玄武巖筋抗拉性能試驗(yàn)研究

劉 瀟 劉順豐

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽 621010)

0 引言

玄武巖纖維復(fù)合筋(BFRP筋)是一種新型復(fù)合材料，具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞性能好、耐電磁等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)［1-4］。可以明顯延長腐蝕環(huán)境中的水泥混凝土結(jié)構(gòu)壽命，與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比具有優(yōu)異的力學(xué)、物理及化學(xué)性能。由于其優(yōu)越性，BFRP筋越來越廣泛的應(yīng)用在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)、道路、碼頭等混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中。但是目前對(duì)于BFRP筋的基本力學(xué)性能和破壞模式研究較少。本文進(jìn)行了φ8 mm的BFRP筋的拉伸試驗(yàn)，觀察了BFRP筋的破壞模式和試驗(yàn)過程中的現(xiàn)象，測定了其極限抗拉強(qiáng)度、彈性模量和伸長率等力學(xué)指標(biāo)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制了BFRP筋的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 BFRP筋試件的設(shè)計(jì)和制作

本試驗(yàn)所用玄武巖纖維筋由四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司提供，為了保證玄武巖纖維筋與混凝土有可靠的粘結(jié)性能，在筋材表面進(jìn)行了纏繞噴砂處理。

根據(jù)ACI440.3R-04對(duì)GFRP和CFRP筋拉伸測試的標(biāo)準(zhǔn)，采用無縫鋼管為套筒，通過試驗(yàn)測定直徑8 mm BFRP筋的抗拉強(qiáng)度、彈性模量和伸長率，并畫出BFRP筋的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了φ8 mm五根試件。作為套筒的無縫鋼管必須具有足夠的長度和壁厚，一定的長度以保證鋼管壁與FRP筋之間粘結(jié)應(yīng)力，一定的壁厚以滿足儀器在試件端部產(chǎn)生的壓應(yīng)力。本試驗(yàn)中所用鋼管的壁厚為3 mm，長度150 mm，鋼管直徑為FRP筋直徑+4 mm。具體的分組情況和試件長度見表1。

表1 試件分組表

試驗(yàn)中粘結(jié)介質(zhì)采用環(huán)氧樹脂AB膠，AB組分按1∶1配制。試件制作時(shí)按下列步驟進(jìn)行:

1)鋼管處理:對(duì)鋼管內(nèi)壁進(jìn)行除銹處理，將長度為150 mm的無縫鋼管的一端使用橡膠墊密封，保證在灌膠過程中，膠體不會(huì)從該端流出。

2)灌膠:將配制好的膠體灌入鋼管，灌入的膠體須保證密實(shí)，不能夾雜過多的氣泡。

3)插筋:將BFRP筋緩慢旋入鋼管內(nèi)，及時(shí)擦去管壁的膠體。

4)固化:將一端灌膠完畢的BFRP筋垂直放置5 h～7 h，使環(huán)氧樹脂初步固化，達(dá)到一定粘結(jié)強(qiáng)度后，再按相同方法灌注另一端。兩端均完成后，需將其置于溫度高于20℃的環(huán)境下7 d～10 d，可達(dá)到拉伸測試的要求。

1.2 試驗(yàn)儀器及步驟

拉伸試驗(yàn)機(jī)采用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，最大量程為300 kN，應(yīng)變片選用BX120-5AA，靈敏系數(shù)(2.08±1)%，應(yīng)變測試系統(tǒng)采用DH3820靜態(tài)應(yīng)變儀，配套游標(biāo)卡尺和引伸計(jì)。

具體試驗(yàn)步驟為:

1)粘貼應(yīng)變片、調(diào)試儀器等試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作。2)將拉伸試件裝在壓力試驗(yàn)機(jī)上，連接應(yīng)變測試系統(tǒng)和引伸儀。3)采用分級(jí)加載，設(shè)定每級(jí)荷載為5 kN，加載到每級(jí)荷載值停頓10 s，記錄每級(jí)荷載下的應(yīng)變值，并觀察過程的試驗(yàn)現(xiàn)象。4)加載至試件破壞，記錄最大荷載值及試件的破壞模式。5)測定試件的拉伸強(qiáng)度、彈性模量并繪制應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞模式

φ8 mm BFRP筋拉伸試件在試驗(yàn)過程中發(fā)生的破壞模式主要有兩種:FRP筋拉散破壞(4根試件)和端頭鋼套筒滑移破壞(1根試件)。試驗(yàn)過程具體現(xiàn)象:

1)FRP拉散破壞:荷載加載到5 kN～8 kN左右時(shí)，試件開始傳出細(xì)微的響聲，加載至45 kN～50 kN左右時(shí)，試件傳出劇烈的“噼啪”聲，BFRP筋表面已經(jīng)能看到纖維束拉斷脫落，直到極限荷載時(shí)纖維束在中間段拉毛分散至斷裂破壞，見圖1。

