玄武巖纖維復(fù)合筋與混凝土的粘結(jié)性能試驗

陳思可,謝 亮,張君祿,黃錦林 ,鄭 翔

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2.廣東省水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣州 510635；3.浙江新納復(fù)合材料有限公司，浙江 東陽 322118)

1 概述

玄武巖纖維復(fù)合筋(Basalt Fiber Reinforced Plastics 簡稱 BFRP)是以玄武巖纖維為增強材料，以合成樹脂為基體材料，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復(fù)合材料[1-3]。從1840年英國開發(fā)出以玄武巖為主要材料所生產(chǎn)的巖棉試制成功，玄武巖制品的開發(fā)歷史至今已有180多年。玄武巖纖維于1953年由前蘇聯(lián)莫斯科玻璃和塑料研究院開發(fā)出并批量生產(chǎn)至今也已經(jīng)過近70 a，產(chǎn)品全部用于前蘇聯(lián)國防軍工和航天﹑航空領(lǐng)域[4-5]。

高性能纖維在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用一直受到人們的關(guān)注，常用于混凝土增強的高性能纖維材料有玻璃纖維、碳纖維和芳綸。玻璃纖維不耐堿、老化快、與混凝土的適配性差，所以自20世紀(jì)60年代以來，在土木建筑中較少使用玻璃纖維增強混凝土。碳纖維和芳綸的生產(chǎn)過程嚴(yán)重污染環(huán)境，加之產(chǎn)品價格一直居高不下，使其在土木工程領(lǐng)域中的應(yīng)用受到極大的制約[6-7]。

BFRP具有高強、輕質(zhì)、耐堿、耐酸和耐自然元素的腐蝕等優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)[8-9]，則具有廣泛的工程運用前景。同時，玄武巖纖維復(fù)合筋的熱膨脹系數(shù)與混凝土相近，確保了混凝土與筋材的同步變形；加之由于該材料在縱向可連續(xù)生產(chǎn)，用于連續(xù)配筋水泥混凝土可根據(jù)設(shè)計長度進行配置，減少了鋼筋配筋縱向焊接工序，大大提高了工程建設(shè)進度，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。但BFRP在土木工程行業(yè)的運用尚屬新型產(chǎn)品，其自身的物理、化學(xué)性能、力學(xué)性能以及與混凝土的組合受力性能還需進一步研究[10-13]。

BFRP與混凝土的粘結(jié)性能可以反映增強筋和混凝土之間的相互作用效果，是影響B(tài)FRP推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一[14-20]。目前國內(nèi)外學(xué)者對BFRP筋與混凝土的粘結(jié)性能進行了研究，主要集中在粘結(jié)性能影響因素[14-16]，粘結(jié)滑移曲線過程分析[17-19]以及粘結(jié)滑移模型建立[19]等方面，這些成果為BFRP筋在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

BFRP作為一種新型的建筑材料，其工作性能并未完全探清，加之目前在工程應(yīng)用中，BFRP的各項設(shè)計參數(shù)及計算理論還并不十分明確[20]。為明確BFRP的各項設(shè)計參數(shù)與性能指標(biāo)，本文針對性的開展變化環(huán)境溫度下BFRP與混凝土粘結(jié)性能試驗，考慮不同環(huán)境溫度、基體混凝土強度等級對BFRP與混凝土粘結(jié)性能的影響，以鋼筋試樣作為對比，為BFRP在實際工程運用中所需的設(shè)計參數(shù)及計算理論提供試驗數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)。

2 試驗材料及方法

2.1 材料

試驗選用BFCB-10-A-ER玄武巖復(fù)合筋和HRB400E鋼筋進行試驗，試驗所用BFRP由浙江新納復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)，鋼筋由廣東韶鋼松山股份有限公司生產(chǎn)。

2.2 試驗依據(jù)及方法

2.2.1筋材物理力學(xué)性能試驗

參考《公路工程玄武巖纖維及其制品第4部分：玄武巖纖維復(fù)合筋》(JT/T 776.4—2010)對BFRP進行物理力學(xué)性能試驗，參考《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》(GB/T 1499.2—2018)對鋼筋進行物理力學(xué)性能試驗。

