但降低了板的延性.

玄武巖纖維作為一種綠色環(huán)保材料，在TRC領域具有廣闊的應用前景[10-11].目前對TRC抗彎性能的研究多為纖維種類、短纖維摻量、預應力水平、表面處理等單一影響因素.本文將玄武巖纖維編織網(wǎng)作為筋材、精細混凝土作為基體，采用三點彎曲試驗，研究了編織網(wǎng)層數(shù)、編織網(wǎng)上預拉力水平和鋼纖維摻量對玄武巖纖維編織網(wǎng)混凝土（BTRC）板抗彎性能和裂縫形態(tài)的影響.

1 試驗材料

1.1 玄武巖纖維編織網(wǎng)和鋼纖維

試驗中采用的玄武巖纖維編織網(wǎng)表面經(jīng)苯丙乳液浸漬處理，如圖1（a）所示.試件的承載力主要由經(jīng)向纖維束提供，因此制備了寬40 mm、標距為100 mm的編織網(wǎng)條帶（圖1（b））以測試其經(jīng)向纖維束的力學性能.在條帶兩端粘貼鋁片，通過夾具將其夾持在MTS C43.304萬能試驗機上，以0.5 mm/min的加載速率進行測試[12].表1為玄武巖纖維編織網(wǎng)的材料參數(shù)，圖2給出了玄武巖纖維編織網(wǎng)條帶的拉伸應力-應變曲線.

圖1 玄武巖纖維編織網(wǎng)及鋼纖維Fig.1 Characteristics of basalt textile and steel fibers

表1 玄武巖纖維編織網(wǎng)條帶的材料參數(shù)Tab.1 Properties of basalt textile strip

圖2 編織網(wǎng)條帶的拉伸應力-應變曲線Fig.2 Tensile stress-strain curves of basalt textile strips

試驗采用表面鍍銅的鋼纖維，其形態(tài)如圖1（c）所示，其力學及幾何參數(shù)見表2.

表2 鋼纖維的力學和幾何參數(shù)Tab.2 Mechanical properties and geometric characteristics of steel fibers

1.2 精細混凝土基體

試驗中的基體采用具有較好流動性和自密實能力的精細混凝土.預應力試件采用先張法制作，在基體中加入硅灰使其具有較高的早期強度以減小預拉力損失.混凝土基體的配合比見表3，材料性能見表4.

表3 混凝土基體的配合比Tab.3 Fine-grained concrete matrix composition kg·m-3

表4 混凝土基體的力學性能Tab.4 Mechanical properties of fine-grained concrete matrix

2 試件制備及試驗方法

2.1 試件的制備

為了減少試件的離散性，本試驗中采用的尺寸為 280 mm（長）×50 mm（寬）×12 mm（厚）的 BTRC試件是由尺寸為300 mm（長）×180 mm（寬）×12 mm（厚）的大板切割而得，每種工況制備了6個試件.BTRC試件內的編織網(wǎng)沿試件厚度對稱布置，如圖3示，采用具有特定厚度的鋼條來控制試件保護層厚度和相鄰編織網(wǎng)間距.試件的具體制作步驟如下：將編織網(wǎng)拉直并固定于張拉裝置上，保證每層編織網(wǎng)的經(jīng)向纖維束對齊；通過張拉裝置對編織網(wǎng)施加預拉力，保持張拉狀態(tài)24 h后，根據(jù)預拉力損失情況將編織網(wǎng)的預拉力重新加至預設預拉力值；將配好的基體澆筑到模板中，進行充分振搗后，抹平表面；對于預應力試件，5 d后拆模，并將此時的預拉力值作為實際施加的預拉力值Fcon，對于非預應力試件，2 d后拆模；拆模后，板放置于標準養(yǎng)護室繼續(xù)養(yǎng)護至28 d；將養(yǎng)護完成的大板切割成標準試件；最后，為便于觀察裂縫的開展，在試件受拉底面涂上白色涂料.

