翟夢超,王景全,姚一鳴
(東南大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211100)
織物增強混凝土(Textile Reinforced Concrete,TRC)是由連續(xù)的耐堿纖維網(wǎng)格增強高性能細(xì)骨料混凝土的一種新型復(fù)合材料,具有多縫開裂的特點和優(yōu)異的拉伸性能[1]。TRC輕質(zhì)高強的特性與薄壁構(gòu)件具有良好的匹配度,同時其材料本身具有高耐久性,因此可將TRC用于已有結(jié)構(gòu)的維修加固改造或用作永久模殼快速施工。
研究發(fā)現(xiàn),在TRC中混合摻入短纖維,如鋼纖維、玻璃纖維、合成纖維等,利用短纖維與織物的交織穿插,可以提升織物與基體的界面黏結(jié)性能[2-3],進而減小裂縫寬度,增加裂縫數(shù)量,增強材料的裂縫控制能力。同時,短纖維的摻入有效改善了細(xì)骨料混凝土的內(nèi)部缺陷,提升了基體的開裂強度,使得復(fù)合材料整體取得更高的拉伸強度和韌性[3-5]。從另外的角度分析,連續(xù)織物與短切分布纖維的混合使用起到了協(xié)同增強增韌效果,在短纖維增強混凝土中使用織物可降低短纖維摻量,改善拌合物的工作性能,從而優(yōu)化施工過程,有利于保障硬化混凝土的力學(xué)性能。
TRC的工程應(yīng)用多用于薄壁構(gòu)件,使用TRC加固混凝土柱能夠有效提升結(jié)構(gòu)的承載力、延性和耐久性能。Al-Gemeel等[6]研究了3種不同的玄武巖纖維網(wǎng)格增強水泥基復(fù)合材料(Engineering Cementitious Composite,ECC)加固混凝土柱的軸壓性能;Ortlepp等[7]使用TRC部分和全包加固柱,分析了各組分的承載性能;尹世平等[8]研究了纖維網(wǎng)層數(shù)、織物搭接長度等因素對加固混凝土柱軸心受壓性能的影響;江佳斐等[9]研究了織物增強ECC加固柱的軸壓性能,并提出了加固柱承載力的計算方法;荀勇等[10]研究TRC預(yù)制柱模板后澆混凝土加固柱的軸壓性能。
關(guān)于TRC加固混凝土柱的有限元模擬研究較少,王新玲等[11]通過有限元研究了ECC層厚度、網(wǎng)格尺寸對織物增強ECC加固柱軸壓性能的影響;陸新征等[12]通過有限元對纖維增強復(fù)合材料(FRP)布約束混凝土方柱的軸心受壓性能進行了分析,并對FRP布約束混凝土柱的機理進行了分析;戎芹等[13]對鋼管加固高強混凝土短柱的軸壓性能進行了有限元分析,揭示了套箍系數(shù)、核心混凝土強度對短柱軸壓性能的影響。
目前關(guān)于TRC材料及應(yīng)用方面的研究中,TRC材料參數(shù)的選取,如織物的種類和層數(shù)布置、短纖維的摻量等具有多樣性。各組分協(xié)同工作機制和等代關(guān)系的確定將是TRC進一步推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。
本文通過數(shù)值計算,研究織物層數(shù)和短纖維摻量對織物增強ECC(Textile Reinforced Engineering Cementitious Composite,TR-ECC)和織物增強UHPC(Textile Reinforced Ultra High Performance Concrete,TR-UHPC)拉伸性能的影響,并在結(jié)構(gòu)層面研究TR-UHPC的約束能力及其對不同強度核心混凝土的約束效率以及織物與纖維的替代關(guān)系。
對文獻[5]中的玄武巖增強復(fù)合材料(BFRP)織物增強ECC薄板拉伸試件進行數(shù)值模擬,模型具體尺寸如圖1所示。BFRP織物網(wǎng)格參數(shù)如表1所示,將其視為線彈性材料,使用T3D2單元建模并按設(shè)定織物層數(shù)嵌入到ECC加固層中,模型不考慮織物和混凝土間的滑移。ECC材料本構(gòu)采用塑性損傷模型,其單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用Kanda等[14]提出的雙線性模型,抗拉彈性模量為16.6 GPa,極限拉應(yīng)力為7.28 MPa。
