钢板网与纤维织物网联合增强混凝土薄板抗剪力学性能试验研究

Experimental Study on Shearing Properties of Concrete Sheet Reinforced by Steel Mesh and Fiber Fabric Mesh

摘要: 对分别采用纤维织物网、钢板网、纤维织物网与钢板网联合增强的混凝土薄板的抗剪切性能进行了试验研究，得出结论：混凝土薄板采用纤维织物网和钢板网增强均能提高其抗剪切强度；当薄板的剪切变形达到一定程度后，板中铺设的织物网和钢板网参与承担抵抗剪切变形。

Abstract: The paper made the experimental study on shearing properties of concrete sheet reinforced by fiber fabric mesh, by steel mesh, by steel mesh and fiber fabric mesh. The results show that the shearing strength of concrete sheet can be improved by the fiber fabric mesh or the steel mesh reinforcement; when the shear deformation of the sheet reaches a certain level, the fabric mesh and the steel mesh laid in the sheet participate in resisting shearing deformation of sheet.

1. 引言

织物增强混凝土(TRC)是一种新型复合材料，具有高强、耐腐蚀、抗裂性和耐久性好等优点，国内外关于该类型复合材料在土木工程领域的研究与应用日趋广泛 [1] [2] [3] [4] 。由于TRC使用的纤维材料具有高强、耐腐蚀等特性，因此采用TRC制作成的板可以做得很薄(1到2 cm)，可用于制作面板、轻型结构构件、覆层材料、结构加固层、永久性模板等 [5] [6] [7] 。但TRC中纤维织物网的柔软性，不易固定成复杂的空间形状，使得TRC在用于制作复杂空间结构时存在施工困难的问题。文献 [4] 提出采用纤维织物网和钢板网联合增强混凝土的方法，可以较好地解决该类问题。

本文对分别采用纤维织物网、钢板网、纤维织物网与钢板网联合增强的混凝土薄板的抗剪力学性能进行了试验研究。

2. 试验概况

2.1. 试验材料

2.1.1. 细骨料混凝土

试验采用的细骨料混凝土配合比为水泥(c):砂(s):水(w):外加剂(JM-PCA(I)) = 1:1.5:0.32:0.015。水泥采用盐城东台水泥厂生产的磊达牌P. II52.5普通硅酸盐水泥。砂为普通河砂，用4.75 mm方孔筛过筛，级配合格，细度模数约为2.5的II区中砂。减水剂采用JM-PCA(I)型超塑化剂。水采用自来水。细骨料混凝土的抗折和抗压强度测值见表1。

Table 1. The flexural and compressive strength of fine aggregate concrete

表1. 细骨料混凝土的抗折和抗压强度

2.1.2. 纤维织物网

本次试验采用碳纤维和耐碱玻璃纤维混合编织的纤维织物网，两种纤维相互垂直水平铺设，经纬向分别为碳纤维粗纱和耐碱玻纤粗纱，网格间距为12.5 mm × 12.5 mm，用纱线缝编交结处，见图1。纤维束的主要力学性能参数见表2。

Figure 1. Fiber network

图1. 纤维织物网实物图

Table 2. Main parameters of the fabric

表2. 织物的主要参数

2.1.3. 不锈钢板网

本次试验采用了四种不同型号不锈钢钢板网，材质为304不锈钢、菱形孔，由河北安平县贵翔丝网厂生产，其网孔大小、板厚等技术参数见表3，参数含义见图2。

Table 3. Steel mesh parameters

表3. 不锈钢板网技术参数

Figure 2. Technical parameter figure of expanded steel

图2. 不锈钢板网参数含义

2.2. 试验方法及试验装置

本次试验根据《钢纤维混凝土试验方法》，采用双面直接剪切法，加载示意如图3所示，试验装置见图4。试验装置上下刀口厚度均为20 mm，错位1 mm，试验时保持上下刀口垂直相对运动，无左右移动。试验在万能试验机上进行，加载前先测量好试件两个预定破坏面的高度和宽度，然后将试件放入试验装置，使其顶面和底面分别与装置上下刀口接触，并使装置的中轴线与压力机作动器的中轴线在同一条直线上。对试件进行连续、均匀加载，采用试验力控制方式加荷，加荷速率为0.1 MPa/s。