圖3 不同編織網(wǎng)層數(shù)的BTRC試件橫截面示意圖（單位：mm）Fig.3 Illustration of the cross section of the BTRC specimens with different textile layers（unit：mm）

2.2 試驗方法

三點彎曲試驗在MTS C43.304萬能試驗機上進行，加載示意圖如圖4所示.由位移控制加載，加載速率0.5 mm/min.荷載P由力傳感器測定，跨中撓度f由引伸計測定.試驗過程中觀測到的撓度和荷載受試件尺寸影響較大，因此通過彎曲應力和跨中撓度對比不同工況試件的抗彎性能，繪制彎曲應力-跨中撓度曲線（以下簡稱彎曲應力-撓度曲線）.等效彎曲應力的計算采用式（1）.

式中：σ表示彎曲應力；P表示荷載；L表示板跨；b表示試件的寬度；h表示試件的厚度.

圖4 三點彎曲試驗示意圖（單位：mm）Fig.4 Diagram of three-point bending test（unit：mm）

2.3 試驗工況

本試驗以編織網(wǎng)層數(shù)為變量，研究1～5層BTRC板的抗彎性能.其中，3層BTRC試件摻入0.8%、1.6%體積含量的鋼纖維，研究鋼纖維對BTRC板抗彎性能的影響；對3層BTRC試件編織網(wǎng)施加20.7%、32.9%的預拉力，對4層BTRC試件編織網(wǎng)施加14.6%、18.9%的預拉力，對5層BTRC試件編織網(wǎng)施加14.1%、17.6%的預拉力，研究編織網(wǎng)上預拉力水平對BTRC板抗彎性能的影響；還研究了鋼纖維對預應力BTRC板抗彎性能的影響.

本文試件的編號規(guī)則如下：L代表編織網(wǎng)層數(shù)，P代表預拉力水平，S代表鋼纖維的體積摻量.其中預拉力水平是由實際施加的預拉力值（Fcon）與編織網(wǎng)本身抗拉承載力（Ft）的比值來衡量，F(xiàn)t為單層編織網(wǎng)的抗拉承載力與編織網(wǎng)層數(shù)的乘積.

3 試驗結果與討論

3.1 彎曲應力-撓度曲線

在拉伸荷載作用下，編織網(wǎng)條帶的應力隨應變線性增長，當編織網(wǎng)條帶拉伸應變到達極限應變時發(fā)生脆性斷裂，如圖2所示.圖5匯總了不同工況BTRC試件的彎曲應力-撓度曲線，可以看出曲線呈現(xiàn)典型的4個階段.

圖5 不同工況BTRC試件的彎曲應力-跨中撓度曲線Fig.5 Flexural stress versus mid-span deflection curves of BTRC specimens from different cases

階段Ⅰ：彎曲應力隨撓度的增長線性增大，此階段BTRC試件未開裂，荷載由基體和編織網(wǎng)共同承擔.當試件受拉區(qū)出現(xiàn)第1條裂縫時，試件抗彎剛度突降，階段Ⅰ結束.

階段Ⅱ：BTRC試件多縫開裂階段，此階段試件受拉區(qū)不斷出現(xiàn)新的裂縫，彎曲應力-撓度曲線呈波浪狀.編織網(wǎng)層數(shù)和鋼纖維增加使BTRC試件此階段曲線變得平滑.

階段Ⅲ：應力強化階段，此階段裂縫數(shù)目不再增加.此階段中BTRC試件受拉區(qū)的拉力主要由編織網(wǎng)承擔，因此試件的彎曲應力隨撓度增大趨于線性增長.此階段曲線的斜率較階段Ⅰ有所減小，但隨編織網(wǎng)層數(shù)的增加和編織網(wǎng)上預拉力水平的提高，曲線斜率減小的幅度下降.對于相同層數(shù)的BTRC試件，編織網(wǎng)上施加預拉力會縮短這個階段的長度，而鋼纖維會增加這個階段的長度.

階段Ⅳ：破壞階段，主裂縫處的底層編織網(wǎng)拉應變達到極限拉應變而斷裂，試件破壞.

3.2 BTRC的參數(shù)分析

基于三點彎曲試驗得到了BTRC試件的抗彎性能參數(shù)包括：開裂應力、開裂撓度、抗彎強度、極限撓度、彎曲韌性和裂縫數(shù)目，相應的數(shù)據(jù)匯總于表5.

