玄武岩纤维复合筋与混凝土的粘结性能试验

2022-05-13陈思可张君禄黄锦林

广东水利水电 2022年5期

陈思可,谢亮,张君禄,黄锦林 ,郑翔

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.广东省水利新材料与结构工程技术研究中心，广州 510635；3.浙江新纳复合材料有限公司，浙江东阳 322118)

1 概述

玄武岩纤维复合筋(Basalt Fiber Reinforced Plastics 简称 BFRP)是以玄武岩纤维为增强材料，以合成树脂为基体材料，并掺入适量辅助剂，经拉挤工艺和特殊的表面处理形成的一种新型非金属复合材料[1-3]。从1840年英国开发出以玄武岩为主要材料所生产的岩棉试制成功，玄武岩制品的开发历史至今已有180多年。玄武岩纤维于1953年由前苏联莫斯科玻璃和塑料研究院开发出并批量生产至今也已经过近70 a，产品全部用于前苏联国防军工和航天﹑航空领域[4-5]。

高性能纤维在土木工程领域的应用一直受到人们的关注，常用于混凝土增强的高性能纤维材料有玻璃纤维、碳纤维和芳纶。玻璃纤维不耐碱、老化快、与混凝土的适配性差，所以自20世纪60年代以来，在土木建筑中较少使用玻璃纤维增强混凝土。碳纤维和芳纶的生产过程严重污染环境，加之产品价格一直居高不下，使其在土木工程领域中的应用受到极大的制约[6-7]。

BFRP具有高强、轻质、耐碱、耐酸和耐自然元素的腐蚀等优异的物理化学性质[8-9]，则具有广泛的工程运用前景。同时，玄武岩纤维复合筋的热膨胀系数与混凝土相近，确保了混凝土与筋材的同步变形；加之由于该材料在纵向可连续生产，用于连续配筋水泥混凝土可根据设计长度进行配置，减少了钢筋配筋纵向焊接工序，大大提高了工程建设进度，具有广泛的工程应用前景。但BFRP在土木工程行业的运用尚属新型产品，其自身的物理、化学性能、力学性能以及与混凝土的组合受力性能还需进一步研究[10-13]。

BFRP与混凝土的粘结性能可以反映增强筋和混凝土之间的相互作用效果，是影响BFRP推广应用的关键技术之一[14-20]。目前国内外学者对BFRP筋与混凝土的粘结性能进行了研究，主要集中在粘结性能影响因素[14-16]，粘结滑移曲线过程分析[17-19]以及粘结滑移模型建立[19]等方面，这些成果为BFRP筋在混凝土结构中的应用奠定了基础。

BFRP作为一种新型的建筑材料，其工作性能并未完全探清，加之目前在工程应用中，BFRP的各项设计参数及计算理论还并不十分明确[20]。为明确BFRP的各项设计参数与性能指标，本文针对性的开展变化环境温度下BFRP与混凝土粘结性能试验，考虑不同环境温度、基体混凝土强度等级对BFRP与混凝土粘结性能的影响，以钢筋试样作为对比，为BFRP在实际工程运用中所需的设计参数及计算理论提供试验数据支撑和参考依据。

2 试验材料及方法

2.1 材料

试验选用BFCB-10-A-ER玄武岩复合筋和HRB400E钢筋进行试验，试验所用BFRP由浙江新纳复合材料有限公司生产，钢筋由广东韶钢松山股份有限公司生产。

2.2 试验依据及方法

2.2.1筋材物理力学性能试验

参考《公路工程玄武岩纤维及其制品第4部分：玄武岩纤维复合筋》(JT/T 776.4—2010)对BFRP进行物理力学性能试验，参考《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》(GB/T 1499.2—2018)对钢筋进行物理力学性能试验。

2.2.2筋材与混凝土的粘结性能方法

参考《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)中对于钢筋与混凝土粘结强度对比试验方法，对BFRP与混凝土粘结强度进行试验。根据图1中的尺寸要求，制作立方体拔出试件，混凝土中无粘结部分的试件应套上硬质的光滑塑料套管，末端与钢筋之间空隙应封闭。将制作试件标准养护至28 d龄期后，逐一按图2所示的加载装置对各试件进行加载，直至试件破坏。在试验过程中，对试件破坏力、试件破坏位置等信息进行记录。

图1 BFRP与混凝土拔出试件尺寸要求示意(单位：mm)

图2 BFRP与混凝土拔出试验装置示意(单位：mm)

具体试验步骤如下：

1)根据试验要求选定粒径组成为5～10 mm的粗集料，并进行C40、C60水泥混凝土配合比设计，混凝土配合比见表1。

表1 试验用混凝土强度等级及配合比 kg/m3

2)将待试验的BFRP与热轧带肋钢筋与混凝土间无粘结部分套上套管，并配置相应标号的混凝土灌入模具中并振实。

3)将制作好的试件养护至初凝后拆模，并置入标准养护室养护至28 d龄期，并将养护至 28 d 龄期的安装BFRP的粘结性能试验试件的受拉端进行加固，其加固方式同拉伸试验。

