C-FRCM复合材料拉拔和拉伸力学性能关键影响参数及锚固机理研究

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纤维编织网增强水泥基复合材料(Fabric Reinforced Cementitious Matrix,简称FRCM)是一种由多轴纤维编织网和砂浆组成的新型无机复合材料。由于与混凝土结构具有良好的兼容性,FRCM作为外部粘结系统对既有钢筋混凝土结构或砌体结构进行加固和修复的有效性已经得到证实,但同时也发现其纤维利用率与FRP加固相比仍存在一定差距。现有的研究表明由于纤维-砂浆界面不均匀粘结性能引起的纤维束拉断-拔出破坏是导致FRCM纤维利用率偏低的重要原因,但针对这个问题目前尚未得到有效解决。因此,如何提出简单、便捷、有效的方法改善纤维-砂浆界面粘结性能,成为现阶段需要重点解决的问题。基于此,本文提出了采用纤维束端部弯折锚固作为改善纤维-砂浆界面粘结性能、提升FRCM复合材料基本力学性能的新方法,并从纤维-砂浆界面粘结性能和复合材料宏观基本力学性能两个层次出发展开了系列研究,主要研究内容和结果包括:(1)碳纤维束拉拔性能研究。设计了275个拉拔试件研究了纤维-砂浆界面的粘结性能,探究了不同粘结长度、锚固长度、锚固角度、纤维束数量以及砂浆强度对峰值拉拔应力的影响,验证了纤维端部弯折锚固系统对增强纤维束协同受力性能和提高C-FRCM纤维利用率方面的有效性。试验结果表明:i)锚固角度对拉拔试件的峰值拉拔应力有显著影响,随着锚固角度的增加峰值拉拔应力呈现出增大趋势,在锚固角度为180°时发生纤维束拉断破坏,峰值拉拔应力和纤维利用率达到最大;ii)粘结长度和锚固长度会同时影响到试件的峰值拉拔应力,当弯折锚固长度超过有效锚固长度后继续增大锚固长度对提高峰值拉拔应力无明显作用,同时在粘结长度较短时弯折锚固对提升峰值拉拔应力和纤维利用率的效果更显著,相比相同纤维总长度无弯折锚固试件,不同系列弯折锚固试件的峰值拉拔应力最大提高幅度在49%165%之间;iii)纤维束数量的增大会降低峰值拉拔应力;iv)ESEM试验结果显示弯折锚固试件中被拉断纤维丝的比例明显比相同纤维总长度无弯折锚固试件的大,直接证明了端部弯折锚固产生的积极效果。(2)C-FRCM单轴拉伸性能研究。通过单轴拉伸试验研究了C-FRCM复合材料的力学性能,基于48个试件的试验结果分析了夹板粘结长度、纤维编织网层数、砂浆强度以及纤维端部弯折锚固对试件力学性能的影响,并讨论了部分参数在拉拔和拉伸试验中结果存在差异的原因。试验结果表明:i)端部弯折锚固试件从加载到破坏的受力过程与无弯折锚固试件相似,其极限应力和纤维利用率相比相同夹板粘结长度下无弯折锚固试件提高10.4%21.1%,且弯折锚固在两层纤维编织网的试件中对纤维利用率的提升效果更明显;ii)增大夹板粘结长度能够提高C-FRCM的极限拉伸应力和极限拉伸应变,但在夹板粘结长度超过150mm之后继续增大夹板粘结长度极限拉伸应力仅有轻微增长;iii)纤维编织网层数对单轴拉伸试件裂缝分布和力学性能存在一定影响,试件极限荷载随着纤维编织网层数的增加而增大,四层纤维编织网试件裂缝间距更细,裂缝分布更均匀,其极限应力相比一层和两层纤维编织网试件高3%13%;iv)砂浆强度对纤维束拉拔性能和C-FRCM单轴拉伸性能的影响程度存在差异,纤维束峰值拉拔应力受到砂浆强度影响显著,但砂浆强度对CFRCM单轴拉伸性能的影响主要集中于试件开裂荷载,对极限拉伸应力的影响较小。(3)基于三线性粘结滑移本构关系对碳纤维束的拉拔性能进行了数值模拟,与试验结果较为吻合。
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