玄武岩纤维绳拉伸试验研究

韩 雷，罗兆辉

（天津城建大学土木工程学院，天津300384）

针对钢筋混凝土结构钢筋锈蚀等问题，一些研究人员提出了现代无金属结构[1]，即利用碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等新材料制作筋材代替钢筋材料应用于混凝土结构，使混凝土受压、纤维材料筋受拉实现结构承载. 纤维材料相比钢筋具有耐腐蚀、耐高温、强度高而自重轻、无磁性[1]等许多优点，这就解决了钢筋易腐蚀、自重大等许多问题.

目前的研究应用比较成熟的纤维材料为碳纤维.如华中科技大学对碳纤维丝[2]、短束、绳材的力学性能都有比较完善的理论和试验成果. 碳纤维材料性能良好、应用广泛，但是造价成本高. 相比之下，同为无金属材料的玄武岩纤维造价仅为碳纤维的10%，更适合在普通工程中应用.

玄武岩纤维材料有玄武岩纤维筋 （以下称 “玄筋”）和玄武岩纤维绳（以下称“玄绳”）. 玄筋相比玄绳材料固化后更加方便应用， 但是也存在一些问题，如加入树脂固化就不可防火；弯折损伤又会造成强度折减， 不利于布置为体内曲线预应力筋. 而玄绳材料没有经过树脂固化工序，具有强度高、抗折能力强等特点，可用于大跨度钢结构中做为受拉索，或做为混凝土结构施加预应力的受拉筋，有较高的研究价值. 目前， 国内外对玄绳材料在建筑工程中应用的研究尚为空白. 本文首先研究了玄绳抗拉试件的制作方法，经过多次改进，最终采用两端套筒固化的方案，成功解决了玄绳在试验机夹具边缘的剪切破坏和应力集中问题；然后对玄绳材料抗拉强度进行了试验研究，取得了玄绳抗拉强度试验的第一手资料.

1 玄绳受拉试件的制作方法对比

本试验采用黑龙江某厂生产的玄武岩纤维，直径约1 cm，单丝截面积4 mm × 0.1 mm，一束由6 丝组成，16 束编制成绳，纤维丝总截面积38.4 mm2.实验在型号DDL100 型拉伸试验机（见图1）上进行.将试件固定在试验机夹具中，以50 N/min 的力启动试验机，进行玄绳受拉试验（见图2），直至试件破坏，观察并记录结果.

图1 DDL100 型试验机

图2 玄绳受拉试验

1.1 玄绳受拉试件制作方法比选

本试验中最大的难点和关键点在于解决玄绳在试验机夹具上的固定问题.DDL100 型拉伸试验机为钢材的专用拉伸试验机，本身带有平切口和V 型切口夹具，但是不论哪种切口都不可避免的对玄绳受夹边缘造成剪切破坏，使玄绳在远未达到抗拉强度的情况下发生剪切破坏（见图3）.为此，本试验采用了受夹边缘包橡皮垫，包布，夹具夹持吊环且玄绳固定在吊环上（见图4），夹具夹持吊环且玄绳与吊环间914 胶加固（见图5）的方案.其中包橡皮垫存在打滑、包布存在夹断的情况，效果不理想；后两种通过拉环机制，确实解决了夹具对玄绳的剪切破坏，但是玄绳打结固定存在应力集中问题，且方案后两种制作复杂，玄绳用量大，无法达到预期的试验效果.

图3 夹口玄绳剪切破坏

图4 吊环打结方案

图5 914 胶固定吊环方案

通过多次改进，并参考文献[3]，最终采用玄绳两端穿过铁套筒，套筒内浇注环氧树脂，夹具夹持套筒的方案（以下简称“两端固化法[3]”，试件见图6）并取得了成功.该试件总长约40 mm，最边段5 mm 为套筒固化段，也是夹具夹持段；中间20 mm 为玄绳期望的受拉破坏段（简称自由段）；固化段和自由段之间有5 mm的树脂固化缓冲段，可以有效地缓冲固化段和自由段截面突变造成的应力集中问题.试件受拉时，试验机夹具夹持套筒，避免了对玄绳的剪切破环；玄绳通过套筒和固化后的树脂结合在一起，在整个受拉试验过程中，始终处于纵向受拉状态；固化段与自由段之间设计的过渡段，有效地解决了套筒和玄绳截面突变带来的应力集中问题.

图6 两端固化法玄绳试件

1.2 两端固化法玄绳试件制作

试件制作步骤如下.

（1）取约40 mm 玄绳材料，将试件两端固定，一端施加50 N 预应力，使玄绳处于预应力状态.将玄绳分为自由段20 mm，缓冲段左右各5 mm，固化段左右各5 mm，固化段穿套筒固定，并用标记笔做好标记.

（2）将环氧树脂A、B 部分按1∶1 比例同树脂用量10%的稀释剂调和，调和成糊状后，用挤筒灌入缓冲段和固化段.

（3）24 h 后，树脂充分固化，取下试件并剪去两端固定时的多余部分，得到图6 试件.

本批试验共制作试件4 个，长度分别为357、350，360，356 mm.

2018年10月26日到11月4日，由云南大学主办，云南大学文化发展研究院、云南大学边疆少数民族研究中心暨云南大学民族学与社会学学院、云南大学国际合作与交流处共同承办的“中国—非洲非物质文化遗产保护传承研修班”在昆明举行。此次会议以“传承创新与经验共享”为主题，聚焦中非双边非物质文化遗产保护与传承的路径、机制、实践与相关问题，促进中非双方共同关注和参与人类优秀文化遗产的保护与传承。

2 试验步骤

（1）试验前先将试件进行编号，方便数据统计和整理.将制作好的玄绳试件放置于环境大气条件下，在平面上摊开一段时间后，待内应力消除后进行绳索力学性能测试.

