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【摘 要】纤维编织网增强混凝土（Textile Reinforced Concrete，简称TRC）是由强度很高的精细混凝土（骨料最大粒径为1.2mm）和纤维编织网组成的新型复合材料。TRC材料因其良好的承载能力、耐腐蚀、防磁化和薄壁轻质而被认为是当代最有前途的材料之一，TRC这些优势能否得到充分发挥取决于纤维编织网和混凝土之间粘结性能的好坏。
【关键词】TRC；粘结性能；本构模型
1引言
在钢筋混凝土结构中，钢筋处于水泥水化生成的强碱介质里（PH值在12～14之间）。钢筋在这种介质中表面形成钝化膜，可抑制钢筋的绣蚀。但是如果混凝土的保护层受到破坏，施工时掺入的含氯外加剂和冬季为防止混凝土桥面、路面结冰而撒的盐都会破坏钝化膜；另外空气中的二氧化碳同样也会进入混凝土内部破坏钝化膜；此外钢筋混凝土结构不能屏蔽磁场，在医院这样的场所会给人们带来麻烦。
为解决上述问题，一种创新型的复合材料—纤维编织网增强混凝土（Textile Reinforced Concrete，简称TRC）进入了人们的视野。人们将耐碱纤维（如：AR-玻璃纤维、碳纤维等）编织成经、纬交错的网状埋入混凝土中，让其经向或纬向纤维束沿应力主向布置，即构成了纤维编织网增强混凝土。氯离子和二氧化碳不会腐蚀纤维，因而混凝土保护层厚度可以做的很薄，由此制成的TRC构件也必然薄壁轻质。决定纤维编织网与精细混凝土协调工作并且充分发挥TRC优点的根本因素是二者之间的粘结性能，TRC的力学性能主要取决于混凝土基体与纤维网之间的粘结强度。本文阐述了TRC的粘结机理和目前较常用的粘结本构模型，分析了纤维编织网与混凝土基体之间粘结性能的主要影响因素。
2 TRC的粘结机理和本构模型
2.1TRC粘结机理
纤维编织网与混凝土之间的粘结力由三部分组成：纤维编织网与混凝土二者之间的摩擦力、机械咬合力和化学胶着力。在受载初期，化学胶着力起主要作用。随着荷载的增大，化学胶着力消失，摩擦力和机械咬合力起主要作用。荷载作用下，混凝土基体与纤维编织网之间的粘结界面分为三个部分：真实裂缝区域、虚拟裂缝区域和完整基体区域。在真实裂缝区域纤维与混凝土彻底脱粘，虚拟裂缝区域纤维与混凝土之间存在部分粘结，完整基体区域纤维与混凝土的粘结面未受到外力破坏。与粘结面的三个部分相对性，纤维编织网在混凝土基体中的拔出破坏要经历三个连续过程。加载前：完整基體区域存在一些初始裂缝和空穴；加载后：初始裂缝、空穴与新裂缝，空穴贯通，并随着外力的增大向远离荷载处发展，这一过程对应于真实裂缝区域和虚拟裂缝区域，其中真实裂缝区域由于靠近荷载最先脱粘；在外载作用下：当离荷载最远处的纤维脱粘后，整个粘结面受到破坏，纤维拔出。
2.2TRC粘结本构模型
TRC粘结本构模型用于描述纤维和混凝土基体粘结面上的剪应力—应变关系。适合纤维和混凝土基体之间的粘结本构模型有以下3种：A.mBEP模型：初始加载时，剪应力随纤维与混凝土的相对滑移量增大而增大，直到剪应力达到最大值曲线开始下降。曲线下降前，荷载主要由粘结力传递，曲线下降段，荷载由剩下的部分粘结力和内层纤维丝之间的摩擦力传递。当纤维的滑移量超过一定值后，粘结面上的剪应力降为零（。mBEP模型的建立需要确定最大滑移值、剪应力的最大值及对应的滑移量三个参数。B.3线段模型：此模型由3段直线构成。此模型中剪应力达到最大值之前，随滑移量的增长，剪应力先线性增长，而后变为线性下降，当滑移量达到一定值后，剪应力变为常值，此时纤维与混凝土脱粘，粘结面上仅有纤维与混凝体之间的摩擦力。