BFRP筋材基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究

曹曉峰， 趙 文， 謝 強(qiáng)， 楊國(guó)梁

(1.廣東省交通集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 510000; 2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

?

BFRP筋材基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究

曹曉峰1， 趙 文2， 謝 強(qiáng)2， 楊國(guó)梁2

(1.廣東省交通集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 510000; 2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

玄武巖纖維筋材(BFRP)具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、介電性能好等優(yōu)點(diǎn)，是一種綠色環(huán)保的鋼筋替代材料。通過(guò)抗拉伸試驗(yàn)、抗剪試驗(yàn)、耐腐蝕試驗(yàn)，研究了玄武巖纖維強(qiáng)度、變形和破壞等力學(xué)性能。對(duì)BFRP筋材作為錨桿應(yīng)用的可行性以及錨具的制作做出了探討和建議。試驗(yàn)結(jié)果表明：BFRP筋材的抗拉強(qiáng)度是普通鋼筋的2倍以上，彈性模量約為鋼筋的1/4。BFRP筋的彈性模量主要與玄武巖纖維的含量有關(guān)，玄武巖纖維含量越高，BFRP筋的抗拉彈性模量越大。BFRP筋材的抗剪強(qiáng)度僅略小于鋼筋的抗剪強(qiáng)度，在160～190 MPa之間。與鋼筋相比，BFRP筋在抗拉強(qiáng)度、耐腐蝕等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，非常適合用作錨桿拉筋，可有效解決傳統(tǒng)鋼材錨桿容易銹蝕的問(wèn)題。

玄武巖纖維筋材； 拉伸試驗(yàn)； 剪切試驗(yàn)； 耐腐蝕試驗(yàn)； 力學(xué)性能

0 前言

玄武巖連續(xù)纖維是玄武巖石料經(jīng)過(guò)1450～1500 ℃熔融后，再通過(guò)鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維。玄武巖長(zhǎng)絲生產(chǎn)過(guò)程不需要添加任何助劑便可成型，無(wú)污染，無(wú)有毒廢料，使用過(guò)的產(chǎn)品可以回爐再生，是一種完全綠色的無(wú)機(jī)纖維材料[1]。玄武巖纖維增強(qiáng)聚合物(Basalt Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱BFRP)筋是以玄武巖纖維為增強(qiáng)材料，以合成樹(shù)脂為基本材料，并摻入適量輔助劑，經(jīng)拉擠工藝和特殊的表面處理形成的一種新型非金屬?gòu)?fù)合纖維增強(qiáng)材料。與鋼筋相比，BFRP筋具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、抗疲勞、絕緣等優(yōu)點(diǎn)，在土木工程中的應(yīng)用前景十分廣泛，可以作為解決鋼筋銹蝕問(wèn)題的一種有效方法[2-7]。

BFRP筋材在巖土工程中的應(yīng)用研究并不多見(jiàn)[8-11]，為了探究玄武巖纖維錨桿應(yīng)用的適宜性，有必要對(duì)其力學(xué)特征和工程中需要注意的問(wèn)題進(jìn)行綜合分析。其基本力學(xué)性能參數(shù)是BFRP筋材錨桿的工程應(yīng)用設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。本文通過(guò)抗拉伸試驗(yàn)、耐腐蝕試驗(yàn)、抗剪試驗(yàn)，研究BFRP筋材的基本力學(xué)性質(zhì)和耐腐蝕性能，為BFRP筋材在巖土工程中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 BFRP筋材拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)主要是測(cè)試BFRP筋材的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、延伸率等力學(xué)指標(biāo)。試驗(yàn)用材料為四川航天五源復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的BFRP螺旋狀筋材，其表面進(jìn)行了粘砂處理，密度為2.1 g/cm3。

