纤维格栅水泥土的弯曲特征

由于短切纤维的乱向分布，纤维增强混凝土的效率较低［1-2］．为提高纤维的利用率，出现了利用纺织技术将连续纤维粗纱编织成平面的纤维格栅，使纤维粗纱沿应力主向布置，从而明显提高了纤维的增强效果［3-4］．纤维格栅具有耐腐蚀、化学稳定性好、抗拉强度和弹性模量高等优点，应用于混凝土结构中对保护层厚度没有要求，只要满足传递粘结应力即可［5-6］．因此，纤维格栅已在国家重点工程、高速公路、港口中得到广泛应用，成为一种增强道路性能的新型优良土工建筑材料［7］．纤维格栅能像钢筋一样承担某些方向上的荷载作用，能较大程度地提高结构的整体受拉、抗弯性能，同时使结构获得更好的抗裂和控制裂缝的能力，解决因钢筋锈蚀产生的耐久性问题［8］．本文通过水泥混凝土的四点弯曲试验，研究了纤维格栅类型、粗集料最大粒径、纤维格栅表面处理对水泥混凝土抗弯强度的影响．

1试验概况

1．1试验材料水泥:陕西耀县秦岭牌42．5R普通硅酸盐水泥，密度为3．10g/cm3;细集料:灞河中砂，细度模数为2．95，Ⅱ区，级配合格，密度为2．65g/cm3，堆积密度为1509kg/m3，含泥量0．9%;粗集料:泾阳石灰岩碎石，级配合格，密度为2．75g/cm3，堆积密度为1690kg/m3．试验采用的玻璃纤维格栅为山东大庚玻纤有限公司生产，为经纬玻璃纤维束编织的正交网状结构，网格尺寸为25．4mm×25．4mm和12．7mm×12．7mm;玄武岩纤维格栅为四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司生产，网格尺寸为25mm×25mm和5mm×5mm．纤维格栅的技术参数见表1．经纬向纤维束含有大量纤维单丝，混凝土不能完全渗入纤维束内部，只有最外面的纤维粗纱能与水泥混凝土较好粘合，并通过摩擦传力给里面的粗纱［9］，使得纤维束内部纤维丝与水泥混凝土的粘结状况远小于外部纤维丝，减弱了纤维格栅与水泥混凝土的粘结能力．为改变这种状况，对其中4组试件中的纤维格栅表面采用环氧树脂处理(图1)，使纤维束粘结成一体，以提高协同受力能力．

1．2试验方案及结果试验中固定水泥混凝土配比，探讨格栅类型、粗集料最大粒径和纤维格栅表面处理对水泥混凝土弯曲力学特性的影响．试验采用绝对密实体积法设计水泥混凝土配比，最终确定的试验配比见表2，试验方案见表3．

1．3试件制作与试验方法按设计好的配比称取试验材料．首先，在搅拌机内放入水泥、砂，搅拌30s;然后，加入水搅拌30s;最后，加入大石、小石，搅拌120s．将经过裁剪的纤维格栅铺设在试模底部，然后浇筑搅拌好的混凝土混合料，并在振动台上振捣90s．24h后拆模，在标准条件下养护28d，取出试件进行试验．试件尺寸为150mm×150mm×600mm．四点弯曲试验采用TZA-100型电液式抗折抗压试验机加载，加载保持均匀、连续，加载速度为0．5kN/s．

2试验结果分析

2．1试件破坏现象纤维格栅增强水泥混凝土试件开裂前，纤维格栅与水泥混凝同工作，挠度随荷载的增大而增大，基本呈线性关系．裂缝首先出现在纯弯段，方向垂直于轴线．随着荷载的继续增大，中点的挠度进一步增大，纯弯段裂缝向试件受压区加载点扩展，使试件的刚度较截面开裂前减小．达到极限荷载时，纤维格栅突然发出“嘭”的声响而断裂，中点的挠度迅速增大，荷载突然下降，试件破坏(图2)．试验过程中，试件基本上没有出现屈服阶段，属于脆性破坏．在发生破坏的试件中，绝大部分是因为纤维格栅拉断而破坏的(图3)，基本上没有出现纵向撕裂裂缝，但纤维格栅出现了滑移现象，说明试件破坏受纤维格栅与水泥混凝土粘结性能的影响．