C.4线段模型：由两段斜直线和两段水平线构成。这个模型和三线段模型非常相似，斜线上升段、斜线下降段以及最后的水平直线段完全相同。只不过这种模型在斜线上升段结束后要经历一个塑性流动过程，即剪应力为常值，滑移不断增长。mBEP模型没有考虑纤维和混凝土脱粘以后的摩擦，同时方程本身为非线性函数，不便于数学分析。有限元分析表明：四线段模型能较准确的反映纤维和混凝土的粘结情况，与实验结果较符。而三线段模型仅是四线段模型的特例。
3粘结性能的影响因素。纤维编织网的经、纬向纤维束由几千根纤维单丝组成，埋入混凝土基体后，水泥基体不能渗透到纤维束的内部，只有最外层的纤维单丝能够与基体形成较好粘结并传递荷载，当外面的纤维单丝断裂后，才由内部纤维丝之间的摩擦传递少量荷载；另外在编织纤维网和施工铺网的过程中部分纤维单丝被损坏，其抗拉强度降低，受荷后这些破损单丝将提前断裂，卸载部分由余下纤维单丝承担。因此，埋入混凝土基体中的纤维网受力后，纤维单丝是一批批的逐渐被破坏，即纤维束不能协同工作，以致承载力大大降低。为了充分发挥TRC的各种优势，必须改善纤维编织网与基体混凝土之间的粘结性能，因此，研究二者间粘结的影响因素尤为重要。图1～5（拉拔试验荷载-位移曲线）指出了影响纤维编织网与混凝土之间粘结的几种因素。图中C1、C2、C3代表强度依次降低的混凝土基体，且C3的工作性能最好。
图1混凝土强度和工作性能对粘结的影响
图1说明，在纤维网的埋长相同时，C1的最大拉拔力以及把纤维从基体中拔出时外力所作的功都要比C2的大，这说明混凝土基体的强度越高，其与纤维网的粘结越好；由图中还可看出C3的粘结强度高于C2，说明混凝土工作性能越好，其和纤维网的粘结性能越好。
图2表面粘砂对粘结的影响
由图2可见，对纤维网表面涂抹环氧树脂并进行粘砂处理后，最大拉拔力提高了近50%。这是因为在纤维网表面粘砂能够提高其与基体之间的摩擦力。
图3纤维埋长对粘结的影响
图3表示纤维埋长对粘结的影响。可以看出当纤维编织网在混凝土基体中的埋长增加时，所需的最大拉拔力亦随之不断增长，即增加纤维束埋长有利于粘结力的增长。
如图4所示，混凝土中掺入短切纤维能够提高拉拔力。这是因为短纤维能够在基体开裂处起到桥连作用，防止开裂处应力集中而使纤维网与混凝土脱粘。
图4短切纤维对粘结的影响
图5预应力水平对粘结的影响
图5反映了对纤维网施加预应力对粘结的影响。由图可见当对纤维网施加预应力为600N时，所需最大拉拔力达到1700N左右，当预应力为400N时，其最大拉拔力略高于1400N。而没有对纤维网施加预应力时，最大拉拔力不足1400N。这说明对纤维网施加预应力可以改善粘结性能。这是因为预应力可以带来“泊松效应”和“约束效应”。
4结论
本文阐述了TRC的粘结破坏机理和本构模型，为结构计算提供了可能。并分析了混凝土强度和工作性能、纤维网表面不同处理、纤维网在基体中埋长变化、基体中添加短纤维、对机体施加预应力对粘结性能的影响，能够为改善纤维编织网和混凝土之间的粘结性能提供理论依据。
参考文献：
[1]洪定海，赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京：科学出版社，2012：9-24.
[2]龚洛书，柳春圃.混凝土的耐久性及其防护修补[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.
