玄武岩纤维布厚度的测定方法研究

戴良军，黄镜渟，崔林钊，高鹏，朱大勇

（1.安徽建工集团控股有限公司，安徽 合肥 230031；2.合肥工业大学，安徽 合肥 230009；3.合肥学院，安徽 合肥 230601；4.浙江大学宁波理工学院，浙江 宁波 315100）

0 引言

厚度是玄武岩纤维（BFRP）布的重要指标，直接影响其力学性能。BFRP布是由圆柱形纤维丝排列或者编织而成，微观上BFRP布的表面并非直线，因此其厚度不可简单理解，尤其当用厚度计算单位长度的横截面积时，取值可能模糊。我国涉及BFRP布的规范对厚度有明确定义，但是对厚度测定方法并未做任何说明。因此在实际应用中，选用恰当的方法测定厚度对BFRP布的研究和应用十分重要。

1 BFRP布厚度的两种定义

BFRP布厚度的两种定义分别称为名义厚度和计算厚度，名义厚度也称实际厚度或实测厚度，计算厚度也称理论厚度或理论计算厚度。

名义厚度一般指通过游标卡尺、螺旋测微器等仪器测量获得的BFRP布自然状态下厚度方向的尺寸，由于测量时还存在误差，所以需进行多次测量并取其算术平均值，如图1所示。

图1 试件断面图-名义厚度

计算厚度取BFRP布的单位面积质量除以纤维的密度，其为按等面积折算后纯纤维在没有任何空隙状态下厚度方向的尺寸[1-2]，如图2所示。从图2可看出，折算后的计算厚度小于名义厚度。依据国家规范，BFRP布抗拉强度计算时应采用计算厚度[3]。

图2 试件断面图-计算厚度

现今市场上BFRP布厚度类型不明确，有些厂家提供的是名义厚度值，有些则提供计算厚度值。

2 名义厚度和计算厚度的测定试验

2.1 名义厚度的测定试验

采用游标卡尺测量。选择BFRP布内任意三点测定三次，取其算术平均值。但试验过程中，发现此种测定方法离散性较大。而依据标准《增强材料 机织物试验方法 第1部分：厚度的测定》（GB/T 7689.1—2013），可解决此问题，步骤如下[4]：

（1）对于试样：要求测量应在表面无损伤或无折叠的织物上进行。测试试样应为整卷布或从布卷上取整幅宽≥150 mm的布条。

（2）对于测点：测量点距布卷的始、终端应都≥300 mm，距布边≥50 mm。在整个宽度上等间隔地测试10点，各点间隔≥75 mm。

（3）对于施力大小：试验施力采用装载测量柱，并规定其测柱面积及施加的标准压力，具体数值可参考标准中的规定。

（4）对于测量工具：标准建议的三种仪器分别为静重测微计、电测微计或刻度盘测微计，前两者精度为0.001 mm，后者为0.01 mm。在施力30 s后用测微计测定不受张力的织物厚度。

此标准对试样和测点都做了严格要求，以保证测点数据具有真实性和代表性。对比游标卡尺测定方法，测试点由3个变为10个，准确性也有所增加。施力时间统一规定为30 s，使数据离散性大幅减小。最后对于测量工具，游标卡尺精度只有0.02 mm，而此处三种仪器最差的精度也为0.01 mm，精度明显提高。但由于试验设施的不完备，最后委托青岛科标检测测试中心按此种方法进行测定。

2.2 计算厚度的测定试验

BFRP布计算厚度应按照《结构加固修复用碳纤维片材》（GB/T 21490—2008）和《结构加固修复用玄武岩纤维复合材料》（GB/T26745—2011）附录中规定的公式计算，如式（1）所示。

