朱德舉　高炎鑫　李高升　徐新華

摘要：利用美特斯（MTS）萬能試驗(yàn)機(jī)研究了摻入不同體積摻量（0、0.5%、1.0%、1.5%）短切碳纖維、玻璃纖維、鋼纖維的2層和3層玄武巖纖維織物增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的拉伸力學(xué)性能.結(jié)果表明： 短切碳纖維、玻璃纖維、鋼纖維均可明顯增加玄武巖纖維織物增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的開裂強(qiáng)度，并且存在最優(yōu)體積摻量；在0～1.5%摻量范圍內(nèi)、2層織物時(shí)，開裂強(qiáng)度隨著3種短纖維摻量的增加而增加，摻量1.5%時(shí)最大；3層織物時(shí)，開裂強(qiáng)度隨著碳纖維、鋼纖維摻量的增加先增加后減小，摻量1.0%時(shí)達(dá)到最大值，而隨著玻璃纖維摻量的增加持續(xù)增加，摻量1.5%時(shí)最大.短切碳纖維、玻璃纖維不能增加其峰值荷載，而鋼纖維則明顯提高其峰值荷載，2層織物時(shí)最優(yōu)摻量為1.5%，3層織物時(shí)最優(yōu)摻量為0.5%.

關(guān)鍵詞：玄武巖織物；水泥基復(fù)合材料；拉伸試驗(yàn)； 短切纖維；最優(yōu)體積摻量

中圖分類號(hào)：TB332； TU599文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Tensile Mechanical Properties of Basalt Fabric Reinforced

Cementitious Matrix Composite

ZHU Deju1， GAO Yanxin1，LI Gaosheng1， XU Xinhua2

（1.College of Civil Engineering， Hunan University， Changsha410082， China；

2.Nantong Dawntine New Energy Equipment Co Ltd， Qidong226200， China）

Abstract：Tensile mechanical properties of two and three layers basalt fabric reinforced cementitious matrix composite（BFRCM） with different volume fractions （0，0.5%， 1.0% and 1.5%） short carbon，alkaliresistant glass and steel fiber， were tested utilizing a MTS loads frame . The experimental results show that an obvious increase in crack stress is observed in all case when short carbon， glass， steel fibers had been added， and volume fraction exists an optimal value. Within the range of 0～1.5% content， the crack stress increases， reaching a maximum at 1.5%， with increasing volume fraction for 2 layers BFRCM. For 3 layers BFRCM with short carbon or steel fibers， the crack stress firstly increases and then decreases with increasing volume fraction， but the crack stress increases， peaking at 1.5%， with increasing volume fraction for 3 layers BFRCM with short glass fibers. Short carbon and glass fibers cannot increase loadbearing capacity of BFRCM， but a pronounced increase in loadbearing capacity is observed with short steel fibers，reaching a maximum at 1.5% for 2 layers BFRCM and 0.5% for 3 layers.

Key words：basalt fabric； cementitious matrix composite； tensile test； short fiber； optimal volume fraction

織物增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（Fabric Reinforced Cementitious Matrix Composite，簡稱FRCM；或稱為Textile Reinforced Concrete，簡稱TRC），是一種以纖維織物作為增強(qiáng)相、水泥砂漿或精細(xì)混凝土作為基體的新型復(fù)合材料.TRC具有承載力高、延性好、輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，正逐漸運(yùn)用于結(jié)構(gòu)加固等領(lǐng)域[3-4].與纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）相比，TRC高溫下依然保持高強(qiáng)度[5]，而FRP強(qiáng)度顯著下降[6].同時(shí)，TRC基體為精細(xì)混凝土，和被加固混凝土構(gòu)件有很好的相容性，不易老化，耐久性好[7].多裂縫開展使得TRC具有強(qiáng)度高、應(yīng)變硬化特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)耗能和抗沖擊性能有利[8].

玄武巖纖維是一種無污染、無毒害的可再生材料，具有良好的耐腐蝕和耐火性，并且價(jià)格相比碳纖維明顯便宜，因而玄武巖織物增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（Basalt Fabric Reinforced Cementitious Matrix Composite，簡稱BFRCM；或稱為Basalt Textile Reinforced Cementitious Matrix，簡稱BTRC）具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值.然而，與碳纖維織物相比，玄武巖纖維織物拉伸強(qiáng)度較低，需要采取措施改善BTRC的力學(xué)性能，本文主要研究短切纖維對(duì)BTRC拉伸力學(xué)性能的影響.