BFRP筋材呈各向異性，橫向抗剪強(qiáng)度低，縱向抗拉強(qiáng)度高[3]，進(jìn)行BFRP筋拉伸試驗(yàn)時(shí)，如果直接將BFRP筋材安放在試驗(yàn)機(jī)夾具上，荷載施加過(guò)程中，端部很容易被壓壞而無(wú)法測(cè)定BFRP筋材的真實(shí)抗拉強(qiáng)度。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)纖維材料拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，在拉伸試驗(yàn)中，將無(wú)縫鋼管粘結(jié)到筋材的兩端作為夾具。拉伸試驗(yàn)在數(shù)控液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。拉拔試樣需滿足萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的行程，試樣長(zhǎng)度為70 cm，保證中間自由段長(zhǎng)度不小于30 cm。試樣選用直徑為Φ6、Φ8、Φ10、Φ12、Φ14 mm的BFRP筋材，每組4個(gè)試樣。在試件中部安裝高靈敏度的數(shù)字引伸計(jì)對(duì)其拉伸長(zhǎng)度進(jìn)行采集，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以2 mm/min的加載速率進(jìn)行加載直至試件破壞，并記錄試件破壞時(shí)的最大拉應(yīng)力與破壞形態(tài)。

BFRP筋材在拉伸過(guò)程中，表面出現(xiàn)膠合劑剝落，隨后纖維拉斷出現(xiàn)毛刺，纖維間縱向滑移后破壞，即BFRP筋的樹(shù)脂拉裂，纖維部分拉斷。BFRP筋破壞過(guò)程中，荷載一直穩(wěn)定地增大；繼續(xù)加載，出現(xiàn)纖維與樹(shù)脂剝離的響聲；加載后期，纖維剝離的響聲不斷增大，BFRP筋材表面出現(xiàn)白斑狀裂紋。隨荷載進(jìn)一步增加，響聲不斷增大，變得頻繁，伴隨一聲巨響纖維忽然斷裂，BFRP筋材中部成爆炸狀被拉斷。BFRP筋的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖1～圖3)表明，Φ6、Φ8、Φ10、Φ12、Φ14 mm筋材的抗拉強(qiáng)度平均值分別為1292、1119、1067、891、917 MPa，是普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度的2倍以上。BFRP筋材的彈性模量(取應(yīng)力-應(yīng)變曲線上直線段的平均模量)平均值約50.1～62.4 GPa，約為鋼筋彈性模量的1/4。BFRP筋材斷裂具有突發(fā)性，屬于脆性破壞，BFRP筋材的延伸率在2.0%～2.5%。

表1 BFRP筋材拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table1 DataofBFRPbartensiletest試驗(yàn)編號(hào)最大拉力/N最大應(yīng)力/MPa平均應(yīng)力/MPa延伸率/%平均延伸率/%彈性模量/GPa彈模均值/GPa6-13523112481.2643.06-23826213571.9264.912922.1062.46-33677013012.1863.46-43565012622.2158.88-15357110662.1550.28-26027612002.1757.111192.1154.68-35925211792.0860.18-45185910322.0251.010-1762299712.1545.610-28711011102.4853.110672.4050.110-38698211082.5053.210-48474110802.4548.612-11021519042.1451.412-21017679002.3353.48912.2554.712-3986308732.1856.612-41003588882.3557.314-11404899132.2652.314-21363298862.4353.29172.3753.614-31457379472.4754.814-41416419212.3154.2

圖1 拉伸試驗(yàn)Figure 1 The tensile test of BFRP bar

圖2 試驗(yàn)后的照片F(xiàn)igure 2 The picture after tensile test

圖3 BFRP筋材拉伸試驗(yàn)典型應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線Figure 3 The typical stress-strain curve of BFRP bar tensile test

此外，從BFRP筋材拉伸試驗(yàn)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，BFRP筋材在破壞前基本上為線彈性變形，在破壞發(fā)生前，沒(méi)有塑形屈服臺(tái)階。斷裂具有突發(fā)性，屬于脆性破壞。

