玄武岩筋抗拉性能试验研究

刘 潇 刘顺丰

(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010)

0 引言

玄武岩纤维复合筋(BFRP筋)是一种新型复合材料，具有比强度高、耐腐蚀性能好、可设计性强、抗疲劳性能好、耐电磁等独特优点［1-4］。可以明显延长腐蚀环境中的水泥混凝土结构寿命，与传统钢筋混凝土结构相比具有优异的力学、物理及化学性能。由于其优越性，BFRP筋越来越广泛的应用在混凝土桥梁结构、道路、码头等混凝土结构领域中。但是目前对于BFRP筋的基本力学性能和破坏模式研究较少。本文进行了φ8 mm的BFRP筋的拉伸试验，观察了BFRP筋的破坏模式和试验过程中的现象，测定了其极限抗拉强度、弹性模量和伸长率等力学指标，根据试验结果绘制了BFRP筋的应力—应变曲线。

1 试验设计

1.1 BFRP筋试件的设计和制作

本试验所用玄武岩纤维筋由四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司提供，为了保证玄武岩纤维筋与混凝土有可靠的粘结性能，在筋材表面进行了缠绕喷砂处理。

根据ACI440.3R-04对GFRP和CFRP筋拉伸测试的标准，采用无缝钢管为套筒，通过试验测定直径8 mm BFRP筋的抗拉强度、弹性模量和伸长率，并画出BFRP筋的应力—应变曲线。

试验设计了φ8 mm五根试件。作为套筒的无缝钢管必须具有足够的长度和壁厚，一定的长度以保证钢管壁与FRP筋之间粘结应力，一定的壁厚以满足仪器在试件端部产生的压应力。本试验中所用钢管的壁厚为3 mm，长度150 mm，钢管直径为FRP筋直径+4 mm。具体的分组情况和试件长度见表1。

表1 试件分组表

试验中粘结介质采用环氧树脂AB胶，AB组分按1∶1配制。试件制作时按下列步骤进行:

1)钢管处理:对钢管内壁进行除锈处理，将长度为150 mm的无缝钢管的一端使用橡胶垫密封，保证在灌胶过程中，胶体不会从该端流出。

2)灌胶:将配制好的胶体灌入钢管，灌入的胶体须保证密实，不能夹杂过多的气泡。

3)插筋:将BFRP筋缓慢旋入钢管内，及时擦去管壁的胶体。

4)固化:将一端灌胶完毕的BFRP筋垂直放置5 h～7 h，使环氧树脂初步固化，达到一定粘结强度后，再按相同方法灌注另一端。两端均完成后，需将其置于温度高于20℃的环境下7 d～10 d，可达到拉伸测试的要求。

1.2 试验仪器及步骤

拉伸试验机采用微机控制电液伺服万能试验机，最大量程为300 kN，应变片选用BX120-5AA，灵敏系数(2.08±1)%，应变测试系统采用DH3820静态应变仪，配套游标卡尺和引伸计。

具体试验步骤为:

1)粘贴应变片、调试仪器等试验前准备工作。2)将拉伸试件装在压力试验机上，连接应变测试系统和引伸仪。3)采用分级加载，设定每级荷载为5 kN，加载到每级荷载值停顿10 s，记录每级荷载下的应变值，并观察过程的试验现象。4)加载至试件破坏，记录最大荷载值及试件的破坏模式。5)测定试件的拉伸强度、弹性模量并绘制应力—应变曲线。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象与破坏模式

φ8 mm BFRP筋拉伸试件在试验过程中发生的破坏模式主要有两种:FRP筋拉散破坏(4根试件)和端头钢套筒滑移破坏(1根试件)。试验过程具体现象:

1)FRP拉散破坏:荷载加载到5 kN～8 kN左右时，试件开始传出细微的响声，加载至45 kN～50 kN左右时，试件传出剧烈的“噼啪”声，BFRP筋表面已经能看到纤维束拉断脱落，直到极限荷载时纤维束在中间段拉毛分散至断裂破坏，见图1。

