碳纤维编织网增强混凝土板的抗弯强度试验与分析.pdf

2 0 1 3年第 4期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 3 No 4 Ap r i l 碳纤维编织网增强混凝土板的抗弯强度试验与分析 孟 辉 ， 马芹永 ， 卢小雨 ( 安徽理工大学土木与建筑学院， 淮南 2 3 2 0 0 1 ) 摘 要 ： 对 网格 间 距 为 8 0 mm 的 不 同碳 纤 维 用 量 的碳 纤 维 编 织 网增 强 混 凝 土 板 的 抗 弯强 度 进 行 了试 验 研 究 。 碳 纤维编织 网是 利用碳 纤维束在经纬 两个方 向进行平 织而成 ， 并经过碳 纤维浸 润胶 浸渍及在 其表 面粘砂的 处理 ， 以增 强其 与混凝土的粘结强度。试验结果表 明， 随着碳 纤维用量的增加 ， 碳 纤维编织 网增强混凝土板 的抗 弯强度与挠度 逐 渐提 高 ， 当碳 纤维用量达到 5 0个单元束 时提 高最 大， 较素混凝土板分别提 高了 1 0 6 6 和 4 1 0 6 。 关 键 词 ： 碳 纤 维 编 织 网 ； 混 凝 土板 ； 抗 弯强 度 Ab s t r a c t ：T h e c o n c r e t e p l a t e s b e n d i n g s t r e n g t h i s r e s e a r c h e d a n d t h e c o n c r e t e p l a t e s a r e r e i n f o r c e d b y c a r b o n fi b e r t e x t i l e w i t h d i fi e r e n t fi b e r v o l u me s p a c e d a t 8 0 mmTh e c a r b o n t e x t i l e i s ma d e o f fi b e r r o v i n g t h rou g h fla t k n i t t i n g t e c h n o l o g y i n t wo d i me n s i o n s ，wh i c h i s d i p p e d i n t o t h e c a r b o n fi b e r i n f i l t r a t i o n g u m a n d p r o c e s s e d a d h e r i n g s a n d o n i t s s u r f a c e t o e n h a n c e i t s b o n d i n g s t r e n gth w i t h c o n c r e t e T h e r e s u l t s s h o w tha t t h e c o n c r e t e p l a t e s b e n d i n g s t r e n g t h a n d d e fl e c t i o n g r a d u a l l y i mp r o v e wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e v o l u me o f t h e c a r b o n fi b e r ， a n d t h e i mp r o v e d p e rf o r ma n c e a t t a i n s t h e ma x i mu m wh e n the n u mb e r o f fi b e r b u n d l e s r e a c h e s 5 0 C o mp a r e d w i t h t h e p l a i n c o n c r e t e p l a t e ，i t s s t r e n g t h a n d d e fl e c t i o n i n c r e a s e b y 1 0 6 6 a n d 4 1 0 6 。 r e s p e c t i v e l y Ke y wo r d s ： Ca r b o n fi b e r t e x t i l e ； C o n c r e t e p l a t e ； B e n d i n g s t r e n g t h 中图分类号 ： T U 5 2 5 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 4 - 4 3 0 3 0前 言 在钢筋混凝土结构 中 ， 钢筋处于水泥水化时生 成的强碱介质里。钢筋在这种介质 中表面形成钝化 膜 ， 可抑制钢筋 的腐蚀 。