玄武岩纤维复合筋受拉性能试验及其增强混凝土结构的方式分析

2022-02-11郑宏宇廖澍峰袁世杰江怀雁

广东土木与建筑 2022年1期

郑宏宇，廖澍峰，袁世杰，江怀雁

（1、广西大学土木建筑工程学院工程防灾与结构安全教育部重点实验室南宁 530004；2、华蓝设计（集团）有限公司南宁 530029；3、广西建设职业技术学院土木工程系南宁 530007）

0 引言

玄武岩纤维复合材料筋（Basalt Fiber Reinforced Polymer Bar，简称为“BFRP 筋”，下同），是由玄武岩纤维和基体树脂经拉挤工艺和表面处理制成的一种新型非金属复合塑料筋材［1］。BFRP 筋与CFRP、GFRP、AFRP 等FRP 筋相似，也具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳性能好等优点［2-5］，在海洋富含氯离子环境、酸碱腐蚀环境和特殊环境中作为混凝土结构的增强筋和加固材料［6］，具有钢筋所不具备的优势。

国内外学者对BFRP筋基本力学性能进行的测试结果表明［7-9］，BFRP 筋的应力-应变关系呈线性，无屈服平台，破坏呈脆性，但受筋材组分、生产工艺、测试方法等因素的影响，各学者提供的数据差异较大，使得在配置BFRP筋的混凝土结构设计中，BFRP筋材的强度取值，尤其是抗压强度及其对构件承载力的贡献率，仍无统一取值，因此尚需更多试验数据积累，以便根据可靠度理论确定设计强度和设计方法。

本文对一种国产BFRP 筋的受拉性能进行测试，获取破坏形态、抗拉强度、抗压强度、弹性模量、应力-应变曲线、延伸率，分析破坏形态和筋材直径对上述拉伸性能指标的影响规律，并对BFRP 筋作为混凝土结构增强筋的方式进行分析，以便为BFRP 筋在混凝土结构中的应用提供试验和理论依据。

1 试验概况

1.1 筋材外观及组分

测试的BFRP筋为南京某公司生产的绿博纤维复合筋系列，筋材名义直径分为8 mm、10 mm、12 mm共3 种，玄武岩纤维体积分数均为70%，质量分数为85%，不同直径的筋材纤维体积分数在5%以内浮动，基体树脂类型为环氧树脂类。筋材表面做喷砂处理，通过挤压工艺形成螺旋状弧形凹肋，凹肋间距均为10 mm，直径8 mm、10 mm、12 mm 筋材的凹肋深度分别为0.5 mm、0.6 mm、0.8 mm。3 种直径的BFRP 筋的外观如图1所示。

图1 3种直径的BFRP筋的外观Fig.1 Appearance of Three Diameter BFRP Bars

1.2 BFRP筋受拉试件设计和制作

试件根据《结构工程用纤维增强复合材料筋：GB/T 26743—2011》［10］制作。每种直径制作5个试件，共计15 个试件。试件受拉测试段长度取为名义直径d的40 倍［10-11］。筋材两端采用3 mm 厚的钢管制成粘结型锚具进行锚固，锚固长度统一取为300 mm。锚固胶体采用环氧树脂砂浆，按环氧树脂∶改性脂肪胺固化剂（牌号593）∶水泥∶砂子=100∶28∶200∶300 的质量比配制而成［12］。拉伸测试时，凡是发生锚固失效而非BFRP 筋材料破坏的试件，均重新制作该试件再次测试。

1.3 测试方法

采用上海某公司生产的WAW-600型600 kN加载级微机控制电液伺服万能试验机进行单调静力拉伸测试。先通过预加载消除对中误差，正式测试采用0.5 kN/s 的加载速率。由试验机配套的电脑采集系统自动采集荷载-位移曲线、极限荷载和弹性模量等数据。

