BFRP筋增强无机聚合物海砂海水混凝土梁的承载性能分析

吴清华,陈思可,谢 亮,李兆恒

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635;2.广东省水利新材料与结构工程技术研究中心，广州 510635)

1 概述

无机聚合物是由法国科学家Davidovits[1]发现的一种无机材料，其采用铝硅质工业废渣为原材料，通过各种碱激发剂溶解二氧化硅和氧化铝并形成铝硅酸盐结构的一种新型环保材料[2]，其制备过程中能耗和碳排放量较低，并且结构致密、耐腐蚀性好，适用于海洋工程的服役环境[3]。

随着近年来基础设施和土木工程建设的快速增长，可用于建设的淡水和河砂资源逐渐变得稀缺，在沿海和海岛地区，淡水和河沙的缺乏更为严重。为解决这一问题，沿海省份分别用海水和海砂替代淡水和河砂作为建筑材料[4]。研究表明，海水海砂混凝土(SWSSC)的抗压强度与淡水和河砂混凝土的抗压强度没有显著差异[5]。但海水和海砂中含有大量氯离子，会引起SWSSC结构中钢筋的腐蚀膨胀[6-7]，导致各种耐久性问题，例如混凝土保护层的开裂和脱落，会严重降低SWSSC结构的安全性，导致后期维修费用增加[8]。采用纤维增强聚合物(FRP)筋代替钢筋是解决这类问题的有效途径，混凝土结构中最常用的FRP筋由玻璃(GFRP)、碳(CFRP)和芳纶(AFRP)制成[9]，但由于材料本身的不足，限制了其在结构工程中的应用。比如GFRP筋的力学性能不足，而CFRP作为土木工程材料的价格却非常昂贵[10]。BFRP筋(玄武岩纤维筋)作为一种新型环保材料，具有比GFRP筋更高的力学性能和化学稳定性，并且具有成本低、易于制造、耐高温、振动和冲击负荷性能优良等优点[11]。在碱性条件下，BFRP筋比AFRP筋和GFRP筋具有更好的耐久性[12]。此外，BFRP筋的强度是钢筋的4倍，密度只有钢筋的1/4[13]，因此，BFRP筋是SWSSC结构中钢筋的理想替代品。

研究表明，BFRP筋混凝土梁比相同配筋率的钢筋混凝土梁具有更高的强度[14-16]，其表现与AFRP和GFRP筋混凝土梁非常相似。Sumajouw等[17]研究了钢筋无机聚合物混凝土细长柱在轴向荷载和单轴弯曲下的性能，发现现行标准和规范中包含的设计规定可用于设计钢筋粉煤灰基无机聚合物混凝土柱。这些研究表明，钢筋和无机聚合物混凝土，以及BFRP筋和普通混凝土具有类似的粘结行为和机械性能。本文创新性的设计了BFRP筋增强无机聚合物海砂海水混凝土梁构件，采用无机聚合物替代硅酸盐水泥，BFRP筋替代钢筋，并采用海砂海水来制备构件梁，通过研究该梁各方面性能，以期运用到实际，借此解决钢筋在海洋环境中容易腐蚀，进而解决结构失效的难题，提高结构的寿命，缓解结构维护给社会、经济、环境带来的压力，不断推动新型高性能建筑材料的发展。

2 原材料

2.1 胶凝材料

无机聚合物组分及物理力学性能见表1和表2。

表1 无机聚合物组分

表2 无机聚合物物理力学性能

2.2 骨料

细骨料：0.25～2 mm连续级配，产地为珠江口的中粗海砂；粗骨料：5～31.5 mm连续级配，花岗岩碎石；掺合料：S95级矿粉、粉煤灰；外加剂：减水剂。

2.3 玄武岩纤维筋

玄武岩纤维筋：四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司提供，其力学性能见表3所示；对照组钢筋混凝土梁的钢筋级别为HRB400。

