Changing the Cross-Sectional Shapes of the Prestressed Rovings in Warp-Knitted Glass and Carbon Reinforcing Fabrics

在建筑领域，混凝土是压缩性能的奇迹：它在受压时极其坚固，但在受拉时却极易开裂。为了弥补这一弱点，工程师们在混凝土内部嵌入钢筋，这种技术被称为加固。然而，钢材有一个缺陷：会生锈。近几十年来，建造者们转向了一种由数千根微小的玻璃或碳纤维束组成的另一种加固材料。这些纤维束被称为“纱束”（rovings），它们被织成织物，然后被拉紧并嵌入混凝土中。这个过程被称为“预应力”（prestressing），它使混凝土处于持续的压力之下，从而使结构更薄、更轻，且更具抗裂性。使这一切奏效的关键在于织物本身。当这些纤维束被拉紧时，它们不仅仅像橡皮筋那样伸展；它们的内部形状会发生变化。纱束内的数千根单丝会发生位移、滑动和重新排列。如果纱束挤压过度或变形方式不对，它可能会失去对周围混凝土的抓握力，从而削弱整个结构的强度。了解这些纱束在张力作用下如何变形，对于预测建筑物的寿命以及能够安全承载多少重量至关重要。

彼得大帝圣彼得堡理工大学的研究人员致力于实时观察这种隐形的重排现象。他们重点研究了两种特定的经编织物，这是一种制造具有开放式网状结构的工艺。一种织物使用名为“纬斜组织”（tricot）的针法，它创造出一种对角线交织的结构；而另一种则使用“柱状组织”（pillar），形成一种更趋向于垂直的链状图案。团队测试了由玻璃纤维和碳纤维制成的织物，并对其施加不断增加的张力。他们并没有简单地将织物拉断，而是通过在特定点——即织物最大强度的25%、50%和75%处——停止，以检查内部发生了什么。为了实现这一点，他们利用快速硬化的树脂将织物在拉伸状态下冻结，切下微小的切片，并在高倍显微镜下进行观察。随后，他们利用计算机软件绘制了纱束横截面内每一根纤维的位置，从而创建了一个关于线程随载荷增加而移动的详细统计图景。

结果揭示了两种针法之间的显著差异。在采用纬斜组织制造的织物中，随着载荷的增加，纤维束的横截面发生了显著变化。最初，这些纱束呈扁平的椭圆形，纤维分布在较宽的区域。随着张力的上升，纱束开始向内挤压，失去了扁平度，变得更加圆润。曾经分布开来的纤维向纱束中心迁移。这种重排在拉伸的早期阶段发生得最为迅速，特别是在起始阶段到最大载荷的25%之间。当织物达到其强度的75%时，纱束已转化为一种更接近圆形的形状，且纤维紧密地聚集在中间。这种转变意味着纱束正在失去与周围材料的接触，这是一个关键因素，因为纤维与混凝土之间的粘结依赖于纱束与水泥接触的表面积。

相比之下，采用柱状组织制造的织物表现得截然不同。这些纱束最初呈近乎圆形的形状，并且在整个拉伸过程中都保持了这种形状。即使张力增加到最大强度的75%，柱状组织纱束的横截面直径也仅略微缩小。纤维并未剧烈向中心迁移；相反，它们保持了原有的均匀分布。研究人员发现，柱状组织提供了更加稳定的几何结构，抵抗了在纬斜样品中发生的扁平化和重塑现象。这种稳定性表明，柱状组织可能提供更一致的混凝土抓握力，因为其强化件的形状在载荷作用下不会发生剧烈的形态转变。

该研究还强调，这种重塑不仅仅是纱束变小的问题，它是一个由数千根单丝组成的复杂内部迁移过程。在纬斜组织中，纤维从外缘向核心移动，有效地减少了“接触长度”——即纱束与混凝土接触的周长。研究人员计算出，接触长度在拉伸过程的前四分之一阶段大幅下降，之后趋于稳定。这一发现表明，最关键的变化发生在早期，而在超过一定程度后继续拉伸织物并不会进一步改变其内部排列。玻璃纤维与碳纤维之间的差异也被提及，尽管碳纤维束包含的单丝数量远多于玻璃纤维，但两者都遵循由其针法决定的相同基本规律。

最终，这项工作为这些高科技织物在应力下的行为提供了清晰的图谱。它表明，针法的选择不仅仅是一个制造细节，更是强化件与混凝土相互作用的一个基本因素。对于设计预应力混凝土结构的工程师而言，这意味着纬斜组织虽然常见，但会经历显著的几何变换，这可能会影响材料的长期性能。而柱状组织通过保持其形状，提供了不同的机械特性。研究证实，要预测这些现代结构的强度和耐久性，必须超越单纯的纤维强度，去理解支撑它们的纱束那复杂的、变化的几何结构。