表1 纖維織物網(wǎng)格參數(shù)Tab.1 Mesh Parameters of Fabric
有限元計算結(jié)果如圖2所示,模擬試件破壞以纖維織物斷裂為限,數(shù)值計算結(jié)果和試驗結(jié)果在試驗試件失效前擬合較好,其中因模擬過程未考慮纖維織物的黏結(jié)滑移效應(yīng),有限元計算中試件的受力更均勻,因此極限承載力和位移更大。
更換TRC有限元模型中的ECC本構(gòu)參數(shù),研究不同體積摻量超高分子量聚乙烯(PE)短纖維和織物網(wǎng)格的協(xié)同工作響應(yīng)。ECC材料本構(gòu)采用文獻[15]中給出的根據(jù)試驗得到的簡化雙線性模型,模型對應(yīng)參數(shù)見表2,所用PE短纖維參數(shù)如表3所示。
表2 ECC單軸拉伸試驗結(jié)果Tab.2 Results of ECC Uniaxial Tensile Test
表3 PE纖維參數(shù)Tab.3 Parameters of PE Fiber
布置1層BFRP織物,不同PE短纖維摻量的計算結(jié)果見圖3,模型均失效于BFRP網(wǎng)格斷裂,其中除PE-0.75%外,其余摻量的ECC基體極限拉伸應(yīng)變均大于織物網(wǎng)格的失效應(yīng)變,故試件峰值應(yīng)變均位于2.31%左右。模型B1PE-0.75%在基體材 料過早達(dá)到抗拉強度后失去承載力,某處織物網(wǎng)格提前承擔(dān)截面全部的力,隨即達(dá)到極限強度,故模型的名義拉伸應(yīng)變小于織物的極限應(yīng)變值。
雖然PE纖維體積摻量為1.5%和2%時的ECC具有更高的極限強度和更好的延性,但是PE纖維體積摻量為1%時短纖維分散程度更好,具有更高的初裂強度,因此,在和BFRP纖維網(wǎng)格協(xié)同工作下,獲得了更優(yōu)異的拉伸性能,極限強度為11.83 MPa。
如圖4所示,2層纖維織物顯著提高模型的拉伸強度,纖維體積摻量為0.75%和1%時抗拉強度分別提升了69%和49%。其中更高的織物承載能力使得B2PE-0.75%峰值應(yīng)變提升了21.8%。
TR-UHPC的制備方法同普通TRC,采用層壓技術(shù),如圖5所示,這個過程從在模具底部澆注1層薄薄的UHPC開始。然后在新澆混凝土層上鋪設(shè)1層織物,并進行適當(dāng)?shù)陌磯?,以確??椢锱c基體之間的接觸。在布置好第1層織物后,澆注第2層UH-PC。反復(fù)操作,直到最后1層織物鋪好。
UHPC具有高抗壓強度和拉伸強度,但其延性指標(biāo)略顯不足,使用織物增強UHPC能夠進一步提升材料拉伸強度,并且明顯改善其延性和裂后應(yīng)力。試驗測得的2%鋼纖維體積摻量配置碳纖維網(wǎng)格的TR-UHPC拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。
采用文獻[16]中的UHPC拉伸試驗結(jié)果,更改有限元模型中的本構(gòu)參數(shù)??紤]到UHPC較高的初裂強度,依據(jù)文獻[17]選取高于臨界配網(wǎng)率的織物層數(shù),即2層BFRP網(wǎng)格或1層CFRP網(wǎng)格,確保裂后織物的承載力大于基體的開裂強度,以達(dá)到多縫開裂的破壞模式和進一步的強度提升。
