曹曉峰， 趙 文， 謝 強， 楊國梁

(1.廣東省交通集團有限公司， 廣東 廣州 510000; 2.西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院， 四川 成都 610031)

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BFRP筋材基本力學性能試驗研究

曹曉峰1， 趙 文2， 謝 強2， 楊國梁2

(1.廣東省交通集團有限公司， 廣東 廣州 510000; 2.西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院， 四川 成都 610031)

玄武巖纖維筋材(BFRP)具有耐腐蝕、強度高、質(zhì)量輕、介電性能好等優(yōu)點，是一種綠色環(huán)保的鋼筋替代材料。通過抗拉伸試驗、抗剪試驗、耐腐蝕試驗，研究了玄武巖纖維強度、變形和破壞等力學性能。對BFRP筋材作為錨桿應(yīng)用的可行性以及錨具的制作做出了探討和建議。試驗結(jié)果表明：BFRP筋材的抗拉強度是普通鋼筋的2倍以上，彈性模量約為鋼筋的1/4。BFRP筋的彈性模量主要與玄武巖纖維的含量有關(guān)，玄武巖纖維含量越高，BFRP筋的抗拉彈性模量越大。BFRP筋材的抗剪強度僅略小于鋼筋的抗剪強度，在160～190 MPa之間。與鋼筋相比，BFRP筋在抗拉強度、耐腐蝕等方面具有明顯的優(yōu)勢，非常適合用作錨桿拉筋，可有效解決傳統(tǒng)鋼材錨桿容易銹蝕的問題。

玄武巖纖維筋材； 拉伸試驗； 剪切試驗； 耐腐蝕試驗； 力學性能

0 前言

玄武巖連續(xù)纖維是玄武巖石料經(jīng)過1450～1500 ℃熔融后，再通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維。玄武巖長絲生產(chǎn)過程不需要添加任何助劑便可成型，無污染，無有毒廢料，使用過的產(chǎn)品可以回爐再生，是一種完全綠色的無機纖維材料[1]。玄武巖纖維增強聚合物(Basalt Fiber Reinforced Polymer，簡稱BFRP)筋是以玄武巖纖維為增強材料，以合成樹脂為基本材料，并摻入適量輔助劑，經(jīng)拉擠工藝和特殊的表面處理形成的一種新型非金屬復(fù)合纖維增強材料。與鋼筋相比，BFRP筋具有耐腐蝕、強度高、質(zhì)量輕、抗疲勞、絕緣等優(yōu)點，在土木工程中的應(yīng)用前景十分廣泛，可以作為解決鋼筋銹蝕問題的一種有效方法[2-7]。

BFRP筋材在巖土工程中的應(yīng)用研究并不多見[8-11]，為了探究玄武巖纖維錨桿應(yīng)用的適宜性，有必要對其力學特征和工程中需要注意的問題進行綜合分析。其基本力學性能參數(shù)是BFRP筋材錨桿的工程應(yīng)用設(shè)計的重要參數(shù)。本文通過抗拉伸試驗、耐腐蝕試驗、抗剪試驗，研究BFRP筋材的基本力學性質(zhì)和耐腐蝕性能，為BFRP筋材在巖土工程中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 BFRP筋材拉伸試驗

拉伸試驗主要是測試BFRP筋材的抗拉強度、彈性模量、延伸率等力學指標。試驗用材料為四川航天五源復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的BFRP螺旋狀筋材，其表面進行了粘砂處理，密度為2.1 g/cm3。

BFRP筋材呈各向異性，橫向抗剪強度低，縱向抗拉強度高[3]，進行BFRP筋拉伸試驗時，如果直接將BFRP筋材安放在試驗機夾具上，荷載施加過程中，端部很容易被壓壞而無法測定BFRP筋材的真實抗拉強度。根據(jù)國內(nèi)外對纖維材料拉伸強度試驗的經(jīng)驗，在拉伸試驗中，將無縫鋼管粘結(jié)到筋材的兩端作為夾具。拉伸試驗在數(shù)控液壓萬能試驗機進行。拉拔試樣需滿足萬能試驗機的行程，試樣長度為70 cm，保證中間自由段長度不小于30 cm。試樣選用直徑為Φ6、Φ8、Φ10、Φ12、Φ14 mm的BFRP筋材，每組4個試樣。在試件中部安裝高靈敏度的數(shù)字引伸計對其拉伸長度進行采集，萬能試驗機以2 mm/min的加載速率進行加載直至試件破壞，并記錄試件破壞時的最大拉應(yīng)力與破壞形態(tài)。

