纖維聚合物在水利工程結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用研究

毛景暉

(廣東華迪工程管理有限公司，廣東 廣州 510600)

0 引言

近年來興起的紡織增強混凝土，又稱紡織增強復(fù)合材料，為開發(fā)輕質(zhì)和定制結(jié)構(gòu)提供了機會[1]，由天然纖維制成的紡織品在工程應(yīng)用方面獲得了很大的關(guān)注[2]。在各種基于植物的天然纖維中，亞麻紡織品已被證明在紡織增強混凝土的結(jié)構(gòu)應(yīng)用中具有潛在的適用性[3]。然而，作為纖維素纖維，亞麻纖維在水泥基體中對堿性環(huán)境的抗降解能力較低。為了保護亞麻纖維不受混凝土中堿性環(huán)境的影響，有必要在紡織品上涂抹聚合物，因此在應(yīng)用于混凝土之前，應(yīng)將亞麻織物制作成亞麻纖維增強聚合物(FFRPs)。使用FFRP而不是直接使用亞麻織物作為混凝土的加固物的進一步原因有兩方面：將纖維捆綁在一起，減少纖維的分散性，提高加固效率；提高加固的剛度和尺寸穩(wěn)定性。

應(yīng)用于紡織增強混凝土的FRP通常是開放式網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，以確保水泥基質(zhì)通過開口良好滲透[4]。應(yīng)用相對較小的開口尺寸，或所謂的網(wǎng)眼尺寸(通常在10mm以下)是比較好的，該尺寸的紡織品更穩(wěn)定，更容易處理。但是，較密的紡織品結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致較低的基質(zhì)滲透率，導(dǎo)致FRP和基質(zhì)之間的粘合性能不佳。許多研究人員已經(jīng)報道了紡織增強混凝土在拉伸載荷下的界面脫粘失敗[5]。為保持新混凝土的良好工作性和FRP與混凝土之間的充分粘合，在紡織增強混凝土結(jié)構(gòu)的基體中應(yīng)使用高含量的粘合劑，通常為整個混合物體積的40%～50%。同時，最大的骨料尺寸應(yīng)在2mm以下。然而，細?；炷磷畲蟮膯栴}之一是低骨料含量和高細顆粒含量造成的高收縮值。在文獻中，沒有研究過增加集料尺寸對FRP和混凝土之間的粘結(jié)性能、拉伸性能或彎曲性能的影響[6-7]。

因此，本研究采用了較大網(wǎng)孔尺寸的FFRP，研究加固網(wǎng)孔大小和基體中添加中等再生骨料對紡織增強混凝土的拉伸和彎曲性能的影響及破壞機制。

1 材料和方法

1.1 材料

兩種亞麻網(wǎng)狀織物(即網(wǎng)目尺寸為14mm和28mm)，織物內(nèi)緯紗和經(jīng)紗在兩個正交方向上與第三根線粘合在一起。然后用德國卡塞爾的Gurit公司生產(chǎn)的雙組分環(huán)氧樹脂AMPREGTM對織物進行浸漬，就可以手工鋪設(shè)工藝制造FFR。FFRP網(wǎng)格的網(wǎng)目尺寸分別為12mm和26mm，所有批次的FFRP的纖維體積分?jǐn)?shù)在25%到27%之間。為了確定單個FFRP棒的拉伸性能，對從大網(wǎng)目尺寸(FL)和小網(wǎng)目尺寸(FS)的FFRP網(wǎng)格上切割下來的棒(在加固方向)進行了拉伸試驗。根據(jù)ASTM D3039標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置了150mm的測量長度和2mm/min的測試速度。結(jié)果顯示，F(xiàn)L桿的拉伸強度和楊氏模量分別為103.3(±14%)MPa和8.9(±13%)GPa，F(xiàn)S桿的拉伸強度和楊氏模量分別為133.7(±17%)MPa和10.3(±12%)GPa。

在研究中，制造了兩種不同的混凝土基質(zhì)。除了傳統(tǒng)的細?；炷?所謂的砂漿類型)，再生骨料的范圍從2mm到10mm的RAC被用作紡織增強混凝土結(jié)構(gòu)的基體。這些再生骨料是回收的混凝土骨料，從建筑和拆除廢物中回收并交由本地工廠加工。表1展示了與相同粒徑的天然骨料(NAs)相比，再生骨料的烘箱干燥密度和吸水率。本研究中使用的粘合劑是普通波特蘭水泥CEM I 42.5N。

表1 RA和NA的物理特性

1.2 混凝土混合比例和樣品制作程序

混凝土的混合比例見表2?？紤]到再生骨料相對較高的吸水率，添加額外的水以保持兩個不同基體組之間相似的工作性能。根據(jù)再生骨料的吸水率和含水率，確定了3.7%的再生骨料附加水(重量)。

