（纺织材料与纺织品设计专业论文）建筑墙体中织物增强性能的研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

建筑墙体中织物增强性能的研究捕要 建筑墙体中织物增强性能的研究 摘要 砂浆、混凝土结构的建筑物在使用过程中会出现不同程度的裂纹，用纤维增 强砂浆或混凝土改善裂纹的研究成为热点，其中织物的增强效果尤其明显，可改 善单纤维增强的方向局限性 本文从织物的密度、层数和几何形态方面来探讨织物对砂浆或混凝土的增强 作用。在普通织机上研制出纱罗织物与单层、双层、四层平板织物及十字形立体 织物的基础上，制作相应的砂浆与混凝土增强试件，测试其抗折强度和劈裂抗拉 强度，研究织物对墙体粉刷层和墙体结构的增强性能。 织物对墙体粉刷层的增强研究表明：织物比短纤维更能增加砂浆的抗折强 度，比索砂浆、纤维砂浆分别提高了9 7 、6 2 5 ；织物的密度越大，即单位 体积的织物含量越高，织物对砂浆或混凝土的增强效果越好，经密在5 0 根( 1 0 c m ) 4 至6 0 根( 1 0 c m ) 4 为宜；在一定厚度的砂浆内，平铺织物的层数 越多，织物增强砂浆的效果越好，3 c m 厚的砂浆中，3 至4 层为好；织物在试件 中放置的位置不同，对砂浆增强强度的影响也不同。 织物对墙体结构的增强研究表明：织物结构对织物增强混凝土的抗折强度和 劈裂抗拉强度有一定的影响，十字形织物对混凝土抗折强度的增强作用好于平板 织物。 关键词：织物增强砂浆混凝土织物结构 建筑墙体中织物增强性能的研究a b g 限a c t s t u d yo nf a b r i c s r e i n f o r c i n gf u n c t i o n t ow a i 。l a b s t r a c t c o n s t r u c t i o n sm a d eo fg r o u to rc o n c r e t ea l w a y sa p p e a r st oc r a c k s s t u d i e s0 1 1 f i b e r - r e i n f o r c e dg r o u to rc o n c r e t ea r ev e r yp o p u l a r , e s p e c i a l l y , f a b r i c sw h o s ee f f e c t s a r em o r ev i s i b l ec a nr e d u c ed i r e c t i o nl i m i to f f i b e r i nt e r m so ff a b r i cd e n s i t y , l a y e r sa n dg e o m e t r y , t h et e x td i s c u s s e se f f e c t so n s u e n g t ho f g r o u to rc o n c r e t ew h i c ht h ef a b r i c st a k e m a n u f a c t u r el e n ow o v e n , o n e - l a y , t w o - l a y e r , f o u r - l a y e rp l a n a rf a b r i c sa n dc r o s s - s h a p e df a b r i c s ；m a k eg r o u to rc o n c r e t e s p e c i m e n s ；m e a s u r et e n s i l es t r e n g t ha n dc u r v es t r e n g t ho ff a b r i c - r e i n f o r c e dg r o u to r c o n c r e t e ；s t u d yt h ef a b r i c s r e i n f o r c i n gf i m c t i o n st ot h ew a l lr e n d e r i n gs u r f a c ea n dt h e w a l lc o n f i g u r a t i o n t h es t u d i e so fw a l lr e n d e r i n gw i t hf a b r i cs a y s ：f a b r i ci sb e t t e rt h a nf i b e r , b i g g e r t h ef a b r i cd e n s i t yi s , b i g g e rt h es 蜘n g t ho fg r o u to fc o n c “蛐ei s t h ew a r pd e n s i t yo f 丘哪矗f 哆p e rt e nc e n t i m e t e r st os i 脚i ss u i t a b l e ；m o r et h ef a b r i cl a y e r sa r e # b i g g e r t h e s t r e n g t hi s ，b u tt h el a y e rs h o u l d n tb e s om a n y t h el a y e rf r o m3t o4i n3 c e n t i m e t e r - t h i c kg r o u ti sg o o d ；t h ep l a c eo ff a b r i c i ns p e c i m e nw i l le f f e c tt h e s u e n g t t l t h es t u d i e so fw a l lc o n f i g u r a t i o ns a y ：f a b r i cs t r u c t u r et a k e se f f e c t so nt e n s i l e s u e n g t hr o u tc u r v es t r e n g t ho ff a b r i c - r e i n f o r c e dc o n c r e t e c r o s s - s h a p e df a b r i c st a k e b e t t e rf u n c t i o nt h a np l a n a rf a b r i c sd o k e y w o r c b ：f a b r i c - r e i n f o r c e dg r o u t c o l l c r e t ef a b r i cs u u c m r e 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：_ 彰逸日期：趁鲨 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 期：型zq 塑 飙乒 建筑墙体中织物增强性能的研究 第一章绪论 1 1 墙体材料 第一章绪论 墙体是建筑物的主要结构部分，由墙体粉刷层和墙体内部结构两部分构成。 外部墙面受到外界自然环境的影响，容易出现裂纹、空鼓、脱落等现象【1 1 ；内部 墙体结构要承受一定的荷载的作用，要有一定的强度和剐度。墙体粉刷层出现裂 纹、脱落的原因一般有两个1 2 ，一是抹灰层自身的原因，二是内部墙体的开裂引 起的裂纹，墙面微裂可以引起渗漏，引起墙体持久强度的下降。墙体材料的性能 对于墙面强度、墙体开裂起着决定性作用。 墙体材料随着科学的进步，得到不断的发展和完善。按化学成份分无机材料、 有机材料和复合材料；按产品功能分承重材料、非承重材料、防水材料等；按墙 体材料的形状分块状材料、板状材料等。传统的水泥砂浆和混凝土材料属于非金 属无机材料，是广泛应用的最大宗人造建筑材料，具备价格便宜、原料易得、性 能优良、制备简单、耐久性好等优点。 砂浆是由水泥、细骨料、掺加料和水配制而成的建筑工程材料，在建筑工程 中起粘结、衬垫和传递应力的作用。由水泥、细骨料和水配制而成的砂浆为水泥 砂浆。 胶结料( 如水泥) 、水、细骨料( 如砂子) 、粗骨料( 如石子) 以及必要时掺 入化学外加剂和矿物掺合料，按一定比例混合，通过搅拌成为塑性状态的拌合物， 称为未凝固混凝土。未凝固混凝土在一定条件下，随着时间的推移逐渐硬化成具 有强度和其它性能的块体，则称为硬化混凝土网。一般所指的混凝土是水泥混凝 土。它由水泥、水及砂石配制而成，其中水泥和水具有活性的组成成分，起胶凝 作用；骨料只起骨架填充作用。 1 9 世纪2 0 年代出现波特兰水泥后，水泥混凝土作为一种新型建筑材料广泛 应用于建筑工程、桥梁和交通工程、水利工程、地下工程以及特殊结构中。但是 水泥混凝土是一种由不同性质的成份组合而成的多相复合材料，材料的非均匀性 对混凝土的抗拉强度极为敏感。混凝土有着抗拉强度低、变形能力差、抗渗性差、 建筑墙体中织物增强性能的研究第一章绪论 韧性低、耐疲劳性及耐磨性差等缺点。当混凝土梁承受荷载时，中心轴以上受压， 以下受拉，压应力和拉应力随荷载的增大而增大，当荷载较小时，梁的受拉边缘 混凝土拉应力未达到其抗拉强度，梁仍能承受荷载。当荷载增大到一定值时，梁 的受拉边缘混凝土的应变达到其极限应变时，尽管受压区的混凝土的压应力没有 达到其极限抗拉强度，但梁在受拉边缘将出现裂纹并迅速向上伸展，混凝土破坏。 水泥混凝土结构、砌体结构等结构物在建设过程和使用过程中产生不同程 度、不同形式的裂缝。1 9 9 6 年，k l a 心和r o g a l l a 调查发现美国和加拿大的2 0 万座桥梁，有一半以上的桥梁的混凝土有着严重的裂缝问题【4 j 。影响混凝土抗裂 性的因素比较复杂，大致可分为材料、结构、环境三个因素翻。混凝士在实际使 用过程中出现裂缝的主要成因是：j l , j n 荷载的直接应力和由外荷载作用，结构次 应力引起；由于结构变形而引起。在外荷载作用下，微裂缝不断生产、扩展、并 与混凝土中的孔隙空洞等其它先天缺陷汇合，产生较大的应力集中，成为混凝土 破坏的根源。变形包括温度( 水化热、气温、生产热、太阳辐射等) 引起的变形、 湿度( 自生收缩、失水千缩、塑性干缩等) 引起的变形、地基不均匀沉降引起的 变形。