4)将养护完成的试件分别置于不同温度的恒温箱中保温8 h，试件逐一从恒温箱中取出，从试件取出至开始加载的时间不大于30 s。试件安装至试验机上，以 3 kN/min 的速率对试件进行加载，直至出现：① 复合筋或钢筋自由端相对混凝土立方体发生明显相对滑动；② 混凝土立方体劈裂破坏；③ 上述情况发生后即停止试验，并记录破坏荷载与破坏形态。

3 试验结果与讨论

3.1 BFRP及钢筋物理力学性能

试验选用直径为10 mm的有螺纹的环氧树脂玄武岩纤维复合筋，考虑尺寸和外观形状的影响，选用直径为10 mm的带肋的抗震钢筋作为参比。试验中BFRP的密度较小，仅为2.0 g/cm3，仅为钢筋密度的25%；试验中BFRP的抗拉强度为1 265 MPa，为同直径钢筋抗拉强度的2倍。BFRP具有轻质、高强的特点，拉伸性能优异，但其断裂伸长率仅为2.64%，远低于同直径钢筋的13.5%，表现出脆性断裂，物理力学性能对比见表2～表3。

表2 BFCB-10-A-ER玄武岩复合筋物理力学性能

表3 HRB400E钢筋物理力学性能

3.2 BFRP、钢筋与混凝土的粘结强度

BFRP和钢筋的外观形状有一定差异，表面状态也不同，因此与混凝土的粘结强度也存在差异。开展了基体混凝土强度等级为C40，试验温度为20℃下BFRP、钢筋与混凝土的粘结强度，每组6个试样，试验结果见表4所示。试样破坏形式均为从试样中拔出，BFRP与C40混凝土的粘结强度平均值为18.9 MPa，标准偏差为1.3 MPa；钢筋与C40混凝土的粘结强度平均值为17.0 MPa，标准偏差为0.7 MPa。螺纹BFRP与混凝土的粘结性能优于同直径的带肋钢筋，但BFRP筋与混凝土的粘结强度标准偏差偏大，这主要是因为BFRP筋的拉伸变形较小，拔出拉伸峰值的变化较大。

表4 BFRP、钢筋与C40混凝土的粘结强度 MPa

3.3 混凝土强度等级对BFRP、钢筋与混凝土粘结强度的影响

基体混凝土的强度等级也会影响BFRP、钢筋与混凝土的粘结强度。试验同样开展了基体混凝土强度等级为C60，试验温度为20℃的情况下BFRP、钢筋与混凝土的粘结强度，试验结果见表5所示。

表5 BFRP、钢筋与C60混凝土的粘结强度 MPa

试样破坏形式均为从试样中拔出，BFRP与C60混凝土的粘结强度平均值为29.3 MPa，标准偏差为1.5 MPa；钢筋与C60混凝土的粘结强度平均值为26.5 MPa，标准偏差为0.7 MPa。在基体为C60混凝土的情况下，螺纹BFRP与混凝土的粘结性能同样优于同直径的带肋钢筋，同时粘结强度标准偏差也较大。相比于C40强度等级的基体混凝土，C60混凝土作为基体时，BFRP、钢筋与混凝土的粘结强度均得到显著提升。提高基体混凝土强度，有利于提高筋材与混凝土的粘结强度。

3.4 温度对BFRP、钢筋与混凝土粘结强度的影响

试验温度也会影响BFRP、钢筋与混凝土的粘结强度，进一步开展温度为40℃、60℃的情况下BFRP、钢筋与混凝土的粘结强度试验，结果见表6所示。

表6 试验温度为40℃和60℃下BFRP、钢筋与混凝土的粘结强度 MPa

所有试样破坏形式均为从试样中拔出，试验温度为40℃时，BFRP与C60混凝土的粘结强度平均值为30.8 MPa，标准偏差为1.6 MPa；钢筋与C60混凝土的粘结强度平均值为25.6 MPa，标准偏差为1.0 MPa。试验温度为60℃时，BFRP与C60混凝土的粘结强度平均值为26.5 MPa，标准偏差为1.2 MPa；钢筋与C60混凝土的粘结强度平均值为20.3 MPa，标准偏差为0.9 MPa。通过与表5中试验温度为20℃时，BFRP、钢筋与混凝土的粘结强度对比可知，随着试验温度的提升，BFRP与混凝土的粘结强度先升高后降低，钢筋与混凝土的粘结强度显著降低。因此在实际工程中环境温度对钢筋与混凝土的粘结强度的不利影响明显大于BFRP与混凝土的粘结强度。