2.2.2筋材與混凝土的粘結(jié)性能方法

參考《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)中對于鋼筋與混凝土粘結(jié)強度對比試驗方法，對BFRP與混凝土粘結(jié)強度進行試驗。根據(jù)圖1中的尺寸要求，制作立方體拔出試件，混凝土中無粘結(jié)部分的試件應(yīng)套上硬質(zhì)的光滑塑料套管，末端與鋼筋之間空隙應(yīng)封閉。將制作試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至28 d齡期后，逐一按圖2所示的加載裝置對各試件進行加載，直至試件破壞。在試驗過程中，對試件破壞力、試件破壞位置等信息進行記錄。

圖1 BFRP與混凝土拔出試件尺寸要求示意(單位：mm)

圖2 BFRP與混凝土拔出試驗裝置示意(單位：mm)

具體試驗步驟如下：

1)根據(jù)試驗要求選定粒徑組成為5～10 mm的粗集料，并進行C40、C60水泥混凝土配合比設(shè)計，混凝土配合比見表1。

表1 試驗用混凝土強度等級及配合比 kg/m3

2)將待試驗的BFRP與熱軋帶肋鋼筋與混凝土間無粘結(jié)部分套上套管，并配置相應(yīng)標(biāo)號的混凝土灌入模具中并振實。

3)將制作好的試件養(yǎng)護至初凝后拆模，并置入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d齡期，并將養(yǎng)護至 28 d 齡期的安裝BFRP的粘結(jié)性能試驗試件的受拉端進行加固，其加固方式同拉伸試驗。

4)將養(yǎng)護完成的試件分別置于不同溫度的恒溫箱中保溫8 h，試件逐一從恒溫箱中取出，從試件取出至開始加載的時間不大于30 s。試件安裝至試驗機上，以 3 kN/min 的速率對試件進行加載，直至出現(xiàn)：① 復(fù)合筋或鋼筋自由端相對混凝土立方體發(fā)生明顯相對滑動；② 混凝土立方體劈裂破壞；③ 上述情況發(fā)生后即停止試驗，并記錄破壞荷載與破壞形態(tài)。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 BFRP及鋼筋物理力學(xué)性能

試驗選用直徑為10 mm的有螺紋的環(huán)氧樹脂玄武巖纖維復(fù)合筋，考慮尺寸和外觀形狀的影響，選用直徑為10 mm的帶肋的抗震鋼筋作為參比。試驗中BFRP的密度較小，僅為2.0 g/cm3，僅為鋼筋密度的25%；試驗中BFRP的抗拉強度為1 265 MPa，為同直徑鋼筋抗拉強度的2倍。BFRP具有輕質(zhì)、高強的特點，拉伸性能優(yōu)異，但其斷裂伸長率僅為2.64%，遠低于同直徑鋼筋的13.5%，表現(xiàn)出脆性斷裂，物理力學(xué)性能對比見表2～表3。

表2 BFCB-10-A-ER玄武巖復(fù)合筋物理力學(xué)性能

表3 HRB400E鋼筋物理力學(xué)性能

3.2 BFRP、鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度

BFRP和鋼筋的外觀形狀有一定差異，表面狀態(tài)也不同，因此與混凝土的粘結(jié)強度也存在差異。開展了基體混凝土強度等級為C40，試驗溫度為20℃下BFRP、鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度，每組6個試樣，試驗結(jié)果見表4所示。試樣破壞形式均為從試樣中拔出，BFRP與C40混凝土的粘結(jié)強度平均值為18.9 MPa，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.3 MPa；鋼筋與C40混凝土的粘結(jié)強度平均值為17.0 MPa，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.7 MPa。螺紋BFRP與混凝土的粘結(jié)性能優(yōu)于同直徑的帶肋鋼筋，但BFRP筋與混凝土的粘結(jié)強度標(biāo)準(zhǔn)偏差偏大，這主要是因為BFRP筋的拉伸變形較小，拔出拉伸峰值的變化較大。