工程中裂缝问题8 0 * 4 以上是由于变形引起的，这种裂缝起因是结构首先要 求变形，当变形得不到满足，结构物引起应力，应力与结构物的刚度大小有关， 只有当应力超过一定数值才引起裂缝，裂缝出现后变形得到满足或部分满足，同 时刚度下降，应力就发生松施。某些结构，虽然材料强度不高，但是有良好的韧 性，也可满足变形要求，抗裂性能较高。 混凝土的裂纹问题是不可避免的，结构的抗裂效果只能是把裂纹控制在一定 的范围之内。混凝土裂缝以0 0 5 r a m 为界，大于等于0 0 5 m m 的裂缝为宏观裂缝， 小于0 0 5 m m 的裂缝为微观裂缝，微观裂缝的结构称为无裂缝结构。 国际上许多国家对混凝土裂缝问题有自己专门的规范，美国混凝协会 a c l 2 2 4 委员会；英国水泥与混凝土协会c & c a 及其规范b s 8 1 1 0 、b s 9 0 0 1 ；欧 洲混凝土协会c e b 等；我国清华大学、东南大学、大连理工大学等做了大量研 究工作并编制出混凝土规范有关裂缝方面的设计规定，在工程设计中发挥了作 用。 水泥混凝土的强度决定了墙体的强度，所以国内外十分注重混凝土材料的增 强研究。研究如何提高混凝土的强度和韧性，降低混凝土墙体的裂纹现象。纤维、 2 建筑墙体中织物增强性能的研究第一章绪论 织物是韧性比较大的材料，作为增强相与脆性材料混合。可以改善材料的脆性现 象，使复合材料的韧性和强度大大提高。目前用纺织品来增强混凝土性能的研究 非常热点。 1 2 国内外纤维增强混凝土的发展现状 纺织品增强混凝土是混凝土与织物结合而构成的复合材料。纺织品增强混凝 土分为纤维增强混凝土和织物增强混凝土两大类。纤维增强混凝土是指：以混凝 土为基体材料，以金属纤维、无机非金属纤维、合成纤维或天然有机纤维为增强 材料组成的水泥复合建筑材料。纤维分布有短纤维的随机分布、连续的定向分布 和长纤维的定向分布三种。研究使用纺织品，用纺织品代替或部分代替钢筋来增 强混凝土材料，已经有很长的时间了 6 - 8 1 利用纤维提高水泥混凝土材料抗裂性的历史可以追溯到久远的古代。纤维增 强混凝土的研究及应用开始于2 0 世纪6 0 年代，7 0 年代获得了较大的发展，8 0 年代 已经被大规模地应用于新建工程和修补工程。增强用的纤维包括钢纤维、玻璃纤 维、合成纤维，尤其是高分子纤维材料在水泥混凝土中的应用越来越普遍 9 - - n l 。 纤维能有效地控制水泥砂浆或混凝土的非结构裂缝，特别是聚丙烯纤维。聚丙烯 纤维增强混凝土的历史可以追溯到1 9 6 5 年，最早是美国将聚丙烯纤维增强混凝土 用在军事工程中；英国在1 9 7 0 年开始使用聚丙烯纤维混凝土。 一般来说，高强高模量纤维可以提高混凝土的强度和韧性；低模量纤维能提 高混凝土的韧性，提高强度的效果不太明显。用纤维来增强混凝土强度和韧性， 提高其抗裂性能的机理是：纤维细微、比表面积大，在混凝土中呈乱向分布，形 成一种均匀支撑体。纤维与混凝土之间的粘结力增加混凝土抵抗开裂的塑性抗拉 强度，阻止裂缝的产生和扩展。a p e l e d ，a b e n t u r 的研究表明纤维增强混凝土 的纤维体积含量1 - 3 为好【1 2 1 ；王坤，韩德丰等人的研究表明：聚丙烯纤维加入 混凝土后，对控制混凝土的龟裂效果比普通混凝土高出9 0 1 0 0 i i ”。曹诚等人 的研究结果表明：聚丙烯纤维混凝土比普通混凝土的抗冲击能力提高了l 倍，柔 韧性提高4 0 t 1 4 1 。朱惠伟研究结果表明，混凝土中掺加聚丙烯纤维可明显提高 混凝土的抗压、抗折等强度，其掺量在达到0 1 前强度增加较明显，在达到0 1 后随掺量的增加强度提高较慢【啪。法国o p o n sm m o u r e tj l c , r , m j u 研究纤维增 建筑墙体中织物增强性能的研究 第一章绪论 强混凝土，肯定了纤维可以延缓裂缝的产生和阻止裂缝进一步发展；增强纤维要 吸收断裂能，所以可以阻止混凝土的灾难性破坏i i “。 中国建筑材料科学研究院沈荣熹研究了低掺率合成纤维在混凝土中的作用 机制，归纳总结了合成纤维作为混凝土增强材料的特点，明确指出低掺率合成纤 维在混凝土中具有阻裂作用和增韧作用l ”1 上海市政工程研究院的孙家瑛对混凝 土的抗折性能进行了研究，结果表明在水灰比不变的情况下，混凝土的抗折强度 随着加入的聚丙烯纤维的含量增加而增大，纤维掺量从0 到0 。1 5 ，抗折强度提 高了2 7 l 堋。刘数华1 1 9 1 研究聚丙烯纤维对纤维混凝土的强度、脆性、弹性模量 和极限拉伸等物理力学性能的影响，结果表明：在混凝土中掺入一定量的纤维是 克服混凝土开裂的有效途径，能有效提高混凝土的抗裂性能。 中国研究和使用纤维增强混凝土晚于国外，但是发展很快，已经在不少工程 使用，如上海东方明珠电视塔、地铁l 号及8 万人体育馆等重大工程。广州5 0 层高的中心广场大厦，在平均厚度为g o o m m 的4 层地下室的地板、侧墙、楼板 等构筑物中采用聚丙烯纤维增强混凝土，来解决混凝土的抗开裂问题，并且完工 后极少发现明显的裂缝问题。 