图1 FRP拉散破坏

2)端头套筒滑移:荷载加载到8 kN左右时，试件开始传出细微的响声，加载至41 kN左右时，端头开始出现滑移，最后由于滑移过大而中断加载，见图2。套筒滑移并非FRP筋材自身破坏，此破坏时的极限承载力不能参与筋材的力学性能指标计算。由于纤维与树脂变形不同以及筋材中纤维束张拉松紧状态不完全相同，受力后不断有纤维丝断裂发出的响声，加之变形不同还会引起FRP筋表面喷砂剥落，混杂在一起形成试验过程中不间断的“噼啪”声。

2.2 力学性能

通过试验测定数据按照下列方法计算BFRP筋的抗拉强度、弹性模量和伸长率。

抗拉强度按式(1)计算:

其中，fu为抗拉强度，MPa;Fu为试验测得BFRP筋的最大拉力，N;A为BFRP筋的横截面面积，mm2。

弹性模量按式(2)计算:

其中，E为弹性模量，MPa;ΔF为0.4Fu，N;Δε为对应60%Fu和20%Fu的应变差值，无量纲。

伸长率按式(3)计算:

其中，δ为伸长率，%。

根据拉伸试验所测数据，按照式(1)～式(3)计算抗拉强度、弹性模量和伸长率等指标，将BFRP筋的试验结果汇总于表2。

表2 BFRP筋的力学性能指标

由表2可知，BFRP筋抗拉强度约为HPB300级钢筋(屈服强度fy=270 MPa)的4倍，弹性模量约为HPB300级钢筋(弹性模量E=200 GPa)的1/4，BFRP筋的伸长率约为1.8%。BFRP筋弹性模量小，拉伸时变形较大，这也是FRP筋作为结构构件受力筋时，构件产生较大挠度和裂缝宽度的原因。

根据拉伸试验试件受力全过程实测结果，取试验结果的平均值，绘出BFRP筋试件典型应力—应变关系曲线，如图3所示。

图2 钢套筒滑移

图3 φ8 mm BFRP筋应力—应变曲线

由图3可见，BFRP筋从开始受荷到完全破坏的受力过程中，应力—应变关系近似为一条斜直线，破坏时没有预兆，BFRP筋突然断裂，无类似钢筋的屈服平台，破坏形式为脆性破坏。

3 结语

采用电液私服万能仪对玄武岩纤维筋进行拉伸试验。BFRP筋在试验过程中主要发生的是拉散破坏，少许试件发生了端头钢套筒滑移破坏和BFRP端头区域拉断。端头钢套筒滑移并非筋材自身破坏。BFRP筋端头区域拉断破坏部位不在试件中间段，只有BFRP筋拉散破坏是较为理想的破坏模式。在试验过程中，当力加载破坏荷载10%左右时，BFRP筋试件会开始发出细小响声，加载至破坏荷载90%左右时，试件传出剧烈的“噼啪”声，BFRP筋表面已经能看到纤维束拉断脱落，有些细小纤维丝甚至飞溅出来，飘在空中或散落地面，直到极限荷载时纤维束在中间段拉毛分散至断裂破坏。“噼啪”声是纤维丝断裂、树脂和喷砂剥落的声音。BFRP筋应力—应变曲线呈直线，破坏时没有预兆，没有屈服平台，是一种典型的脆性材料。

［1］梁莉莉.FRP筋混凝土梁的试验研究与数值模拟［D］.西安:西安建筑科技大学硕士论文，2011.

［2］薛伟辰，康清梁.纤维塑料筋FRP在混凝土结构中的应用［J］.工业建筑，1999，29(2):19-21.

［3］薛伟辰.混凝土结构中新型配筋FRP的试验研究［R］.南京:河海大学博士后研究工作报告，1997.

［4］朱 虹，钱 洋.工程结构中FRP筋的力学性能［J］.建筑科学与工程学报，2006，23(3):26-31.