表4 BFRP、鋼筋與C40混凝土的粘結(jié)強度 MPa

3.3 混凝土強度等級對BFRP、鋼筋與混凝土粘結(jié)強度的影響

基體混凝土的強度等級也會影響B(tài)FRP、鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度。試驗同樣開展了基體混凝土強度等級為C60，試驗溫度為20℃的情況下BFRP、鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度，試驗結(jié)果見表5所示。

表5 BFRP、鋼筋與C60混凝土的粘結(jié)強度 MPa

試樣破壞形式均為從試樣中拔出，BFRP與C60混凝土的粘結(jié)強度平均值為29.3 MPa，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.5 MPa；鋼筋與C60混凝土的粘結(jié)強度平均值為26.5 MPa，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.7 MPa。在基體為C60混凝土的情況下，螺紋BFRP與混凝土的粘結(jié)性能同樣優(yōu)于同直徑的帶肋鋼筋，同時粘結(jié)強度標(biāo)準(zhǔn)偏差也較大。相比于C40強度等級的基體混凝土，C60混凝土作為基體時，BFRP、鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度均得到顯著提升。提高基體混凝土強度，有利于提高筋材與混凝土的粘結(jié)強度。

3.4 溫度對BFRP、鋼筋與混凝土粘結(jié)強度的影響

試驗溫度也會影響B(tài)FRP、鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度，進一步開展溫度為40℃、60℃的情況下BFRP、鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度試驗，結(jié)果見表6所示。

表6 試驗溫度為40℃和60℃下BFRP、鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度 MPa

所有試樣破壞形式均為從試樣中拔出，試驗溫度為40℃時，BFRP與C60混凝土的粘結(jié)強度平均值為30.8 MPa，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.6 MPa；鋼筋與C60混凝土的粘結(jié)強度平均值為25.6 MPa，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.0 MPa。試驗溫度為60℃時，BFRP與C60混凝土的粘結(jié)強度平均值為26.5 MPa，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.2 MPa；鋼筋與C60混凝土的粘結(jié)強度平均值為20.3 MPa，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.9 MPa。通過與表5中試驗溫度為20℃時，BFRP、鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度對比可知，隨著試驗溫度的提升，BFRP與混凝土的粘結(jié)強度先升高后降低，鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度顯著降低。因此在實際工程中環(huán)境溫度對鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度的不利影響明顯大于BFRP與混凝土的粘結(jié)強度。

4 結(jié)語

本文探討了不同試驗溫度、混凝土強度等級對BFRP、鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度的影響，為BFRP在實際工程運用中所需的設(shè)計參數(shù)及計算理論提供試驗數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)。

1)本試驗所使用的BFRP表面均未見突出的纖維毛刺與裂紋，纖維與樹脂間界面未見明顯破壞。BFRP外觀尺寸、密度、線膨脹系數(shù)、耐候性指標(biāo)、拉伸性能、滿足《公路工程玄武巖纖維及其制品第4部分：玄武巖纖維復(fù)合筋》(JT/T 776.4—2010)技術(shù)要求。

2)BFRP的密度較小，僅為2.0 g/cm3，僅為鋼筋密度的25%；BFRP的抗拉強度為1 265 MPa，為同直徑鋼筋的2倍。BFRP具有輕質(zhì)、高強的特點，拉伸性能優(yōu)異。但是BFRP的斷裂伸長率僅為2.64%，遠低于同直徑鋼筋的13.5%，表現(xiàn)出脆性斷裂。

3)螺紋BFRP與混凝土的粘結(jié)性能優(yōu)于同直徑的帶肋鋼筋，但BFRP筋與混凝土的粘結(jié)強度標(biāo)準(zhǔn)偏差偏大。

4)相比于C40強度等級的基體混凝土，C60混凝土作為基體時，BFRP、鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度均得到顯著提升。提高基體混凝土強度，有利于提高筋材與混凝土的粘結(jié)強度。

5)隨著試驗溫度的提升，BFRP與混凝土的粘結(jié)強度先升高后降低，鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度顯著降低。因此在實際工程中環(huán)境溫度對鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度的不利影響明顯大于BFRP與混凝土的粘結(jié)強度。