1 3 国内外织物增强混凝土的发展现状 尽管纤维能够提高混凝土的强度和韧性，大大提高其抗裂性能，阻止裂缝的 产生与扩展。但由于短纤维的随机分布和连续纤维的单方向分布，混凝土某方向 上的增强效率受纤维分布的方向性而受到限制，因而用织物来增强混凝土的方法 应运而生。织物增强砂浆或混凝土是指：以水泥砂浆或者混凝士为基体材料，以 织物为增强体，两者混合而成的水泥复合建筑材料。织物按形态分二维的平面状 织物和三维的空心状和实体状织物：按织造方法分为针织、机织和非织造三类。 织物相对于乱向分布的短纤维，其纱线有着明确的受力方向，对混凝土的增 强效果更佳刚；也比单向分布的连续纤维的增强效果好，这可能是由于经纬纱线 之间的相互挤压和相互作用的原因【2 1 也l ，它结合了钢筋混凝土和纤维增强混凝 土的优点钢筋混凝土中的钢筋受环境中的氯离子侵蚀会发生锈蚀，为了防止增 强筋锈蚀，常要覆盖厚2 5 r a m 以上的混凝土作保护层，因此增强混凝土的最小厚 度约6 0 - , 7 0 r a m 。由于织物不会发生锈蚀，织物增强混凝土厚度可以自由设计，这 4 建筑墙体中织物增强性能的研究第一章绪论 是钢筋混凝土所不能做到的【酬。 织物尤其是机织物，其拉伸强度和模量较大，断裂伸长小，具有较好的应力 一应变关系渊；织物中的经纬纱相互挤压，阻止织物受力作用时的变形，尺寸稳 定性好，有着纤维无法比拟的特性。正因为织物有着更好的性能。许多发达国家 早开始对织物增强混凝土力学性能进行了研究。欧美国家部分科学家成立的织物 增强混凝土协会。标志着该领域的存在和开始。德国混凝土协会( t h e d e u t s c h e r b e t o n 2 v e r e i ne vd b v ) 在1 9 9 8 年为此做了一个专门的报告，该报告 引用许多专家及工程师的观点，证明了织物增强混凝土的可行性。从1 9 9 9 年开始， 在德国研究联合会d f g 资助下，亚深工业技术大学和德理斯顿工业技术大学所 傲的工作，标志着人类已经在该领域走出了第一步圆。之后，以色列人对各种织 物在混凝土中的粘结性能做了基础性的试验研究工作，斯图加特大学的 h w r e i n h a r d t 教授开始了预应力织物增强混凝土薄板的初步研究工作。苟勇教授 在该校傲访问学者期间参与了r e i n h a r d t 教授的研究项目。希腊p a t r a s d a 大学的 t h a a n a s i sc t r i a n t a f i l l o uc a t h e r i n eg p a p a n i c o l a o u 研究了织物增强混凝土，实验 表明随着织物包裹层数的增加，混凝土梁的剪切强度随着增加，包裹两层，梁的 剪切强度增加了6 0 k n ，一层的增加了4 0 k n i m 。法国g p o r t s m m o u r e t j l 。g r a n j u ， 韩国s o o - j i np a r k w o n - b a ra r k j _ a e - r o c kl e e 研究三维织物复合材料， 结果表明厚度方向的纱线长度对材料的抗冲击性能起了重要作用1 2 刀。 尽管作为增强材料的织物在2 0 世纪8 0 年代处就开始被研究，但是发展非常 的慢。在最近五年中，研究组织付出相当的努力研究增强水泥用织物，但该研究 非常有限，缺乏创见性。p e l e d 等人在1 9 9 7 年研究平面织物增强水泥基复合材料 的拉伸试验和两者之间的界面特征圆：在2 0 0 4 年，比较两种不同的制作工艺对 其力学性能的影响1 2 9 1 。俞巧珍，俞洪良研究了机织物增强水泥基复合材料的力学 性能，分析碳纤维织物、玻璃纤维织物和尼龙纤维织物的对水泥砂浆的韧性、抗 折强度和断裂能的影响，结果表明低弹性模量纤维能大大地增加水泥砂浆的韧 性，对抗折强度和断裂能影响不大，中等弹性模量的纤维能较大地提高水泥砂浆 的抗折强度和断裂能，高弹性模量的纤维能极大地改善水泥砂浆的韧性和抗折强 度和断裂能 3 0 1 。孙子明、项明等人研究了尼龙纤维网对水泥基层压复合材料抗折 性能的影响，结果表明在一定范围内纤维层数越多，对水泥材料的韧性改善作用 5 建筑墙体中织物增强性能的研究 第一章绪论 越大，但层数不宜过多，否则会降低材料的强度和断裂制3 。 德同的德累斯顿科技大学的研究人员研制开发了一种可以替代钢筋增强混 凝土的织物片这种织物片由直径1 5 岬的细玻璃纤维或碳纤维构成，4 0 0 8 0 0 根 这样的细丝结合在一起形成一束纤维。由这些纤维编成片，织物片的厚度约in l n l ， 纤维束间距5 7 如m ，以便织物和混凝土粘结【3 2 j 。 1 4 本文研究的意义和内容 1 4 1 本文研究的意义 建筑作为基础产业，在国民经济中占有重要的地位，但人类所面临的资源与 能源的短缺以及环境保护的问题，迫使人们用现代科学技术改革传统建材，用纺 织复合材料替代传统建材是一种有效的方法；作为建筑材料的砂浆或混凝土是一 种多孔的脆性材料、抗拉强度远低于抗压强度、脆性等原因，使得裂缝的产生不 可避免；温度、湿度和地基变形等自然变化会加剧裂缝的产生。