BFRP筋受壓力學性能試驗及其對混凝土柱承載力貢獻率分析

□ 江懷雁

1 研究背景

玄武巖纖維增強復合筋（Basalt Fiber Reinforced Polymer Bar，簡記為“BFRP筋”），是由玄武巖纖維和樹脂基體通過拉擠工藝及表面處理制成的一種非金屬復合筋材[1]。BFRP筋與CFRP、GFRP、AFRP等其他復合筋相似，也具有輕質高強、耐腐蝕、抗疲勞性能好等優點[2-4]，而其市場價格明顯低于碳纖維復合筋（CFRP）。廣西地處我國南部，廣西北部灣沿海及其島礁地區是我國與東盟各國經貿往來的重要通道，對我國南方地區經濟發展和國防建設有重要意義。因沿海及海洋地區淡水和河砂資源普遍相對不足，對當地基礎設施建設和經濟發展構成制約，就地取材成為解決之道，在此背景下，采用海水拌養的原生海洋集料混凝土建造構筑物具有現實意義。但海水、海砂中富含氯離子、硫酸根離子，在海洋大氣環境下對傳統鋼筋和鋼材有強烈腐蝕作用，將大大縮短鋼筋混凝土結構和鋼結構的使用壽命，增加維護、加固或拆建成本。如將BFRP筋作為這類混凝土結構的增強筋，利用BFRP筋良好的耐酸、堿、鹽的材性優點，可從根本上克服鋼筋銹蝕問題，保證海洋集料、海水拌養混凝土結構的耐久性。因節省了淡水提取、河砂運輸等費用，還可帶來明顯的經濟效益。

混凝土構件的增強筋首先應配置于截面的受拉區，讓混凝土主要用于承壓，但在截面受壓區通常也應配置增強筋，除可協助混凝土承壓、提高承載力外，更可提高構件的延性，考慮到荷載作用具有隨機性，梁或柱均可遇到彎矩變號和雙向受彎的情形，因此截面周邊一般均勻、對稱配置增強筋，尤其是柱子等承壓構件，其重要性高于梁、板，對結構承載能力、抗震性能起決定性作用。對于配置BFRP筋增強海水海砂混凝土柱，在軸心受壓、小偏心受壓和彎矩變號時，BFRP筋受壓在所難免，因此研究BFRP筋的受壓性能有重要學術和工程應用價值。

國內外學者對BFRP筋基本力學性能進行的測試結果表明[5-8]，BFRP筋單軸受拉和受壓的應力—應變關系基本呈線彈性特征，無屈服平臺，破壞呈脆性，但受筋材組分、生產工藝、測試方法等多方面因素的影響，不同學者給出的數據差異較大，在BFRP筋增強混凝土結構設計中，BFRP筋材的強度取值，特別是抗壓強度及其對構件承載力的貢獻率，仍不統一。部分學者認為FRP筋的抗壓強度有限，彈性模量普遍偏小，建議不考慮受壓FRP筋對構件承載力的貢獻，但部分學者則提出了相反的建議。因此尚需更多試驗數據的積累，以便確定BFRP筋增強海洋集料混凝土構件的設計方法和設計強度取值。

本文對一種國產BFRP筋的軸心受壓性能進行測試，獲取破壞模式、抗壓強度、彈性模量、應力—應變曲線、壓縮變形率，數據可為BFRP筋增強混凝土結構的設計提供參考依據。

2 試驗概況

2.1 筋材成分和外觀尺寸

測試的BFRP筋采用由南京開博銳工程技術有限公司生產的綠博纖維復合筋系列，筋材名義直徑分為8mm、10mm、12mm3種，玄武巖纖維體積分數均為70%，質量分數為85%，不同直徑筋材分數在5%以內浮動，基體樹脂類型為環氧樹脂類。筋材表面做噴砂處理，通過擠壓工藝形成螺旋弧形凹肋，凹肋間距均為10mm，直徑8mm、10mm、12mm筋材的凹肋深度分別為0.5mm、0.6mm、0.8mm。

2.2 BFRP筋受壓試件的設計和制作

BFRP筋作為混凝土結構增強筋時，被混凝土包裹，箍筋之間的混凝土可看作是BFRP筋的連續彈塑性側向約束體，但混凝土保護層厚度較薄，易開裂，在接近混凝土抗壓強度時，會發生脆性剝落，因此混凝土的側向約束作用有限且不穩定，因此本測試不考慮這一有利作用。試件以筋材直徑作為主要影響參數，3種直徑筋材試件的長細比統一取為較小值8，長細比λ=l/i=4l/d，每種直徑的筋材按美國ACI標準制作4個試件[9]，共計12個試件。BFRP筋軸心受壓試件的構造如圖1所示，兩端錨固和找平用的環氧樹脂砂漿按文獻10提供的比例配制。為了在試件中部粘貼電阻應變計準確測取壓應變，筋材中部凹肋處先填充1mm厚環氧樹脂，待其充分硬化后，再以銼刀將打磨填充樹脂打磨出一小塊光滑平整面用以粘貼BX120-3AA型電阻應變計，并保證BFRP筋無損傷。