但 由于混凝土 的抗拉强度 很低 ， 在结构 的受拉侧容易产生裂纹 ， 如果再加上 混凝土密实性不足或保 护层设置太 薄 ， 则结构就较 易 于因侵蚀性 因素的影 响而破 坏钝化膜【 1 ， 使钢 筋 发生锈蚀 ， 从 而导致材料 的耐久性下 降。碳纤维是 一 种理想的耐腐蚀材料 ， 且纤维沿着混凝土结构中 的应力主方 向连续布置 ， 增强效果较 短切纤维有相 当大的提高。另外 ， 碳纤维编织网双向分布 ， 抗粘结 滑 移性 能也较好 ，同时碳 纤维织物 的抗拉 强度 很 高， 对混凝土结构的增强效果显著。 徐世煨 ， 李赫 ， 尹世平等 的研究 表明【2 _ 5 1 ， 环氧树 脂浸渍纤维编织网并在其表面粘砂 ， 尤其是粘砂粒 径 为 0 1 5 0 3 0 mm时， 可 明显改善纤维 网与砂浆基 体之间的粘结性能 ， 提高弯曲状态下纤维网的极限 承载力 ， 控制基体开裂。但粘结力不能过大 ， 否则会 使纤维束突然破坏 ， 构件不能继续承受荷载 。因此 ， 可考虑采用环氧树脂浸渍后纤维网单面粘砂 。本文 研 究了用碳 纤维浸润胶浸渍后碳纤维编织 网单 面 粘砂的方法增强混凝土板的抗弯强度。 基 金项 目： 淮南 市科技计 划项 目( 2 0 1 1 A 0 7 9 1 8 ) 。 1 试 验方 案 1 1 原材料与配合 比设计 碳纤维 ： 采用单 向碳纤维布 ， 经测试 ， 碳纤维的 抗拉强度为 3 4 4 9 MP a ，受拉弹性模量为 2 4 8 G P a ， 伸 长率为 1 7 9 。 碳纤维浸润胶 ： 北京某公 司提供 ， 产 品的型号 为 Y J S 一 6 0 1 ，抗 拉 强度 4 9 0 3 MP a ，抗弯 强度 7 8 4 5 MP a ， 剥离强度1 3 7 3 MP a ， 可操作时间为 6 0 - 1 2 0mi n。 依据 J G J 5 5 2 0 1 l 普通混凝土配合 比设计规 程 问 ， 设计强度等级为 C 3 0的混凝土 ， 水灰比 0 6 O， 砂率 3 8 ， 水泥用量 3 5 0 k m 。 。水泥 、 水 、 砂 、 石的质 量 比为 1 ： 0 6 ： 1 9 5 ： 3 1 7 。 碳纤维编织 网网格 间距 8 0 mm，各编织纤维束 则均有 1 2 K的纤维单束为单元合成 ，称为纤维束 。 纤维单束截面积约 0 6 ram ， 且后面的碳纤维截面积 都是以此为基本单元 ， 均称为单元束 。碳纤维编织 网的用量根据混凝土板试 件受 弯正截 面承载力计 算得出。经计算 ， 在混凝土板单向截面 中碳纤维所 需截面积约为 0 6 ra m 纤维单元束的数量 ，在 8 - 2 5 束之间 ， 板双向总用量在 1 6 5 0束之间。由此设计 碳纤维编织 网的碳纤维用量 ， 见表 1 。 1 2 试件制作与养护 4 3 孟辉 ， 马芹永 ， 卢小雨 碳纤维编织 网增强混凝土板的抗弯强度试验与分析 Z 铺 堰 0 0 4 0 8 l - 2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 _2 3 6 4 0 4 4 跨 中挠度 mm 图 6 C R B 一 8 0 5 0板荷载一 挠度 曲线 Z 避 疆 碳纤维量 单元束 图 7 极限倚载一 碳纤维量拟合 曲线 滑移 。 当碳 纤 维 与 混凝 土 发 生 一定 的 相对 滑 移 后 ， 荷 载 又 要克 服 碳 纤维 与混 凝 土 的粘 结 力 ， 此 时 荷 载 又会 随着 挠度 的增 加 而增大 。随着 混凝 土裂缝 的不 断发展 变大 ， 裂缝处 的混凝 土逐 渐退 出工作 ， 此 时 主要是碳纤维继续承受荷载 ，荷载一 挠度 曲线仍 近 似 为线性 ， 直到碳纤维被拉断 ， 会听到“ 啪啪” 的断 裂声 。此时板 中间部位的挠度变化加快 ， 荷载突然 下 降 ， 基本上没有 出现屈服阶段 ， 破 坏属于突然 的 脆性破坏 ，其开裂破坏特征与素混凝土板相似 ， 但 在 破 坏前表 现 出 了较大 的变 形 。 由图 7 8极限荷载 、 跨 中挠度分别与碳纤维量 的拟合 曲线可以看出 ，随着碳纤维用量的增大 ， 碳 纤 维编织 网增强普通混凝土板 的极 限抗弯承载力 与跨 中挠度逐渐提高 。与素混凝土板相 比， 碳纤 维 用量为 3 0 、 4 O 、 5 0单元束 的各组板 的极 限荷载平 均 值 分别提高了 4 7 6 、 1 0 1 7 、 1 0 6 6 ， 而跨中挠度 则分别提高了 2 6 3 5 、 2 5 6 5 、 4 1 0 6 。 通过碳纤维用量 5 0单元束板的极限荷载和跨 中挠度与 4 0单元束 的相比可知 ，极 限荷载仅增加 了 2 4 ， 而 挠 度 则 增 长 了 4 3 2 ， 这 说 明 混凝 土 板 的 极 限 荷 载 不 会一 直 随着 碳 纤 维 的用 量 的增 加 而 增 大 ， 即碳纤 维 的用量 不 是 越多 越 好 。 