织物网增强混凝土(Textile Reinforced Concrete，简称TRC)，因其具有薄壁、与混凝土有良好的相容性、耐高温、耐腐蚀等特点^[1]，而被用来预制永久模板、薄壁构件及对结构进行加固修复等，在建筑结构领域具有广泛的应用前景。但研究表明^[2,3],TRC构件在达到极限承载力时，裂缝宽度和挠度较大，且构件开裂后受拉区基体退出工作，裂缝间的织物网与基体界面因应力集中而导致脱粘现象，织物网的抗拉性能得不到充分发挥，影响纤维增强混凝土复合材料的受力性能。

　　 为充分发挥纤维织物网的性能，Barhum等^[4]、Butler等^[5]及Hinzen^[6]等分别对短切纤维增强TRC薄板的力学性能进行了相关研究，结果表明，短切纤维能有效提高TRC构件的抗裂性能，使TRC构件呈现出多缝开裂模式;且短切纤维体积掺量较低(0.2%～0.6%)时，薄板内部应力传递随纤维掺量的增加趋于连续。沈玲华等^[7]研究表明短切碳纤维丝的交联作用能够改善纤维编织网与基体之间的界面黏结性能，且短切纤维掺量越多，薄板的极限荷载及开裂后刚度越大。尹世平等^[8]研究表明，氯盐干湿循环下，掺入短切耐碱玻璃纤维和PVA纤维均可提高TRC板的抗弯性能，但不同纤维的影响效果不同。杜玉兵等^[9]和吴耀青^[10]的研究表明，短切纤维提高了织物网与混凝土基体的协同受力性能。

　　 综上所述，短切纤维对TRC薄板力学性能的影响已受学者关注，但相关研究还相对较少，且主要关注低掺量短切纤维及碳纤维网增强混凝土薄板，而关于高掺量(质量掺量5%以上)的短切纤维的增强效果及玄武岩纤维织物网增强混凝土薄板的研究较少。因此，笔者对不同短切耐碱玻璃纤维掺量的水泥基材料进行基本力学性能指标测试，并通过四点弯曲试验，研究短切纤维对玄武岩纤维织物网增强混凝土薄板的承载力、延性及韧性性能的影响。

　　 为研究不同掺量的短切纤维对细骨料混凝土基体力学性能的影响，共设计试件4组，编号分别为PC,PCF-5,PCF-6.5和PCF-8(短切纤维掺量分别为0%,5%,6.5%,8%，掺量为短切纤维质量与水泥质量的比值)，每种工况各制作6个试件，按《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)^[11]中的相关规定分别进行抗压、抗折及劈拉强度试验。

　　 配制细骨料混凝土的材料主要包括:普通硅酸盐水泥(P·O 42.5)、普通河砂(细度模数约2.5的Ⅱ区中砂)、JM-PCA(Ι)型减水剂和自来水，细集料混凝土配合比参见文献[12]。考虑耐碱玻璃纤维具有较好的耐腐、耐高温及抗拉性能等特点，同时根据文献[5]的研究结果，长径比越大增强效果越明显，试验选用长度18mm的耐碱玻璃纤维，其基本性能参数见表1。需要说明的是，当耐碱玻璃纤维掺量较大(>8%)时，混凝土基体的流动性较差、成型较困难，因此将本试验中的最大纤维掺量定为8%。

　　 图1给出了普通混凝土基体和短切纤维增强混凝土基体的抗压、抗折及劈拉试验破坏形态。普通混凝土试件受压破坏呈倒锥形(图1(a))，试件中部混凝土剥落严重，而且破坏前没有任何预兆;而短切纤维增强混凝土基体，由于纤维对裂缝发展的限制，受压破坏时试件的脆性有所改善，尽管试件四周的混凝土有外鼓的趋势，但试件破坏后裂而不散，延性相对于普通混凝土大幅提高。除基体的受压破坏形态外，普通混凝土试件抗折、劈拉破坏均呈明显的脆性，破坏断面之间无任何联系，破坏时伴有碎块崩出;而短切纤维增强混凝土基体试件抗折和劈拉破坏时裂而不断。图1所示的试件破坏形态表明，短切纤维的掺入可有效改善混凝土基体的抗裂性和韧性。

　　 表2为不同短切纤维掺量下混凝土基体的基本力学性能试验结果。从表中可以看出，相比于未掺短切纤维的试件(PC组)，随着短切纤维掺量的增加，混凝土基体的抗压强度呈先增加后减小的趋势，当掺量为6.5%时最高，为53.9MPa，抗压增强比为62.8%;继续增加掺量至8%时，强度提高幅度反而略有下降。混凝土基体的抗折强度随短切纤维掺量的增加呈上升的趋势，且掺量由0增至5%的范围内上升幅度较快，当掺量为8%时，达到10.5MPa，抗折增强比为238.7%。混凝土基体的劈拉强度随短切纤维掺量的增加呈先上升后下降的趋势，掺量为5%时，劈拉强度为4.5MPa，劈拉增强比为25%;但当掺量继续增加(>5%)，基体的劈拉强度呈缓慢下降趋势，表明过多掺入短切纤维对混凝土基体的劈拉性能不利，要充分发挥短切纤维对混凝土基体的增强效果，需严格控制短切纤维的掺量。因此，综合考虑短切纤维对混凝土基体力学性能的增强效果，短切纤维的质量掺量控制在5%～6%时为宜。

