BFRP-FRCM复合层弯曲性能试验研究*

廖维张,王 滢,王俊杰,马 超

(1.北京建筑大学工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心,北京 100044, 2.北京建筑大学北京未来城市设计高精尖创新中心,北京 100044)

0 引言

纤维增强复合水泥基材料(fiber reinforced cementitious matrix,FRCM)具有抗拉强度高、变形能力强、耗能能力强等优异性能,极限拉应变可达3%以上[1-3],广泛应用于水工、桥梁、道路、既有结构加固修复及各类前沿技术中[4-7]。

纤维编织网是通过一系列特殊的编制工艺(退捻、织造等)编织而成的网状增强材料,材质包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等。碳纤维具有强度高、双向受力等优异性能,但其售价较高;玻璃纤维在碱性水泥基材中易被腐蚀;玄武岩纤维网格(basalt fabric reinforced polymer,BFRP)具有强度高、自重小、耐腐蚀、经济性较好等优点[8],用于结构修复和加固时,能有效阻止裂缝开展[9-10]。在FRCM内配置BFRP网格组合而成的复合加固材料,即BFRP-FRCM,具有耐高温、耐腐蚀潮湿、兼容性强、黏结强度高等优点,能克服传统加固材料耐久性差的缺点,逐渐成为代替传统FRP外贴、抹面砂浆加固的加固修复方法。BFRP-FRCM复合层较强的耐腐蚀性使其厚度仅需满足锚固厚度即可作为保护层,适用于老旧砌体、混凝土结构、地下结构、桥梁的加固和改造。

国内外学者针对BFRP-FRCM复合层的基体材料[11-14]、配网率[15]、纤维掺量[16]、基体材料之间的黏结强度[17-18],复合材料的抗拉强度[19-20]等开展了系统研究。BFRP网格能有效提高BFRP-FRCM试件的轴向抗拉刚度和极限抗拉强度,弥补了基体强度不足的缺点,对试件的强化作用在其开裂后才愈加凸显[17],内掺聚乙烯(PE)纤维复合层最大极限拉应变可达3.95%[21],且BFRP网格层数与试件极限抗拉强度成正相关[21-23]。

当加固结构受平面外荷载作用时,加固层将承受弯曲荷载。李赫[24]开展了内置BFRP网格FRCM板的多点弯曲试验,结果表明在较高配网率下,试件呈多裂缝开裂的破坏模式;而颜祥程等[25]发现基体中粗骨料最大粒径较小时,可明显提高FRCM抗弯强度。网格有效应力、利用率均与网格层数成负相关,抗弯承载力与网格层数成正相关[26-28]。

1 试验概况

1.1 试验材料

1.1.1FRCM基体材料

试验采用的复合水泥基材料配合比如表1所示。参考廖维张等[21]开展的BFRP-FRCM单轴拉伸试验结果,选取PP,PVA 2种纤维,纤维最佳体积掺量为2%,水胶比(W/B)分别为0.30,0.35。FRCM基体材料28d实测强度如表2所示。

表1 基体配合比Table 1 Mixture proportion of the FRCM g/L

表2 纤维水泥基材料28d实测强度Table 2 The 28d measured strength of FRCM

1.1.2BFRP网格

试验采用双向编织BFRP网格,网格尺寸如图1a所示,网格物理参数与基本力学参数如表3所示。对10片BFRP网格开展单轴拉伸试验,获得的网格破坏模式、单束BFRP纤维与BFRP网格承载力如表4所示,试验测得的BFRP纤维拉伸荷载-位移曲线如图1b所示。

图1 BFRP网格尺寸及拉伸荷载-位移曲线Fig.1 BFRP mesh size and tensile load-displacement curve

表3 BFRP网格物理性质指标Table 3 Physical property indexes for BFRP mesh

表4 BFRP网格物理力学性能Table 4 Physical property parameters for BFRP mesh

1.2 BFRP-FRCM试件制备

参考JC/T 2461—2018《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》,制作BFRP-FRCM薄板形弯曲试件,试件尺寸为400mm×100mm×20mm。分别掺入PP纤维、PVA纤维,网格层数分别为1,2,3层。试件的具体制作步骤为:支模并清洗模具→铺设底层FRCM基体→铺设BFRP网格→铺设上层FRCM基体、振捣密实并养护。试验工况如表5所示,表中配网率ρ为受拉方向所有单束纤维的横截面积α1与有效观测区域的横截面积α0之比,未配置网格的试件标注为0层网格,每个工况有4个相同试件,取接近平均值的试验数据进行分析。

表5 BFRP-FRCM弯曲试验工况Table 5 Cases for BFRP-FRCM bend tests

1.3 加载方式

试验采用100kN量程的MTS多功能试验机进行BFRP-FRCM复合层四点弯曲性能试验,试验装置如图2所示。采用位移计测量试件跨中挠度的变化,试验采用静力加载方式,位移控制,加载速率为0.25mm/min。试验出现以下现象之一时停止加载:①试件抗弯承载力下降至最大承载力的75%;②试件主裂缝宽度大于5mm;③机器采集的抗弯荷载呈直线下降趋势。