BFRP筋材在拉伸過程中，表面出現(xiàn)膠合劑剝落，隨后纖維拉斷出現(xiàn)毛刺，纖維間縱向滑移后破壞，即BFRP筋的樹脂拉裂，纖維部分拉斷。BFRP筋破壞過程中，荷載一直穩(wěn)定地增大；繼續(xù)加載，出現(xiàn)纖維與樹脂剝離的響聲；加載后期，纖維剝離的響聲不斷增大，BFRP筋材表面出現(xiàn)白斑狀裂紋。隨荷載進一步增加，響聲不斷增大，變得頻繁，伴隨一聲巨響纖維忽然斷裂，BFRP筋材中部成爆炸狀被拉斷。BFRP筋的拉伸試驗結(jié)果見表1所示。

試驗結(jié)果(見圖1～圖3)表明，Φ6、Φ8、Φ10、Φ12、Φ14 mm筋材的抗拉強度平均值分別為1292、1119、1067、891、917 MPa，是普通鋼筋的抗拉強度的2倍以上。BFRP筋材的彈性模量(取應(yīng)力-應(yīng)變曲線上直線段的平均模量)平均值約50.1～62.4 GPa，約為鋼筋彈性模量的1/4。BFRP筋材斷裂具有突發(fā)性，屬于脆性破壞，BFRP筋材的延伸率在2.0%～2.5%。

表1 BFRP筋材拉伸試驗數(shù)據(jù)表Table1 DataofBFRPbartensiletest試驗編號最大拉力/N最大應(yīng)力/MPa平均應(yīng)力/MPa延伸率/%平均延伸率/%彈性模量/GPa彈模均值/GPa6-13523112481.2643.06-23826213571.9264.912922.1062.46-33677013012.1863.46-43565012622.2158.88-15357110662.1550.28-26027612002.1757.111192.1154.68-35925211792.0860.18-45185910322.0251.010-1762299712.1545.610-28711011102.4853.110672.4050.110-38698211082.5053.210-48474110802.4548.612-11021519042.1451.412-21017679002.3353.48912.2554.712-3986308732.1856.612-41003588882.3557.314-11404899132.2652.314-21363298862.4353.29172.3753.614-31457379472.4754.814-41416419212.3154.2

圖1 拉伸試驗Figure 1 The tensile test of BFRP bar

圖2 試驗后的照片F(xiàn)igure 2 The picture after tensile test

圖3 BFRP筋材拉伸試驗典型應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線Figure 3 The typical stress-strain curve of BFRP bar tensile test

此外，從BFRP筋材拉伸試驗全應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，BFRP筋材在破壞前基本上為線彈性變形，在破壞發(fā)生前，沒有塑形屈服臺階。斷裂具有突發(fā)性，屬于脆性破壞。

2 BFRP筋耐腐蝕試驗

研究玄武巖纖維長期處于酸、堿性環(huán)境中的強度保持率。試驗僅比較復(fù)合筋的抗拉強度損傷率，不需測量彈性模量等力學性能指標。試樣選用直徑為Φ6、Φ8、Φ10 mm的BFRP筋材各4根，分別放在酸堿溶液中。酸性溶液為：0.025 mol/L的硫酸；堿性溶液濃度為： 2.5 g/L的Ca(OH)2。每日對溶液進行一次攪拌，并測量pH值，確保pH值大小不變。

對筋材酸堿浸泡1個月的筋材進行強度測試，結(jié)果如表2所示。隨著腐蝕時間的增加，BFRP筋材的外觀也有一定的變化。腐蝕后的BFRP筋材與未腐蝕時相比失去了光澤，筋材外表黏附的石英砂剝離。同時觀察兩種腐蝕溶液，發(fā)現(xiàn)酸性溶液比堿性溶液對BFRP筋材的腐蝕程度要大一點。試驗表明，BFRP筋材耐酸堿腐蝕能力高，耐酸強度保留率大于92%，耐堿強度保留率大于94%。

表2 經(jīng)過酸堿溶液浸泡后的強度試驗結(jié)果Table2 TheresultsoftensilestrengthtestofBFRPbarsafterimmersioninacid-basesolution筋材直徑/mm酸溶液堿溶液平均強度/MPa保留率/%平均強度/MPa保留率/%6119092.1121794.28106094.7108196.610102796.3104597.9