　　 为进一步说明不同掺量的耐碱玻璃纤维对混凝土基体强度的影响规律，图2分别给出了相应纤维掺量下混凝土基体的抗压、抗折及劈拉强度的变化规律。其中，抗压和劈拉强度随耐碱玻璃纤维掺量增加呈先升后降的趋势，而抗折强度随纤维掺量增加呈一直上升趋势。参考《纤维混凝土结构技术规程》(CECS 38-2004)^[13]中纤维混凝土强度计算方法，并结合混凝土基体强度指标随掺量的变化规律，给出耐碱玻璃纤维增强混凝土强度指标的统一计算式如下:

　　 式中:f_cu,f_fu,f_tu分别为纤维增强混凝土基体的抗压、抗折和劈拉强度;f_cu0,f_fu0,f_tu0分别为普通混凝土基体的抗压、抗折和劈拉强度;λ_f为纤维含量特征值;V_f为纤维的体积掺量;l_f为纤维长度;d_f为纤维直径;α₁，α₂为纤维特征值对混凝土基体强度的影响系数。

　　 通过对图2中不同掺量的短切纤维增强混凝土基体强度的试验结果进行回归分析，得到纤维增强混凝土抗压、抗折及劈拉强度计算公式α₁，α₂系数值，见表3。将表3的系数代入式(1)，可得到不同耐碱玻纤增强混凝土基体的抗压、抗折及劈拉强度计算值。由图2中计算值和试验实测值的比较可看出，二者吻合较好。需要说明的是，式(2)中的V_f可通过纤维的质量和密度换算得到，文中采用纤维质量掺量是为了便于计量，质量掺量为5%,6.5%,8%所对应的体积掺量分别约为1.5%,2.0%,2.5%。

　表3　 短切纤维增强混凝土抗压、抗折及劈拉强度影响系数

　　 为研究不同掺量的短切耐碱玻璃纤维对玄武岩纤维织物网增强细骨料混凝土(Basalt Textile Reinforced fine aggregate Concrete，简称BTRC)薄板受弯性能的影响，考虑短切纤维的掺量和玄武岩织物网层数共设计5组试件，编号分别为PP,PP-3L-0,PP-3L-5,PP-3L-6.5,PP-3L-8，其中PP表示普通薄板(无短切纤维及织物网)。编号PP-3L-0表示布设了3层织物网、短切纤维掺量为0%的薄板，余同，每个编号制作3个试件。薄板试件的尺寸为400×100×20，薄板基体原材料及配比与1.1节相同，织物网采用10×10网孔双向编织的玄武岩纤维网，其性能参数参见表4。织物网薄板采用铺网注浆法制作，制作过程中应注意尽量保持每层网片的平直。试件浇筑后在其上覆膜，防止水分蒸发，24h后拆模，再在标准养护条件下养护28d后进行试验。

　　 采用WDW-10E型微机控制电子万能试验机对薄板试件进行四点弯曲试验，加载示意及试验装置如图3所示。荷载由荷载传感器测量，跨中挠度由位移计测量。试验采用位移控制加载，加载速率约为0.5mm/min。荷载传感器和位移计通过应变仪与计算机连接，自动采集力和位移数据。

　　 对于普通混凝土薄板试件(PP组试件)，试件一旦开裂就破成两半，具有明显的脆性，试件破坏形态如图4(a)所示。而对于未掺短切纤维的普通BTRC薄板试件(PP-3L-0组试件)，裂缝首先出现在加载点处，随着荷载的增大，裂缝逐渐向纯弯区段扩展，破坏时纯弯区出现3～5条裂缝，如图4(b)所示。破坏形态表明，纤维织物网对混凝土薄板的脆性破坏有一定的改善，破坏时的裂缝条数增多，但主裂缝形成后织物网纤维束很快被拉断，导致承载力出现较大的波动，变形增长有限。对于短切纤维增强的BTRC薄板试件，开裂时对应的荷载和挠度均有明显改善:开裂后薄板试件的承载能力仍有一定的增加，变形持续、稳定增长，破坏时试件纯弯区出现多条均匀分布的贯穿裂缝，呈现多缝开裂模式，如图4(c)所示。这表明，掺入短切纤维能有效改善BTRC薄板的脆性破坏特征，变形能力提高明显。

