《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Flexural Behaviour of Cracked Textile Reinforced Cementitious Composites Exposed to Freeze-Thaw Environment
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纺织品增强混凝土（TRC）冻融循环下弯曲性能及界面失效机制研究。通过预裂（0.8mm）与未裂TRC棱柱对比试验，发现未裂样本经120次冻融后弯曲承载力损失60%，而预裂样本保留80%承载力，因内部微裂纹缓解冻胀压力。界面结合强度随循环次数线性下降，证实冻融诱导的界面微裂纹是主要失效机制。
Ramakrishna Samanthula|Aníbal Maury-Ramírez|Mario Rinke|Johan Blom
印度马德拉斯印度理工学院土木工程系
摘要
纺织增强混凝土（TRC）是一种有前景的材料技术，适用于高海拔地区的基础设施建设，因为在这些地区，传统系统会面临技术挑战。TRC的机械性能主要受纺织纤维与混凝土之间粘结力的影响，而在高海拔地区，这种粘结力可能会因冻融循环而恶化。本研究特别探讨了冻融循环对涂覆了E玻璃纤维的TRC棱柱体以及基于OPC的细粒混凝土在未开裂和开裂条件下的抗弯性能的影响。TRC棱柱体在位移控制的三点弯曲载荷下被预裂至0.8毫米。未开裂和开裂的TRC棱柱体在-18 ± 2°C的温度下反复冻结3小时，然后在4 ± 2°C的温度下解冻1小时，循环次数从5次到120次不等。通过三点弯曲试验评估了对照组和实验组的抗弯能力和开裂行为。此外，还通过拔出试验评估了冻融循环应力下纤维-基体粘结力的退化情况。研究结果表明，尽管未开裂的棱柱体保持了其抗弯能力，但在120次冻融循环后，其抗弯能力下降了60%；相比之下，开裂的棱柱体在冻融循环结束后仍保留了80%的抗弯能力，这可能是由于冰冻过程中产生的微裂纹消散了膨胀压力。拔出试验的结果表明，粘结力的损失与循环次数成正比，这与抗弯能力的损失有很好的相关性。这一相关性表明，未开裂TRC复合材料抗弯能力退化的主导机制是由于反复的冻融循环应力在界面处引起的微裂纹。
引言
近年来，由多维纺织纤维和细粒混凝土制成的新型水泥基复合材料（如纺织增强混凝土TRC）在各种应用中得到了全球的认可。凭借其优异的性能，这种复合材料可用于开发轻质、耐用且耐腐蚀的建筑系统。TRC已应用于多种场合，包括：i) 与FRP复合材料类似的修复工程；ii) 各种立面装饰；iii) 水保持结构；iv) 牺牲性构件；v) 弯曲屋顶等。利用TRC的高强度重量比，其模块化结构元件可以用于高海拔地区的基础设施建设，因为在这些地区，传统材料系统的可及性、施工和维护都非常困难。然而，高海拔地区通常温度极低（低于0°C），并且昼夜和年度温差较大，导致反复的冻融循环。这些冻融循环会破坏复合材料内部的界面粘结力，从而影响TRC构件的结构性能。尽管TRC在耐久性和结构设计方面具有重要意义，但关于冻融循环应力对其性能影响的研究仍不充分。本研究通过实验探讨了未开裂和预裂TRC试样在反复冻融循环下的抗弯行为。这些实验结果为TRC的结构和耐久性设计提供了重要依据。
与其他工程水泥基复合材料一样，TRC的机械性能主要受水泥基体与纺织纤维之间粘结力的控制，同时也受到各材料本身特性的影响。尽管复合材料中的开裂现象难以避免，但可以通过在界面处实施适当的应力传递机制来控制。在钢筋混凝土（RCC）中，钢与混凝土之间的粘结力由多种机制共同作用形成：i) 粘附力（在滑移后会减弱）；ii) 滑移过程中的摩擦力；以及iii) 由肋条提供的机械粘结力[10]。冻融循环会导致钢-混凝土界面产生微裂纹，从而显著降低粘结强度，尤其是在基于UHPC（细粒）的混凝土系统中[11]。由于细粒混凝土基体的致密微观结构，添加减水剂以缓解冻融压力通常受到限制。在这种情况下，冻融引起的微裂纹可能成为主要的劣化机制，严重削弱界面粘结力。另一方面，TRC中的纺织纤维由数百根细丝组成，它们通过内部摩擦分散载荷并与混凝土基体粘结。外层细丝直接与水泥基体接触，从而提供更好的锚固效果；而内层（核心）细丝则通过纤维内部的摩擦力间接受力[3, 12, 14]。纤维与水泥基体之间的相互作用显著影响复合材料的机械性能，包括强度、延展性和韧性。较强的纤维-基体粘结力会提高强度，但降低延展性；而较弱的粘结力则会增加延展性但降低强度[14]。纤维的套管部分与基体紧密结合，导致在载荷作用下发生伸缩性破坏，首先是套管部分断裂，随后是核心部分的滑移[13, 15, 16, 17]。纺织纤维上的聚合物涂层对纤维-基体粘结力有很大影响。涂层的类型和用量可以：i) 改善核心纤维与套管纤维之间的粘结力，从而提高纺织纤维与基体之间的粘结强度；ii) 提高E玻璃纤维在高pH值水泥体系中的耐碱性[14, 18, 19]。然而，部分涂层的E玻璃纤维也容易受到碱侵蚀，因为涂层表面存在缺陷，因此需要更厚的涂层。此外，玻璃纤维、聚合物涂层和水泥基体的热膨胀系数差异会影响TRC构件在温度变化下的粘结特性和整体拉伸性能。从上述描述可以看出，TRC是一种多相复合材料，包含混凝土、纺织纤维和聚合物涂层，具有多个关键界面，如聚合物-纺织纤维界面、纺织纤维束内的内外层纤维界面以及纺织纤维-混凝土界面。因此，研究冻融循环对TRC的影响尤为重要，因为这些相和界面的完整性可能在反复的循环应力作用下受到破坏。