混凝土结构、砌 体结构等建筑物的破坏和倒塌都是从裂缝的扩展开始的，这给人们的财产与生命 带来了危害，所以改进砂浆、混凝土的脆性，提高其抗裂性能是建筑工程技术人 员的关心所在。 在砂浆或混凝土结构形成过程中，纤维阻止了这些裂缝的引发，从而减少了 裂缝源的数量，并使裂缝尺度变小，这就降低了裂缝尖端的应力强度因予，缓和 了裂缝尖端受力集中程度，在受力过程中又抑制裂缝的引发与扩展，但是纤维 是单向性的，而混凝土受力多数情况下是多方向性的，所以仅仅纤维有时很难满 足需要。织物是纤维连续的多个方向的排列，织物中的经纬纱相互交织，织物受 到外力作用时的变形很小，所以结构很稳定，因此它应该比纤维更能增强混凝土 的力学性能，阻止裂缝的扩散。为此本文就研究了织物对水泥砂浆和混凝土的增 强作用。 在砂浆或混凝土中铺入织物，可以在很大程度上改变水泥砂浆或混凝土的脆 性，提高它们的韧性，增强墙体的力学性能，阻止墙体裂缝的产生和扩展。纺织 与建筑相结合，生产应用于建筑的织物，使纺织品有更好的经济价值和社会价值， 建筑纺织品的应用和推广可以带动纺织工业的产业和产品结构的调整，形成纺织 6 建筑墙体中织物增强性能的研究第一章绪论 工业新的经济增长点。 1 4 2 本文研究的内容 本文研究不同密度、层数、形态结构的机织物对墙体粉刷层和墙体结构强度 的影响，具体内容为： l 对普通织机进行改造，试制不同密度的纱罗织物和不同形态结构的平面状 织物和三维立体织物。 2 研究织物对砂浆的增强效果，织物的织造参数，如织物的密度、层数如何 影响砂浆的强度。在压力机上测试织物砂浆的抗折强度，绘制织物密度及层数与 强度的关系图，比较织物砂浆与纤维砂浆、素砂浆的抗折强度，并用力学原理来 分析织物对砂浆的增强作用。 3 研究不同几何形态的织物对混凝土的增强效果。研制了五组不同规格的二 维和三维织物，测试织物混凝土的抗折强度和劈裂抗拉强度，用复合增强原理分 析各种规格织物对混凝土的增强作用 7 建筑墙体中织物增强性能的研究第二章砂浆混凝土断裂机理和增强原理 第二章砂浆混凝土断裂机理和增强原理 2 1 材料断裂力学 2 1 1 材料强度 强度是反映材料抵抗外力( 荷载) 作用下而产生破坏的能力。当材料受到外 力作用后处于平衡状态时，材料内部产生由外力引起的内应力【3 3 l ，外力增大， 应力随之增大。直到应力超过材料内部质点所能抵抗的极限时，材料就发生破坏， 此时的极限应力值就是强度。材料强度是控制结构材料质量与安全设计的关键指 标，是结构材料研究的主要内容。根据外力作用方式，材料强度有抗压强度、抗 拉强度、抗剪强度、抗折强度等p 叼，它们的作用示意图如图2 1 所示 由 抗压强度抗剪强度抗折强度 图2 1 材料受力作用示意图 2 1 2 材料裂纹与断裂 裂纹是固体材料中的某种不连续现象，裂缝扩展是结构物破坏的初始阶段， 断裂是裂纹发展到一定程度时，结构物破坏成两部分或多部分的现象。断裂是材 料或构件最危险的失效形式之一，在很多情况下会造成严重的后果。材料的断裂 是个非常复杂的过程，影响断裂的因素很多，如构件形状、荷载特征与分布、构 件应用的环境以及材料本身的强度等级。根据常规的强度理论，若构件的服役应 8 -几mu， 度强pnu拢 建筑墙体中织物增强性能的研究 第二章砂浆混凝土断裂机理和增强原理 力与材料的强度满足 3 5 1 ： 盯一拿( 对低塑性材料) 盯。s 孚( 对塑性材料) a 2 则认为使用是安全的。其中，a k 为构件所承受的最大应力；吒，巳分别 是材料的极限强度和屈曲强度；墨与局分别为按极限强度与屈曲强度取用的安 全系数。 裂纹按其存在的几何特征，分为穿透裂纹、表面裂纹和深埋裂纹。裂纹贯穿 整个构件厚度或出现在构件表面的裂纹的深度超过了构件的一半厚度时，称为穿 透裂纹；裂纹出现在构件表面，其深度与构件厚度比，比较小时，称为表面裂纹； 在构件表面上看不到开裂的裂纹称深埋裂纹。裂纹按其受力及扩展途径分为三种 类型：i 、型。i 型是张开型裂纹，拉应力垂直于裂纹的扩展面，裂纹的 上下表面沿作用力的方向张开，裂纹沿裂纹面往前扩展；型是滑开型裂纹，裂 纹的扩展方向受剪应力控制，切应力平行作用于裂纹面并且垂直于裂纹线，裂纹 沿裂纹面方向滑开扩展；型是撕开型裂纹，在平行于裂纹面而与裂纹前沿线方 向平行的剪应力的作用下，裂纹面的产生沿裂纹面的撕开扩展。i 张开型裂纹是 最为常见也是最危险的一种裂纹，混凝土裂纹属于i 张开型裂纹，拉应力垂直于 裂纹扩展面，裂纹上下表面沿作用力的方向张开。 2 1 3 材料断裂原理 混凝土断裂力学是2 0 世纪6 0 年代基于金属断裂力学的基本理论基础而发展 起来的固体力学分支，主要研究含裂缝体的混凝士材料和混凝土结构的破坏过程 以及裂缝传播规律阁。 1 9 2 0 年，g - r i f f i t h 提出：脆性材料中存在微裂纹，在外力作用下裂纹尖端引 起的应力会大大地降低材料的断裂强度；对应于一定尺寸的裂纹有一临界应力 值，当外加应力值大于此临界应力时，裂纹便迅速扩展而导致材料断裂：裂纹扩 展的条件是裂纹扩展所需要的表面能由系统所释放的弹性应变能提供。 