2 测试结果

2.1 破坏模式

测试时发生的破坏模式分为2类（见图2）：

⑴全截面拉断破坏。荷载达到极限荷载的70%以上时，先发出“啪”的一声轻响，玄武岩纤维较薄弱部分先行被拉断，其余部分仍继续承拉，同时发生应力重分布。随着荷载继续增大，越来越多的纤维被拉成丝状，同时发出“嘶啦”声，紧随其后发出“嘭”的一声巨响，纤维被拉断并散开呈絮状的灯笼形态，如图2⒜所示。玄武岩纤维筋的强度在此破坏模式中能得到充分利用，是理想的破坏模式。

⑵纵向劈裂破坏。当试件加载至接近极限荷载时，试件发出“啪”的一声轻响，试件测试段中部出现一条到多条长度较长、宽度较大的纵向裂缝，筋体分裂成几部分，外周部分纤维被拉断，承载力随即下降，如图2⒝所示。此破坏模式一般是由于内、外层纤维束受力存在差异、层间基体抗剪强度遭到破坏所致。

图2 BFRP筋拉伸试件破坏形态Fig.2 Failure Modes of BFRP Bar Specimens under Tension

2.2 破坏模式对抗拉强度和弹性模量的影响

BFRP 筋拉伸性能测试数据和对应的破坏模式如表1 所示。可以看出，破坏模式对抗拉强度的影响不明显，但对拉伸弹性模量有一定影响。总体而言，纵向劈裂破坏对应的拉伸弹性模量较全截面拉断破坏的要低一些。

2.3 抗拉强度随筋材名义直径的变化规律

BFRP 筋的抗拉强度随筋材名义直径的变化规律如图3所示。

图3 3种直径BFRP筋的抗拉强度平均值柱状图Fig.3 Column Diagram of Average Tensile Strength of Three Diameter BFRP Bars

由图3 可知，BFRP 筋的抗拉强度随名义直径的增大而近似呈线性下降趋势，其主要原因是：①纤维体积分数随筋材直径的增大而略有减小；②直径越大，筋材在拉挤生产过程中出现缺陷和强度不均匀等不利因素的机率越大；③筋材表面螺旋形压痕深度随筋材直径增大而增大，纤维弯曲程度加剧，参与抗拉的均匀程度下降。此外，由表1可看出，抗拉强度的离散程度随筋材直径的增大有减小趋势。

2.4 拉伸应力-应变曲线

各试件的拉伸应力-应变曲线如图4所示。由图4可知，BFRP 筋的受拉应力-应变曲线的斜率和峰值应力的离散程度较小，在低于（80%～90%）峰值应力时基本成线性关系，当应力超过峰值应力的80%后，部分较薄弱的玄武岩纤维先行失效，应力发生重分布，斜率会发生少许波动。总体而言，BFRP 筋无明显屈服点，拉应力达到峰值后陡然下降，具有脆性破坏的特征。

图4 3种直径BFRP筋的拉伸应力-应变曲线Fig.4 Tensile Stress-strain Curves of Three Diameter BFRP Bars

2.5 拉伸弹性模量随筋材直径的变化规律

3 种直径BFRP 筋的拉伸弹性模量对比如图5 所示。由图5 可知，不同直径BFRP 筋的拉伸弹性模量差异在10%以内，无明确规律，可认为拉伸弹性模量与筋材直径关系不明显，但由表1的标准差数值可知，拉伸弹性模量的离散程度随筋材直径的减小而减小。BFRP 筋的拉伸弹性模量平均值为5.343×104MPa，与混凝土的弹性模量为同一数量级，约为C25 混凝土弹性模量的2 倍和普通热轧钢筋、预应力钢筋弹性模量的1/4。

表1 BFRP筋试件拉伸性能测试数据Tab.1 Test Data of Tensile Properties of BFRP Bar Specimens

图5 3种直径BFRP筋的弹性模量柱状图Fig.5 Bar Chart of Elastic Modulus of Three Diameter BFRP bars

2.6 拉断伸长率随筋材直径的变化规律

因BFRP 筋拉伸至破坏基本无塑性变形，因此只能测其拉断伸长率dfu，可由下式计算得到：

式中：dfu为BFRP筋受拉至破坏时的伸长率；Nu为轴拉力峰值；Ef为拉伸弹性模量；Af为BFRP 筋的名义截面面积。不同直径BFRP筋的拉断伸长率平均值对比情况如图6所示。

