织物增强水泥砂浆中的主筋编排

张 静 丁美娟

摘要:模拟钢筋混凝土配筋方式,用纤维增强砂浆筋代替传统钢筋增强水泥砂浆。采用玻璃纤维编制纤维增强砂浆筋作为主筋,用芳纶纤维对其进行横向连接并织成平面织物,然后用水泥浆进行固化。接着就主筋编排方式对织物增强水泥砂浆力学性能的影响进行研究。结果表明:辫子状主筋织物增强水泥砂浆的抗折、抗压强度比交织状主筋织物增强水泥砂浆的大;在宽度和厚度方向上的主筋根数有一个最佳值,高于或低于此值,其增强效果都会下降;较细主筋的增强效果比较粗主筋的好。

关键词:主筋编排方式;织物;纤维增强砂浆筋;复合材料;力学性能

用FRP(纤维增强树脂) 筋代替传统钢筋对混凝土材料进行配筋在国际上已成为研究热点,现有的FRP 筋很有希望在桥面板、护墙、停车库等方面得到越来越广泛的应用, 但人们发现,FRP 筋与混凝土的粘结性相对钢筋稍差,且FRP 为脆性材料, FRP 混凝土结构安全性能较低,因此FRP 筋要取代钢筋还必须解决FRP 筋与混凝土的粘结性和FRP 混凝土结构的延性、耐久性等问题。把纤维编成织物后使用,能使纤维与水泥发生相互锁结,改善纤维与混凝土间的界面粘结,,但二维平面织物增强的混凝土材料仍普遍存在层间剪切强度差的问题。为了克服这一缺陷,本文参照钢筋混凝土配筋方式,用玻璃纤维编制了纤维增强砂浆筋作为主筋代替钢筋,,用芳纶纤维对其进行横向连接并织成平面织物,然后用水泥浆代替常用的树脂对主筋进行固化,以解决FRP 筋与水泥界面粘结较差的问题。同时,还就主筋编(织) 排(布) 方式对织物增强水泥砂浆力学性能的影响进行了初步的研究。

1 实验

1.1实验原材料

2400tex中等模量普通无碱玻璃纤维,24K芳纶纤维,水泥为复合硅酸盐水泥,强度等级为32.5。砂为标准砂.

1.2试样制备

1.2.1主筋和平面织物的编制

按要求,先用玻璃纤维编织主筋后,再用芳纶纤维对其进行横向连接并织成平面织物。主筋编织工艺流程为:剪取定长纤维→编织→定型.主筋编织方式共有2种,一种为打辫子方式,一种为交织方式(16cm内交织6次)。平面织物的编织:编织物z 轴方向(试样纵向)骨架统一由玻璃纤维编成的主筋支撑,横向由芳纶纤维连接,织物编织方式模仿钢筋混凝土柱和梁的配置形式。将4 根主筋用特制可拆卸锚具分别固定在长方体的4 条棱上,这相当于钢筋混凝土梁、柱中的箍筋。用芳纶纤维编织x轴方向(试样厚度方向)和y轴方向(试样宽度方向)的平面织物,这相当于钢筋混凝土梁、柱中的加强筋。

1.2.2水泥基体的制备

按m(水泥)∶m(标准砂)∶m (水)=1:3:0.5称取原料。将称好的水泥和水放入容器内搅拌60s,然后加入标准砂,再搅拌180s,制成水泥浆:抗折试样尺寸为40mm×40mm×160mm,其制作步骤为:(1)织物框架编好后,用水泥浆在织物表面上薄薄地涂上一层,使其硬化。(2)在抗折强度试验标准模具底层和四周平铺少量水泥砂浆打底。(3)将硬化后的织物框架放入模具内,并用4根细棒分别将织物框架的4个角固定于模具的4个角上。(4)向模具空隙内填充水泥砂浆,并时时用玻璃棒手工调整织物框架变形部位,使之保持原状基本不变。(5)振动压实后,轻轻拔掉4根细棒,再进一步振动压实。(6)在(20±3)℃、相对湿度70%下养护24h后拆模,再在(20±3)℃的水中养护28d。