用于处理裂纹体的断裂力学问题【3 7 l 的方法有两种：一种是应力场强度分析 法应力集中随着裂纹尖端处半径的减小和裂纹长度的增加而增大，当裂纹尖端 9 建筑墙体中织物增强性能的研究第二章砂浆混凝土断裂机理和增强原理 处应力达到和超过材料中分子和原子的最大内聚力时，材料就会产生破坏。 另一种是能量平衡理论，断裂所生产新的表面需要一定能量，此能量是由材 料内部弹性储能的减少来补偿的，弹性储能并不是均匀分布的，而是集中在微裂 纹的附近，致使材料在微裂纹处先行断裂。 脆性材料的断裂所需要的能量不大，而韧性材料所消耗的断裂能很大。脆性 材料的断裂截面形态是光滑的，韧性材料断裂面粗糙，呈颗粒状【3 研。 2 2 纤维增强砂浆和混凝土的机理 对于纤维增强砂浆、混凝土的作用机理，目前主要有两种说法陟4 n 一是 p r o m u a l d i 和g b b a t s o n 为代表的纤维间距学说，另一是以英国的r n s w a m y 、 s m a n g a t 和美国的a e n a a m a n 、d c h a n n a n t 的复合材料力学理论，这些理论是 在纤维增强塑料、纤维增强金属的基础上运行和发展起来的。 2 2 1 纤维问距理论 纤维间距理论解释：在纤维均匀分散在砂浆或混凝土中这个前提下，纤维增 强砂浆或混凝土的阻裂影响因素有纤维直径、纤维长度、纤维掺量。当纤维直径 和长度一定时，纤维的平均间距s 和单位体积内的纤维根数n 影响阻裂效果，间 距s 与此效果成反比，纤维根数n 与效果成正比。纤维间距理论解释：在砂浆或 混凝土内部存在固有缺陷和裂纹，若要提高其强度和韧性，一定要尽可能减小砂 浆或混凝土的缺陷程度，降低内部的裂纹尖端的应力集中系数。 r o m u a l d i 等人对定向纤维混凝土进行了抗折和劈裂试验，提出纤维混凝土的 强度和韧性只由纤维的平均间距控制的结论，认为水泥基体中纤维的平均中心距 离小于7 6 m m 时，纤维砂浆或混凝土的抗拉或抗弯强度都得到了提高。 纤维、织物能使裂纹发生弯曲和偏转，干扰应力场，导致砂浆或混凝土的应 力集中系数降低，阻碍裂纹的扩展。随着纤维织物体积分数的增加，裂纹弯曲效 果增加，因为纤维织物附近的应力场，砂浆或混凝土中的裂纹一般很难通过纤维 织物而按原来扩展方向扩展，而是偏转一个方向扩展，扩展后裂纹受到的拉应力 低于扩展前的应力，而且裂纹扩展路径的增长，裂纹扩展所消耗的能量更多。由 于纤维织物的阻裂和增强作用，当砂浆或混凝土基体出现裂纹后，纤维织物本身 1 0 建筑墙体中织物增强性能的研究第二章砂浆混凝土断裂机理和增强原理 没有破坏，继续承载砂浆或混凝基体传递给它的应力，随着裂纹的稳定发展， 应力随之增加，纤维织物拔出，裂纹失去稳定扩展，砂浆或混凝土最终破坏 2 2 2 复合增强原则 基体、增强体以及两者的之间的界面层决定了复合材料的性能。砂浆混凝土、 纤维织物及砂浆混凝土与织物的界面层就决定了纤维织物砂浆、混凝土的性能。 水灰比、水泥等级等参数决定砂浆混凝土的性能；纤维的种类、纱线的种类及屈 曲状态、织物的形状等决定了织物的性能。 纤维织物与砂浆混凝土之间的界面性能非常重要 4 2 1 ，界面粘结性能决定了该 复合材料的优化组合效果。界面及其附近区域的性能、结构不同于组分本身，因 而构成了界面层，即界面层是由纤维织物与砂浆、混凝土之间的界面以及纤维织 物和砂浆混凝土的表面薄层构成的。界面层的结构大致包括；界面的结合力、界 面的区域( 厚度) 和界面的微观结构等几个方面。界面的结合力存在于两相之间， 并由此产生复合效果和界面强度。 界面层使纤维织物与砂浆、混凝土构成一个整体，是应力及其他信息传递的 桥梁，其结构和性能直接影响织物砂浆混凝土的性能。若两者之间的相溶性不好， 界面不完整，则应力传递只是纤维总面积的一部分。对于界面粘结机理主要有以 下几种： ( 1 ) 机械作用理论两个粗糙的表面相互之间发生互锁，表面越粗糙， 互锁作用就越强，界面强度就更高。通过机械作用粘结的复合材料，在受到平行 界面的作用力时，机械作用达到最佳状态。 ( 2 ) 静电作用理论一复合材料中的基体和增强相的表面带有异性电荷时， 它们之间发生静电吸引力而粘结在一起。 ( 3 ) 化学作用理论增强相表面的化学基与基体表面的相溶基之间发生 化学反应，而粘结在一起。 ( 4 ) 界面反应或界面扩散理论复合材料的基体和增强相之间通过发生 原子或分子的相互扩散或发生反应，形成反应结合或互扩散结合。 在织物与砂浆混凝土的界面层容易形成c a 2 ( o h ) 的晶体。c a 2 ( o n ) 晶体的聚 集，不仅结构本身疏松，孔隙较多，而且妨碍水泥水化生成的c s h 凝胶与纤维 建筑墙体中织物增强性能的研究第二章砂浆混凝土断裂机理和增强原理 表面的粘结，降低了界面的粘结强度。要提高界面性能，减& c a 2 ( o h ) 的晶体。 可以降低水灰比或使用减水剂。 纤维织物与砂浆混凝土之间形成良好的界面粘结，才能保证应力从砂浆混凝 土传递给纤维织物，充分发挥纤维织物承担外力的作用。