　　 表5给出了混凝土薄板试件四点弯曲试验中开裂点和峰值点对应的荷载和变形。由表可以看出，普通混凝土薄板试件(PP组)一裂即坏，薄板的开裂荷载即为极限荷载，其极限变形很小，脆性破坏明显;而普通BTRC薄板试件(PP-3L-0组试件)，开裂荷载提高31.8%，极限变形可达6mm，约比普通混凝土薄板极限变形提高9倍，但开裂位移与普通混凝土薄板相差不大，而且开裂后的荷载几乎未增长，峰值荷载与开裂荷载相当;这表明采用纤维网增强后，薄板的延性和承载力均有一定程度的提高，但薄板基体的抗裂性未得到有效改善。对于短切纤维增强的BTRC薄板，其开裂荷载和开裂位移比PP-3L-0组试件均有不同程度的提高，特别是开裂荷载，提高幅度最高近50%，而且开裂后薄板的承载力仍可继续增加15%～30%左右，极限变形也均超过7mm，短切纤维掺量为5%时薄板的极限变形甚至超过了9mm，这充分说明短切纤维的桥联作用抑制了微裂缝的发展，提高了开裂荷载;再者，短切纤维的加入改善了基体内部的应力传递，使薄板在受力过程中应力变化更加均匀，从而提高了其极限荷载。

　　 为进一步分析短切纤维对BTRC薄板变形能力的影响，图5给出了不同短切纤维掺量下混凝土薄板的荷载-变形曲线。从图中可以看出，普通混凝土薄板(PP组)荷载-变形曲线由弹性段和下降段组成，混凝土基体开裂前为弹性直线上升段，开裂后即直线下降，呈明显的脆性。而BTRC薄板的荷载-变形曲线大致由弹性段、强化段(或平台段)及下降段组成，其中未掺短切纤维的BTRC薄板(PP-3L-0组试件)的荷载-变形曲线的强化段不明显，并在平台段出现较大波折，最后进入下降段，这一变化趋势表明基体的抗裂性对于BTRC薄板的承载力和变形能力有较大影响;而掺入短切纤维的BTRC薄板的承载力和变形能力均有所提高，且短切纤维掺量越高，弹性段的曲线斜率越大;开裂后，由于短切纤维的桥联作用有利于薄板中纤维网粗纱强度的发挥，荷载-变形曲线进入平稳增长的强化段，经历相当长的变形后达到极限承载力，而后进入下降段。由图5还可以看出，短切纤维掺量对BTRC薄板的变形能力存在明显的影响，掺量为5%的短切纤维增强BTRC薄板的荷载-变形曲线相对平滑，在开裂后呈稳定的上升趋势;而其他两种纤维掺量的BTRC薄板的荷载-变形曲线在强化段都出现不同程度的波折，且极限变形能力有所降低。

　　 为合理评价BTRC薄板的弯曲性能，分别计算了不同短切纤维掺量BTRC薄板的位移延性系数和韧性两个指标。由于纤维织物受拉时不像钢筋那样存在明显屈服阶段，因而BTRC薄板的屈服点不能以织物网纤维束拉屈为标志。由图5可知，BTRC薄板基体开裂后，荷载-变形曲线即进入强化段(或平台段)，因此以基体开裂作为BTRC薄板荷载-变形曲线的屈服标志，将BTRC薄板的位移延性系数定义为其极限位移与开裂位移之比。

　　 BTRC薄板的位移延性系数计算结果如表5所列。从表中可知，当掺量为5%时，BTRC薄板的位移延性系数最大，为9.11，比试件PP-3L-0提高了14.0%，极限变形达到了9.11mm，为板跨的1/33，说明加入短切纤维后，BTRC薄板的延性有所提高。但随着纤维的掺量继续增大，基体内部的初始缺陷越多，所以当掺量为6.5%,8%时，BTRC薄板的位移延性系数有所降低，但均高于对比试件PP-3L-0。

　　 BTRC薄板的韧性按ASTM C1018-97^[14]建议的方法进行计算，即采用不同变形处计算的韧性指数I₅,I₁₀,I₂₀来评价BTRC薄板不同变形阶段的弯曲韧性。根据试验结果计算得出的各BTRC薄板的弯曲韧性指标见图6。从图中可以看出，当纤维掺量为5%时，BTRC薄板的韧性指数I₅,I₁₀,I₂₀较对比试件PP-3L-0有所提高，分别为4.61,9.34,17.11，表现出良好的韧性。这表明掺入短切纤维可以提高BTRC薄板各变形阶段的韧性。但纤维掺量过多，也会造成纤维与织物网界面缺陷增多，当掺量为6.5%和8%时，薄板的韧性指数总体上略有下降。这表明，合理控制短切纤维掺量才能有效改善BTRC薄板的韧性。

　　 (1)短切纤维对细骨料混凝土基体的承载力和延性的改善均有良好的效果。基于试验结果提出的基体强度计算公式，可用于不同短切纤维掺量的混凝土基体的强度预测。

　　 (2)与未掺入短切纤维的BTRC薄板相比，短切纤维增强的BTRC薄板的开裂荷载和极限变形均有明显的提高，提高幅度最多可接近50%。

　　 (3)合理控制短切纤维掺量可有效改善BTRC薄板的变形能力和韧性。结合本文试验，掺量约为5%时，BTRC薄板的延性及韧性最好。