Figure 3. Loading schematic

图3. 加载示意图

Figure 4. Test device

图4. 试验装置

2.3. 试件设计

本次试验以钢板网型号、钢板网和织物网铺设层数为主要变化参数，制作了尺寸为400 mm × 100 mm × 25 mm的20个试件。试件编号及分组、数量等情况见表4。

Table 4. The number and grouping of specimens

表4. 试件编号及分组

3. 试验结果及分析

3.1. 极限荷载与抗剪强度

试验得到的极限荷载和抗剪强度见表5。

Table 5. Test results

表5. 试验结果

注：抗剪强度计算公式为： ${\tau }_{\max }=F_{\max }/2bh$ ， ${\tau }_{\max }$ 为薄板剪切强度(MPa)； $F_{\max }$ 为极限荷载(N)；b、h为试件宽度(mm)、高度(mm)。

由表5可知，在混凝土薄板中铺设纤维织物网和钢板网均能提高其抗剪强度。相比素混凝土板，铺设1层织物网和1层钢板网薄板的抗剪强度提高幅度最大，为23.3%；铺设1层钢板网的提高幅度次之，为17.8%；铺设1层纤维织物网的提高幅度为11.0%。

根据BI12和BI11的试验结果，铺设2层织物网和1层钢板网的薄板的抗剪强度高于铺设1层织物网和1层钢板，相比素混凝土薄板，分别提高30.1%、23.3%。

根据表中第二组试件的试验数据，所铺设的钢板网的型号变化对薄板抗剪强度的提高幅度有一定的影响。铺设1层钢板网和2层织物网的薄板的抗剪强度，相比素混凝土薄板，钢板网采用AI型、BI型、CI型、DI型分别提高24.7%、30.1%、26.0%、31.5%，可以看出，铺设BI型和DI型钢板网对薄板抗剪强度的提高要优于AI型和CI型。

3.2. 剪切强度-位移曲线

试验得到的剪切强度–位移曲线见图5。

第一组 第二组

Figure 5. Thecurve of shear strength-displacement

图5. 剪切强度–位移曲线

由图中第一组试件的剪切强度–位移曲线可知，在加载初期，P、BI10、BI01、BI11四种类型试件的位移变化基本一致；随着加载的进行，BI10、BI01、BI11试件的位移相比试件P逐渐出现滞后现象，并且该现象趋于明显，并且BI11试件滞后幅度最大。这说明加载初期，薄板的抗剪切变形主要由素混凝土来承担；当薄板的位移达到一定数值后，板中铺设的织物网和钢板网参与承担抵抗剪切变形，且参与程度随荷载的增加趋于增大。

由图中第二组试件的剪切强度–位移曲线可知，当加载至一定程度后，在相同剪切强度下，铺设AI型、BI型、CI型、DI型钢板网的薄板的位移呈由小到大变化，这说明当薄板的剪切变形达到一定程度后，铺设不同型号的钢板网参与承担抵抗薄板的剪切变形的程度不一样，参与程度由高到底依次为AI型、BI型、CI型、DI型。

4. 结论

1) 混凝土薄板采用纤维织物网和钢板网增强均能提高其抗剪切强度，且铺设1层钢板网的增强效果好于铺设1层纤维织物网，铺设1层纤维织物网和1层钢板网的增强效果好于铺设1层钢板网；

2) 采用2层织物网和1层钢板网联合增强的薄板的抗剪切强度明显高于1层织物网和1层钢板网联合增强的抗剪切强度；

3) 铺设不同型号的钢板网对薄板抗剪切强度的增强效果有一定的差别；

4) 当薄板的剪切变形达到一定程度后，板中铺设的织物网和钢板网参与承担抵抗剪切变形；

5) 当薄板的剪切变形达到一定程度后，板中铺设不同型号的钢板网参与承担抵抗剪切变形的程度不一样。

基金项目

中铁建设集团有限公司2018年度科技研发计划项目资助(LX18-37)。

参考文献