圖1 FRP拉散破壞

2)端頭套筒滑移:荷載加載到8 kN左右時(shí)，試件開始傳出細(xì)微的響聲，加載至41 kN左右時(shí)，端頭開始出現(xiàn)滑移，最后由于滑移過大而中斷加載，見圖2。套筒滑移并非FRP筋材自身破壞，此破壞時(shí)的極限承載力不能參與筋材的力學(xué)性能指標(biāo)計(jì)算。由于纖維與樹脂變形不同以及筋材中纖維束張拉松緊狀態(tài)不完全相同，受力后不斷有纖維絲斷裂發(fā)出的響聲，加之變形不同還會(huì)引起FRP筋表面噴砂剝落，混雜在一起形成試驗(yàn)過程中不間斷的“噼啪”聲。

2.2 力學(xué)性能

通過試驗(yàn)測定數(shù)據(jù)按照下列方法計(jì)算BFRP筋的抗拉強(qiáng)度、彈性模量和伸長率。

抗拉強(qiáng)度按式(1)計(jì)算:

其中，fu為抗拉強(qiáng)度，MPa;Fu為試驗(yàn)測得BFRP筋的最大拉力，N;A為BFRP筋的橫截面面積，mm2。

彈性模量按式(2)計(jì)算:

其中，E為彈性模量，MPa;ΔF為0.4Fu，N;Δε為對(duì)應(yīng)60%Fu和20%Fu的應(yīng)變差值，無量綱。

伸長率按式(3)計(jì)算:

其中，δ為伸長率，%。

根據(jù)拉伸試驗(yàn)所測數(shù)據(jù)，按照式(1)～式(3)計(jì)算抗拉強(qiáng)度、彈性模量和伸長率等指標(biāo)，將BFRP筋的試驗(yàn)結(jié)果匯總于表2。

表2 BFRP筋的力學(xué)性能指標(biāo)

由表2可知，BFRP筋抗拉強(qiáng)度約為HPB300級(jí)鋼筋(屈服強(qiáng)度fy=270 MPa)的4倍，彈性模量約為HPB300級(jí)鋼筋(彈性模量E=200 GPa)的1/4，BFRP筋的伸長率約為1.8%。BFRP筋彈性模量小，拉伸時(shí)變形較大，這也是FRP筋作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力筋時(shí)，構(gòu)件產(chǎn)生較大撓度和裂縫寬度的原因。

根據(jù)拉伸試驗(yàn)試件受力全過程實(shí)測結(jié)果，取試驗(yàn)結(jié)果的平均值，繪出BFRP筋試件典型應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖2 鋼套筒滑移

圖3 φ8 mm BFRP筋應(yīng)力—應(yīng)變曲線

由圖3可見，BFRP筋從開始受荷到完全破壞的受力過程中，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系近似為一條斜直線，破壞時(shí)沒有預(yù)兆，BFRP筋突然斷裂，無類似鋼筋的屈服平臺(tái)，破壞形式為脆性破壞。

3 結(jié)語

采用電液私服萬能儀對(duì)玄武巖纖維筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。BFRP筋在試驗(yàn)過程中主要發(fā)生的是拉散破壞，少許試件發(fā)生了端頭鋼套筒滑移破壞和BFRP端頭區(qū)域拉斷。端頭鋼套筒滑移并非筋材自身破壞。BFRP筋端頭區(qū)域拉斷破壞部位不在試件中間段，只有BFRP筋拉散破壞是較為理想的破壞模式。在試驗(yàn)過程中，當(dāng)力加載破壞荷載10%左右時(shí)，BFRP筋試件會(huì)開始發(fā)出細(xì)小響聲，加載至破壞荷載90%左右時(shí)，試件傳出劇烈的“噼啪”聲，BFRP筋表面已經(jīng)能看到纖維束拉斷脫落，有些細(xì)小纖維絲甚至飛濺出來，飄在空中或散落地面，直到極限荷載時(shí)纖維束在中間段拉毛分散至斷裂破壞。“噼啪”聲是纖維絲斷裂、樹脂和噴砂剝落的聲音。BFRP筋應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈直線，破壞時(shí)沒有預(yù)兆，沒有屈服平臺(tái)，是一種典型的脆性材料。

［1］梁莉莉.FRP筋混凝土梁的試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)碩士論文，2011.

［2］薛偉辰，康清梁.纖維塑料筋FRP在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用［J］.工業(yè)建筑，1999，29(2):19-21.

［3］薛偉辰.混凝土結(jié)構(gòu)中新型配筋FRP的試驗(yàn)研究［R］.南京:河海大學(xué)博士后研究工作報(bào)告，1997.

［4］朱 虹，錢 洋.工程結(jié)構(gòu)中FRP筋的力學(xué)性能［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，23(3):26-31.