式中，t为BFRP布的计算厚度，单位mm；Mu为BFRP布的单位面积质量，单位g/m2；ρc为纤维密度，单位g/m3。

对于单位面积质量，按照《增强制品试验方法第3部分：单位面积质量的测定》（GB/T 9914.3—2013）进行测定[5]。首先从待测BFRP布卷上切取宽度≥35 mm的布条，切取时应注意离开布卷的始、终端及布边至少50 mm。然后，在布条上每间隔50 cm取3个10 cm的正方形试样。此步骤应在白纸或试样皿上进行操作，防止裁剪时有纤维掉落。最后，在MP200A电子精密天平（精度为0.001 g）称得3个试样的净重量，取其平均值。

对于纤维密度，则采用较为便捷的比重瓶法进行测定。将待测纤维浸入某种其无法溶解的液体里，测量纤维排出的液体体积，进而可计算出纤维密度。此种方法对于吸湿性差的玄武岩纤维尤为合适。该试验全程在25℃恒温试验室中进行，主要步骤如下：

（1）随机取小块的BFRP布，充分扯松并除去杂质，将纤维剪碎至1 mm左右。称量1 g左右放入纸盒中待用，记为纤维的干燥质量ms。

（2）将水煮沸、冷却后盛于大烧杯中备用。

（3）洗净9个50 mL的比重瓶，并在100℃鼓风干燥箱中烘干，待瓶充分冷却后备用。

（4）将（2）中纯水注满比重瓶，塞紧瓶盖，多余的水自行从瓶塞毛细管中溢出。擦干外壁水后，称取瓶与水的总质量m1。

（5）倒出部分水后，用小漏斗将（1）中的纤维慢慢倒入比重瓶中，过程中确保没有散碎纤维漏出。之后再次重复（4）中操作，将瓶中水注满。

（6）将瓶置于酒精灯上煮沸以减少纤维表面气泡对试验结果的影响。操作后若有些许水分蒸发，可再次重复（4）中操作，将瓶中水注满。静置一段时间（至少1 h以上），待冷却后称量瓶、水和纤维的总质量ms1。

最终，可计算出纤维的密度，如式（2）所示：

3 试验结果的分析与对比

根据上述几种方法，选取市场上不同厂家不同种类的BFRP布产品进行分组试验，测得数据如表1和2所示。

由表1可知，各组玄武岩纤维密度平均值在2.6~2.7 g/cm3范围内波动，且未超过2.9 g/cm3，说明其密度范围可定在2.6~2.9 g/cm3。但第6组纤维密度平均值仅为2.43 g/cm3，推测原因为纤维表面附着的气泡未完全去除。不同厂家不同类型的玄武岩纤维密度值有差别，与纤维材料性能有着密切关系。所有组的密度标准差皆小于0.05且变异系数皆小于3%，表明试验数据离散性很小，具有较高的可靠性。

表1 BFRP纤维密度的试验结果

由表2可看出，名义厚度皆大于计算厚度。其中对于双向BFRP布，名义厚度所测得数据为经纬向纤维的叠加厚度，其值基本大于计算厚度2倍以上。原因是，计算厚度为折算后纯纤维在无空隙状态下的厚度。但名义厚度除了纯纤维厚度还包括基体和外部间隙的厚度，且受测量时施力大小和布编织松散程度等外部因素影响。

4 结论

（1）BFRP布厚度可分为名义厚度和计算厚度。名义厚度用于描述BFRP布的几何尺寸，计算厚度是材料力学性能指标计算所需的重要参数之一。

（2）BFRP布名义厚度可直接用游标卡尺测量，也可依据标准《增强材料 机织物试验方法 第1部分：厚度的测定》（GB/T 7689.1—2013）测量。后种方法所测值更加真实和稳定。

（3）BFRP布计算厚度需测其单位面积质量及纤维密度，其中对于玄武岩纤维密度可采用比重瓶法测量。试验结果离散性很小，可靠性高。

（4）测得BFRP布名义厚度值都大于计算厚度值。且两种厚度的定义、用途和测试方法皆有不同，数值虽差别较大但都具有真实性。而市场上仅少数厂家提供BFRP布厚度数据，且未区分两种厚度类型，因此急需加强对BFRP布厚度测定的规范化。