Barhum等[9]研究了短切碳纖維、玻璃纖維的分散方式對(duì)TRC拉伸力學(xué)性能的影響.分散的短切纖維可以提高TRC開裂強(qiáng)度，但拉伸強(qiáng)度沒有明顯提高；短纖維以束形式摻入基體對(duì)開裂強(qiáng)度作用不大，而明顯提高拉伸強(qiáng)度.徐世烺等[10]研究了不同摻量PVA纖維對(duì)碳纖維織物增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料彎曲性能的影響，1.5%摻量（體積分?jǐn)?shù)，下同）PVA纖維較1.0%摻量對(duì)裂縫控制有顯著作用.尹世平等[11]研究了不同摻量聚丙烯纖維對(duì)TRC彎曲性能的影響，適當(dāng)摻量的聚丙烯纖維可以提高彎曲承載力，改變彎曲破壞模式.織物與基體的界面粘結(jié)性能對(duì)TRC性能影響巨大，粘砂[12]、施加預(yù)應(yīng)力[13]、摻入納米顆粒[14]、加入短切纖維[9]等可以改善界面性能.目前短切纖維對(duì)TRC性能影響研究主要集中在纖維種類、摻量等單一影響因素，同時(shí)將纖維種類及摻量作為變量的研究較少.本文在前人工作基礎(chǔ)上研究短切碳纖維、玻璃纖維、鋼纖維的體積摻量變化（0、0.5%、1.0%和1.5%）對(duì)2層和3層玄武巖織物增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（BFRCM或BTRC）拉伸力學(xué)性能影響.

1試驗(yàn)測試

1.1試件制備

試件所選材料：水泥采用普通硅酸鹽水泥P.O 42.5；Ⅰ級(jí)粉煤灰，密度2.3 g/cm3，比表面積≥600 m2/kg；硅灰，密度2.35 g/cm3，比表面積≥2 000 m2/kg；砂子，粒徑0～0.6 mm；水，自來水.外加劑采用HSC聚羧酸高性能減水劑（固含量40%）、XS-2510水泥砂漿消泡劑和羥丙基甲基纖維素（HPMC）增稠劑.玄武巖織物采用經(jīng)緯編織方式，網(wǎng)格間距10 mm×10 mm，織物厚度0.5～0.6 mm，如圖1所示（經(jīng)向?yàn)槭芰Ψ较颍?表1給出了TRC水泥砂漿基體組分，表2給出了試驗(yàn)所用短切碳纖維、玻璃纖維、鋼纖維性能指標(biāo).短纖維長度均為6 mm，采用與文獻(xiàn)[9，15]相同的短纖維長度.考慮短纖維分散困難，同時(shí)保證攪拌過程一致，所用水泥砂漿基體均按照文獻(xiàn)[16]方法攪拌.試件采用分層澆筑[17]，每鋪一層織物施加0.1 kN的預(yù)拉力，防止織物褶皺，試件制備裝置如圖2所示，振搗成型養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，制得薄板尺寸為270 mm×300 mm×10 mm，隨后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（溫度為20±2 ℃，濕度不低于95%）28 d，最后沿網(wǎng)格間隙中部切割成尺寸為230 mm×30 mm×10 mm的待測試件，確保試件寬度方向織物纖維束數(shù)量相同.

1.2測試儀器與方法

采用MTS微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)C43.304）進(jìn)行靜態(tài)拉伸試驗(yàn)[18-19]，加載速率為0.5 mm/min，試件測試前端部使用鋁片加固，試件中部標(biāo)距為100 mm，試件表面刷白，使用引伸計(jì)測量標(biāo)距內(nèi)變形，測試裝置見圖3，并參考文獻(xiàn)[20]對(duì)所用玄武巖織物進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用與TRC試件相同的加載速率及標(biāo)距.試驗(yàn)中短纖維為碳纖維、玻璃纖維和鋼纖維3種類別，體積摻量包括0、0.5%、1.0%和1.5% 4種摻量，織物層數(shù)包含2層和3層.試件編號(hào)規(guī)則為NT織物層數(shù)（包含0、2、3）短切纖維類別（不加短纖維N，碳纖維C，玻璃纖維G，鋼

纖維S）短纖維體積摻量（包括0、05、10、15），例如NT3C05指加入0.5%體積摻量短切碳纖維的3層玄武巖織物增強(qiáng)混凝土，每組測試6個(gè)試件.