圖1 試件構造詳圖

2.3 測試方法

加載設備采用上海華龍測試儀器股份有限公司生產的WAW-600型600kN加載級微機控制電液伺服萬能試驗機，以單調靜力加載方式進行測試。正式加載前，先進行預加載，預加載控制為估算抗壓承載力的20%，消除對中誤差，正式加載的加載速率為0.2kN/s。由試驗機配套的電腦采集系統自動采集荷載—位移曲線、彈性模量和極限荷載等數據，應變計測取的應變數據通過東華DH3816N數據采集系統自動同頻率采集，用于校核。

3 測試結果統計分析

測試獲得的抗壓強度、壓縮彈性模量和破壞模式及相應的數據標準差、變異系數詳見表1。

表1 BFRP筋受壓性能測試結果

3.1 破壞模式

BFRP筋受壓的基本破壞模式可分為以下3類。

（1）剪切破壞：試件中部沿凹肋出現約45°傾斜滑動面的錯動破壞，屬于材料破壞，如圖2（a）所示。

（2）脹裂破壞：試件中部因橫向泊松變形增大，出現多條縱向裂縫并不斷延伸、變寬，形成多根分離的纖維—樹脂基體單元，失穩后向外鼓曲，呈燈籠狀，如圖2（b）所示。

（3）屈曲破壞：隨著荷載的增大，試件應力達到彈性失穩極限后發生全截面纖維和基體的整體失穩破壞，未發生纖維—樹脂基層間撕裂現象，如圖2（c）所示。

圖2 BFRP筋受壓試件的破壞模式

根據表1可知，當長細比較小時，3種直徑的筋材發生剪切破壞的概率最大，當名義直徑增大后，還可發生脹裂破壞和屈曲破壞，但出現概率相對較小。

3.2 抗壓強度

與同批次BFRP筋的拉伸性能測試結果相比，BFRP筋的抗壓強度遠低于其抗拉強度（平均可達947.9MPa），拉、壓強度比約為（2.82～3.73）:1，說明BFRP筋的抗拉與抗壓強度并不相同，數值相差較大，與鋼筋完全不同，這一特性是由BFRP筋單向纖維分布的各向異性結構構造決定的。

BFRP筋的抗壓強度實測值隨筋材直徑的變化情況如圖3所示。

圖3 BFRP筋的抗壓強度—名義直徑關系散點圖

由圖3可知，名義直徑為10mm的BFRP筋的抗壓強度整體較低，而12mm直徑的BFRP筋的抗壓強度總體高于其余兩種直徑筋材，而且數據離散性也更小。破壞模式對抗壓強度的影響無明顯規律。

3.3 受壓應力—應變曲線

根據各試件的荷載、位移數據換算得到的受壓應力—平均應變曲線如圖4所示。

圖4 不同直徑BFRP筋受壓應力—應變曲線

由圖4可以看出，不同直徑BFRP筋的受壓破壞前的應力—應變曲線幾乎為直線，超過峰值應力后，下降段為垂線，表明破壞呈脆性。還可看出，曲線斜率所代表的壓縮彈性模量、峰值壓應變、峰值壓應力所代表的抗壓強度的離散性均比同批次生產的同直徑BFRP筋拉伸彈性模量大，破壞模式對于抗壓強度、極限壓應變和壓縮彈性模量的影響也無明顯規律。

3.4 壓縮彈性模量

將表1的壓縮彈性模量實測值與同批次生產的BFRP筋實測拉伸彈性模量相比，BFRP筋的壓縮彈性模量也低于其拉伸彈性模量（平均為53.4GPa），拉、壓彈性模量比約為（1.21～2.12）:1，這也與鋼筋拉、壓彈性模量相近的特性完全不同。

BFRP筋壓縮彈性模量平均值隨名義直徑的變化曲線如圖5所示。

圖5 BFRP筋壓縮彈性模量—名義直徑關系散點圖

由圖5可知，長細比為8的BFRP筋壓縮彈性模量平均值隨直徑的增大呈先略為減小而后增大的趨勢。總體而言，當長細比較小且恒定時，直徑較大的BFRP筋，其壓縮彈性模量較高，但數值離散性隨之增大；破壞模式對壓縮彈性模量的影響無明確規律。

3.5 受壓破壞時的壓縮變形率

與受拉破壞時的伸長率相對應，BFRP筋受壓破壞時的壓縮變形率由如下公式計算：

圖6 BFRP筋壓縮變形率—名義直徑關系散點圖

由圖6可知，3種直徑BFRP筋的破壞壓縮變形率總體都不高，最大值僅為1.32%，數值離散程度都較大；筋材名義直徑為8mm、10mm的壓縮變形率相近，但12mm直徑筋材的壓縮率均在1%以內，總體低于另兩種直徑筋材。其中，脹裂型破壞模式的破壞壓縮變形率較低。