2 BFRP筋耐腐蝕試驗(yàn)

研究玄武巖纖維長(zhǎng)期處于酸、堿性環(huán)境中的強(qiáng)度保持率。試驗(yàn)僅比較復(fù)合筋的抗拉強(qiáng)度損傷率，不需測(cè)量彈性模量等力學(xué)性能指標(biāo)。試樣選用直徑為Φ6、Φ8、Φ10 mm的BFRP筋材各4根，分別放在酸堿溶液中。酸性溶液為：0.025 mol/L的硫酸；堿性溶液濃度為： 2.5 g/L的Ca(OH)2。每日對(duì)溶液進(jìn)行一次攪拌，并測(cè)量pH值，確保pH值大小不變。

對(duì)筋材酸堿浸泡1個(gè)月的筋材進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如表2所示。隨著腐蝕時(shí)間的增加，BFRP筋材的外觀也有一定的變化。腐蝕后的BFRP筋材與未腐蝕時(shí)相比失去了光澤，筋材外表黏附的石英砂剝離。同時(shí)觀察兩種腐蝕溶液，發(fā)現(xiàn)酸性溶液比堿性溶液對(duì)BFRP筋材的腐蝕程度要大一點(diǎn)。試驗(yàn)表明，BFRP筋材耐酸堿腐蝕能力高，耐酸強(qiáng)度保留率大于92%，耐堿強(qiáng)度保留率大于94%。

表2 經(jīng)過(guò)酸堿溶液浸泡后的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table2 TheresultsoftensilestrengthtestofBFRPbarsafterimmersioninacid-basesolution筋材直徑/mm酸溶液堿溶液平均強(qiáng)度/MPa保留率/%平均強(qiáng)度/MPa保留率/%6119092.1121794.28106094.7108196.610102796.3104597.9

3 BFRP筋抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

參考普通材料的試驗(yàn)方法，使用三點(diǎn)剪切試驗(yàn)法，通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)(見(jiàn)圖4,圖5)。將試件穿過(guò)鋼套管，并將整個(gè)支架放在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行抗剪試驗(yàn)。當(dāng)試驗(yàn)試件受力開(kāi)始出現(xiàn)下降的時(shí)候，表明達(dá)到最大剪切應(yīng)力，試驗(yàn)結(jié)束，筋材剪斷面較為平整，剪切均勻。

圖4 BFRP筋材抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)Figure 4 The shear strength test of BFRP bar

圖5 BFRP筋材剪斷截面Figure 5 The shearing section of BFRP bar

本次試驗(yàn)選用3中不同直徑的筋材，分別為Φ10、Φ12、Φ14 mm。試樣剪斷前，所承受的最大負(fù)荷下的受剪截面具有的平均剪應(yīng)力就是抗剪強(qiáng)度。

(1)

式中： P為剪切時(shí)的最大負(fù)荷；S為受剪部位的原橫截面積。BFRP筋材抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表3,圖6。

表3 BFRP筋材抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table3 TheresultsofshearstrengthtestofBFRPbars型號(hào)/mm破壞荷載/N抗剪強(qiáng)度/MPa實(shí)測(cè)值平均值51502167.41462712203.818758404189.842722189.01243952194.418945022199.139608175.224330155.01020226128.815928858183.826310167.6

圖6 Φ 12 mm BFRP筋材的剪切應(yīng)力 — 位移曲線Figure 6 The Shear stress-displacement curve of BFRP bars with Φ 12 mm

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，因?yàn)樾鋷r纖維筋材為纖維束通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠水粘接而成的，所以玄武巖纖維筋材不能像鋼筋等均質(zhì)材料那樣來(lái)使用一個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)概括。從數(shù)據(jù)分析可以得出不同直徑的玄武巖纖維筋材的抗剪強(qiáng)度不同，而直徑越大，抗剪強(qiáng)度越大。普通鋼筋的抗剪強(qiáng)度在190 MPa左右，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)分析，玄武巖纖維筋材與鋼筋的抗剪強(qiáng)度相差不大。

4 結(jié)論

① BFRP筋材的抗拉強(qiáng)度約891～1292 MPa，彈性模量約50.1～62.4 GPa，抗拉強(qiáng)度是普通鋼筋的2倍以上，彈性模量是普通鋼筋的1/4左右。

② BFRP筋材在破壞前基本上為線彈性變形，在破壞發(fā)生前，沒(méi)有塑形屈服臺(tái)階。斷裂具有突發(fā)性，屬于脆性破壞。延伸率在2.0%～2.5%。

