岩土工程中玄武岩纤维复合加固材料的性能分析

张艳

摘要：为了验证玄武岩纤维复合加固材料的性能，研究对该材料的抗拉强度、耐候性以及抗剪强度3大性能进行分析。采用对比分析的方式完成该材料与钢筋材料之间性能的对比，该材料具有质量轻、性能强、绝缘等优势，在强酸、强碱环境下仍可维持自身性能。利用玄武岩纤维复合加固材料制作混凝土构件，以此替代传统钢筋混凝土构件，可有效解决岩土工程中存在的钢筋腐蚀等问题。将该材料应用于岩土工程中，可与混凝土之间形成良好的粘接性，具有一定的可行性。

关键词：玄武岩纤维复合加固材料;抗拉强度;耐候性能;抗剪强度

中图分类号：TU375.1;TQ437.1 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）07-0057-04

Performance analysis of basalt fiber composite reinforcement material in geotechnical engineering

ZHANG Yan

（Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， Shaanxi China）

Abstract：In order to verify the performance of basalt fiber composite reinforcement material， this study analyzed the three major performances of the material including tensile strength， weather resistance and shear strength. After the performance comparison between this material and reinforcement material， it is figured out that this material has the advantages of light weight， strong performance， insulation and so on. It can maintain its own performance in strong acid and alkali environment. Using basalt fiber composite reinforcement material to make concrete members instead of traditional reinforced concrete members can effectively solve the problems of reinforcement corrosion in geotechnical engineering. When the material is used in geotechnical engineering， it can form a good bond with concrete and has certain feasibility.

Key words：basalt fiber composite reinforcement material; tensile strength; weatherability; shear strength

隨着我国对生态环境重视程度的不断增长，土木工程逐渐采用新型绿色环保材料作为核心材料。传统岩土工程主要采用钢筋作为建筑材料，钢筋在使用过程中易受外界环境因素的干扰，腐蚀现象较为严重，不适用于地下建筑的施工建设。而玄武岩纤维复合加固材料主要以玄武岩纤维作为增强材料，并将合成树脂作为该材料的基体，使该材料具有绿色环保、强度高、耐腐蚀性强等优势。将该材料应用于岩土工程中，可最大限度地提高材料与混凝土之间的粘接性，具有较好的应用前景。

1岩土工程中玄武岩纤维复合加固材料的抗拉性能

岩土工程中使用较为广泛的材料为玄武岩纤维复合加固材料，在该材料的支持下，有利于提升岩土工程的整体施工质量。玄武岩纤维复合加固材料实际上是一种新型复合材料，该材料主要由玄武岩纤维和基体材料共同组成。对该材料进行制备时，为提升材料的基本性能，需要经过特殊的工艺，并在持续不间断的情况下完成玄武岩纤维复合加固材料的制备。材料加工工艺的步骤主要包括缠绕、拉挤及成型。玄武岩纤维复合加固材料制备过程中的主要受力材料为纤维，该材料中纤维含量越高，表明材料的抗拉性能越好。但是随着材料中纤维含量的不断增长，最终可导致复合材料的延展性能减弱。本文采用对比分析的方式完成该材料与钢筋材料之间性能的对比，该材料具有质量轻、性能强、绝缘等优势。为解决岩土工程中存在的钢筋腐蚀等问题，将该材料应用于岩土工程，采用玄武岩纤维复合加固材料制作混凝土构件，以此替代传统钢筋混凝土构件[1]。

1.1抗拉性能试验方法

由于玄武岩纤维复合加固材料中含有大量的纤维材料，为测试该材料的力学性能，将抗拉强度作为检验玄武岩纤维复合加固材料性能的重要指标。本研究对该材料进行性能测试时，采用数控液压万能试验机作为性能测试的核心设备，在此基础上结合灵敏度较高的数字引伸计，即可实现材料拉伸长度的采集。该材料在实际应用过程中，易受剪应力等因素干扰而产生不同程度的破坏现象。在该情况下对该材料进行抗拉试验，可使该材料因荷载的持续增大，最终使材料的端部被破坏，无法得到纤维材料抗拉强度的准确值[2]。

