竹（Bambusa blumeana J.A. & J.H. Schultes）纺织纤维增强砂浆（TRM）的拉伸与纺织–砂浆粘结行为：纱线股数配置和环氧涂层的影响

《Fibers》：Tensile and Textile–Mortar Bond Behavior of Bamboo (Bambusa blumeana J.A. & J.H. Schultes) Textile-Reinforced Mortar (TRM): Influence of Yarn Ply Configuration and Epoxy Coating

　　

竹纺织纤维（BTF）是纺织增强砂浆（TRM）中合成纺织纤维的可再生替代品，但纱线结构与涂层对其拉伸和粘结行为的影响尚未充分确立。研究人员测试了四种具有15 × 15 mm网格的BTF增强TRM配置：由单股（SP）和双股（DP）纱线编织的纺织纤维，每种均包括干燥和环氧涂层（SPI、DPI）状态。在位移控制下测试了20个直接拉伸试件和20个粘结至混凝土基材的纺织–砂浆粘结试件。通过双因素方差分析（two-way ANOVA）评价股数配置、涂层及其交互作用的影响，并通过扫描电子显微镜（SEM）检查涂层纱线表面。环氧涂层显著提高了峰值应变和韧性（p < 0.001）以及峰值拉伸应力（p = 0.008），其中对双股纺织纤维的影响最大，其韧性由0.09增至0.54 MJ/m³，峰值拉伸应力由16.11增至28.36 MPa。股数配置（p < 0.001）和涂层（p = 0.018）均显著提高了峰值纺织纤维归一化粘结应力（textile-normalized bond stress），由3.52 MPa（SP）增至9.65 MPa（DPI），且无显著交互作用；所有粘结试件均以纺织纤维断裂破坏，因此这些值为下限。DPI具有最高的峰值应变、韧性和峰值粘结应力，支持选择其进行结构层面验证。

研究背景与问题：纺织增强砂浆（TRM；由连续纺织纤维嵌入无机砂浆基体形成的薄层复合材料）已用于水泥基结构构件加固与修复，具有薄层、提高抗拉能力、裂缝控制、变形能力、能量吸收、耐高温、蒸汽渗透、与混凝土基材相容及较低腐蚀敏感性等特点。合成纺织纤维应用较早，但环境压力促使天然纺织纤维（NTF）复合材料发展。既有植物纤维TRM研究多集中于构件层面，且未同时表征复合材料自身的拉伸与纺织–砂浆粘结行为；纱线股数配置是否增强复合材料、环氧涂层对吸湿性木质纤维素纱线的纺织–砂浆应力传递影响如何，均未量化。材料级拉伸与粘结性能是TRM资格评定和设计参数推导的基础，因此研究人员开展本研究。研究开展、结论与意义：研究人员采用2×2析因设计，比较SP、DP、SPI、DPI四种15 × 15 mm网格BTF增强TRM，测试直接拉伸与纺织–砂浆粘结响应，并以双因素方差分析和Tukey事后检验评价股数、涂层及交互作用。结果表明，环氧涂层是拉伸响应的主导因素，股数配置和涂层共同影响纺织–砂浆应力传递，DPI综合性能最优，被选入结构层面验证。该研究补充了既有构件层面研究缺失的材料级拉伸与粘结数据，并为后续钢筋混凝土梁抗弯加固配置选择提供依据。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员以菲律宾Naguilian, La Union的1–2年生Bambusa blumeana J.A. & J.H. Schultes（Kawayang Tinik）为原料，经菲律宾科技部–菲律宾纺织研究所（DOST–PTRI）工艺制得BTF，并采用2×2析因设计比较SP、DP、SPI、DPI四种15 × 15 mm网格配置；开展20个直接拉伸试件和20个纺织–砂浆粘结试件（粘结于混凝土基材）的位移控制试验，采用万能试验机（UTM）和线性可变位移传感器（LVDT）采集荷载–位移，以双因素方差分析（two-way ANOVA）和Tukey事后检验评价股数、涂层及交互作用，并用SEM观察纱线表面。

研究结果：
3.1 竹TRM的拉伸行为
3.1.1 拉伸响应与破坏行为：四种配置的拉伸应力–应变曲线不同，开裂后离散性明显；干态SP和DP呈局部开裂并在首条裂缝处破坏，环氧涂层SPI和DPI在砂浆初裂后多缝开裂并继续承载。杨氏模量为0.58–0.68 GPa，初裂应力8.29–17.84 MPa，峰值拉伸应力16.11–28.36 MPa，峰值应变0.98%–3.30%，韧性0.09–0.54 MJ/m³。所有试件均以竹纺织纤维断裂破坏；破坏模式分为多缝开裂（FR-MC）、局部开裂（FR-LC）和单缝脆性破坏（FR-B）。靠近夹持端断裂的6个试件仍纳入均值，因为此类断裂只会低估纺织纤维能力。