图2 试验装置Fig.2 Experimental device

2 试验结果

2.1 试件破坏模式

内掺PP纤维BFRP-FRCM试件的破坏模式如图3所示。未置BFRP网格试件在达到峰值荷载后,裂缝迅速发展为1条主裂缝,试件由于丧失弯曲承载力而发生破坏。与未配置BFRP网格试件相比,配置1层BFRP网格试件发生破坏时,出现3～4条主裂缝(见图3b);当网格数量增加至3层时,试件破坏时的裂缝数量增多,但宽度减小,分布区域更广,如图3d所示。随着网格层数的增加,试件底部裂缝数量逐渐增多,分布区域更广,裂缝宽度呈减小的趋势。

图3 内掺PP纤维BFRP-FRCM试件破坏模式Fig.3 Failure modes of BFRP-FRCM with PP fibers

内掺PVA纤维BFRP-FRCM试件的破坏模式如图4所示。由图4可知,随着网格层数的增加,主裂缝宽度逐渐减小,细密裂缝数量增加,大部分裂缝出现在纯弯区段。对比图3,4可知,在纤维掺量与网格层数均相同时,掺入PVA纤维试件较掺入PP纤维试件细密裂缝数量更多,分布区域更广,说明掺入PVA纤维能更好地改善试件的延性,试件呈现出延性破坏模式。

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图4 内掺PVA纤维BFRP-FRCM试件破坏模式Fig.4 Failure modes of BFRP-FRCM with PVA fibers

2.2 荷载-位移曲线

水胶比为0.30和0.35工况下的内掺PP纤维试件的荷载-位移曲线如图5所示。由图5可知,未配置BFRP网格试件的峰值荷载对应位移最小,即延性较差。随着BFRP网格层数的增加,曲线逐渐呈典型的应变硬化趋势,配置2,3层网格后曲线的应变硬化趋势更加明显,锯齿状波动幅度明显提高,且峰值荷载对应的位移增大,说明BFRP网格能有效提高试件延性,这是由于试件受拉区开裂后,基材无法承担弯曲荷载,转为由BFRP网格承担。

图5 内掺PP纤维试件的荷载-位移曲线Fig.5 Load-deflection curves of BFRP-FRCM with PP fibers

内掺PVA纤维试件的荷载-位移曲线如图6所示。由图6可知,曲线的应变硬化特征明显,各水胶比下的曲线抗弯刚度相近。当水胶比为0.30时,试件峰值荷载对应的位移显著提高,掺入2层BFRP网格的PVA纤维试件峰值荷载对应的位移可达15.24mm,较未配置网格的试件提高78.2%,配置2层BFRP网格对试件延性改善最优。当水胶比为0.35时,试件峰值荷载和对应的位移均有所提高,并随着网格层数的增加而增大,即BFRP网格提升了试件抗弯性能。

图6 内掺PVA试件的荷载-位移曲线Fig.6 Load-deflection curves of BFRP-FRCM with PVA fibers

2.3 BFRP-FRCM抗弯强度

开裂荷载为采集仪上荷载-位移曲线出现的第1个明显下降段时的荷载;极限荷载为可施加的峰值荷载。其极限抗弯强度计算如下:

(1)

式中:M为抗弯强度;P为峰值荷载,取实测值均值;b为试件宽度,为100mm;h为试件厚度,为20mm;l0为加载跨度,为300mm。

内掺PP纤维和PVA纤维BFRP-FRCM试件的极限抗弯强度如图7所示。内掺PVA试件的极限抗弯强度平均值远高于内掺PP试件,这主要是由于PVA纤维自身的抗拉强度约为PP纤维的3倍,且PVA纤维的基体黏结力远大于PP纤维,在基体裂缝发展时有良好的桥联作用,增强了水泥基材料的强度。对于内掺PP纤维的试件,水胶比为0.35时,内掺PP纤维试件极限抗弯强度随着BFRP网格层数增加而提高。

图7 内掺PP纤维和PVA纤维BFRP-FRCM试件极 限抗弯强度Fig.7 Ultimate bending strength of BFRP-FRCM with PVA fibers and PP fibers

对于内掺PVA纤维的试件,水胶比为0.30试件的极限抗弯强度均大于水胶比为0.35试件的极限抗弯强度,说明水胶比为0.30时,基体材料流变性较好,纤维分散更均匀,且BFRP网格与基材黏结性能更优,使其能发挥更大作用,增大水胶比对FRCM基材的极限抗弯强度有明显的削弱作用。随着网格层数的增加,内掺PVA纤维试件的极限抗弯强度并非呈单调增加,水胶比为0.30工况下,配置1层网格试件极限抗弯强度较无网格试件提升了22.6%,配置2层网格试件极限抗弯强度较1层网格试件下降了7%,配置3层网格试件的极限抗弯强度提高不多。水胶比为0.35时,配置2层网格试件的极限抗弯强度较无网格试件提升了24.5%,即BFRP-FRCM在各配合比下存在一个最优配网率,网格数量较小时无法承受基材断裂后的拉伸荷载,而过大的配网率会造成基体在网格上、下面的分层效应,降低内部FRCM基体自身的连续性,削弱了基体与网格之间的黏结力,影响试件的抗弯强度。