4 縱向BFRP筋對混凝土承壓構件承載力貢獻率的討論

本課題組前期完成的BFRP縱筋增強混凝土偏心受壓柱靜力加載測試后，鑿開混凝土保護層發現，試件偏心方向一側混凝土被壓碎之時，受壓區BFRP縱筋均未發生破壞，且BFRP受壓縱筋與混凝土之間無黏結破壞和滑移跡象，其原因在于BFRP的極限壓應變（由表1抗壓強度與壓縮彈性模量之比可得）遠高于混凝土的極限壓應變εcu（約為0.0033），使得混凝土壓碎時，縱向BFRP受壓筋受力尚不大，無明顯脹裂、彎折等表觀突變，因此可以假定BFRP縱筋增強混凝土承壓構件失效前，BFRP筋與混凝土黏結力保持完好，兩者共同變形。以壓應變達到混凝土極限壓應變εcu=0.0033作為混凝土壓碎的條件，取本文測得的BFRP筋壓縮彈性模量平均值則混凝土壓碎時BFRP筋的平均壓應力σ'f=35588.6×0.0033=177.44MPa，為本文實測的BFRP筋抗壓強度平均值的61.2%，同時也小于BFRP筋抗壓強度最小值196.1MPa，說明混凝土壓碎時BFRP受壓縱筋基本不會破壞，且抗壓強度有較多富余。由于BFRP筋市場單價仍然高于鋼筋，因此混凝土承壓構件的BFRP筋配筋率預計低于3%，因此軸心受壓柱的抗壓承載力Nu可由下式估算：

式（2）中，φ為穩定系數，fc為混凝土的軸心抗壓強度，A為構件毛截面積，ρ'f為BFRP受壓縱筋配筋率，其余符號含義同前。根據上式，可以得到BFRP受壓縱筋對此軸心受壓柱抗壓承載力的貢獻率rd, f為：

當混凝土強度等級為C25，BFRP受壓縱筋配筋率ρ'f為1%～2%時，取混凝土強度標準值代入式（3）可得，BFRP受壓縱筋對此軸壓柱抗壓承載力的貢獻率為6.6%～12.3%，相同條件下，如換為HRB400縱向鋼筋，鋼筋抗壓強度取標準值400MPa，則受壓鋼筋的貢獻率為19.3%～32.4%，可見BFRP縱筋對軸心受壓混凝土短柱抗壓承載力的貢獻率為HRB400鋼筋的34.0%～38.1%，約為1.1/3。由式（3）還可以推得，隨混凝土強度等級的提高，縱向受壓BFRP筋、鋼筋對混凝土軸心受壓構件抗壓承載力的貢獻率均呈下降趨勢，但BFRP筋與鋼筋對軸壓混凝土短柱抗壓承載力的貢獻率之比仍接近于1.1/3。

對于偏心受壓混凝土短柱，截面受壓區壓應力非均勻分布，根據平截面假定和截面力的平衡，柱的抗壓承載力Nu為：

因為無論大偏壓還是小偏壓，柱的失效均是近軸力一側混凝土壓碎為標志，此時若ε'f近似取為εcu，比較（2）、（4）兩式可以推知，近偏心軸力一側的受壓BFRP筋對偏壓柱承載力Nu的貢獻將大于軸壓柱，但由（3）式可知，BFRP筋與鋼筋對柱承載力貢獻率的差異主要取決于兩者的壓縮彈性模量，因此兩種筋材貢獻率之比仍與軸壓差不多。上述BFRP縱筋對柱子承載力的貢獻率，反映了不考慮受壓BFRP縱筋可能帶來的計算誤差。

5 結論

（1）BFRP筋受壓破壞模式分為剪切破壞、脹裂破壞、屈曲破壞3種；長細比為8時，斜向剪切錯斷破壞發生率最大。破壞模式對BFRP筋的抗壓強度、應力—應變曲線形態、壓縮彈性模量的影響無明確規律。

（2）BFRP筋受壓應力—應變曲線近似呈線性，無屈服點，破壞呈脆性，抗壓強度、壓縮彈性模量、峰值壓應變的離散性大于同條件的BFRP筋受拉力學性能指標。

（3）BFRP筋的拉、壓力學性能差異較大，抗壓強度約為抗拉強度的（1/4～1/3），數值介于HPB235和HRB335鋼筋之間；壓縮彈性模量約為拉伸彈性模量的（1/2～4/5），數值范圍與常規等級普通混凝土的彈性模量相近。

（4）BFRP筋受壓破壞時的壓縮變形率不超過1.32%，總體不高。

（5）隨BFRP筋名義直徑的增大，抗壓強度和壓縮彈性模量呈先略降后增大的趨勢，受壓破壞的壓縮變形率呈降低趨勢。

（6）采用縱向受壓BFRP筋增強混凝土承壓構件時，按（1～2）%的配筋率估算，BFRP縱筋對承壓構件抗壓承載力的貢獻率約為同條件HRB400鋼筋的1.1/3。