表2 混凝土配合比

在澆筑混凝土之前，F(xiàn)FRP網(wǎng)格被放置在涂油的木模中。厚度為5mm的小砂漿塊被用來作為支撐物，以保持FFRP在基體中的垂直位置。對砂漿和RAC采用了不同的混合程序。普通的混合方法用于制備砂漿糊，其中沙子、水泥、水和超塑化劑被混合120s。為了獲得更高的RAC質(zhì)量，在制備RAC漿料時參考了兩階段混合方法。首先將再生骨料、沙子和額外的水混合60s，然后再加入水泥，再混合60s。最后，加入其余的水和超塑化劑，混合180s。在混凝土澆注后，用振動器搖動模具，所有的樣品都用塑料薄膜覆蓋。混凝土澆注兩天后，樣品脫模并在室溫下浸沒水中儲存28天。砂漿和RAC在28天時的抗壓強度分別為25.0(±9%)MPa和35.6(±11%)MPa。砂漿和RAC在28天時的彈性模量分別為20.2(±10%)GPa和21.8(±12%)GPa。

1.3 測試設(shè)置

差示掃描量熱法(DSC)在TA儀器Q200上進行，使用鋁制樣品盤，以評估復(fù)合材料中PLA的結(jié)晶程度。玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)、冷結(jié)晶和熔化溫度(Tm)也被確定。用刀片將聚乳酸粉碎，從復(fù)合板的表面劃過。重量在5到10毫克之間的粉末狀樣品被裝入一個不銹鋼高容量DSC鍋中并密封。五個樣品被測試，在氮氣環(huán)境下以1℃/min的速度在25℃和200℃之間加熱。為了更好地了解材料的轉(zhuǎn)變，其中兩個樣品還以同樣的速度進行了冷卻測試。

混凝土壓縮試驗的式樣尺寸為150mm×150mm×150mm，對于每一配合比，均有6個立方體試塊按照加載速率為1MPa/s進行測試。單軸拉伸試驗的試樣尺寸為500mm×100mm×15mm，參考RILEM制定的232-DT標(biāo)準(zhǔn)[18]長寬比應(yīng)至少為5∶1，厚度應(yīng)大于6mm，并在每個紡織增強混凝土樣品的中間層放置一層FFRP鋼筋。FL-Mortar、FS-Mortar、FL-RAC和FS-RAC樣品在加載方向(縱向)的加固率分別為1.3%、2.0%、1.2%和1.1%。加強率是以加載方向的FFRP棒與整個紡織增強混凝土樣品之間的橫截面比率計算的。測試設(shè)置參考了RILEM技術(shù)委員會232-DT規(guī)程，其中測量長度被設(shè)定為340mm，測試速度被設(shè)定為0.5mm/min。

用于四點彎曲試驗的試樣尺寸為500mm×100mm×25mm，每個試樣都用單層的FFRP加固。為了保持拉伸區(qū)的加固，并考慮到FFRP的厚度，因此在FFRP和紡織增強混凝土底部之間增加6mm。FL-Mortar、FS-Mortar、FL-RAC和FS-RAC試樣縱向的加固率分別為0.9%、1.5%、1.0%和0.8%。參照BS EN 1170-5[19]跨度和中跨分別設(shè)定為450mm和150mm，測試速度為1mm/min，安裝線性可變差分變壓傳感器(LVDT)來測量變形。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 亞麻纖維的DSC熱圖與加熱速率

結(jié)晶度的百分比與半結(jié)晶聚合物表現(xiàn)出的許多關(guān)鍵特性直接相關(guān)，包括脆性、韌性、剛度或模量、光學(xué)清晰度等。為了計算聚乳酸的結(jié)晶度百分比，并將其與后來測量的機械性能聯(lián)系起來，DSC研究在25～220℃的溫度范圍和可變的加熱速率下進行。所有樣品的玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)(單位：℃)、熔化溫度(Tm)、冷結(jié)晶溫度(Tcc)以及熔化熱(Hm)(單位：J/kg)和結(jié)晶熱(Hc)都被測定。然后利用以下關(guān)系計算結(jié)晶度

(1)

其中ΔHm和ΔHc分別是通過對熔化和結(jié)晶過程中相應(yīng)的內(nèi)熱和外熱峰的積分得到的，ΔHm%是完全結(jié)晶的亞麻纖維樣品的熔化焓。在放熱轉(zhuǎn)變之后，只有一小部分未知的無定形材料被結(jié)晶。本實驗從復(fù)合材料中獲得的亞麻纖維的DSC熱圖與加熱速率的關(guān)系如圖2所示。

