BFRP筋材基本力学性能试验研究

曹晓峰， 赵 文， 谢 强， 杨国梁

(1.广东省交通集团有限公司， 广东 广州 510000; 2.西南交通大学 地球科学与环境工程学院， 四川 成都 610031)



BFRP筋材基本力学性能试验研究

曹晓峰1， 赵 文2， 谢 强2， 杨国梁2

(1.广东省交通集团有限公司， 广东 广州 510000; 2.西南交通大学 地球科学与环境工程学院， 四川 成都 610031)

玄武岩纤维筋材(BFRP)具有耐腐蚀、强度高、质量轻、介电性能好等优点，是一种绿色环保的钢筋替代材料。通过抗拉伸试验、抗剪试验、耐腐蚀试验，研究了玄武岩纤维强度、变形和破坏等力学性能。对BFRP筋材作为锚杆应用的可行性以及锚具的制作做出了探讨和建议。试验结果表明：BFRP筋材的抗拉强度是普通钢筋的2倍以上，弹性模量约为钢筋的1/4。BFRP筋的弹性模量主要与玄武岩纤维的含量有关，玄武岩纤维含量越高，BFRP筋的抗拉弹性模量越大。BFRP筋材的抗剪强度仅略小于钢筋的抗剪强度，在160～190 MPa之间。与钢筋相比，BFRP筋在抗拉强度、耐腐蚀等方面具有明显的优势，非常适合用作锚杆拉筋，可有效解决传统钢材锚杆容易锈蚀的问题。

玄武岩纤维筋材； 拉伸试验； 剪切试验； 耐腐蚀试验； 力学性能

0 前言

玄武岩连续纤维是玄武岩石料经过1450～1500 ℃熔融后，再通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。玄武岩长丝生产过程不需要添加任何助剂便可成型，无污染，无有毒废料，使用过的产品可以回炉再生，是一种完全绿色的无机纤维材料[1]。玄武岩纤维增强聚合物(Basalt Fiber Reinforced Polymer，简称BFRP)筋是以玄武岩纤维为增强材料，以合成树脂为基本材料，并掺入适量辅助剂，经拉挤工艺和特殊的表面处理形成的一种新型非金属复合纤维增强材料。与钢筋相比，BFRP筋具有耐腐蚀、强度高、质量轻、抗疲劳、绝缘等优点，在土木工程中的应用前景十分广泛，可以作为解决钢筋锈蚀问题的一种有效方法[2-7]。

BFRP筋材在岩土工程中的应用研究并不多见[8-11]，为了探究玄武岩纤维锚杆应用的适宜性，有必要对其力学特征和工程中需要注意的问题进行综合分析。其基本力学性能参数是BFRP筋材锚杆的工程应用设计的重要参数。本文通过抗拉伸试验、耐腐蚀试验、抗剪试验，研究BFRP筋材的基本力学性质和耐腐蚀性能，为BFRP筋材在岩土工程中的推广应用提供参考。

1 BFRP筋材拉伸试验

拉伸试验主要是测试BFRP筋材的抗拉强度、弹性模量、延伸率等力学指标。试验用材料为四川航天五源复合材料有限公司生产的BFRP螺旋状筋材，其表面进行了粘砂处理，密度为2.1 g/cm3。

BFRP筋材呈各向异性，横向抗剪强度低，纵向抗拉强度高[3]，进行BFRP筋拉伸试验时，如果直接将BFRP筋材安放在试验机夹具上，荷载施加过程中，端部很容易被压坏而无法测定BFRP筋材的真实抗拉强度。根据国内外对纤维材料拉伸强度试验的经验，在拉伸试验中，将无缝钢管粘结到筋材的两端作为夹具。拉伸试验在数控液压万能试验机进行。拉拔试样需满足万能试验机的行程，试样长度为70 cm，保证中间自由段长度不小于30 cm。试样选用直径为Φ6、Φ8、Φ10、Φ12、Φ14 mm的BFRP筋材，每组4个试样。在试件中部安装高灵敏度的数字引伸计对其拉伸长度进行采集，万能试验机以2 mm/min的加载速率进行加载直至试件破坏，并记录试件破坏时的最大拉应力与破坏形态。

