戴良軍，黃鏡渟，崔林釗，高鵬，朱大勇

（1.安徽建工集團控股有限公司，安徽 合肥 230031；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009；3.合肥學(xué)院，安徽 合肥 230601；4.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100）

0 引言

厚度是玄武巖纖維（BFRP）布的重要指標(biāo)，直接影響其力學(xué)性能。BFRP布是由圓柱形纖維絲排列或者編織而成，微觀上BFRP布的表面并非直線，因此其厚度不可簡單理解，尤其當(dāng)用厚度計算單位長度的橫截面積時，取值可能模糊。我國涉及BFRP布的規(guī)范對厚度有明確定義，但是對厚度測定方法并未做任何說明。因此在實際應(yīng)用中，選用恰當(dāng)?shù)姆椒y定厚度對BFRP布的研究和應(yīng)用十分重要。

1 BFRP布厚度的兩種定義

BFRP布厚度的兩種定義分別稱為名義厚度和計算厚度，名義厚度也稱實際厚度或?qū)崪y厚度，計算厚度也稱理論厚度或理論計算厚度。

名義厚度一般指通過游標(biāo)卡尺、螺旋測微器等儀器測量獲得的BFRP布自然狀態(tài)下厚度方向的尺寸，由于測量時還存在誤差，所以需進行多次測量并取其算術(shù)平均值，如圖1所示。

圖1 試件斷面圖-名義厚度

計算厚度取BFRP布的單位面積質(zhì)量除以纖維的密度，其為按等面積折算后純纖維在沒有任何空隙狀態(tài)下厚度方向的尺寸[1-2]，如圖2所示。從圖2可看出，折算后的計算厚度小于名義厚度。依據(jù)國家規(guī)范，BFRP布抗拉強度計算時應(yīng)采用計算厚度[3]。

圖2 試件斷面圖-計算厚度

現(xiàn)今市場上BFRP布厚度類型不明確，有些廠家提供的是名義厚度值，有些則提供計算厚度值。

2 名義厚度和計算厚度的測定試驗

2.1 名義厚度的測定試驗

采用游標(biāo)卡尺測量。選擇BFRP布內(nèi)任意三點測定三次，取其算術(shù)平均值。但試驗過程中，發(fā)現(xiàn)此種測定方法離散性較大。而依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《增強材料 機織物試驗方法 第1部分：厚度的測定》（GB/T 7689.1—2013），可解決此問題，步驟如下[4]：

（1）對于試樣：要求測量應(yīng)在表面無損傷或無折疊的織物上進行。測試試樣應(yīng)為整卷布或從布卷上取整幅寬≥150 mm的布條。

（2）對于測點：測量點距布卷的始、終端應(yīng)都≥300 mm，距布邊≥50 mm。在整個寬度上等間隔地測試10點，各點間隔≥75 mm。

（3）對于施力大?。涸囼炇┝Σ捎醚b載測量柱，并規(guī)定其測柱面積及施加的標(biāo)準(zhǔn)壓力，具體數(shù)值可參考標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。

（4）對于測量工具：標(biāo)準(zhǔn)建議的三種儀器分別為靜重測微計、電測微計或刻度盤測微計，前兩者精度為0.001 mm，后者為0.01 mm。在施力30 s后用測微計測定不受張力的織物厚度。

此標(biāo)準(zhǔn)對試樣和測點都做了嚴格要求，以保證測點數(shù)據(jù)具有真實性和代表性。對比游標(biāo)卡尺測定方法，測試點由3個變?yōu)?0個，準(zhǔn)確性也有所增加。施力時間統(tǒng)一規(guī)定為30 s，使數(shù)據(jù)離散性大幅減小。最后對于測量工具，游標(biāo)卡尺精度只有0.02 mm，而此處三種儀器最差的精度也為0.01 mm，精度明顯提高。但由于試驗設(shè)施的不完備，最后委托青島科標(biāo)檢測測試中心按此種方法進行測定。

2.2 計算厚度的測定試驗

BFRP布計算厚度應(yīng)按照《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材》（GB/T 21490—2008）和《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用玄武巖纖維復(fù)合材料》（GB/T26745—2011）附錄中規(guī)定的公式計算，如式（1）所示。