如圖7所示,在復(fù)合材料基體達(dá)到開裂荷載后,復(fù)合材料基體和織物相同變形共同受力的彈性階段結(jié)束,裂縫處的織物開始承擔(dān)更多的外力,同時依靠織物和基體間的黏結(jié)傳力和短纖維對于裂縫的橋連傳力作用,在距離此裂縫一段距離處,基體會重新達(dá)到開裂應(yīng)力,因而產(chǎn)生多縫開裂,對應(yīng)TR-UHPC拉伸曲線的平臺段。對高性能織物的拉伸和拔出使得復(fù)合材料取得更高的拉伸強度。因此,替代了1%體積摻量鋼纖維的TR-UHPC相比2.5%體積摻量鋼纖維的UHPC取得了更高的拉伸強度和延性。C1UHPC-S1.5相比2%體積摻量鋼纖維的UHPC極限強度和峰值應(yīng)變分別提升了15.8%和65.9倍。
目前關(guān)于TR-UHPC加固柱的試驗研究較少,故通過ABAQUE模擬織物增強ECC加固柱軸壓的試驗研究進行建模方法的驗證。
對文獻[18]中加固柱進行數(shù)值模擬,并和試驗結(jié)果進行對比。文獻中加固柱素混凝土尺寸為110 mm×300 mm,加固層ECC厚度為20 mm,ECC材料采用雙線性模型[14],抗拉強度取6.61 MPa[9]。所用玄武巖織物網(wǎng)格尺寸為25 mm×25 mm,抗拉強度為658.7 MPa。
模型不考慮加固層和素混凝土界面的滑移,模型一端固定,一端采用位移控制加載。得到加固柱有限元計算結(jié)果和試驗結(jié)果對比,如圖8所示。選取文獻中的核心混凝土32.2 MPa等級的普通混凝土(RC)柱和C-ECC-TB系列加固柱驗證模型的正確性。其中RC柱模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的峰值壓應(yīng)變相差稍大,原因在于,在采用CDP模型模擬時,普通混凝土的本構(gòu)采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[19]中提供的混凝土拉、壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線公式,其中32.2 MPa的單軸抗壓強度對應(yīng)峰值壓應(yīng)變?nèi)∫?guī)范給定的1.67×10-3,而非文獻[18]試驗中測得的2.11×10-3。采用網(wǎng)格增強ECC加固柱C-ECC-TB的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果擬合較好。
如圖9,10所示,軸壓下有限元模型和試驗均會呈現(xiàn)腰鼓型破壞,隨著加載過程的進行,柱的中間高度處首先萌生多道微裂縫,并緩慢對稱地向兩端發(fā)展。一旦達(dá)到峰值強度,裂紋進一步擴展,并且裂紋失效發(fā)生在加固層。加固層中的織物會在環(huán)向的膨脹變形下對核心區(qū)混凝土產(chǎn)生環(huán)形的壓應(yīng)力,約束核心區(qū)混凝土的變形。相比RC混凝土,加固模型的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線在彈性階段結(jié)束后出現(xiàn)明顯的應(yīng)變硬化??傮w來看,對試驗結(jié)果的模擬情況較好,說明本文的有限元模型選取正確,為本文織物增強UHPC加固柱的數(shù)值分析奠定基礎(chǔ)。
在數(shù)值分析中,素混凝土圓柱的尺寸取200 mm×600 mm,長細(xì)比為3;TR-UHPC模殼的厚度取20 mm。研究參數(shù)選取如下:織物布置層數(shù)為0,2,4;核心區(qū)混凝土強度為C40,C50,C60;UHPC鋼纖維體積摻量為1.5%,2.0%,2.5%。具體試件設(shè)計參數(shù)如表4所示。
表4 試件設(shè)計參數(shù)Tab.4 Design Parameter of Specimen
普通混凝土和UHPC材料使用塑性損傷模型模擬,其中UHPC的單軸受拉和單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別取文獻[20]和文獻[16]中的試驗結(jié)果;所用織物CFRP的力學(xué)指標(biāo)見表1。不考慮截面滑移,外力共同作用在UHPC和普通混凝土斷面。