玄武岩纤维复合加固材料试验样本的制备过程：选用无缝钢管作为该试验的锚具，利用专业的清理方法将该工具内壁铁锈清理干净，并在该工具的内壁打出凹、凸不平的刻痕，最后将该工具的一端端口钳为锥形，通过该方式有利于最大限度地强化锚具与环氧树脂系粘结剂之间含有的摩擦力。对玄武岩纤维复合加固材料进行抗拉强度试验时，采用环氧树脂和喜利得A级植筋胶作为锚具与复合加固材料的粘结剂，其中环氧树脂粘结剂内主要包含环氧树脂、固化剂、催化剂以及石英砂，四者之间的配合比例为100∶80∶8∶ 30，在完成该粘结剂的配比时，应保证中间自由段的长度大于等于30倍直径，其数值大于等于500 mm[3]。

玄武岩纤维复合加固材料的性能测试过程：该材料试验样本制作完毕后，对该试件进行养护，养护时间为1周以上，将该试件安装在试验机的上、下夹头间，在试件中部安装一个数字引伸计。准备工作均完成后，启动试验机，将试验机的加载速率调节至2 mm/min，对试验样本进行拉伸，直至试件被破坏，即可关闭试验机，并精准记录试件被破坏时的受力值及破坏程度。

1.2抗拉性能试验结果

采用环氧树脂胶作为试验样的粘结剂时，选用直径为6、8、10 mm的玄武岩纤维复合加固筋材分别制作出4根试验样本。采用喜利得A级植筋胶作为试验样的粘结剂时，选用直径分别为6、8、10、12、14 mm的玄武岩纤维复合加固筋材制作出4根试验样本。不同粘结剂作用下试验样本的测试结果为：该试件在拉伸过程中，首先出现环氧树脂胶脱落的现象，接着试件内部部分纤维被试验机拉断，该现象可称之为树脂拉裂。随着试验机的不断拉伸，荷载处于稳定增长状态，环氧树脂及纤维出现剥落现象，并且纤维断裂现象越演越烈，最后试件中部被试验机拉断。同时，并伴有巨大的声响，试件出现爆炸现象，之前无明显征兆。故对该试件进行性能测试时，试验人员应与试件之间保持一定距离，防止人员因试件爆炸而受伤。玄武岩纤维复合加固材料的平均拉力及平均应力值如表1所示[4]。

5种不同筋材直径的弹性模量平均值依次为：46.3、49、54.3、60.7、47 GPa，通过对试件的弹性模量进行分析可知，试件直径与弹性模量之间呈正比关系变化、由于玄武岩纤维复合加固材料内纤维含量较高，弹性模量的强度主要与纤维含量有关，故直径越大的试件，其弹性模量越大。直径为14 mm试件的弹性模量较小的主要原因是该试件内部纤维含量较少，环氧树脂过多所致。

2岩土工程中玄武岩纤维复合加固材料的耐候性能

2.1耐候性能试验方法

本研究对玄武岩纤维复合加固材料的耐候性能进行测试时，选用长度为30 cm的复合筋作为试验样本，将试件置于酸、碱环境下，对试件的强度保持率情况进行分析。性能测试开始之前，将试验样本截取成直径为6、8、10、12 mm的筋材，不同直径筋材的数量为8根，从4种不同直径的筋材中各选取4根置于酸碱环境下浸泡。其中，酸性溶液为硫酸，浓度为0.025 mol/L;碱性溶液为Ca（OH），质量浓度为2.5 g/L[5]。试验准备工作完毕后，即可开始筋材的耐候性能测试，测试过程：从4种直径的筋材中各选出1根，将4根筋材共同组成1组，共4组试件，浸入至酸碱溶液中，通過容器盖使容器处于密闭状态，并放入恒温箱内保温。试验时间为30 d，每天对溶液进行1次搅动。浸泡完毕后，利用清水将筋材表面清洗干净并风干。最后将剩余试件置于蒸馏水中浸泡并晾干，浸泡时间为1 h。精准记录筋材表面的变化情况，利用试验机对4个组试件进行抗拉试验，计算试件的强度保留率[6]。