圖2 加熱速率對亞麻纖維的DSC曲線的影響

2.2 單軸拉伸性能

從單軸拉伸試驗中得到的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。在施加拉伸荷載之后，可以觀察到在FS-Mortar樣品中，砂漿和FFRP之間出現(xiàn)了脫粘現(xiàn)象。這種現(xiàn)象也發(fā)生在FS-RAC組，但RAC的剝落只限于小范圍內(nèi)。與FS-Mortar相比，F(xiàn)S-RAC的基體層和FFRP鋼筋之間的粘結(jié)性能趨于改善。破壞模式顯示出中層再生骨料和FS網(wǎng)格中的開口之間相互咬合。這表明由于RA的粒徑接近于FS的網(wǎng)目尺寸，再生骨料可以卡在網(wǎng)格的開口處，很大程度上防止了再生骨料混凝土的剝落。就FL-Mortar和FL-RAC而言，這兩組樣品都是在FFRP中出現(xiàn)斷裂，沒有觀察到脫粘現(xiàn)象。

圖3 拉伸荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變反應(yīng)

從圖3可以清楚地看到，與砂漿組相比，RAC組的抗拉強度有所下降，F(xiàn)L和FS分別下降了21%和30%。砂漿組和RAC組之間的應(yīng)力差異發(fā)生在第一條裂縫之后。根據(jù)Aveston-Cooper-Kelly理論，加固的砂漿在第一條裂縫發(fā)生時達到了更高的應(yīng)力，而第一條裂縫應(yīng)力主要取決于基體的拉伸性能[20]。正如RAC和砂漿的壓縮試驗表明，RAC的彈性模量略高于砂漿的。這會導(dǎo)致較低的第一裂縫應(yīng)力并進一步導(dǎo)致RAC組的抗拉強度降低。在同一基體組中，F(xiàn)L鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強度略高于FS鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，砂漿和RAC分別高出10%和24%。一方面，該現(xiàn)象可以用失效模式來解釋，F(xiàn)S鋼筋混凝土樣品的脫粘會限制結(jié)構(gòu)的強度能力。另一方面，F(xiàn)S網(wǎng)格的抗拉強度比FL網(wǎng)格的抗拉強度低56%，這是由500mm×100mm的FFRP網(wǎng)格的拉伸試驗所驗證的。

2.3 彎曲性能

圖4顯示了彎曲應(yīng)力和跨中撓度之間的關(guān)系。所有組別樣品的破壞模式都是撓曲破壞，以FFRP斷裂結(jié)束。FS-Mortar組在拉伸區(qū)遭受了由彎曲裂縫引起的嚴(yán)重的界面脫粘。界面脫粘也發(fā)生在其中一個FS-RAC樣品中，但只有一小塊RAC從FFRP上脫落。其原因可能與單軸拉伸試驗中的原因相同，即FS和再生骨料的開口之間的互鎖效應(yīng)。此外，在其中一個FL-RAC樣品上也出現(xiàn)了壓縮區(qū)的混凝土破碎，但只是在一個小范圍內(nèi)，大約2厘米寬。

圖4 四點彎曲載荷下的應(yīng)力-撓度關(guān)系

在彎曲強度方面，四個組之間沒有相當(dāng)大的差異。更值得注意的是FS-RAC組，它的彎曲強度比FS-Mortar組高9%，比FL-RAC組高16%。一方面，由于RA和FS網(wǎng)格之間的互鎖效應(yīng)，從失效模式可以看出，F(xiàn)S-RAC中的界面結(jié)合得到了改善，因此可以更充分地利用張力區(qū)。另一方面，與砂漿相比，RAC的抗壓強度較高，有助于提高FS-RAC的抗彎強度。

3 結(jié)論

為提高天然亞麻纖維增強聚合物加固水工結(jié)構(gòu)加固效果，本文通過實驗分析FFRP鋼筋網(wǎng)孔大小和混凝土骨料大小對FFRP鋼筋混凝土的拉伸和彎曲性能的影響，得到以下結(jié)論。

(1)骨料和FS網(wǎng)格中的開口尺寸接近，骨料很容易被卡在網(wǎng)格的開口處。網(wǎng)適當(dāng)尺寸的骨料可防止混凝土基體和小網(wǎng)孔尺寸的FFRP之間的界面脫粘。

(2)基體中加入中等的再生骨料導(dǎo)致FFRP加固的RAC的抗拉強度比FFRP加固的砂漿低，用FS加固混凝土(砂漿/RAC)對抗拉強度有負面影響。

(3)網(wǎng)目尺寸較大的FFRP加固混凝土(砂漿/RAC)的效果更好，建議在結(jié)構(gòu)加固過程中使用較大的網(wǎng)目。

(4)由于實驗測試中的指標(biāo)數(shù)量有限，結(jié)論需通過更全面的指標(biāo)進一步分析。