BFRP筋材在拉伸过程中，表面出现胶合剂剥落，随后纤维拉断出现毛刺，纤维间纵向滑移后破坏，即BFRP筋的树脂拉裂，纤维部分拉断。BFRP筋破坏过程中，荷载一直稳定地增大；继续加载，出现纤维与树脂剥离的响声；加载后期，纤维剥离的响声不断增大，BFRP筋材表面出现白斑状裂纹。随荷载进一步增加，响声不断增大，变得频繁，伴随一声巨响纤维忽然断裂，BFRP筋材中部成爆炸状被拉断。BFRP筋的拉伸试验结果见表1所示。

试验结果(见图1～图3)表明，Φ6、Φ8、Φ10、Φ12、Φ14 mm筋材的抗拉强度平均值分别为1292、1119、1067、891、917 MPa，是普通钢筋的抗拉强度的2倍以上。BFRP筋材的弹性模量(取应力-应变曲线上直线段的平均模量)平均值约50.1～62.4 GPa，约为钢筋弹性模量的1/4。BFRP筋材断裂具有突发性，属于脆性破坏，BFRP筋材的延伸率在2.0%～2.5%。

表1 BFRP筋材拉伸试验数据表Table1 DataofBFRPbartensiletest试验编号最大拉力/N最大应力/MPa平均应力/MPa延伸率/%平均延伸率/%弹性模量/GPa弹模均值/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

图1 拉伸试验Figure 1 The tensile test of BFRP bar

图2 试验后的照片Figure 2 The picture after tensile test

图3 BFRP筋材拉伸试验典型应力 — 应变曲线Figure 3 The typical stress-strain curve of BFRP bar tensile test

此外，从BFRP筋材拉伸试验全应力-应变曲线可以看出，BFRP筋材在破坏前基本上为线弹性变形，在破坏发生前，没有塑形屈服台阶。断裂具有突发性，属于脆性破坏。

2 BFRP筋耐腐蚀试验

研究玄武岩纤维长期处于酸、碱性环境中的强度保持率。试验仅比较复合筋的抗拉强度损伤率，不需测量弹性模量等力学性能指标。试样选用直径为Φ6、Φ8、Φ10 mm的BFRP筋材各4根，分别放在酸碱溶液中。酸性溶液为：0.025 mol/L的硫酸；碱性溶液浓度为： 2.5 g/L的Ca(OH)2。每日对溶液进行一次搅拌，并测量pH值，确保pH值大小不变。

对筋材酸碱浸泡1个月的筋材进行强度测试，结果如表2所示。随着腐蚀时间的增加，BFRP筋材的外观也有一定的变化。腐蚀后的BFRP筋材与未腐蚀时相比失去了光泽，筋材外表黏附的石英砂剥离。同时观察两种腐蚀溶液，发现酸性溶液比碱性溶液对BFRP筋材的腐蚀程度要大一点。试验表明，BFRP筋材耐酸碱腐蚀能力高，耐酸强度保留率大于92%，耐碱强度保留率大于94%。

表2 经过酸碱溶液浸泡后的强度试验结果Table2 TheresultsoftensilestrengthtestofBFRPbarsafterimmersioninacid-basesolution筋材直径/mm酸溶液碱溶液平均强度/MPa保留率/%平均强度/MPa保留率/%6119092.1121794.28106094.7108196.610102796.3104597.9

3 BFRP筋抗剪强度试验

参考普通材料的试验方法，使用三点剪切试验法，通过万能试验机来进行试验(见图4,图5)。将试件穿过钢套管，并将整个支架放在万能试验机上，进行抗剪试验。当试验试件受力开始出现下降的时候，表明达到最大剪切应力，试验结束，筋材剪断面较为平整，剪切均匀。

图4 BFRP筋材抗剪强度试验Figure 4 The shear strength test of BFRP bar

图5 BFRP筋材剪断截面Figure 5 The shearing section of BFRP bar

本次试验选用3中不同直径的筋材，分别为Φ10、Φ12、Φ14 mm。试样剪断前，所承受的最大负荷下的受剪截面具有的平均剪应力就是抗剪强度。

(1)