界面粘结太弱，纤维织 物砂浆混凝土容易产生脱粘破坏，纤维织物没有发挥作用；界面粘结太强，在应 力作用下，砂浆混凝土破坏过程中正在增长的裂纹容易扩散到界面，直接冲击材 料而呈现脆性破坏；如界面粘结适中，裂纹沿着界面扩展，形成曲折的路径，消 耗较多的能量，提高纤维织物砂浆混凝土的韧性 纤维织物与砂浆混凝土基体在受力过程中处于线弹性变形并且砂浆混凝土 的断裂延伸率大于纤维织物的断裂延伸率，增强砂浆混凝土的拉伸强度d 由下 列公式计算嘲 。+ t j l f o , , 圪 ( 2 1 ) a 为纤维的拉伸强度，a _ 为纤维断裂应变为时基体的拉伸应力，为 纤维的体积含量，为基体的体积含量，玑是纤维方向系数( 纤维取向系数见 表2 1 ) ，叩，是纤维长度系数。 表2 - 1 纤维取向系数仉 纤维织物增强砂浆混凝土的复合原则是： ( 1 ) 加入砂浆、混凝土中的纤维的强度和模量要高于砂浆或混凝土； ( 2 ) 纤维和砂浆或混凝土之间要有一定的粘结作用，两者之间的结合要保证砂 浆或混凝土所受的应力通过界面传递给纤维； ( 3 ) 纤维与砂浆或混凝土的热膨胀系数不能相差过大，否则它们之间的结合强 度要降低； ( 4 ) 纤维与砂浆或混凝土之间不能发生有害的化学反应： ( 5 ) 纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必须适宜。 建筑墙体中织物增强性能的研究第二章砂浆混凝土断裂机理和增强原理 2 3 纤维、织物在砂浆和混凝土中的增强方式 纤维、织物增强水泥砂浆或混凝土的方式常用的是一维、二维和三维。 一维的主要有三种：短纤维的随机分布、短纤维的定向分布和连续纤维的定 向分布 二维机织物有二维正交织物、双经织物和多轴织物嗍二维正交织物的基本 组织有平纹、斜纹和缎纹。平纹织物的抗滑移性能好，缎纹的强度最好；双经是 指织物经纱的密度不同，有高低两种，纬纱是倾斜的，按不同的需要，纬纱的取 向度不同；多轴织物的纱线取向为三轴或三轴以上的，主要是三轴织物，三个方 向的纱线成6 0 。交织。 三维织物又称立体织物，一般是指采用连续纤维织造而成的比较厚实的织 物，在织物中纤维相互交织或交叉，并且沿多个方向取向，不但沿平面内取向， 而且沿平面间取向，即沿厚度方向取向，从而使织物形成一个不分层的整体结构， 该结构克服了以往通过叠合二维取向的织物而成的三维结构的层间强度低的问 m 4 5 。 。 研究表明，几乎所有的纺织材料都可以用作增强材料，其中三维织物是最为 理想的，它可以克服传统缠绕和层间强度低的缺点，并具有结构多样性、性能综合 性和形态可设计性，而受到广泛的注意闱。三维织物包括三维机织、三维针织、 三维编织和三维缝合四大类。 三维机织是通过多层经纱织造技术而成。除了多层经纱和纬纱以外，还有把 这些层经纱和纬纱连接起来，即通过织物厚度方向的纱线，这些纱线相互交织在 一起，构成了三维整体结构m 三维机织增强构件的可设计性强、采用传统的织 机工艺与设备，可制得多种截面形状的力学性能各异的三维增强件。三维整体结 构的机织物已成为全球关注的复材增强骨架材料。 增强用3 d 机织物按其结构特征与成形方法，归纳为三大类闱：( 1 ) 平板状： ( 2 ) 实柱状：( 3 ) 中空状。平板状的结构特征有三维正交互锁、三维斜交多重角 连锁和三维多层互接结角连锁，织造设备为普通织机实柱状的结构特征是无交 织三维正交接结，采用三维织机织造。中空状三维织物，截面形状可以各种形状 如工字形、十字形、v 字形等，用改造过的普通织机织造3 d 机织物结构按经纱 弯曲与纬纱交联的方式分类，常见的有正交分层接结、角连分层接结、角连贯穿 建筑墙体中织物增强性能的研究 第二章砂浆混凝土断裂机理和增强原理 接结、正交贯穿接结等结构1 4 9 】。 角连锁结构的经纱穿过织物的厚度方向，但是不与织物的表面成直角，所以 设计具有灵活性，结构可以有许多的变化，这决定于经纱交织物纬纱数目、重复 方式即内部纱线等因素，不同组的纱线可以有不同的路径。一组经纱沿轴向取向， 另一组经纱与轴向成一定的角度取向，则纱线就在四个方向上取向，形成了三 维四向机织物。如果经纱的运动不贯穿材料的整个厚度，只是部分穿过材料的话， 就形成了层间角连锁结构；经纱通过整个织物厚度方向，就形成三维斜交多重纬 角连锁。用角连锁结构可以织造厚度达到3 0 根纱线，即几厘米之量级0 0 1 。角连锁 结构织物能使复合预制件材料获得预期的织物厚度、结构稳定性、压缩性和强度 庐1 1 。 三维针织主要是多轴多向经编织物，该类型的织物的一个确定是厚度有一定 的限制；三维编织的主要特点是厚度设计灵活性，可以达到任意厚度，并且是不 分层的整体网状结构，并可以编制成各种异型状的；三维缝合是采用缝合工艺将 多层二维织物或多轴多向经编物缝合在一起而形成的。 1 4 建筑墙体中织物增强性能的研究 第三章砂浆混凝土力学指标及其测试方法 第三章砂浆混凝土力学指标及其测试方法 砂浆混凝土的物理力学性能主要有强度、变形及耐久性三个方面网。抗压 强度、抗折强度、抗拉强度和抗剪强度等都是表现砂浆或混凝土强度的指标。水 泥砂浆、混凝土的特点是抗压强度高、抗拉强度低、韧性不好。砂浆、混凝土结 构的裂缝一般由拉应力引起，如轴拉、弯拉、剪拉，即使是轴向受压荷载的结构 物。