BFRP片材受拉力学性能测试及设计讨论

2021-03-15许迪鑫郑宏宇

广西城镇建设 2021年2期

□ 许迪鑫郑宏宇秦鹏黄琦

1 引言

玄武岩纤维增强复合材料（Basalt Fiber Reinforced Polymer，BFRP）是以玄武岩作为原材料，在高温（1500℃）下熔化，通过拉拔制成的一种较新兴的纤维复合材料，具有耐酸碱腐蚀性能优良、轻质高强、耐高温等特点[1]，通常被用作结构加固补强的材料之一，已在道路、桥梁、建筑和特种结构中应用较为广泛。近年来，已有研究者对BFRP材料进行的受拉性能试验表明[2]，BFRP材料的受拉应力—应变关系呈直线，没有屈服平台，达到极限拉应变后发生断裂，是一种典型的脆性材料。然而，对于BFRP增强混凝土结构设计中BFRP材料的强度取值和利用率仍未有统一结论，尚需更多试验数据积累。

为了全面了解BFRP材料的性能，笔者对BFRP片材的受拉性能进行测试，获取破坏形态、抗拉强度、弹性模量、断裂伸长率，分别对BFRP材料在混凝土构件加固中的利用率、承载力设计时BFRP材料强度的取值展开讨论并给出建议，为实际工程结构的设计和应用提供参考。

2 试验概况

本次测试所用的BFRP布由南京开博锐工程技术有限公司生产，面密度为300g/m2，名义厚度为0.114mm。测试用的浸渍胶为KBR-Y01碳纤维复合材浸渍粘贴胶，由南京开博锐工程技术有限公司提供，是一种A、B两组分改性环氧树脂类黏胶剂，配比为主剂:固化剂=2:1，符合《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》（GB 50728—2011）中A级胶的技术指标要求。

2.1 BFRP片材拉伸试件设计和制作

BFRP片材试件的设计和制作参考规范[3]进行，以片材层数为变量，试件的宽度为25mm，测试段长度为150mm，共制作4组试件，每组5个。为了防止BFRP片材在拉伸测试时被夹具夹坏，在试件两端粘贴2mm厚的铝片作为加强片，为保证黏结效果，铝片长度随层数的增加而相应增长。试件参数详见表1，试件尺寸如图1所示。

表1 BFRP片材受拉测试试件参数

图1 BFRP片材受拉测试试件尺寸示意图

试件制作方法如下：先裁剪BFRP布，将浸渍树脂按照主剂:固化剂=2:1的比例混合，均匀涂刷在BFRP布两面上，待其充分浸润后，用塑料薄膜覆盖在BFRP布的两面，并用玻璃板压紧，静置2d。待浸渍树脂固化后，撤除玻璃板，得到光滑的BFRP板，再按所需尺寸裁剪成BFRP片材。最后将铝片通过浸渍树脂粘贴在片材两端，并使用502胶水在试件正面和背面中部各粘贴1个应变片。

2.2 测试设备及测试方法

本次测试采用单调静力加载，加载设备采用WAW-600型微机控制电液伺服万能试验机。测试开始前，将应变片与数据采集仪连接，然后将试件两端的铝片放入试验机夹头中，使被夹持试件的纵轴与拉伸方向对齐，确保试件竖直无扭曲，并拧紧夹头，完成试件的安装。正式加载采用位移控制的方法，加载速率为2mm/min，直至试件破坏后停止加载。试件的荷载—应变曲线、极限荷载等数据均由试验机配套的电脑采集系统自动采集。

3 测试结果及分析

3.1 测试现象及破坏形态

加载初期，试件表面无明显变化，部分试件会发出清脆的响声，这是由于环氧树脂开裂所致。当荷载接近极限荷载时，部分纤维丝先后被拉断，并发出比较大的响声，这是因为制作试件时胶水涂抹不均匀，应力集中在部分纤维丝上，造成这部分纤维丝先被拉断。当试件达到极限拉应变时，其余纤维丝几乎同时被拉断，试件破坏。

试件最终破坏形态如图2所示。由图可知，破坏时所有纤维丝均被拉断，由于应力集中现象的存在，断裂的位置各不相同，但均属于全截面拉断破坏，破坏呈脆性。

图2 BFRP片材受拉试件破坏形态

3.2 测试结果

测试获得的抗拉强度、受拉弹性模量和断裂伸长率见表2。

表2 BFRP片材受拉性能测试结果

3.3 抗拉强度

BFRP片材的抗拉强度平均值fs,m随层数n的变化情况如图3所示。

图3 四种不同BFRP片材层数的抗拉强度

由图3可以看出，BFRP片材的抗拉强度平均值随着层数的增加出现近似线性上升的趋势，2层、3层、4层的BFRP片材抗拉强度与1层相比分别提高2.66%、4.81%、9.96%，说明层数的增加对片材的抗拉强度有一定的提高作用，但提高度较小。

3.4 受拉应力—应变曲线

各试件的受拉应力—应变曲线如图4所示。

图4 BFRP片材受拉应力—应变曲线

由图4可知，BFRP片材的受拉应力—应变曲线均为线弹性，无屈服点，应力达到极限后试件瞬间失效，破坏表现为脆性。

3.5 受拉弹性模量

不同层数BFRP片材的受拉弹性模量平均值Es,m对比情况如图5所示。由图可以看出，BFRP片材的受拉弹性模量平均值随层数的增加出现先减小后增大的趋势，不同层数BFRP片材的拉伸弹性模量差异在18%以内，且与片材层数的关系无明显规律可循。

图5 四种不同 BFRP片材层数的弹性模量

3.6 断裂伸长率

BFRP片材达到抗拉强度时的应变称为断裂伸长率。不同层数BFRP片材的断裂伸长率平均值εsu,m对比情况如图6所示。由图可知，BFRP片材的断裂伸长率平均值整体偏低，一方面是因为BFRP片材本身是脆性材料，另一方面是因为制作试件时涂刷的浸渍树脂固化后成脆性，两种材料组合起来使得整体的延性降低。

图6 四种不同 BFRP片材层数的断裂伸长率

4 讨论

4.1 BFRP加固混凝土构件的原理

目前BFRP加固的混凝土构件以柱子为主，通常采用全包[4]或条带式间隔约束[5]的方式进行加固。其原理为柱子在受压的同时会发生横向膨胀，使BFRP处于受拉状态，对柱子产生侧向约束力，在一定程度上限制其横向泊松变形，柱子由于处于三向受压的状态使得抗压承载力又能进一步提升。

4.2 BFRP在混凝土构件加固中的利用率

当BFRP用于混凝土构件加固时，由于混凝土表面存在缺陷和构件在受力的过程中会产生不均匀变形，易使BFRP局部出现应力集中而断裂较早，故构件破坏时，某些位置BFRP的应变可能未达到其极限应变[6]，故存在BFRP的有效拉应变系数，即构件破坏时BFRP的应变与在材性实验时BFRP的断裂应变的比值，笔者称之为BFRP利用率。已有研究表明，不同构件中FRP利用率波动的幅度很大，在0.13～1.0之间[7]。故BFRP在用于实际加固时，应采取有效措施减小其应力集中的可能性，提高BFRP的利用率。