3.2.1 編織網(wǎng)層數(shù)對BTRC抗彎性能的影響

從圖5（a）可以發(fā)現(xiàn)，試件L0P0S0達到開裂應力隨即發(fā)生脆性破壞，因此試件的抗彎強度等于其開裂應力.試件L1P0S0開裂后，并未呈現(xiàn)明顯的應變硬化性能，說明1層編織網(wǎng)對基體沒有明顯的增強效果.2層以上的BTRC試件開裂后表現(xiàn)出明顯的應變硬化性能，且隨編織網(wǎng)層數(shù)的增加，由于試件中參與抵抗試件截面彎矩的編織網(wǎng)增多，試件的抗彎強度增大，試件L2P0S0、L3P0S0、L4P0S0和L5P0S0的抗彎強度與L0P0S0相比，分別提高了35.8%、124.9%、171.5%和216.9%.

BTRC試件開裂后的抗彎剛度較開裂前有所減小，但隨編織網(wǎng)層數(shù)的增加，抗彎剛度減小的程度降低.裂縫處的拉應力由編織網(wǎng)承擔，編織網(wǎng)層數(shù)的增加更好地控制試件同一應力水平下的變形.同時，編織網(wǎng)層數(shù)的增加更好地限制了裂縫的發(fā)展，因此編織網(wǎng)層數(shù)的增加可提高試件開裂后的剛度.

結合表 5 和圖 6，試件 L2P0S0、L3P0S0、L4P0S0、L5P0S0均表現(xiàn)出多縫開裂的特征.隨編織網(wǎng)層數(shù)增加，BTRC試件受拉區(qū)的裂縫由平直的形態(tài)轉化為彎彎曲曲的形態(tài)，裂縫數(shù)目增多，裂縫間距減小，表現(xiàn)為細而密的特點.

圖6 不同編織網(wǎng)層數(shù)BTRC試件的裂縫形態(tài)Fig.6 Crack patterns of BTRC specimens with different textile layers

韌性表征試件破壞過程中吸收能量的能力，是纖維增強水泥基復合材料的一項重要指標.韌性的提高，有助于增進復合材料的抗沖擊與抗疲勞等性能.采用BTRC試件荷載-撓度曲線下的面積計算彎曲韌性.編織網(wǎng)層數(shù)從1層增加到5層，試件韌性從0.124 N·m增大到2.778 N·m.產生這種現(xiàn)象的原因有2個：其一，隨編織網(wǎng)層數(shù)的增加，試件開裂后編織網(wǎng)對試件承載力的貢獻會增大；其二，編織網(wǎng)層數(shù)增加使試件上裂縫數(shù)目增多，更多細密裂縫的形成需消耗更多的能量.

3.2.2 編織網(wǎng)上預拉力水平對BTRC抗彎性能的影響

為了便于對比編織網(wǎng)上預拉力對BTRC試件抗彎性能的影響，將數(shù)據(jù)歸一化處理并匯總于圖7.結合表5和圖7可以看出，對編織網(wǎng)施加預拉力可以提高BTRC試件的開裂應力，且預拉力水平越高，試件的開裂應力越大，對于3層編織網(wǎng)BTRC試件，試件L3P20.7S0和L3P32.9S0的開裂應力較L3P0S0分別提高了22.0%和38.5%；對于4層編織網(wǎng)BTRC試件，試件L4P14.6S0和L4P18.9S0的開裂應力較L4P0S0分別提高了30.9%和55.0%；對于5層編織網(wǎng)BTRC試件，試件L5P14.1S0和L5P17.6S0的開裂應力較L5P0S0分別提高了27.6%、52.4%.編織網(wǎng)的預拉力釋放后，預拉力通過編織網(wǎng)的經(jīng)向纖維束與基體間的粘結傳遞到了基體橫截面上，從而使基體上有了預壓力.在荷載作用下，BTRC試件底部開裂所受拉力要先抵消基體的預壓力，然后繼續(xù)增加直至達到基體的開裂荷載.