通常，混凝土在冻融循环中的损伤是由于毛细孔中孔隙水冻结产生的膨胀压力超过了混凝土的局部抗拉强度。冻结会导致体积膨胀约9%，随之而来的多余孔隙水的排出会对周围孔壁产生静水压力。这种压力取决于孔隙系统的连通性[20]。混凝土的孔隙率越高，孔壁所承受的静水压力越小。混凝土在冻融循环下的性能受其孔隙饱和度和连通性的影响较大。较低的孔隙率可以减少冻融循环造成的损伤。由于TRC构件较薄（通常为15-25毫米），在潮湿环境中容易完全饱和。由于TRC使用的水泥基体通常是细粒的，因此其孔隙率较低，从而形成了更致密的微观结构，减少了冻融循环的影响。然而，TRC的饱和部分可能会因渗透性降低而受到不利影响。未经处理的TRC面板在拉伸测试中，一层SBR涂层的AR玻璃纤维层在60-100次冻融循环后，其首次开裂应力损失了40%，应力-应变曲线的三个区域的刚度显著下降，这可能是由于粘结力退化所致[21, 22, 23]。开裂部分的复合材料强度下降了12%，但有趣的是，在后续循环中由于持续的水化作用，强度有所恢复[21, 24]。裂纹可能从纤维-基体界面开始并扩展，进而改变复合材料的滑移行为[25]。裂纹控制能力可能会下降，载荷-位移曲线可能无法显示出TRC在冻融循环下的典型三阶段变化[22, 23]。
关于TRC在冻融循环下的研究文献非常有限，主要集中在评估涂覆了AR玻璃、碳纤维或玄武岩纤维的TRC复合材料的耐冻融性能[21, 22, 23, 24, 25]。相比之下，具有优异机械性能的E玻璃纤维在当地容易获得，从而提供了相对便宜的TRC组件[26, 27]。这些纤维通常是部分浸渍（部分涂层）的，这可能会影响复合材料的吸水性、粘结特性，并最终影响其性能。因此，为了在高海拔地区使用更薄的TRC组件实现经济高效的基础设施解决方案，本研究重点评估了涂覆E玻璃纤维的混凝土面板在冻融循环下的抗弯性能。
材料：混凝土和纺织纤维
在本研究中，使用了两种不同涂层的E玻璃纤维作为增强材料，分别是苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）和聚氯乙烯（PVC）（图1）。在可用于技术纺织纤维的涂层中，SBR和PVC被认为能产生更好的纤维-基体相互作用，从而提高纺织纤维与混凝土之间的粘结力[28, 29]。纺织纤维的详细信息见表1。纤维的 tex 值（线性密度）是通过计算其质量得出的。
对照组TRC试样的抗弯性能
对照组复合棱柱体的抗弯性能如图6所示。试样的标签说明如下：“Control”表示“未暴露试样”；“FT”表示“暴露于冻融循环”；“5 cycles”至“120 cycles”表示“冻融循环次数”；“2L / 4L”表示“2层或4层”；“Vf”表示“纺织纤维的体积分数”；“SBR”表示“涂有SBR的纺织纤维”；“PVC”表示“涂有PVC的纺织纤维”；“PRK”表示“预裂”。正如预期的那样，抗弯性能有所提高。
结论与建议
本研究评估了未涂层和涂有SBR涂层（3.5% Vf）及PVC涂层（1.2% Vf）的E玻璃纤维增强TRC棱柱体的抗弯性能。未开裂和开裂的TRC棱柱体分别经历了30次、60次和120次的冻融循环。未开裂棱柱体的抗弯承载能力未受影响，而开裂棱柱体的抗弯能力则随着冻融循环次数的增加而逐渐下降。
CRediT作者贡献声明
Ramakrishna Samanthula：负责撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据分析及概念框架的构建。Aníbal Maury-Ramírez：负责审稿与编辑、项目监督、资源协调及概念构思。Mario Rinke：负责项目监督、资源调配、资金争取。Johan Blom：负责撰写、审稿与编辑、项目监督、资源协调及方法论设计。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢VLIR-UOS提供的Global Minds Research Scholarship在2025年3月至8月期间的资金和出行支持。第一作者还感谢印度理工学院颁发的国际沉浸体验（IIE）奖学金提供的经济支持，并感谢Sai Sri Kusumanchi在混凝土配合比方面的帮助。实验研究在比利时安特卫普大学进行。