表3 BFRP筋力学性能

2.4 混凝土配合比

试验采用的混凝土配合比及28 d抗压强度见表4。

表4 无机聚合物混凝土配合比及28 d抗压强度

3 试验方法

3.1 构件设计和分组

本试验中无机聚合物海砂海水混凝土梁截面尺寸为100 mm×200 mm，梁长为1 500 mm。纵筋采用φ6 mm和φ8 mm两种规格，对应受拉侧配筋率分别为0.32%和0.57%，箍筋直径6 mm，试验共设计3种类型梁，分别为WS-8、WBF-6和WBF-8(W表示无机聚合物，S表示钢筋(Steel)，BF表示玄武岩纤维筋(BFRP)，数字6、8表示受拉纵筋直径)，每种试件均为3根，梁的配筋以及绑扎工艺如图1所示。

图1 梁配筋示意

3.2 试件制作和加载方案

抗弯构件先进行钢筋和BFRP筋绑扎制作、支模，混凝土浇筑拆模后养护至规定试验龄期进行试验(见图2)。

图2 试件制作流程示意

应变片布置在每根梁的受拉筋跨中位置以及梁表面上，梁表面应变片采用浙江黄岩测试仪器厂的BX120-100AA型号电阻式应变片，梁跨中一侧混凝土表面均匀粘贴5个应变片，另外每根试验梁上表面跨中位置对称布置2个应变片，混凝土表面应变片共计7个,具体布置情形见图3。试验拟采用四点弯曲试验加载，加载设备采用电液伺服动静万能试验机(见图4)。

图3 应变片布置示意(单位：mm)

图4 抗弯构件试验示意(单位：mm)

4 试验结果与分析

4.1 试验现象

如图5和表5所示，对于WS-8梁，第一次开裂发生在恒定弯矩区，荷载值为16 kN。随着荷载的增加，越来越多的裂缝形成，并从跨中向外扩展到剪切跨中。在大约39 kN的载荷下，出现倾斜的剪切裂纹。随着载荷的进一步增加，这些裂纹向加载点附近的受压区扩展。当施加在梁上的载荷接近42 kN时，由于中性轴向上移动，裂缝迅速扩展，导致混凝土的压碎破坏，此时停止加载。

BFRP筋无机聚合物混凝土梁的裂缝现象类似于钢筋混凝土梁。对于WBF-8梁，当施加的载荷达到12 kN时，恒定力矩区域中出现3条竖向裂缝，裂缝达到最大初始裂缝宽0.3 mm，并延伸至90 mm高度。随着载荷的增加，现有的裂纹扩展，并且在载荷和支撑之间的区域形成一些新的弯曲裂纹。随着外加荷载的进一步增加，大部分弯曲裂缝垂直发展，之后倾斜裂缝在约36 kN的荷载下开始出现。随着荷载的进一步增加，倾斜裂缝在长度和宽度方面都朝着施加荷载点向上发展，并沿着纵向BFRP筋朝着支撑点发展，受压区混凝土截面的有效面积逐渐减小。加载至54 kN时，梁挠度增加至20.83 mm，并在此出现“啪啪”的BFRP筋断裂声，此时停止加载。

WS-8

WBF-8

WBF-6

表5 试验结果

虽然WS-8梁的开裂荷载高于WBF-8梁的开裂荷载，但WS-8梁在第一次裂缝形成时的挠度为1.0 mm，远低于WBF-8梁的2.0 mm，此外，WBF-8梁破坏时的裂缝数量比对WS-8梁多，表明BFRP筋梁比钢筋梁具有更高的抗断裂能力，BFRP筋梁在危险情况下起到的预警作用更加显著。