2結(jié)果與討論

2.1應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4給出了玄武巖織物經(jīng)向單束、3束拉伸荷載位移曲線.可以看出：單束與3束玄武巖織物拉伸曲線有明顯差異.單束經(jīng)向纖維束拉伸荷載位移曲線上升段有波動(dòng)，而3束經(jīng)向纖維束拉伸荷載位移曲線沒有波動(dòng)段平滑上升，這是因?yàn)榻?jīng)向纖維束為兩股，將緯向纖維束環(huán)繞固定（如圖1），單束纖維束拉伸時(shí)會(huì)旋轉(zhuǎn)（如圖4（a）），旋轉(zhuǎn)會(huì)使緯向纖維束剝落導(dǎo)致荷載下降，上升曲線進(jìn)而出現(xiàn)波動(dòng)段；3束纖維束拉伸時(shí)經(jīng)向纖維束受到緯向纖維束的約束不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)（如圖4（b）），上升曲線平滑.

圖5為摻入不同體積摻量短纖維時(shí)，2層和3層玄武巖織物增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（簡稱為NT2BTRC和NT3BTRC）的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線.應(yīng)力的計(jì)算考慮每個(gè)試件的實(shí)際尺寸，運(yùn)用 Matlab程序處理得到.可以看出：短纖維種類、摻量及織物層數(shù)對(duì)BTRC拉伸力學(xué)性能影響不同.NT3BTRC較NT2BTRC拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線強(qiáng)化段更明顯，拉伸強(qiáng)度更高；對(duì)于NT2BTRC，拉伸曲線形態(tài)隨著短纖維的摻入明顯改變，3種短纖維均明顯提高開裂強(qiáng)度，臨界配網(wǎng)率隨開裂強(qiáng)度的提高而增大，摻入短切纖維后2層織物達(dá)不到臨界配網(wǎng)率，因而曲線強(qiáng)化段消失；對(duì)于NT3BTRC，3種短纖維同樣可以提高開裂強(qiáng)度，3層織物滿足臨界配網(wǎng)率要求，與未摻短纖維試樣相比，曲線強(qiáng)化段有所縮短但并沒有完全消失.

2.2不同短纖維類別及摻量下拉伸力學(xué)性能分析

基于單束及3束經(jīng)向玄武巖織物拉伸荷載位移曲線，對(duì)所測試件參數(shù)取均值，測得經(jīng)向單束承載力分別為232±34 N和246±12 N，可見3束拉伸時(shí)承載力更高些，這是由于緯向纖維束的約束使得經(jīng)向纖維束拉伸性能得以充分發(fā)揮，由于BTRC中玄武巖織物經(jīng)向纖維束不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此取單束經(jīng)向纖維束的承載力為246±12 N.

基于拉伸試驗(yàn)獲得BTRC拉伸力學(xué)性能參數(shù)：開裂荷載、開裂應(yīng)力、峰值強(qiáng)度、峰值荷載、韌性、裂縫條數(shù)和裂縫間距，具體參數(shù)值見表3.鑒于BTRC開裂前玄武巖織物受力很小，荷載主要由基體承擔(dān)，開裂荷載受試件實(shí)際厚度的影響，開裂強(qiáng)度考慮了每個(gè)試件實(shí)際厚度的影響，因而對(duì)開裂強(qiáng)度分析比開裂荷載更加合理；恰恰相反，試件拉伸破壞后，斷裂截面處裂縫很寬，基體不承受荷載，荷載主要由織物承擔(dān)，因而分析峰值荷載比峰值強(qiáng)度更加合理.開裂荷載取荷載位移曲線線性段最大值，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度取為開裂強(qiáng)度；峰值荷載取荷載位移曲線線性段后的峰值點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度取為峰值強(qiáng)度；韌性取拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積[20]，裂縫間距由裂縫所圍面積與試件寬度的比計(jì)算所得，使用軟件ImageJ對(duì)破壞試件照片分析可以測得裂縫間面積.各參數(shù)取每組有效試件加權(quán)平均值.