[3]洪乃丰.混凝土中钢筋腐蚀与防护技术[J].工业建筑，2009，29（10）：60-63.
[4]陈一飞.混凝土结构裂化机理及耐久性设计研究[J].煤炭工程，2013，12：48-52.
【关键词】TRC；粘结性能；本构模型
1引言
在钢筋混凝土结构中，钢筋处于水泥水化生成的强碱介质里（PH值在12～14之间）。钢筋在这种介质中表面形成钝化膜，可抑制钢筋的绣蚀。但是如果混凝土的保护层受到破坏，施工时掺入的含氯外加剂和冬季为防止混凝土桥面、路面结冰而撒的盐都会破坏钝化膜；另外空气中的二氧化碳同样也会进入混凝土内部破坏钝化膜；此外钢筋混凝土结构不能屏蔽磁场，在医院这样的场所会给人们带来麻烦。
为解决上述问题，一种创新型的复合材料—纤维编织网增强混凝土（Textile Reinforced Concrete，简称TRC）进入了人们的视野。人们将耐碱纤维（如：AR-玻璃纤维、碳纤维等）编织成经、纬交错的网状埋入混凝土中，让其经向或纬向纤维束沿应力主向布置，即构成了纤维编织网增强混凝土。氯离子和二氧化碳不会腐蚀纤维，因而混凝土保护层厚度可以做的很薄，由此制成的TRC构件也必然薄壁轻质。决定纤维编织网与精细混凝土协调工作并且充分发挥TRC优点的根本因素是二者之间的粘结性能，TRC的力学性能主要取决于混凝土基体与纤维网之间的粘结强度。本文阐述了TRC的粘结机理和目前较常用的粘结本构模型，分析了纤维编织网与混凝土基体之间粘结性能的主要影响因素。
2 TRC的粘结机理和本构模型
2.1TRC粘结机理
纤维编织网与混凝土之间的粘结力由三部分组成：纤维编织网与混凝土二者之间的摩擦力、机械咬合力和化学胶着力。在受载初期，化学胶着力起主要作用。随着荷载的增大，化学胶着力消失，摩擦力和机械咬合力起主要作用。荷载作用下，混凝土基体与纤维编织网之间的粘结界面分为三个部分：真实裂缝区域、虚拟裂缝区域和完整基体区域。在真实裂缝区域纤维与混凝土彻底脱粘，虚拟裂缝区域纤维与混凝土之间存在部分粘结，完整基体区域纤维与混凝土的粘结面未受到外力破坏。与粘结面的三个部分相对性，纤维编织网在混凝土基体中的拔出破坏要经历三个连续过程。加载前：完整基體区域存在一些初始裂缝和空穴；加载后：初始裂缝、空穴与新裂缝，空穴贯通，并随着外力的增大向远离荷载处发展，这一过程对应于真实裂缝区域和虚拟裂缝区域，其中真实裂缝区域由于靠近荷载最先脱粘；在外载作用下：当离荷载最远处的纤维脱粘后，整个粘结面受到破坏，纤维拔出。
2.2TRC粘结本构模型
TRC粘结本构模型用于描述纤维和混凝土基体粘结面上的剪应力—应变关系。适合纤维和混凝土基体之间的粘结本构模型有以下3种：A.mBEP模型：初始加载时，剪应力随纤维与混凝土的相对滑移量增大而增大，直到剪应力达到最大值曲线开始下降。曲线下降前，荷载主要由粘结力传递，曲线下降段，荷载由剩下的部分粘结力和内层纤维丝之间的摩擦力传递。当纤维的滑移量超过一定值后，粘结面上的剪应力降为零（。mBEP模型的建立需要确定最大滑移值、剪应力的最大值及对应的滑移量三个参数。B.3线段模型：此模型由3段直线构成。此模型中剪应力达到最大值之前，随滑移量的增长，剪应力先线性增长，而后变为线性下降，当滑移量达到一定值后，剪应力变为常值，此时纤维与混凝土脱粘，粘结面上仅有纤维与混凝体之间的摩擦力。C.4线段模型：由两段斜直线和两段水平线构成。这个模型和三线段模型非常相似，斜线上升段、斜线下降段以及最后的水平直线段完全相同。只不过这种模型在斜线上升段结束后要经历一个塑性流动过程，即剪应力为常值，滑移不断增长。mBEP模型没有考虑纤维和混凝土脱粘以后的摩擦，同时方程本身为非线性函数，不便于数学分析。有限元分析表明：四线段模型能较准确的反映纤维和混凝土的粘结情况，与实验结果较符。而三线段模型仅是四线段模型的特例。