選擇核心區(qū)混凝土強度C40和1.5%的鋼纖維體積摻量,通過UHPC中嵌入網(wǎng)格的層數(shù)不同,研究其對整體抗壓性能的提升。如圖11所示,使用UHPC包裹增強普通混凝土對其承載力提升顯著,且隨著纖維網(wǎng)格的增加,其峰值應(yīng)力σp和峰值應(yīng)變εp均有所提升。
如圖12所示,得益于織物層數(shù)的增加,TR-UHPC模殼的拉伸強度和剛度進一步提升,在相同的軸向變形下,模型的環(huán)向應(yīng)變依次減小。纖維織物的存在同時改善了模型的延性,因此在更大的峰值應(yīng)變εpm下,隨著織物層數(shù)的增加取得了更大的環(huán)向應(yīng)變,模殼承受更大的拉力,相應(yīng)對核心混凝土產(chǎn)生更好的環(huán)向約束力。
如圖13所示(σp,σp0分別為加固柱與素混凝土柱的抗壓強度,εp,εp0分別為加固柱與素混凝土柱的峰值應(yīng)變),相比素混凝土,纖維網(wǎng)格布置0,2,4層時,軸壓強度分別提高了41.8%,51.2%,56.8%。峰值應(yīng)變除在純UHPC時有小幅下降,其余隨著織物層數(shù)的增加而增加,且織物的存在使得曲線的下降段更加平緩,表現(xiàn)出更好的延性。
布置相同的2層織物網(wǎng)格和1.5%鋼纖維體積摻量,改變核心混凝土強度等級為C40,C50,C60時的試件軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖14所示。隨著核心區(qū)混凝土強度的增加,試件的剛度略微增加,峰值承載力也越大,但是曲線的下降段更為陡峭。
分析發(fā)現(xiàn),TR-UHPC模殼對素混凝土柱的約束效率隨著混凝土強度等級的提升而下降。如圖15所示,不同核心混凝土強度雖然具有不同的峰值應(yīng)變,但卻得到了幾乎相等的環(huán)向應(yīng)變,模殼在同樣材料特性下對不同強度核心混凝土發(fā)揮了基本一致的約束力,但其與軸向應(yīng)力的比值卻隨著混凝土強度的提高而下降。
(1)
在不同核心混凝土強度下峰值應(yīng)力各自相比RC40,RC50和RC60的提高率略有下降,核心混凝土強度等級為C40時提高率達(dá)到47%,而對應(yīng)C60時僅為33.6%,如圖16所示。
在UHPC中添加鋼纖維是提高其抗拉強度和延性的主要措施之一,但是過高的纖維摻量不僅提高了材料自重和成本,還帶來了施工的困難,特別是薄壁的板件??梢允褂眠B續(xù)的纖維網(wǎng)格部分替代鋼纖維,在降低鋼纖維的摻量下,仍取得較好的力學(xué)性能。
如圖17所示,采用4層織物1.5%鋼纖維體積摻量的試件T4C40S1.5取得了最高的峰值強度和峰值應(yīng)變,曲線下降段更為平緩。圖18給出了相對于試件T0C40S1.5單一變換織物層數(shù)或鋼纖維摻量后的加固柱峰值應(yīng)力提升情況,σp1為試件T0C40S1.5的抗壓強度,可近似得出每2層纖維網(wǎng)格能夠充分取代0.5%的鋼纖維含量。根據(jù)模擬可知,加固柱的環(huán)向變形量較小,故不能充分發(fā)揮纖維織物的拉伸性能??梢灶A(yù)見,在變形量較大的構(gòu)件(如加固梁)中,纖維織物的鋼纖維替代量能夠進一步提升,取得更高的收益。
(1)纖維織物能夠進一步提升ECC和UHPC的拉伸強度,并且明顯改善UHPC的延性。連續(xù)的長纖維在短纖維體積摻量減少的同時協(xié)同增韌,在合適的配比下能夠達(dá)到更優(yōu)異的力學(xué)性能。
(2)隨著纖維織物層數(shù)的增加,TR-UHPC模殼能明顯提升加固柱的承載力和延性;相同材性的TR-UHPC模殼對高強度混凝土約束提升效率降低。
(3)在結(jié)構(gòu)層面,對于本研究模型,2層CFRP織物能夠充分取代5%體積摻量的鋼纖維,并取得更優(yōu)異的性能。