圖6給出了BTRC開裂強(qiáng)度與短纖維種類及摻量的關(guān)系.短纖維種類及摻量對(duì)BTRC開裂強(qiáng)度影響不同，可以看出：2層織物時(shí)，BTRC開裂強(qiáng)度均隨著3種短纖維摻量增加持續(xù)增加，摻量1.5%時(shí)開裂強(qiáng)度最大；3層織物時(shí)，隨著碳纖維、鋼纖維摻量增加，開裂強(qiáng)度表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，摻量1.0%時(shí)最大，而隨著玻璃纖維摻量增加開裂強(qiáng)度持續(xù)增加，摻量1.5%時(shí)最大.可見短切纖維存在最優(yōu)體積摻量[11]，最優(yōu)摻量與織物層數(shù)及短纖維種類表現(xiàn)出相關(guān)性，體積摻量在0～1.5%范圍內(nèi)，2層織物時(shí)，3種纖維最優(yōu)摻量均為1.5%，3層織物時(shí)，碳纖維、鋼纖維體積摻量1.0%最好，而玻璃纖維依然在1.5%體積摻量最優(yōu).

圖8給出了BTRC韌性與短纖維種類及摻量的關(guān)系.圖9給出了裂縫條數(shù)與短纖維種類、摻量及織物層數(shù)的關(guān)系，圖9（a）中NT2BTRC加入碳纖維后裂縫條數(shù)減少至1條，裂縫間距無法統(tǒng)計(jì).圖9給出了不同短纖維種類及摻量下BTRC裂縫形態(tài).可以看出：加入碳纖維、玻璃纖維后韌性有降低趨勢(shì)，而鋼纖維則有所增加.韌性和拉伸試件裂縫條數(shù)及峰值荷載有關(guān)，隨著碳纖維、玻璃纖維摻量的增加，裂縫條數(shù)均有所減少（如圖10所示），同時(shí)拉伸峰值荷載沒有明顯提高，因而韌性呈下降趨勢(shì)；對(duì)于鋼纖維，隨著摻量增加裂縫條數(shù)有所減少，但峰值荷載明顯提高，因而韌性并不會(huì)明顯降低，反而在3層織物時(shí)表現(xiàn)出提高趨勢(shì).圖10還可以看出摻入短切鋼纖維后裂縫形態(tài)有所不同，部分裂縫附近形成了局部的短裂縫，尤其在1.5%摻量時(shí)，這是由于鋼纖維的長徑比大，裂縫處鋼纖維的橋聯(lián)作用使裂縫附近的局部基體開裂.

2.3短切纖維及摻量的影響

圖11給出了加入短切纖維TRC試件開裂強(qiáng)度的增強(qiáng)系數(shù)與文獻(xiàn)[11]的比較.為便于對(duì)比，本文及文獻(xiàn)[11]的數(shù)據(jù)均進(jìn)行了歸一化處理.可以看出：文獻(xiàn)[11]中保護(hù)層厚度為5 mm和3 mm時(shí)，纖維最優(yōu)摻量分別為0.5%和1.0%；本試驗(yàn)中2層織物時(shí)，3種短切纖維最優(yōu)摻量均為1.5%，3層織物時(shí)，短切玻璃纖維的最優(yōu)摻量依然為1.5%，而短切碳纖維、鋼纖維的最優(yōu)摻量均為1.0%.不同纖維種類、摻量對(duì)BTRC開裂強(qiáng)度的影響不同，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行以下分析：

1）短切纖維種類.3種短切纖維均可提高BTRC的開裂強(qiáng)度，但是三者增強(qiáng)機(jī)理有所不同.從圖6可知碳纖維、玻璃纖維可以提高基體開裂強(qiáng)度，進(jìn)而提高了BTRC的開裂強(qiáng)度，而低摻量鋼纖維并不能明顯提高基體開裂強(qiáng)度，卻顯著提高了BTRC的開裂強(qiáng)度，這是因?yàn)榉稚⒃诨w中的鋼纖維插入到織物網(wǎng)格空隙中，銷栓作用改善了織物基體間協(xié)同受力性能（如圖12），使得基體開裂前織物就承擔(dān)了較大荷載，進(jìn)而提高了BTRC開裂強(qiáng)度.