3.1.2 股数配置对拉伸性能的影响：干态下由SP增至DP使峰值拉伸应力由24.22降至16.11 MPa（降低33.5%），峰值应变由1.09%降至0.98%，韧性由0.14降至0.09 MJ/m³（约降低36.0%），第二股未改善干态TRM拉伸性能；作者暂归因于DP较粗纱线限制砂浆渗透、降低纺织–砂浆相互作用与应力传递效率。环氧涂层下SPI至DPI峰值拉伸应力仅由27.48增至28.36 MPa（3.2%），峰值应变由1.96%增至3.30%（68.4%），韧性由0.29增至0.54 MJ/m³（86.2%）。方差分析显示股数显著影响峰值应变（p = 0.011）且依赖涂层（交互作用p = 0.004）；韧性主效应在未变换数据显著（p = 0.013）但对数变换后不显著（p = 0.501），其影响通过交互作用体现（p < 0.001；对数变换p = 0.002）；初裂应力和峰值拉伸应力不受股数显著影响（p = 0.814和0.173）。

3.1.3 环氧涂层对拉伸性能的影响：单股下SP至SPI峰值拉伸应力由24.22增至27.48 MPa（13.5%），峰值应变由1.09%增至1.96%（79.8%），韧性由0.14增至0.29 MJ/m³（约107%）；双股下DP至DPI峰值拉伸应力由16.11增至28.36 MPa（76.0%），峰值应变由0.98%增至3.30%（236.7%），韧性由0.09增至0.54 MJ/m³（500%）。环氧涂层显著影响初裂应力（p = 0.032）、峰值拉伸应力（p = 0.008）、峰值应变（p < 0.001）和韧性（p < 0.001）；峰值应变和韧性存在显著交互作用（p = 0.004和p < 0.001），说明涂层效应依赖股数配置。SEM显示未涂层纱线表面附着较多砂浆残留，涂层纱线部分区域形成连续树脂膜并使原纤粘结于纱束表面、砂浆残留较少，其他区域原纤外露；树脂固结原纤与涂层配置较高峰值应变和韧性一致，连续膜隔离纤维与碱性水泥基体可能有利于耐久性但未评估。

3.2 纺织–砂浆粘结行为
3.2.1 粘结应力–滑移响应与破坏行为：TRM以环氧粘结于混凝土块，测得位移主要代表竹纺织纤维相对周围砂浆的滑移。曲线先随相对位移增加而上升，达峰值后出现下降或持续承载，峰后响应因配置而异。平均初始粘结刚度为0.36–0.87 MPa/mm，峰值纺织纤维归一化粘结应力3.52–9.65 MPa，峰值粘结应力处滑移7.15–10.04 mm，粘结韧性14.80–41.99 MPa·mm。全部20个粘结试件均以纺织纤维断裂破坏，无滑移或拔出；峰值粘结应力为粘结能力下限。粘结试验峰值纺织纤维归一化应力低于直接拉伸试验，作者归因于自由长度内干态纱线荷载分担不均且无基体再分配荷载。

3.2.2 股数配置对粘结性能的影响：干态SP至DP峰值粘结应力由3.52增至5.64 MPa（约60%），初始粘结刚度由0.36增至0.87 MPa/mm（约142%），峰值处滑移由10.04降至7.31 mm，粘结韧性由19.68略增至21.41 MPa·mm。涂层下SPI至DPI峰值粘结应力由4.28增至9.65 MPa（约126%），初始粘结刚度由0.63略降至0.60 MPa/mm，峰值处滑移由7.15增至9.46 mm，粘结韧性由14.80增至41.99 MPa·mm（约184%）。方差分析显示股数显著影响峰值粘结应力（p < 0.001），对初始粘结刚度、峰值滑移和粘结韧性不显著（p = 0.089、0.894和0.070）。

3.2.3 环氧涂层对粘结性能的影响：单股下SP至SPI初始粘结刚度由0.36增至0.63 MPa/mm（约75%），峰值粘结应力由3.52增至4.28 MPa（约22%），峰值处滑移由10.04降至7.15 mm，粘结韧性由19.68降至14.80 MPa·mm；双股下DP至DPI峰值粘结应力由5.64增至9.65 MPa（约71%），粘结韧性由21.41增至41.99 MPa·mm（近一倍），初始粘结刚度由0.87降至0.60 MPa/mm，峰值处滑移由7.31增至9.46 mm。方差分析显示环氧涂层显著影响峰值粘结应力（p = 0.018），对其他粘结参数不显著（p = 0.970、0.813和0.307），无显著交互作用（p > 0.05）。总体上股数是峰值粘结应力主要因素，涂层提供额外提升；因全部试件纺织纤维断裂，涂层较高峰值粘结应力更可能反映纱线固结而非界面粘附增强。Tukey检验显示DPI在峰值应变、拉伸韧性和峰值纺织纤维归一化粘结应力上显著高于其他三种配置（p ≤ 0.03）。