③ BFRP筋材耐候性能良好，在飽和酸堿溶液的長(zhǎng)期浸泡抗堿性能比抗酸性能要好。試驗(yàn)玄武巖纖維復(fù)合筋實(shí)測(cè)1個(gè)月耐堿強(qiáng)度保留率大于94%，耐酸強(qiáng)度保留率大于92%。

④ BFRP筋材的抗剪強(qiáng)度約為159～189 MPa，略小于普通鋼筋的抗剪強(qiáng)度。

⑤ BFRP筋材抗拉強(qiáng)度高、耐酸堿，抗剪強(qiáng)度高，是在巖土工程中推廣應(yīng)用，特別適合于易受腐蝕環(huán)境影響的受拉構(gòu)件，如抗浮錨桿、海工工程等。

[1] 魏斌. 玄武巖纖維的化學(xué)穩(wěn)定性能及其涂層改性研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

[2] 吳剛,朱瑩,董志強(qiáng),等.堿性環(huán)境中BFRP筋耐腐蝕性能試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2014, 47(08):32-41.

[3] 霍寶榮,張向東. BFRP筋的力學(xué)性能試驗(yàn)[J]. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,27(04):626-630.

[4] 吳剛,羅云標(biāo),吳智深,等.鋼 — 連續(xù)纖維復(fù)合筋(SFCB)單向拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 工程抗震與加固改造,2009,31(01):1-7.

[5] 顧興宇,沈新,陸家穎. 玄武巖纖維筋拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,45(06): 914-919.

[6] 吳敬宇,咸貴軍,李惠. 玄武巖纖維及其復(fù)合筋的耐久性能研究[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料,2011(05):58-61.

[7] 謝瓊. 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合筋/索耐腐蝕性能試驗(yàn)研究[D].南京:東南大學(xué)，2011.

[8] 胡顯奇. 我國(guó)連續(xù)玄武巖纖維的進(jìn)展及發(fā)展建議[J]. 高科技纖維與應(yīng)用,2008,33(06):12-18+38.

[9] 張敏,吳剛,蔣語(yǔ)楣,等.連續(xù)玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 高科技纖維與應(yīng)用, 2007,32(02):15-21.

[10] 何政,于明偉,歐進(jìn)萍. CG-FRP混雜筋的研制及試驗(yàn)研究[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,39(06):845-848.

[11] 劉漢東,于新政,李國(guó)維. GFRP錨桿拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(20):121-125.

Experimental Study on Mechanical Properties of Basalt Fiber Reinforced Plastic Rebar

CAO Xiaofeng1, ZHAO Wen2, XIE Qiang2, YANG Guoliang2

(1.Guangdong Communication Group Co., Ltd, Guangzhou,Guangdong 510000, China; 2. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu,Sichuan 610031, China)

The basalt fiber reinforced plastic (BFRP) is a kind of material with good mechanical properties and excellent corrosion resistance. The problem of durability of concrete can be solved if steel bars are substituted with BFRP. The strength, deformation and failure characteristics are studied by tensile test, shearing test and corrosion resistance test. The feasibility of BFRP as rebar for anchor bolt and the design of anchorage device are discussed and some advices are proposed. The result of tests show that the tensile strength of BFRP is 200% higher than common steel, and elasticity modulus is a quarter of the common steel. The elasticity modulus of BFRP has positive correlation with basalt fiber content. The shear strength of BFRP is lower than common steel, the value is between 160～190 MPa. Compared with common steel, the BFRP has advantage in tensile strength, corrosion resistance and if is used as rebar for anchor bolt the corrosion problem of steel rebar of anchor bolt can be solved.

BFRP; tensile test; shearing test; corrosion resistance test; mechanical test

2016 — 05 — 05

廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(科技-2013-02-012)

曹曉峰(1965 — )，男，浙江蘭溪人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事公路工程建設(shè)和管理研究。通訊作者: 趙 文，wenzhao@swjtu.cn

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)05 — 0215 — 03