3 BFRP筋抗剪強度試驗

參考普通材料的試驗方法，使用三點剪切試驗法，通過萬能試驗機來進行試驗(見圖4,圖5)。將試件穿過鋼套管，并將整個支架放在萬能試驗機上，進行抗剪試驗。當試驗試件受力開始出現(xiàn)下降的時候，表明達到最大剪切應(yīng)力，試驗結(jié)束，筋材剪斷面較為平整，剪切均勻。

圖4 BFRP筋材抗剪強度試驗Figure 4 The shear strength test of BFRP bar

圖5 BFRP筋材剪斷截面Figure 5 The shearing section of BFRP bar

本次試驗選用3中不同直徑的筋材，分別為Φ10、Φ12、Φ14 mm。試樣剪斷前，所承受的最大負荷下的受剪截面具有的平均剪應(yīng)力就是抗剪強度。

(1)

式中： P為剪切時的最大負荷；S為受剪部位的原橫截面積。BFRP筋材抗剪強度數(shù)據(jù)見表3,圖6。

表3 BFRP筋材抗剪強度試驗結(jié)果Table3 TheresultsofshearstrengthtestofBFRPbars型號/mm破壞荷載/N抗剪強度/MPa實測值平均值51502167.41462712203.818758404189.842722189.01243952194.418945022199.139608175.224330155.01020226128.815928858183.826310167.6

圖6 Φ 12 mm BFRP筋材的剪切應(yīng)力 — 位移曲線Figure 6 The Shear stress-displacement curve of BFRP bars with Φ 12 mm

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，因為玄武巖纖維筋材為纖維束通過環(huán)氧樹脂膠水粘接而成的，所以玄武巖纖維筋材不能像鋼筋等均質(zhì)材料那樣來使用一個強度指標概括。從數(shù)據(jù)分析可以得出不同直徑的玄武巖纖維筋材的抗剪強度不同，而直徑越大，抗剪強度越大。普通鋼筋的抗剪強度在190 MPa左右，從試驗數(shù)據(jù)來分析，玄武巖纖維筋材與鋼筋的抗剪強度相差不大。

4 結(jié)論

① BFRP筋材的抗拉強度約891～1292 MPa，彈性模量約50.1～62.4 GPa，抗拉強度是普通鋼筋的2倍以上，彈性模量是普通鋼筋的1/4左右。

② BFRP筋材在破壞前基本上為線彈性變形，在破壞發(fā)生前，沒有塑形屈服臺階。斷裂具有突發(fā)性，屬于脆性破壞。延伸率在2.0%～2.5%。

③ BFRP筋材耐候性能良好，在飽和酸堿溶液的長期浸泡抗堿性能比抗酸性能要好。試驗玄武巖纖維復(fù)合筋實測1個月耐堿強度保留率大于94%，耐酸強度保留率大于92%。

④ BFRP筋材的抗剪強度約為159～189 MPa，略小于普通鋼筋的抗剪強度。

⑤ BFRP筋材抗拉強度高、耐酸堿，抗剪強度高，是在巖土工程中推廣應(yīng)用，特別適合于易受腐蝕環(huán)境影響的受拉構(gòu)件，如抗浮錨桿、海工工程等。

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Experimental Study on Mechanical Properties of Basalt Fiber Reinforced Plastic Rebar

CAO Xiaofeng1, ZHAO Wen2, XIE Qiang2, YANG Guoliang2

(1.Guangdong Communication Group Co., Ltd, Guangzhou,Guangdong 510000, China; 2. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu,Sichuan 610031, China)

The basalt fiber reinforced plastic (BFRP) is a kind of material with good mechanical properties and excellent corrosion resistance. The problem of durability of concrete can be solved if steel bars are substituted with BFRP. The strength, deformation and failure characteristics are studied by tensile test, shearing test and corrosion resistance test. The feasibility of BFRP as rebar for anchor bolt and the design of anchorage device are discussed and some advices are proposed. The result of tests show that the tensile strength of BFRP is 200% higher than common steel, and elasticity modulus is a quarter of the common steel. The elasticity modulus of BFRP has positive correlation with basalt fiber content. The shear strength of BFRP is lower than common steel, the value is between 160～190 MPa. Compared with common steel, the BFRP has advantage in tensile strength, corrosion resistance and if is used as rebar for anchor bolt the corrosion problem of steel rebar of anchor bolt can be solved.

BFRP; tensile test; shearing test; corrosion resistance test; mechanical test

2016 — 05 — 05

廣東省交通運輸廳科技項目(科技-2013-02-012)

曹曉峰(1965 — )，男，浙江蘭溪人，碩士，高級工程師，主要從事公路工程建設(shè)和管理研究。通訊作者: 趙 文，wenzhao@swjtu.cn

U 414.1

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