3.3 文献比较：BTF增强TRM峰值纺织纤维归一化拉伸应力16.11–28.36 MPa低于其他天然纺织纤维TRM（亚麻120–196 MPa、剑麻约144 MPa）及合成TRM（玻璃约700–800 MPa、玄武岩1100–1250 MPa、碳970–2840 MPa），主要反映短纤维纺制竹纱较低抗拉强度；因纺织纤维面积按竹秆密度计算，BTF-TRM应力偏保守。DPI峰值应变3.30%处于亚麻TRM的3.1%–6.3%范围，高于剑麻约1.2%；所有BTF-TRM试件均纺织纤维断裂而无滑移，表明竹纺织纤维在砂浆中锚固有效。涂层使峰值拉伸应力提高13.5%（SP至SPI）和76.0%（DP至DPI），与既有环氧涂层天然纱线15%–76%的报道一致，也与环氧涂层玄武岩TRM极限荷载提高25%、乳胶浸渍单层亚麻TRM纺织纤维应力提高49%相当；浸渍并非总是有利，既有研究报告两层亚麻TRM浸渍使纺织纤维应力降低约11%，乳胶浸渍亚麻纱拉伸强度和拔出粘结低于未处理纱。本研究中涂层对干态强度最低的双股纱最有利，提示环氧补偿了较粗纱线受限的砂浆渗透；涂层使峰值纺织纤维归一化粘结应力提高22%（SP）和71%（DP），与涂层纺织纤维粘结混凝土较高粘结强度报道一致，但直接比较受纤维类型、基体、试件几何、夹持方法和应力归一化差异限制。

3.4 局限性：结果限于每种配置5个试件及单一网格间距、砂浆和粘结长度；全部粘结试件纺织纤维断裂而无拔出，故峰值粘结应力为下限；涂层厚度和渗透深度未测，环氧吸收量仅由单独批次双股纱估算，SEM仅观察试验后单股纱；纺织纤维面积按含孔隙的竹秆密度计算，低于常用纤维材料密度，报道应力偏保守；水分和碱性暴露耐久性未评估。

讨论与结论总结：讨论将BTF-TRM拉伸性能与天然及合成TRM文献比较，指出竹短纤维纺纱强度较低使应力偏低，但DPI应变水平与亚麻TRM相当且高于剑麻，所有试件纺织纤维断裂而无滑移说明锚固有效；涂层效应与既有天然纤维浸渍研究总体一致但也存在不一致报道，本研究显示涂层对双股低干态强度配置补偿最明显。局限性表明结果需在更多试件、直接涂层表征、耐久性和构件层面进一步验证。研究结论翻译如下：（1）环氧涂层是拉伸行为的主导因素，显著提高峰值应变和韧性，并使破坏机制由单缝脆性破坏（SP、DP）转变为局部开裂（SPI）或多缝开裂（DPI）；同时提高初裂应力和峰值拉伸应力（p = 0.032和0.008）。其对峰值应变和韧性的影响依赖股数配置：对双股纺织纤维，涂层使峰值拉伸应力提高76%，韧性由0.09增至0.54 MJ/m³。（2）干态下双股纺织纤维未提高纺织纤维归一化拉伸强度（16.11 MPa对SP的24.22 MPa），作者暂归因于较粗加捻纱限制砂浆渗透。（3）股数配置和环氧涂层均显著提高峰值纺织纤维归一化粘结应力，且无显著交互作用；DPI达9.65 MPa，SP为3.52 MPa。初始粘结刚度、峰值处滑移和粘结韧性未受显著影响。全部20个粘结试件由纺织纤维断裂控制，故这些值为纺织–砂浆粘结能力下限。（4）在所测配置中，DPI的峰值应变、拉伸韧性和峰值粘结应力显著高于其他三种配置（Tukey，p ≤ 0.03），被选入结构层面试验。该工作的主要贡献是以析因设计并经统计检验量化表明：对竹纺纱纺织纤维，环氧涂层而非纱线股数控制TRM拉伸响应，而股数和涂层均支配纺织–砂浆应力传递。水分和碱性暴露耐久性、涂层直接表征及构件层面验证仍有待研究。