結合表5和圖7可得，隨編織網(wǎng)上預拉力水平的提高，BTRC試件的極限撓度減小.預應力BTRC試件的編織網(wǎng)在加載前已存在一定的初始拉應變ε0，而編織網(wǎng)的最大拉應變?yōu)橐粋€定值εfu，則在加載過程中底層編織網(wǎng)拉應變的增量最大為（εfu-ε0），這就說明對編織網(wǎng)施加的預拉力水平越大，它在試件加載過程中的拉伸變形增量就越小，從而使試件變形 的 能 力 降 低.試 件 L3P32.9S0、L4P18.9S0和L5P17.6S0的極限撓度分別較試件L3P0S0、L4P0S0和L5P0S0下降了52.2%、54.4%和56.7%.對編織網(wǎng)施加預拉力造成BTRC試件受拉區(qū)裂縫減少，裂縫間距相應增大，如圖8所示.由于對編織網(wǎng)施加預拉力大大減小了試件的極限撓度，但對試件的抗彎強度沒有明顯的影響，因此試件的韌性顯著下降，如圖7所示.

圖7 不同預拉力水平BTRC試件的歸一化抗彎性能參數(shù)Fig.7 Normalized flexural properties of BTRC with different prestress levels

此外，BTRC試件彎曲應力-撓度曲線階段Ⅲ的斜率較階段Ⅰ有所減小，但隨編織網(wǎng)上預拉力水平提高，曲線斜率減小的幅度下降，說明對編織網(wǎng)施加預拉力提高了BTRC試件開裂后的剛度.預應力BTRC試件底層編織網(wǎng)在加載過程中拉伸變形增量減小，則裂縫寬度受到限制，從而開裂截面的抗彎剛度增大；同時，釋放編織網(wǎng)上的預拉力后，經(jīng)向纖維束由于泊松比效應會沿軸向回縮沿徑向擴大，因此經(jīng)向纖維束與基體間產生擠壓，編織網(wǎng)與基體間的摩擦力提高，進而提高編織網(wǎng)與基體間的界面粘結力，使試件在荷載作用下整體性更好，從而開裂截面的抗彎剛度增大.

圖8 不同預拉力水平下BTRC試件的裂縫形態(tài)Fig.8 Crack patterns of BTRC specimens with different prestress levels

3.2.3 鋼纖維摻量對BTRC抗彎性能的影響

由表5可知，鋼纖維摻量的增加可以提高BTRC試件的開裂應力和抗彎強度，且鋼纖維對抗彎強度的影響更顯著.對于非預應力BTRC試件，L3P0S0.8和L3P0S1.6的開裂應力和抗彎強度較L3P0S0分別提高了14.5%、26.6%和17.0%、31.0%；對于預應力BTRC試件，L3P20.7S0.8和L3P20.7S1.6的開裂應力和抗彎強度較L3P20.7S0分別提高了7.7%、17.2%和18.1%、40.3%.在基體中的鋼纖維改善了基體的抗裂能力，從而提高了試件的開裂應力；跨接在宏觀裂縫處的鋼纖維發(fā)揮橋聯(lián)作用，將拉應力傳遞給裂縫兩側的基體，裂縫擴展需要額外克服鋼纖維與基體間的粘結力，同時，插入網(wǎng)格孔中的鋼纖維發(fā)揮錨固作用，增強編織網(wǎng)與基體間的界面性能，從而提高了試件抗彎強度.然而，試件開裂前應力水平較低，鋼纖維限制微觀裂縫擴展成宏觀裂縫的過程中傳遞的拉應力較??；開裂后，試件承受的荷載逐漸增大，宏觀裂縫處鋼纖維上的拉應力也不斷增大直至錨固段脫粘拔出，因此鋼纖維對抗彎強度的貢獻比開裂應力大.

為了便于對比鋼纖維對非預應力和預應力BTRC試件抗彎性能的影響，將數(shù)據(jù)進行歸一化處理，并匯總于圖9.結合表5和圖9可以發(fā)現(xiàn)，對編織網(wǎng)施加預拉力使鋼纖維對開裂應力的提高程度降低，由于編織網(wǎng)上的預拉力是提高開裂應力的主要因素，因此鋼纖維對開裂應力的提升效果不明顯.此外，鋼纖維摻量對預應力試件抗彎強度的影響比非預應力試件顯著，一方面是因為編織網(wǎng)上預拉力使基體中產生預壓應力，能夠一定程度上消除鋼纖維與基體間的初始間隙，進而增大了鋼纖維與基體間的界面摩擦力，更好地發(fā)揮了鋼纖維的作用；另一方面是因為鋼纖維增強的基體更好地約束經(jīng)向纖維束放張后的徑向擴大，進一步提高了編織網(wǎng)與基體間的界面性能.