1.3测试仪器与设备

用TYE-200B型抗折抗压试验机进行抗折强度实验。三点弯抗折试验加载速度为50N/s,跨距为100mm。折断后的试样再进行抗压测试,承压面积为40mm×40mm。

2 实验结果与讨论

2.1主筋编织方式对织物增强水泥砂浆力学性能的影响

在主筋纤维类型、纤维束数及宽度和厚度方向上主筋铺设根数相同的情况下,主筋编织方式对织物增强水泥砂浆力学性能的影响,通过实验,可以看出:辫子状主筋织物增强水泥砂浆的抗折强度(ft)比纯水泥砂浆增加了22.62%,高出交织状主筋织物增强水泥砂浆3.10%;其抗压强度(fc)则比纯砂浆下降11.43%,但比交织状主筋织物增强水泥砂浆少下降17.90%.辫子状主筋结构复杂,纤维间某些部位比较松散,纤维形态凹凸有致,这有利于水泥的渗透,使之与水泥基体有很好的锚合作用,从而形成一个既能互相联系,又能各自发挥独到作用的复合材料整体,提高了水泥砂浆的抗折强度。抗折实验过程中试样裂纹的扩展情况和抗压测试后试样的断裂形貌进一步验证了上述结果。

2.2主筋排布方式对织物增强水泥砂浆力学性能的影响

在主筋纤维类型、编织方式和纤维束数相同情况下,主筋排布方式对织物增强水泥砂浆力学性能的影响。通过实验可以看出:相对纯水泥砂浆而言,织物增强水泥砂浆抗折强度由2×2根时增加9.05%,上升到3×3根时增加44.29%,而4×4根时却只增加15.24%, 反倒不如3×3根时的抗折强度。抗压强度也出现了从上升到下降的情况,尽管其绝对值均低于纯水泥砂浆。即,在主筋纤维类型、编织方式和纤维束数相同的情况下,主筋在织物中宽度和厚度方向上的排列根数存在一最佳值,在该值以下,织物增强水泥砂浆抗折、抗压强度随宽度和厚度方向上主筋根数的增加而增大;在该值以上,则反之。另外,在本实验试样尺寸条件下,,无论是抗折强度,还是抗压强度,都以宽、厚度方向各铺设3根主筋为好。上述结果可能跟纤维和水泥基体作为一个整体的致密性有关。一方面,随着主筋根数的增加,织物的体积分数增加,织物阻挡裂纹扩展的能力增强;另一方面,在主筋粗细(纤维束数) 一定的情况下,随着主筋根数的增加,主筋与主筋之间空隙减少,水泥在复合材料中所占的比例降低,这使得复合材料致密性下降,织物增强水泥砂浆抗折、抗压强度随之降低。因此,主筋在织物中宽度和厚度方向上的排列根数存在一最佳值。

2.3主筋粗细对织物增强水泥砂浆力学性能的影响

主筋粗细对织物增强水泥砂浆力学性能的影响表明:在主筋编织方式、排布方式、纤维类型相同而构成主筋的纤维束数不同时,其增强效果也不同,主筋较细的增强效果比主筋较粗的要好。 这可能是由于一方面主筋越粗,主筋内的纤维与基体的直接接触量减少,水泥在纤维内的渗透量较少,从而使得织物增强水泥砂浆的整体致密性下降。另一方面,纤维根数越多,主筋内存在的薄弱环节越多,反而有可能使主筋的强度下降,增强效果降低。

3结论

3.1辫子状主筋织物增强水泥砂浆的抗折、抗压强度比交织状主筋织物增强水泥砂浆的大。

3.2在编织织物增强水泥砂浆的织物时,主筋在宽度和厚度方向上的根数有一最佳值,高于或低于此值,其对水泥砂浆的增强效果都会下降。

3.3在保证适当强度的情况下,织物增强水泥砂浆中织物的主筋以较细为好。

3.4为了提高试样的力学性能,砂浆的配方及制作工艺有待进一步的改进。

参考文献:

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