2）最優(yōu)體積摻量.短切纖維對(duì)BTRC開裂強(qiáng)度增強(qiáng)作用存在最優(yōu)摻量，和短切纖維種類及纖維織物的層數(shù)有關(guān).從攪拌狀態(tài)（攪拌狀態(tài)指短切纖維在基體中的分散狀態(tài)）和澆筑制備狀態(tài)（澆筑制備狀態(tài)指澆筑制備后試件內(nèi)部密實(shí)狀態(tài)）兩個(gè)方面分析，隨著摻量增加，碳纖維攪拌狀態(tài)變差，對(duì)開裂強(qiáng)度的增強(qiáng)幅度逐漸減弱，2層織物摻量1.5%時(shí)達(dá)到最優(yōu)值，3層織物時(shí)澆筑制備狀態(tài)也變差，摻量1.0%時(shí)便達(dá)到最優(yōu)值；玻璃纖維較易分散，摻量0～1.5%范圍內(nèi)，2、3層織物時(shí)攪拌狀態(tài)和澆筑制備狀態(tài)基本不變，最優(yōu)摻量均為1.5%；鋼纖維易分散，攪拌狀態(tài)基本不變，但織物層數(shù)增加會(huì)使織物間隔變小，澆筑制備狀態(tài)變差，因而2層時(shí)最優(yōu)摻量為1.5%，3層時(shí)只有1.0%.

3結(jié)論

通過本文的試驗(yàn)研究可以得到以下結(jié)論：

1） 加入短切碳纖維、玻璃纖維、鋼纖維均可明顯增加開裂強(qiáng)度.短切纖維對(duì)BTRC的開裂強(qiáng)度增強(qiáng)效果存在最優(yōu)體積摻量，最優(yōu)摻量和短纖維種類及織物層數(shù)有關(guān).摻量在0～1.5%范圍內(nèi)，2層織物時(shí)，開裂強(qiáng)度隨短纖維體積摻量增加而持續(xù)增加，在體積摻量為1.5%時(shí)，開裂強(qiáng)度達(dá)到最大值；3層織物時(shí)，隨著碳纖維、鋼纖維的摻量增加，開裂強(qiáng)度呈先增加后減小趨勢(shì)，在摻量為1.0%時(shí)，開裂強(qiáng)度達(dá)到最大值，而玻璃纖維增強(qiáng)趨勢(shì)和2層織物時(shí)一致，1.5%摻量達(dá)到最大值.

2） 短切碳纖維、玻璃纖維、鋼纖維對(duì)BTRC的峰值荷載影響不同.隨著碳纖維摻量增加，峰值荷載呈下降趨勢(shì)，玻璃纖維摻量對(duì)峰值荷載無明顯提高，鋼纖維可以顯著增加峰值荷載，且存在最優(yōu)摻量，2層時(shí)摻量1.5%時(shí)峰值荷載最大，3層時(shí)峰值荷載在摻量0.5%時(shí)達(dá)到最大值.

3） 短切碳纖維、玻璃纖維、鋼纖維對(duì)BTRC的韌性影響不同.碳纖維、玻璃纖維隨著摻量增加韌性總體上呈下降趨勢(shì)，鋼纖維在較高摻量或者織物為3層時(shí)可以增加韌性.

短切纖維的增強(qiáng)效果不僅與纖維種類、摻量有關(guān)，同時(shí)與短纖維的長度、長徑比、織物編織形式等因素有關(guān)，本文僅研究了相同纖維長度下，不同短纖維種類及摻量對(duì)給定玄武巖織物的拉伸性能影響，同時(shí)體積摻量在1.5%以內(nèi)，摻量相對(duì)較低，對(duì)于高于1.5%摻量時(shí)短纖維效果以及其他影響因素還需要進(jìn)行大量的試驗(yàn).

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