内部也存在劈裂应力区，容易引起裂缝。对于变形引起的裂缝除了抗拉强度 不足外，还有是砂浆、混凝土的抗变形能力差，即砂浆、混凝土的极限拉伸低。 砂浆、混凝土是脆性材料，容易出现大大小小的裂纹，其裂纹属于i 张开型 裂纹，拉应力垂直于裂纹扩展面，裂纹上下表面沿作用力的方向张开对于i 型 断裂拉伸分为直接拉伸、三点或四点弯曲试验和劈裂拉伸i s 3 1 ，三种试验方法的 试样见图3 1 所示： i n i l f b a 直接拉伸 b 三点弯曲和四点弯曲 ；。 ! c 劈裂拉伸 图3 - 1 拉伸试验试样图 直接拉伸试验能直接反映材料的拉伸力学性能，但是对试样以及加载系统的 要求比较严格；三点、四点弯曲法的试样及加载系统比较简单；劈裂试样是非直 建筑墙体中织物增强性能的研究第三章砂浆混凝土力学指标及其测试方法 接测定砂浆、混凝土抗拉强度的方法，是问接的拉伸试验，所需要的试验装置比 较简单，在普通的压力试验机上就可以完成。 3 1 砂浆力学性能测试 3 1 i 砂浆抗折强度 l 试验原理 砂浆的抗折强度与试件的受力情况、截面形状及支撑条件有关，一般试验方 法是将矩形截面的试件放在两支点上，中间作用一集中荷载。 图3 - 2 和图3 - 3 是三点弯曲法测试砂浆抗折强度的示意图及砂浆试件受荷载p 作用时剪切应力和拉伸应力的变化。 p 一i 。 ：一一j 一， 。， l 二 p ，2p ，2 图3 2 三点弯曲试验试样图 b 厂 h ：。 x l 压i盯 ，拉 y 图3 3 试样的拉伸应力变化图 当试件受到承受荷载p 时，中心轴以上部分受压，以下部分受拉，中间受剪 应力，压应力和拉应力随荷载的增大而增大，当荷载较小时，试件的受拉边缘砂 浆拉应力未达到其抗拉强度，试件仍能承受荷载，当荷载增大到一定值时，试件 的受拉边缘砂浆的应变达到其极限应变时，尽管受压区的砂浆的压应力没有达到 其极限抗拉强度，但试件在受拉边缘将出现裂纹并迅速向上伸展，砂浆土发生破 坏当施加的荷载p 增大到该试件的拉伸应力时，试件就发生断裂破坏，此时施 加的荷载就是试件的抗折强度。三等分点加荷载时，最大弯距发生在两荷载点之 1 6 建筑墙体中织物增强性能的研究 第三章砂浆混凝土力学指标及其测试方法 间，其破坏断裂面随机发生在两荷载点之间的最薄弱地方。 2 试件 按砂浆力学性能测试标准g b f r 7 8 9 7 1 1 9 8 7 ，采用4 0 x 4 0 x1 6 0 m m 棱柱形 试件，每组三个。 3 试验步骤 1 ) 先将试件擦拭干净，测量尺寸，并检查其外观。在试件中部3 0 m m 范围内 测量试件尺寸，取其三次的平均值，精确至l m m ，并据此计算试件截面几何特征。 如实测尺寸与公称尺寸之差不超过l m m ，可按公称尺寸进行计算。试件承压面的 不平度应为每1 0 0 m m 不超过0 0 5 m m ，承压面与相邻面的垂直度不应超过1 。 试件不得有明显缺损，如其中一个试件中部3 0 m m 范围内有直径大于5 m m ，深度 大于2 m m 的表面孔洞，该组试件作废。在特殊情况下，决定采用这组试件进行试 验时，应按3 2 条中规定进行 2 ) 将试件安装在抗折夹具上，应使加荷圆柱、支撑圆柱与试件成型时侧面 接触，并应居中放置。 当试件中部有孔洞并决定用其进行试验时，应将有孔洞面朝向上面，并应尽 可能避免孔洞在跨中放置。 3 ) 抗折试验应以每秒5 0 + 5 n ( 5 + 0 5 k g t ) 的加载速度，连续而均匀地加载， 直至试件破坏，记录破坏荷载及破坏位置。 砂浆抗折强度按公式3 一l 计算，取值至0 0 1 m p a ( 0 1 k g f c m - 2 ) 。 疋：3 p l ( 3 1 ) 厶2 2 b h 2 。j 1 式中： 五渺浆抗折强度m p a ； p _ 试件承受的破坏荷载in ： i ，一支承点间距，即为1 0 0 r a m ； b - 嘲件截面宽度m i d ； t r 嘲件截面高度m m 。 砂浆抗折强度试验结果按每组三个算术平均值评定。三个测试值中的最大或 最小值，如有一个与中问值的差值超过中间值的1 5 ，则取中间值作为该组试件 的强度值；如有两个测试值与中间值的差值超过中间值的1 5 ，则该组试件的试 建筑墙体中织物增强性能的研究 第三章砂浆混凝土力学指标及其测试方法 验结果无效。 3 1 2 砂浆劈裂抗拉强度 劈裂强度测试方法是非直接测试混凝土抗拉强度的方法，也称巴西试验法。 测试方法简单，测试变异性小。 l 试件 采用每组抗折强度试验折断后的另一半试件。 2 试验步骤 1 ) 抗折试验后立即进行劈裂抗拉试验。 2 ) 劈裂抗拉试验须采用劈裂抗拉夹具进行，试验时应使垫条与试件成型时 的顶面垂直，在上、下垫条与试件接触面各垫以垫层一个，垫条的直径为4 0 i m m ，长度大于4 0 m m 3 ) 试验时，开动试验机后，当试验机的上压板与劈裂抗拉夹具接近时，调 整球座，使接触均衡，然后连续均匀地加荷，使压力通过垫条、垫层均匀地传到 试件上，加荷速度为每秒5 0 0 5 0 n ( 5 0 5 k g f ) ，当试