圖9 不同鋼纖維摻量下BTRC試件的歸一化抗彎性能參數(shù)Fig.9 Normalized flexural properties of BTRC with different volume contents of steel fibers

隨著鋼纖維摻量的增加，試件底部的裂縫形態(tài)變得更曲折且不貫通，如圖10所示，這是由于鋼纖維在基體中隨機亂向分布阻礙了微觀及宏觀裂縫的擴展，促使裂縫發(fā)展方向發(fā)生改變.由表5和圖9可發(fā)現(xiàn)，隨著鋼纖維摻量的增加，試件的極限撓度增大，試件L3P0S0.8和L3P0S1.6的極限撓度與L3P0S0相比，分別提高了10.8%、25.6%；L3P20.7S0.8和L3P20.7S1.6的極限撓度比L3P20.7S0分別提高了18.4%、29.2%.而試件裂縫總寬度等于開裂區(qū)段內編織網(wǎng)的伸長量減去基體的伸長量，因此極限撓度增大使受拉底部裂縫的總寬度增大.同時，基體中的鋼纖維阻礙裂縫向受壓區(qū)發(fā)展，裂縫處的鋼纖維發(fā)揮橋聯(lián)作用限制了裂縫寬度的增大，從而使裂縫數(shù)目增加，裂縫間距減小，表現(xiàn)為細密的裂縫形態(tài).

圖10 不同鋼纖維摻量下BTRC試件的裂縫形態(tài)Fig.10 Crack patterns of BTRC specimens with different volume contents of steel fibers

此外，鋼纖維提高了BTRC試件的韌性，試件L3P0S0.8和L3P0S1.6較L3P0S0分別提高了31.8%和 64.8%；L3P20.7S0.8和 L3P20.7S1.6較 L3P20.7S0分別提高了46.1%和92.5%.由于鋼纖維的抗拉強度較高，在荷載作用下跨接在裂縫處的鋼纖維不會被拉斷，而是隨著裂縫寬度的增大被緩慢拔出，此過程需消耗一部分的能量；摻入鋼纖維使試件裂縫形態(tài)更細密，更多裂縫的形成需要消耗更多的能量；裂縫從受拉區(qū)向受壓區(qū)擴展過程中由一支分叉成多支，使開裂表面積增加，消耗更多的能量.

4 結論

本文通過三點彎曲試驗，研究了不同的編織網(wǎng)層數(shù)、預拉力水平以及鋼纖維摻量對BTRC板抗彎性能的影響，得到以下結論：

1）當編織網(wǎng)層數(shù)為2層以上時，BTRC試件表現(xiàn)出多縫開裂的特征.隨著編織網(wǎng)層數(shù)的增加，BTRC試件的抗彎強度、韌性顯著提高，且開裂后抗彎剛度相對開裂前減小的程度降低，其中5層BTRC試件抗彎強度較素混凝土板提高了216.9%.

2）對編織網(wǎng)施加預拉力，提高了BTRC試件的開裂應力和開裂后的抗彎剛度，對4層和5層BTRC試件中編織網(wǎng)分別施加18.9%和17.6%的預拉力水平使試件的開裂應力提高了55.0%和52.4%%.但提高編織網(wǎng)的預拉力水平對試件的抗彎強度沒有明顯影響，且嚴重降低BTRC試件的極限撓度和韌性，因此需要合理控制預拉力的大小.

3）鋼纖維可以提高BTRC試件的開裂應力和抗彎強度；對編織網(wǎng)施加預拉力使鋼纖維對開裂應力提高程度降低；對比非預應力試件，鋼纖維摻量對預應力試件抗彎強度的影響更顯著.同時，鋼纖維改善了試件的裂縫形態(tài)，使裂縫分布更細密均勻.因此，對編織網(wǎng)施加合適大小的預拉力的同時，摻入鋼纖維可以使BTRC板獲得更好的抗彎性能，對3層BTRC板中編織網(wǎng)施加20.7%的預拉力，同時摻入1.6%摻量的鋼纖維，可以使試件的開裂應力和抗彎強度提高43.0%和43.3%.