式中： P为剪切时的最大负荷；S为受剪部位的原横截面积。BFRP筋材抗剪强度数据见表3,图6。

表3 BFRP筋材抗剪强度试验结果Table3 TheresultsofshearstrengthtestofBFRPbars型号/mm破坏荷载/N抗剪强度/MPa实测值平均值51502167.41462712203.818758404189.842722189.01243952194.418945022199.139608175.224330155.01020226128.815928858183.826310167.6

图6 Φ 12 mm BFRP筋材的剪切应力 — 位移曲线Figure 6 The Shear stress-displacement curve of BFRP bars with Φ 12 mm

根据以上数据分析，因为玄武岩纤维筋材为纤维束通过环氧树脂胶水粘接而成的，所以玄武岩纤维筋材不能像钢筋等均质材料那样来使用一个强度指标概括。从数据分析可以得出不同直径的玄武岩纤维筋材的抗剪强度不同，而直径越大，抗剪强度越大。普通钢筋的抗剪强度在190 MPa左右，从试验数据来分析，玄武岩纤维筋材与钢筋的抗剪强度相差不大。

4 结论

① BFRP筋材的抗拉强度约891～1292 MPa，弹性模量约50.1～62.4 GPa，抗拉强度是普通钢筋的2倍以上，弹性模量是普通钢筋的1/4左右。

② BFRP筋材在破坏前基本上为线弹性变形，在破坏发生前，没有塑形屈服台阶。断裂具有突发性，属于脆性破坏。延伸率在2.0%～2.5%。

③ BFRP筋材耐候性能良好，在饱和酸碱溶液的长期浸泡抗碱性能比抗酸性能要好。试验玄武岩纤维复合筋实测1个月耐碱强度保留率大于94%，耐酸强度保留率大于92%。

④ BFRP筋材的抗剪强度约为159～189 MPa，略小于普通钢筋的抗剪强度。

⑤ BFRP筋材抗拉强度高、耐酸碱，抗剪强度高，是在岩土工程中推广应用，特别适合于易受腐蚀环境影响的受拉构件，如抗浮锚杆、海工工程等。

[1] 魏斌. 玄武岩纤维的化学稳定性能及其涂层改性研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.

[2] 吴刚,朱莹,董志强,等.碱性环境中BFRP筋耐腐蚀性能试验研究[J]. 土木工程学报, 2014, 47(08):32-41.

[3] 霍宝荣,张向东. BFRP筋的力学性能试验[J]. 沈阳建筑大学学报:自然科学版,2011,27(04):626-630.

[4] 吴刚,罗云标,吴智深,等.钢 — 连续纤维复合筋(SFCB)单向拉伸力学性能试验研究[J]. 工程抗震与加固改造,2009,31(01):1-7.

[5] 顾兴宇,沈新,陆家颖. 玄武岩纤维筋拉伸力学性能试验研究[J]. 西南交通大学学报,2010,45(06): 914-919.

[6] 吴敬宇,咸贵军,李惠. 玄武岩纤维及其复合筋的耐久性能研究[J]. 玻璃钢/复合材料,2011(05):58-61.

[7] 谢琼. 连续纤维增强复合筋/索耐腐蚀性能试验研究[D].南京:东南大学，2011.

[8] 胡显奇. 我国连续玄武岩纤维的进展及发展建议[J]. 高科技纤维与应用,2008,33(06):12-18+38.

[9] 张敏,吴刚,蒋语楣,等.连续玄武岩纤维增强复合材料力学性能试验研究[J]. 高科技纤维与应用, 2007,32(02):15-21.

[10] 何政,于明伟,欧进萍. CG-FRP混杂筋的研制及试验研究[J]. 哈尔滨工业大学学报,2007,39(06):845-848.

[11] 刘汉东,于新政,李国维. GFRP锚杆拉伸力学性能试验研究[J]. 岩石力学与工程学报,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

广东省交通运输厅科技项目(科技-2013-02-012)

曹晓峰(1965 — )，男，浙江兰溪人，硕士，高级工程师，主要从事公路工程建设和管理研究。通讯作者: 赵 文，wenzhao@swjtu.cn

U 414.1

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