2.2耐候性能试验结果

酸性、碱性溶液环境下筋材的强度试验结果如表2、表3所示。

3岩土工程中玄武岩纤维复合加固材料的抗剪强度

3.1抗剪强度试验方法

将玄武岩纤维复合加固材料与普通钢筋进行对比可知，玄武岩纤维复合加固材料具有较强的抗拉强度。本研究为验证该材料的抗剪强度，采用三点剪切试验方法对该材料的性能进行测试，测试过程中的核心设备为万能试验机。性能测试开始之前，将试验样本截取成直径为10、12、14 mm的筋材，不同直径筋材的数量为4根，将试件穿过钢套管后置于万能试验机上端，即可启动万能试验机，直至试件受力出现下降的情况时，关闭万能试验机，试验结束[7]。

3.2抗剪强度试验结果

通过抗剪强度试验结果分析可知，样本的直径为10 mm时，玄武岩纤维复合加固材料的平均抗剪强度为159 MPa;样本的直径为12 mm时，玄武岩纤维复合加固材料的平均抗剪强度为189 MPa。试验样本的直径为14 mm时，玄武岩纤维复合加固材料的平均抗剪强度为187 MPa。以直径为12 mm的玄武岩纤维复合加固材料为例，12 mm玄武岩纤维复合加固材料抗剪强度变化曲线如图1所示。

钢筋材料实际是一种均质材料，抗剪强度进行描述时，仅通过强度指标即可完成该材料的概括。而玄武岩纤维复合加固材料主要由内部纤维束与环氧树脂粘结剂粘接而成，无法使用强度指标对其进行描述。本研究通过对抗剪强度变化情况进行分析可知，玄武岩纤维复合加固材料的抗剪强度与直径之间呈正比关系变化，随着材料直径的不断增大，抗剪强度也越来越大。通过计算可知，普通钢筋的抗剪强度数值大约在170 MPa左右，玄武岩纤维复合加固材料越钢筋之间的抗剪强度数值相差不大[8]。

4结语

本研究主要对玄武岩纤维复合加固材料的抗拉强度、耐候性以及抗剪强度三大性能进行测试，并采用对比分析的方式，将玄武岩纤维复合加固材料与普通钢筋进行对比，该材料的抗拉强度远大于普通钢筋。将该材料置于强酸强碱环境下长期浸泡，仍可保持较高的强度保留率，该现象表明玄武岩纤维复合加固材料的耐候性能较强。该材料的抗剪强度维持在159～189 MPa，普通钢筋的抗剪强度数值大约在170 MPa左右，该材料的抗剪强度略大于普通钢筋。该材料性能较好，在强酸强碱环境下仍可维持自身性能，将该材料应用于岩土工程中，可与混凝土之间形成良好的粘结性，具有一定可行性。

【参考文献】

[1]朱忠锋，王文炜.玄武岩格栅增强ECC复合材料反复荷载作用下本构关系模型[J].南京工业大学学报（自然科学版），2017（5）：44-50.

[2]郑宇宙，王文炜.复材网格-UHTCC复合增强钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究[J].土木工程学报，2017（6）：23-32.

[3]李祯，李晔.玄武岩编织网复合ECC增强钢筋混凝土圆柱体轴向受压性能研究[J].建筑结构，2017（9）：40-44.

[4]任晓丹，刘凯，魏公涛，等.不同加载速率下箍筋约束混凝土力学性能试验研究[J].建筑结构学报，2017（3）：141-150.

[5]朱忠锋，王文炜.玄武岩格栅增强水泥基复合材料单轴拉伸力学性能试验及本构关系模型[J].复合材料学报，2017（10）：2 367-2 374.

[6]葛文杰，冯肖，季翔，等.纤维增强复材筋增强工程用水泥基复合材料-混凝土复合梁受弯性能试验研究[J].工业建筑，2017（11）：23-27.

[7]朱忠锋，王文炜.FRP编织网/ECC复合加固钢筋混凝土圆柱力学性能的试验研究[J].东南大学学报（自然科学版），2016（5）：1 082-1 087.

[8]葛文杰，虞佳敏，高培琦，等.碳纤维布加固玄武岩纤维复材筋工程用水泥基复合材料混凝土梁的受弯性能A[J].工业建筑，2020（2）：163-168.