3 BFRP-FRCM弯曲韧性评价

弯曲韧性能反映试件弯曲破坏过程中吸收能量的多少,即利用荷载-位移曲线下的面积与初裂点所对应的荷载-位移曲线下的面积Ωδ的比值评价复合层的弯曲韧性(见图8)[29],可用于评价纤维对基体开裂后的增韧效果,弯曲韧性指数I5,I10,I20,I30的定义如下:

图8 BFRP-FRCM复合层弯曲韧性指数确定方法Fig.8 Definition of flexural toughness index of BFRP-FRCM

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:Ωδ,Ω3δ,Ω5.5δ,Ω10δ,Ω15.5δ分别为图8中OAF,OABG,OACH,OADI,OAEJ的面积(N·mm),即对应初裂点位移δ的3.0,5.5,10.5,15.5倍时,荷载-位移曲线下的面积。理想弹塑体的韧性系数分别为5,10,20,30。韧性系数越接近理想弹塑体,则表明材料的弯曲韧性越好[30]。由于掺入PP纤维的试件在配网率较低时,计算所得的弯曲韧性指数较低,故在此不分析PP试件韧性。

BFRP网格层数、水胶比等对内掺PVA纤维试件弯曲韧性指标的影响规律如图9所示。在相同的配网率下,复合层试件的弯曲韧性指标均满足I10>10,I20>20,I30>30,说明内掺PVA纤维的BFRP-FRCM试件具有较好的弯曲韧性。由图9a可知,水胶比为0.3时,配置BFRP网格试件的弯曲韧性系数小于未配置试件,说明在该水胶比下,BFRP网格对试件韧性的提高有限。I5的提高表明材料达到峰值荷载前的吸能能力提高,使试件达到峰值荷载的时间延长,开裂所需能量提升。I10的提高能减缓裂缝开展速度,抑制裂缝贯穿。由图9b可知,未配置网格试件I5>5,I10>10,表明试件弯曲韧性较好;而配置1,2,3层BFRP网格试件弯曲韧性系数均有所提高,配置1层BFRP网格试件I5提高22%,I10提高29.4%,这是因为随着荷载的增大,纤维从基材中被拔出、BFRP网格与基材间的黏结力会消耗能量,延缓破坏过程,起到增韧效果。

图9 各因素对弯曲韧性指标的影响Fig.9 The influence of various factors on the bending toughness index

综上,在水胶比为0.30时,未配置BFRP网格试件弯曲韧性较好,BFRP网格作用较小。水胶比为0.35的工况下,配置BFRP网格试件韧性较0层试件有所提高,但网格数量对试件弯曲韧性提升较小。

4 结语

1)BFRP-FRCM复合层中配置玄武岩网格可改善试件弯曲破坏模式。未配置BFRP网格时,内掺PP纤维复合层试件呈脆性破坏模式,内掺PVA纤维复合层试件呈多裂缝破坏模式。配置BFRP网格后,受弯区呈现明显的细密裂缝,且网格层数越多,细密裂缝数量越多。在其他参数相同的情况下,内掺PVA纤维复合层试件的裂缝数量远大于内掺PP复合层纤维试件,内掺PVA纤维复合层试件的弯曲变形能力更强。BFRP-FRCM复合层能有效改善试件抗裂性能,提升试件延性,可用于加固各类砌体和混凝土结构。

2)水胶比对BFRP网格、纤维与基材的相互作用影响显著。对于内掺PVA纤维复合层试件,在各水胶比下存在最佳配网率。水胶比为0.30工况下,配置1层BFRP网格试件极限抗弯强度最大;水胶比为0.35时,配置2层网格试件极限抗弯强度最优。内掺PVA纤维复合层试件的极限抗弯强度远高于内掺PP纤维复合层试件。

3)BFRP网格提高了BFRP-FRCM试件弯曲韧性。尤其是在水胶比为0.35工况下,BFRP网格对试件的增韧作用明显,但BFRP网格数量对弯曲韧性影响较小。内掺BFRP网格,BFRP-FRCM的峰值位移、断裂能和弯曲韧性逐渐增大,说明网格能改善材料的弯曲韧性。

4)相较于其他传统加固材料,BFRP-FRCM复合层的优势在于其高延性、高抗裂性。采用BFRP-FRCM复合层作为加固材料,可使加固层厚度减小,减少材料用量和加固工程工作量。