2．2纤维格栅类型对抗弯强度的影响纤维格栅作为混凝土的加筋材料，一方面通过纤维格栅表面与混凝土之间的摩擦作用传递荷载;另一方面，纤维格栅通过网孔与集料之间的相互嵌挤，使混凝土与纤维格栅整体受力，使应力分布在较大的面积范围内．此外，纤维格栅阻止混凝土基体中原有微裂缝的扩展，并延缓新裂缝的产生，从而提高混凝土的变形能力和强度．在水泥混凝土基体相同的条件下，不同纤维格栅类型对混凝土抗弯强度的影响见图4(纤维格栅类型后括号中的数字为网格尺寸，单位为mm)．假设纤维格栅的应力与应变成正比，即纤维格栅的拉应力σ与纤维格栅的拉应变ε和平均割线模量E满足σ=Eε，纤维格栅在水泥混凝土中承受的拉力Ft可以表示为:Ft=σA，(1)式中:A为纤维格栅的截面面积．假设纤维格栅增强水泥混凝土试件的变形符合平截面假定，纤维格栅达到破坏强度，借鉴钢筋混凝土的作用机理，根据GB50010—2002《混凝土结构设计规范》，采用等效矩形应力(图5)，考虑试件断面力的平衡条件和弯矩平衡条件，得纤维格栅增强混凝土试件的极限承载力计算公式［10］:凝土基体强度以及试件截面的有效高度有关，与纤维格栅的弹性模量无关．当h一定时，在αfcbh＞fA的情况下，f越大，试件的极限弯矩越大;基体混凝土强度αfcb提高时，试件的极限弯矩也相应提高．由分析可知，网格尺寸为25mm×25mm的玄武岩纤维格栅的强度最低，对混凝土的增强作用最弱;纤维格栅网格尺寸越小，与混凝土基体之间的接触面积和嵌挤作用越大，粘结力越强，越有利于提高混凝土强度［11］．从表3和图4可见，与素混凝土相比，粗集料最大粒径为40mm时，网格尺寸为25．4mm×25．4mm和12．7mm×12．7mm的玻璃纤维格栅增强混凝土的抗弯强度分别提高17．89%和25．40%，网格尺寸为25mm×25mm和5mm×5mm的玄武岩纤维格栅增强混凝土的抗弯强度分别提高7．69%和31．40%;粗集料最大粒径为20mm时，4种纤维格栅增强混凝土的抗弯强度分别提高12．16%、22．35%、6．62%和23．42%，试验结果与理论分析结果吻合．

2．3粗集料最大粒径对抗弯强度的影响借鉴短纤维复合材料强度理论，纤维格栅增强水泥混凝土的强度可由式(5)［12］计算:σ=αφmσm+βτφfσf，(5)式中:σ、σm、σf分别为纤维格栅增强混凝土、混凝土基体和纤维格栅的强度;φm、φf分别为纤维格栅增强混凝土中混凝土基体和纤维格栅的体积分数;α、β分别为经验常数;τ为纤维格栅与混凝土基体界面的平均粘结强度．式(5)表明，当纤维格栅增强混凝土中纤维格栅的体积分数及形状特征参数不变时，纤维格栅增强混凝土的强度主要取决于混凝土基体的强度，当混凝土基体的强度增大时，纤维格栅增强混凝土的强度提高;当混凝土基体强度和纤维格栅强度一定时，纤维格栅增强混凝土的强度主要取决于纤维格栅与混凝土基体界面的粘结强度，界面粘结强度越大，纤维格栅增强混凝土的强度越大．表4比较了混凝土配比和纤维格栅类型相同时，粗集料最大粒径对混凝土抗弯强度的影响．粗集料最大粒径为20mm的水泥混凝土基体，由于水泥含量相对较高，砂率更合适，其强度也相应提高．从表4可知，粗集料最大粒径为20mm时，素混凝土的抗弯强度为6．12MPa，比粗集料最大粒径为40mm时提高9．48%．在混凝土中加入纤维格栅后，与粗集料最大粒径为40mm时相比，粗集料最大粒径为20mm时，混凝土的抗弯强度分别提高4．10%、6．85%、8．47%和2．72%．原因是试件浇筑过程中，由于自重和振捣作用，混凝土中的粗集料下沉，气泡上升，使集料与纤维格栅形成更完善的“机械咬合力”，从而提高了混凝土的抗弯强度．从上述试验结果可以看出，纤维格栅对水泥混凝土的增强作用与混凝土集料的最大粒径密切相关．