这 可能 是 因 为当碳纤维用量增大到一定限值时， 其与混凝土的 粘结强度相对碳纤维束 的抗拉强度较低 ， 不能使碳 纤维束在混凝土试件中充分 的发挥其抗弯拉作用 ， 从 而导致试件最终 因碳纤维与混凝 土发 生较大 的 粘 结滑 移 而破 坏 。 3结论 ( 1 ) 碳纤维编织 网可有效提高混凝土板的抗弯 承载力 ， 且 随着碳纤维 用量 的增加 ， 混凝土板 的抗 弯 承 载 力 逐 渐 提 高 ， 与 素 混 凝 土板 相 比 ， 碳 纤 维 用 量为 3 0 、 4 0、 5 0单元束 的各组板的极限荷载平均值 分别提高 4 7 6 、 1 0 1 7 、 1 0 6 。 6 。 ( 2 ) 碳纤维编织 网町有效提高混凝 土板的变形 能 力 ， 且 随着 碳 纤 维 用 量 的增 加 ， 碳 纤 维 编 织 网增 强混凝土板 的变形 能力逐渐提高 ， 与素混凝 土板相 g 导 龆 0 1 0 2 O 3 0 4 0 5 0 6 0 碳纤 维量 单元束 图 8 跨 中挠度一 碳纤维 量拟 合曲线 比，碳纤维用量为 3 0 、 4 0 、 5 0单元束的各组板的跨 中挠度平均值分别提高 2 6 3 5 、 2 5 6 5 、 4 1 0 6 。 ( 3 ) 碳 纤 维编 织 网虽 然 可有 效 地 提高 混 凝 土 板 的抗 弯 承 载 力 ， 但碳 纤 维 编织 网增 强 混凝 土 板 的抗 开裂荷载与素混凝土板 的开裂破坏荷载相 比大小 相近， 并没有得到明显提高。 ( 4 ) 碳 纤维 编 织 网增 强 混 凝 土 板 的抗 弯 承 载 力 和变形 能力随碳纤维用量 的增加逐渐提高 ， 但当碳 纤维用量达到一定限值时 ， 混凝土板的抗弯承载力 基本 不 再 提 高 ， 而挠 度 却 可 以持 续增 长 。这 表 明碳 纤维编织 网的纤维束的纤维用量不宜过 大 ， 可能是 由于当纤维束的纤维用量超过一定 的限值时 ， 其与 混凝土 的粘结强度相对于纤维束 的抗拉强度较低 ， 从 而导 致 混 凝 土 试 件 最 终 因碳 纤 维 与 混 凝 土 发 生 较大的粘结滑移而破坏 ， 不能使纤维束在混凝土试 件中充分发挥抗弯拉作用 。 参 考 文 献 ： 1 J 洪定海， 赵羽 习 混凝土结 构耐久 性【 M】 北 京： 科 学 出版社 ， 2 00 2 【 2 】 S h i L a n g X u ， Y i Q u n Y a n ， e t a 1 E x p e r i me n t a l s t u d y O i l m e c h a n i c i a l p r o p e x i e s o f F R C p l a t e J I A d v a n c e d Ma t e r i a l s R e s e a r c h ，2 01 0： 1 5 0-1 5l ，76 6 【 3 李 庆华， 徐世娘， 李赫 提 高纤维编织 网与砂浆粘结性能 的 实用方法f J I 大连理工大学学报， 2 0 0 8 ， 4 8 ( 5 ) ： 1 0 0 0 - 8 6 0 8 4 李 赫， 徐 世娘 纤维编织 网增强混凝 土薄板 力学性能的研 究l J 1 建筑结构学报， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 4 ) ： 1 0 0 0 6 8 6 9 5 尹世平， 徐世 娘 提高纤 维编织 网保 护层混凝 土抗剥 离能 力 的有效 方法 J J 建筑材料学报， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 4 ) ： 1 0 0 7 - 9 6 2 9 【 6 】中华人 民共和 国住 房和城 乡建 设部 J G J 5 5 2 0 1 1普通 混 凝土 配合 比设 计 规 程f s 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 1 1 7 张兴亮 碳纤维 编织 网增强普通 混凝 土的力学 性能试 验 研究 D 淮南 ： 安徽理工大学， 2 0 0 9 收 稿 日期 ： 2 01 3 0 2 - 2 6 作者简介 ： 孟辉( 1 9 8 5 一 ) ， 男 ， 硕士研究 生。 通讯地址 ： 安徽理工大学土木建筑学院 联 系电话 ： 1 8 6 5 5 4 0 6 7 1 6 E ma i l ： me n g h u i 8 5 1 0 0 6 1 6 3 c o m 4 5 4 0 6 2 8 4 O 6 2 8 4 加 84 o