式中，t為BFRP布的計算厚度，單位mm；Mu為BFRP布的單位面積質(zhì)量，單位g/m2；ρc為纖維密度，單位g/m3。

對于單位面積質(zhì)量，按照《增強制品試驗方法第3部分：單位面積質(zhì)量的測定》（GB/T 9914.3—2013）進行測定[5]。首先從待測BFRP布卷上切取寬度≥35 mm的布條，切取時應(yīng)注意離開布卷的始、終端及布邊至少50 mm。然后，在布條上每間隔50 cm取3個10 cm的正方形試樣。此步驟應(yīng)在白紙或試樣皿上進行操作，防止裁剪時有纖維掉落。最后，在MP200A電子精密天平（精度為0.001 g）稱得3個試樣的凈重量，取其平均值。

對于纖維密度，則采用較為便捷的比重瓶法進行測定。將待測纖維浸入某種其無法溶解的液體里，測量纖維排出的液體體積，進而可計算出纖維密度。此種方法對于吸濕性差的玄武巖纖維尤為合適。該試驗全程在25℃恒溫試驗室中進行，主要步驟如下：

（1）隨機取小塊的BFRP布，充分扯松并除去雜質(zhì)，將纖維剪碎至1 mm左右。稱量1 g左右放入紙盒中待用，記為纖維的干燥質(zhì)量ms。

（2）將水煮沸、冷卻后盛于大燒杯中備用。

（3）洗凈9個50 mL的比重瓶，并在100℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干，待瓶充分冷卻后備用。

（4）將（2）中純水注滿比重瓶，塞緊瓶蓋，多余的水自行從瓶塞毛細管中溢出。擦干外壁水后，稱取瓶與水的總質(zhì)量m1。

（5）倒出部分水后，用小漏斗將（1）中的纖維慢慢倒入比重瓶中，過程中確保沒有散碎纖維漏出。之后再次重復(fù)（4）中操作，將瓶中水注滿。

（6）將瓶置于酒精燈上煮沸以減少纖維表面氣泡對試驗結(jié)果的影響。操作后若有些許水分蒸發(fā)，可再次重復(fù)（4）中操作，將瓶中水注滿。靜置一段時間（至少1 h以上），待冷卻后稱量瓶、水和纖維的總質(zhì)量ms1。

最終，可計算出纖維的密度，如式（2）所示：

3 試驗結(jié)果的分析與對比

根據(jù)上述幾種方法，選取市場上不同廠家不同種類的BFRP布產(chǎn)品進行分組試驗，測得數(shù)據(jù)如表1和2所示。

由表1可知，各組玄武巖纖維密度平均值在2.6~2.7 g/cm3范圍內(nèi)波動，且未超過2.9 g/cm3，說明其密度范圍可定在2.6~2.9 g/cm3。但第6組纖維密度平均值僅為2.43 g/cm3，推測原因為纖維表面附著的氣泡未完全去除。不同廠家不同類型的玄武巖纖維密度值有差別，與纖維材料性能有著密切關(guān)系。所有組的密度標(biāo)準(zhǔn)差皆小于0.05且變異系數(shù)皆小于3%，表明試驗數(shù)據(jù)離散性很小，具有較高的可靠性。

表1 BFRP纖維密度的試驗結(jié)果

由表2可看出，名義厚度皆大于計算厚度。其中對于雙向BFRP布，名義厚度所測得數(shù)據(jù)為經(jīng)緯向纖維的疊加厚度，其值基本大于計算厚度2倍以上。原因是，計算厚度為折算后純纖維在無空隙狀態(tài)下的厚度。但名義厚度除了純纖維厚度還包括基體和外部間隙的厚度，且受測量時施力大小和布編織松散程度等外部因素影響。

4 結(jié)論

（1）BFRP布厚度可分為名義厚度和計算厚度。名義厚度用于描述BFRP布的幾何尺寸，計算厚度是材料力學(xué)性能指標(biāo)計算所需的重要參數(shù)之一。

（2）BFRP布名義厚度可直接用游標(biāo)卡尺測量，也可依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《增強材料 機織物試驗方法 第1部分：厚度的測定》（GB/T 7689.1—2013）測量。后種方法所測值更加真實和穩(wěn)定。

（3）BFRP布計算厚度需測其單位面積質(zhì)量及纖維密度，其中對于玄武巖纖維密度可采用比重瓶法測量。試驗結(jié)果離散性很小，可靠性高。

（4）測得BFRP布名義厚度值都大于計算厚度值。且兩種厚度的定義、用途和測試方法皆有不同，數(shù)值雖差別較大但都具有真實性。而市場上僅少數(shù)廠家提供BFRP布厚度數(shù)據(jù)，且未區(qū)分兩種厚度類型，因此急需加強對BFRP布厚度測定的規(guī)范化。