WBF-6梁的裂缝发展与WBF-8梁的一致，但WBF-6梁的初裂荷载、初裂挠度、极限荷载均低于WBF-8梁，极限挠度与WBF-8梁的相差不大。

4.2 混凝土梁荷载—挠度曲线

从图6a大致可以看出钢筋梁具有明显的屈服平台，表现出良好的延性，实验结果与理论分析吻合较好；相比而言，玄武岩纤维筋梁在混凝土开裂后，挠度增长较快，直至梁破坏，曲线依然表现出良好的线性关系，没有屈服平台，梁最终破坏形式为脆性破坏，这跟BFRP筋的脆性性质是直接相关的，由于BFRP筋抗拉强度较大，所以BFRP筋梁的极限荷载要更大。根据图6b得出，BFRP筋直径越大，梁承载能力越大。

a 钢筋梁与玄武岩纤维筋梁

b 不同配筋率的玄武岩纤维筋梁

为了更直观的反映梁的荷载挠度特性，在此对曲线进行简化，只取关键节点(如图7所示)。从图7曲线看出，在相同配筋率的情况下，WS-8的初裂荷载要比WBF-8大，这是因为钢筋的弹性模量远大于BFRP筋，在混凝土梁的弹性体阶段(开裂前)，其等效截面面积较大，即WS-8梁的初裂承载力要大。而两者的极限承载力相较而言BFRP筋梁的要明显更大，这是由于构件破坏时受拉筋拉断，极限承载力主要取决于受拉筋强度。根据实测结果，BFRP筋抗拉强度要明显大于钢筋的抗拉强度。并且BFRP筋梁的配筋率越大，构件的极限承载力越大，挠度发展相对较慢，刚度较大。

4.3 梁受拉筋荷载—应变曲线

受拉筋应变随荷载的变化遵循两阶段过程：短暂的线性上升和逐渐增加。在第1阶段，梁中没有出现裂缝，受拉钢筋处于弹性阶段；随着荷载的增加，受拉区域的混凝土应力增加，并随后达到混凝土的抗拉强度，这逐渐导致受拉区域边缘的开裂和该区域的应力重新分布。在第2阶段，受拉区域中的混凝土裂缝进一步增长，钢筋开始单独承受拉力，这导致钢筋的应变逐渐线性增加，达到极限荷载时，钢筋的最大应变超过6 000 μm。BFRP筋应变为线弹性变化，不具备屈服点，当荷载加至接近15 kN时BFRP筋表面裹胶破裂导致应变片破损，故测出应变数值偏小(如图8所示)。

图8 受拉筋荷载—应变曲线示意

4.4 荷载—混凝土应变关系曲线

如图9所示，钢筋梁和BFRP筋梁在各自开裂荷载之前，荷载与混凝土压应变均成良好的线性关系变化，开裂荷载之后，混凝土梁受压区应变同样呈现出线性变化，并在达到各自极限荷载时混凝土受压区均未被破坏，仍处于良好的受力状态。其中，钢筋梁在开裂荷载后混凝土压应变增长变快，且处于良好的弹性变化阶段，钢筋梁破坏时受压区混凝土没有压碎破坏。BFRP筋梁达到开裂荷载后混凝土压应变增长也变快，且开裂前后应变均为弹性变化，BFRP筋梁破坏时受压区混凝土也未破坏。大直径的BFRP筋梁比小直径的BFRP筋梁混凝土极限承载力要大，即适当提高梁的配筋率，对提高梁的混凝土承载能力有利。

图9 荷载—混凝土应变曲线示意

4.5 试验承载力分析

如图10a所示，在相同的截面尺寸、混凝土强度和试验条件下，BFRP筋的配筋率越大，梁的初裂承载力越大；并且相同配筋率条件下，钢筋混凝土梁的初裂承载力优于BFRP筋梁，其初裂荷载系数比(BFRP筋梁与钢筋梁初裂承载力之比)为0.75。

a

b

5 结语

1) BFRP筋梁荷载挠度曲线显示，加载过程并未表现明显屈服平台，破坏形式为脆性破坏，在相同配筋率下，BFRP筋梁破坏时的极限挠度要大于钢筋梁，实际破坏前，预兆还是非常明显。

2) 由于BFRP筋的高强特性，同等配筋下，BFRP筋梁极限承载力要大于钢筋梁，比值约为1.3；但BFRP筋梁开裂荷载较低，开裂荷载约为钢筋的0.75倍。