3粘结性能的影响因素。纤维编织网的经、纬向纤维束由几千根纤维单丝组成，埋入混凝土基体后，水泥基体不能渗透到纤维束的内部，只有最外层的纤维单丝能够与基体形成较好粘结并传递荷载，当外面的纤维单丝断裂后，才由内部纤维丝之间的摩擦传递少量荷载；另外在编织纤维网和施工铺网的过程中部分纤维单丝被损坏，其抗拉强度降低，受荷后这些破损单丝将提前断裂，卸载部分由余下纤维单丝承担。因此，埋入混凝土基体中的纤维网受力后，纤维单丝是一批批的逐渐被破坏，即纤维束不能协同工作，以致承载力大大降低。为了充分发挥TRC的各种优势，必须改善纤维编织网与基体混凝土之间的粘结性能，因此，研究二者间粘结的影响因素尤为重要。图1～5（拉拔试验荷载-位移曲线）指出了影响纤维编织网与混凝土之间粘结的几种因素。图中C1、C2、C3代表强度依次降低的混凝土基体，且C3的工作性能最好。
图1混凝土强度和工作性能对粘结的影响
图1说明，在纤维网的埋长相同时，C1的最大拉拔力以及把纤维从基体中拔出时外力所作的功都要比C2的大，这说明混凝土基体的强度越高，其与纤维网的粘结越好；由图中还可看出C3的粘结强度高于C2，说明混凝土工作性能越好，其和纤维网的粘结性能越好。
图2表面粘砂对粘结的影响
由图2可见，对纤维网表面涂抹环氧树脂并进行粘砂处理后，最大拉拔力提高了近50%。这是因为在纤维网表面粘砂能够提高其与基体之间的摩擦力。
图3纤维埋长对粘结的影响
图3表示纤维埋长对粘结的影响。可以看出当纤维编织网在混凝土基体中的埋长增加时，所需的最大拉拔力亦随之不断增长，即增加纤维束埋长有利于粘结力的增长。
如图4所示，混凝土中掺入短切纤维能够提高拉拔力。这是因为短纤维能够在基体开裂处起到桥连作用，防止开裂处应力集中而使纤维网与混凝土脱粘。
图4短切纤维对粘结的影响
图5预应力水平对粘结的影响
图5反映了对纤维网施加预应力对粘结的影响。由图可见当对纤维网施加预应力为600N时，所需最大拉拔力达到1700N左右，当预应力为400N时，其最大拉拔力略高于1400N。而没有对纤维网施加预应力时，最大拉拔力不足1400N。这说明对纤维网施加预应力可以改善粘结性能。这是因为预应力可以带来“泊松效应”和“约束效应”。
4结论
本文阐述了TRC的粘结破坏机理和本构模型，为结构计算提供了可能。并分析了混凝土强度和工作性能、纤维网表面不同处理、纤维网在基体中埋长变化、基体中添加短纤维、对机体施加预应力对粘结性能的影响，能够为改善纤维编织网和混凝土之间的粘结性能提供理论依据。
参考文献：
[1]洪定海，赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京：科学出版社，2012：9-24.
[2]龚洛书，柳春圃.混凝土的耐久性及其防护修补[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.
[3]洪乃丰.混凝土中钢筋腐蚀与防护技术[J].工业建筑，2009，29（10）：60-63.
[4]陈一飞.混凝土结构裂化机理及耐久性设计研究[J].煤炭工程，2013，12：48-52.