（2）开启试验机，将试件固定在试验机夹具上，调整好试件位置后首先对试件施加20 N 的预加应力.

（3）以50 mm/min 的速度对绳索进行拉伸，直至断裂，记录绳索的强力-伸长曲线.

根据国家标准《纤维绳索有关物理和机械性能的测定》[4]，楔形夹具试验机绳索拉伸实验的有效破坏范围如图7 所示，其他范围的破坏为无效试验.

图7 楔形夹具试验机绳索有效破坏范围

3 结果及分析

3.1 玄绳抗拉强度计算

玄绳试验破坏形式如图8 所示.由图8 可见，本试验中试件1、2、4 皆在玄绳自由段受拉破坏（以下称破坏形式为A），只有试件3 破坏发生在过渡段边缘处（以下称破坏形式为B）.根据上述《纤维绳索有关物理和机械性能的测定》中有关楔形夹具有效破坏范围的规定，破坏形式A、B 皆符合要求.

图8 两端固化法玄绳试验破坏形式

玄绳材料空隙较大，不像筋材整个横截面共同受力，按直径Ø10 的截面积计算换算强度，计算结果数值极低，因为玄绳材料横截面空隙很大，实际的受力截面根本达不到直径Ø10 的圆截面.通过研究纤维丝单丝截面积，采用纤维丝总面积法计算换算强度结果较好，并且更加接近玄绳的实际受力状况.

同理可得其他试件的换算强度值.本试验中玄绳受拉试验数据整理见表1.

表1 玄绳受拉试验数据

计算得玄武岩纤维绳抗拉强度均值376.90 MPa，介于HRP335 和HRB400 级钢筋之间，有较好的工程应用价值.

3.2 玄绳应力应变曲线

将各试件试验数据绘制成应力应变曲线，如图9所示.由图9 可见，玄绳材料从开始受力直到断裂，应力应变呈线性关系，在大约15 kN 时达到极限承载力，试件破坏.玄绳拉断时最大应力即为其强度极限，因为没有屈服现象，强度极限是衡量强度的唯一指标.

图9 玄绳应力应变曲线

比较钢筋材料应力应变曲线（见图10），钢筋的应力到达屈服点后，会产生很大的塑性变形，使钢筋混凝土构件出现很大的变形和裂缝，有明显的破坏预兆.这足以警示人们采取措施规避灾害.而玄绳材料没有屈服阶段，试件破坏前，材料不存在很大的塑性变形，没有明显的破坏预兆，属于脆性破坏类型，这在工程应用中是不利的.

图10 钢材应力应变曲线[6]

玄绳材料的脆性破坏和结构设计的延性要求是相冲突的，这将限制玄绳材料的应用.但由于玄绳材料抗拉强度较高且造价低廉，是可以在很多对结构延性要求较低的工程中应用的.在实际工程中，可以对玄绳采取一些附加的协助受力措施，或者给玄绳一个较大的安全系数，使玄绳受拉应力远远小于极限强度，来防止脆性破坏发生.

另一种解决该问题的办法就是将玄武岩纤维同其它材料混合做成复合绳材[5]，如钢-玄武岩纤维材料.但是加入其它材料的复合产品也可能会带来一些问题，如加入了钢材就不可避免的会产生锈蚀问题.

3.3 玄绳弹性模量计算

玄绳弹性模量的计算以试件2 为例:取图9 中试件2 上两点A、B（两点对应的力与位移见表2），带入公式（2），即

可得试件2 弹性模量E 为9.128 GPa.式中:E 为弹性模量，ΔF 为A、B 两点间拉力变化量，S 为玄绳截面积，ΔL 为A、B 两点间的位移变化量，L 为试件长度.同理可得其他试件弹性模量.玄绳试件弹性模量整理见表2.

表2 玄绳弹性模量

将玄绳弹性模量同HRB400 级钢筋（E=200 GPa[6]）比较，玄绳的弹性模量远小于HRB400 级钢筋.因此，在工程应用中，特别是大跨度抗拉结构应用中，需要对玄绳材料施加预应力，使玄绳材料处于充分受拉状态，才能充分发挥玄绳材料高抗拉强度的材料特性.

4 结 论

（1）采用两端固化法制作的玄绳试件进行抗拉试验，测得了玄绳试件抗拉强度均值为376.90 MPa，弹性模量均值为9.002 GPa，初步掌握了玄绳抗拉强度的第一手试验资料，为玄绳材料的实际应用提供了依据. 但该试验均采用黑龙江某厂生产的玄绳材料，需要在后续试验中选择其他厂商的材料进行试验对比，以确定本试验中玄绳材料抗拉强度是否具有普遍性.

（2）要正确认识玄武岩纤维材料[7].有资料称玄武岩纤维单丝抗拉强度在3 800～4 800 MPa 之间[8]，而本实验中玄武岩纤维绳实测抗拉强度只有376.90 MPa，和理论上相差极大. 从纤维丝到纤维绳的生产过程中，生产工艺、各种助溶剂的添加，以及试验中试件的制作精度都会影响到实测抗拉强度.但是，在玄绳材料的实际应用中，应以实测的数据为准，不可单纯依赖理论，夸大材料特性.

（3）从玄绳应力应变关系图可以看出，玄绳材料不存在钢筋应力应变关系中的屈服阶段，在达到极限强度后发生破坏，即脆性破坏，这在实际的工程应用中是不利的.工程应用中可采取一些预防保护措施，防止脆断发生.