2．4纤维格栅表面处理对抗弯强度的影响水泥混凝土基体相同时，纤维格栅表面经环氧树脂处理后，混凝土的抗弯强度提高(表5)．粗集料最大粒径为40mm时，网格尺寸为12．7mm×12．7mm的玻璃纤维格栅表面处理前后混凝土的抗弯强度分别为7．01和7．62MPa，网格尺寸为5mm×5mm的玄武岩纤维格栅表面处理前后混凝土的抗弯强度分别为7．35和7．96MPa，纤维格栅表面处理后混凝土的抗弯强度分别提高8．70%和8．30%．粗集料最大粒径为20mm时，网格尺寸为12．7mm×12．7mm的玻璃纤维格栅和网格尺寸为5mm×5mm的玄武岩纤维格栅表面处理后，混凝土的抗弯强度分别提高11．88%和8．61%．主要原因是纤维格栅表面经环氧树脂处理后，环氧树脂渗透到纤维格栅内部的纤维束之间，凝固后将整个纤维束粘结成一体，使外面的纤维粗纱能更好地传力给里面的纤维粗纱，改善了纤维格栅的整体受力性能，同时改善了纤维束与水泥混凝土之间的粘结性能，从而提高了水泥混凝土的抗弯强度．

3纤维格栅增强混凝土的使用建议

纤维格栅增强水泥混凝土中，各组分的作用是不同的．其中，纤维格栅的主要作用是:(1)提高水泥混凝土基体的极限抗弯强度;(2)受载过程中，阻止水泥混凝土基体原有微裂缝的发展，并延缓新裂缝的产生;(3)提高水泥混凝土基体的变形能力．水泥混凝土基体的主要作用:(1)给结构提供抗弯和抗压强度;(2)粘结与保护纤维格栅，并使应力传递给纤维格栅．通过试验与力学机理分析，为提高纤维格栅增强混凝土的弯曲力学特性，可以采用以下方法:(1)采用极限抗拉强度高的纤维格栅作为混凝土的增强材料;(2)改善纤维格栅和水泥混凝土的界面层，提高纤维格栅和水泥混凝土基体界面之间的粘结摩擦力;(3)选用合适的纤维格栅网格尺寸，充分“锁定”水泥混凝土基体中的粗、细集料，使集料与纤维格栅形成更完善的“机械咬合力”;(4)改变纤维格栅的铺设形式，铺设纤维格栅时，把纤维格栅两端各弯折一部分，增大其与水泥混凝土基体之间的粘结作用．

4结论

通过14组水泥混凝土试件的四点弯曲试验，可以得出以下结论:(1)纤维格栅增强水泥混凝土试件的破坏属于脆性破坏，在水泥混凝土中加入纤维格栅能使其抗弯强度提高6．62%～31．40%，明显改善了水泥混凝土的弯曲力学特性．(2)粗集料最大粒径对混凝土抗弯强度有较大影响，粗集料最大粒径为20mm的混凝土，其抗弯强度比粗集料最大粒径为40mm的混凝土提高2．72%～9．97%．(3)纤维格栅表面经环氧树脂处理后，能改善纤维束与混凝土之间的粘结状况，使混凝土的抗弯强度提高8．30%～11．88%．