图6 3种直径BFRP筋的平均拉断伸长率柱状图Fig.6 Bar Chart of Average Elongation at Fracture of Three Diameter BFRP bars

由图6 可知，BFRP 筋的拉断伸长率平均值随筋材直径的变化规律不明显。总体而言，BFRP 筋的拉断伸长率较低，实测平均值为1.78%，仅为HRB400 热轧钢筋峰值伸长率［13］的1/4.2，拉断伸长率［13］的1/9.0。

3 BFRP 筋用作混凝土构件增强筋的主要问题及解决方案

BFRP 筋的伸长率dfu虽然明显低于普通钢筋，但由于其拉伸弹性模量也低于钢筋，因此BFRP 筋仍具有较大的极限拉应变，本文实测其极限拉应变最小值为0.015 0，平均值为0.017 8，远大于混凝土的平均极限拉应变0.000 1，也明显高于HRB400 钢筋的平均屈服拉应变0.002，因此BFRP 筋作为混凝土结构的受拉纵筋时，构件破坏前能出现可观的裂缝和变形预兆，因此有一定的可行性，但需控制裂缝宽度和变形量。

本文测试的8 mm 直径BFRP 筋与抗拉强度相近的PSB785 级预应力螺纹钢筋实测应力-应变曲线［14］对比如图7 所示。图7 中，ff，ptm是BFRP 筋的极限抗拉强度实测平均值，fpym、fptm分别是预应力螺纹钢筋的屈服强度和极限抗拉强度实测平均值。

图7 BFRP筋与PSB785级预应力螺纹钢筋应力-应变曲线对比Fig.7 Comparison of Stress-strain Curves of BFRP bar and PSB785 Prestressed Rebar

由图7 可知，当预应力螺纹钢筋达到屈服应变（约0.004 5）时，发生相同应变值的BFRP 筋的应力水平为243 MPa 左右，仅达到其抗拉强度的24.7%，材料强度远未得到充分利用；而当BFRP 筋的拉应力达到预应力螺纹钢筋的屈服强度时，BFRP 筋的应变值是预应力螺纹钢筋的3.47 倍，从而导致混凝土构件的裂缝宽度和变形过大［15］，其根本原因是BFRP 筋的弹性模量较低。此外，混凝土受拉开裂时，如果BFRP筋与混凝土之间粘结完好，那么BFRP 筋的拉应力仅有5.34 MPa，可见其限裂作用非常有限。综合来看，构件裂缝宽度和变形大、强度利用率低、限裂作用小是BFRP 筋用作混凝土结构增强筋的主要矛盾。为解决这些矛盾，可利用BFRP 筋一半以上的抗拉强度对混凝土施加预压应力，以控制混凝土开裂或减小裂缝宽度，增大构件刚度，减小变形，剩余强度一方面用于抵抗外荷载作用产生的应力增量，另一方面留出一定富余度，避免BFRP筋因突然拉断而致构件脆性破坏。

根据《混凝土结构设计规范：GB 50010—2010》，预应力螺纹钢筋和钢绞线的张拉控制应力σcon的取值范围分别是（0.50～0.85）fpyk和（0.40～0.70）fptk。考虑到BFRP筋的应力-应变关系无屈服段，与钢绞线更为相似，因此参考钢绞线确定BFRP 筋的张拉控制应力取值。为了尽量克服BFRP 筋弹性模量低的不足，在混凝土中应建立较高的预压应力，建议适当提高其张拉控制应力的下限，可取（0.45～0.55）ff，ptk。另一方面，考虑到BFRP 筋的极限拉应变和伸长率小于钢绞线［16］，一旦拉断，构件将发生脆性破坏，因此应避免BFRP筋在构件破坏前被拉断。同时，因BFRP筋的应力松驰率与其初始张拉应力的大小成正比（但松驰率有限，预测松驰收敛值均在10%左右）［17-18］，因此应更进一步限制其张拉控制应力的上限值。笔者认为上限值在（0.60～0.65）ff，ptk范围内取值较为合适。