玄武岩纤维筋混凝土梁力学性能分析.pdf

张永军等 ： 玄 武岩纤维筋混凝土梁力学性 能分析 7 3 DO I ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i a w j z 2 0 1 5 0 3 0 2 8 玄武岩 纤维 筋混凝土梁力学性能分析 张永军 ， ( 大庆石化工程有限公司 ， 张德尧 黑龙江大庆1 6 3 7 1 4) 【 摘要】 玄武岩纤维增强聚合物( B F R P ) 筋是一种由玄武岩纤维增强聚合物材料与树脂基体材料组成， 经过特别的模具挤压拉拔而成的高性能复合型材料筋。B F R P筋在预应力混凝土结构中已有应用， 应用 B F R P筋 的结构具有较高的抗裂度和刚度。对 B F R P筋的研究是 B F R P筋预应力结构研究的基础， 本文进行了不同直径的 B F R P筋的力学性能试验和不同直径 B F R P筋梁的抗弯试验， 总结了 B F R P筋有关拉伸的力学性能和B F R P筋梁破 坏时的形态， 为配有 B F R P筋的混凝土结构的研究提供了依据。 【 关键词】 玄武岩纤维； B F R P 筋； 力学性能 【 中图分类号】 T U 5 2 8 5 7 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 0 7 3 0 2 B F R P ( B a s a l t F i b e r R e i n f o r c e d P o l y m e r ) 筋是 F R P ( F i b e r R e i n f o r c e d P o l y m e r ) 筋 的一种 ， 是一种 由玄武 岩 纤维增强聚合物材料与树脂基体材料组成 的高性能 复合型材料筋。B F R P筋 已经作为混凝土结构中的替 代用筋应用在了实际工程 当中。要了解它的特性 ， 首 先要 了解它 的生 产工艺 。B F R P筋 的生产工 艺较普 通 钢筋稍复杂一些 ， B F R P筋制作 的大概流程首先是将 合成的有机高强玄武岩纤维原材料注入到树脂基体 材料进行一定 比例的混合， 然后经过浸润、 压模 、 固化 等工序 ， 最后切割出不同尺寸形成 B F R P筋成 品， 整个 生产过程要求不问断连续进行。 在 B F R P筋 中， 主 要 承受外 力 的材料 是 玄武 岩纤 维材料 ， 玄 武岩纤维材 料 的含量越 大 ， B F R P筋 的抗拉 强度也就越高， 但是玄武岩纤维材料的含量过高会导 致 B F R P筋的整体延性变弱。树脂基体材料在 B F R P 筋中主要起到粘结的作用 ， 使玄武岩纤维材料能够有 效的粘结成一个整体 ， 共同抵抗外力的作用， 并且树脂 基体材料还有保护玄武岩纤维材料的作用。 由于 B F R P筋是由非金属的纤维增强聚合物和树 脂材料构成的， 所以其具有绝缘 、 强度高、 质量轻、 耐腐 蚀和耐疲劳等优点 ， 已经被认为是替代普通钢筋和预 应力钢筋用在腐蚀 环境 和特殊 环境 的最佳选 择 之一 。 故本文进行 了不 同直径 的 B F R P筋 的力 学性能 试验和 配有 B F R P筋的混凝土梁的抗弯力学性能分析试验， 希望能为实 际工程 中配有 B F R P筋 的混凝土结构 的研 究提供依据 ， 使 B F R P筋能够得到更加广泛的应用。 1 B F R P筋拉伸试验 ( 1 ) 试验准备。经过查阅相关普通 F R P的试验 资料发现， 在普通 F R P筋的拉伸试验当中， 当 F R P筋 的自由长度( 试验用筋减去锚固的长度) 和其直径的 比值 1 d在 4 0 7 0时 ， 1 d对拉 伸 试验结 果 几乎 没有 影 响 ， 本文试验所 用 的 B F R P筋 长度 均为 1 0 0 0 m m， 直 径分别为 7 、 9 、 1 1 、 1 5 m m。本文 1 d取为 5 0 ， 其锚固长 度根据不 同直径选用不 同的锚 固长度 。锚 固方法是在 B F R P筋的两端用灌胶粘结套管锚具进行锚固。锚固 套管的外径为 2 0 m m， 壁厚为 3 m m。试验 中直接将锚 固套管夹在试验机的夹具上进行拉伸试验。 ( 2 ) 试 验 数 据 分 析 。经 过 拉 伸 试 验 ， 测 得 的 B F R P筋的抗拉强度与厂家提供的数据基本吻合 ， 说 明采用灌胶粘结套管锚具进行锚固的方法对试验的 结果的影响非常小 ， 可以使 B F R P筋的强度充分发挥 出来 ， 满足试验的要求。由于 B F R P筋的强度不仅与 直径有关 ， 还与其中纤维材料的含量有关， 如果没有齐 全 的厂家数据 ， 在结构配筋设计 中应该通过现场取样 ， 进 行实际测量后再 进行 设计 工作 ， 以 防 B F R P抗 拉 强 度的不统一造成的危害。在拉伸试验 中， B F R P筋并 不存在屈服阶段， 当外部荷载超过其极限承载力即发 生破坏， 其破坏形式为脆性破坏。从试验数据和厂家 提供的数据可以发现 B F R P筋的弹性模量随着直径的 增大而增大， 这是由其组成材料的特性决定， 其中的玄 武岩纤维具有较高的弹性模量 ， 在 B F R P筋受拉时主 要靠这种高强的纤维聚合物承受荷载， 其中的树脂材 料起到传递和分散荷载的作用。 表 1 不 同直径 B F R P筋抗拉弹性模量 M P a 7 4 低温建筑技术 2 0 1 5年第 3期( 总第 2 0 1期 ) 2 B F R P筋混凝土梁抗弯试验 B F R P筋与普通钢筋不同， 应力应变关系曲线 中 没有屈服点， 虽然抵抗拉力性能优越 ， 但弹性模量相对 普通钢筋又较低。所以依据工程设计经验， 这样的配 有 B F R P筋的混凝土结构发生破坏时不会像普通的钢 筋混 凝土梁存 在破 坏的屈 服阶段 ， 有 明显 的破坏预兆 。 当结构 中的 B F R P达 到破坏 极 限强度 时 即发生 破坏 ， 这种破坏是突然的无 预兆的脆 性破坏 ， 极不安 全 。如 果在地震中这种结构的不安全状态会使人没有时间 躲避结构的伤害 ， 所 以在设 计或者 实际工 程 当中要避 免这种情况的发生。本文依据这点 ， 对不同配筋率的 B F R P筋梁进行了抗弯试验， 实验加载方式为三分点 静载加载试验， 并与普通钢筋混凝土梁进行对 比分析。 图l粱配籁示意图 筋 ( 1 ) 试验准备。本试验共有 4根梁 ， 分成两组。 梁的长度及截面尺寸如图所示， 混凝土强度均为 C 3 0 。 第一组梁受拉区配有两根 H R B 3 3 5级普通钢筋， 两个 梁中钢筋直径分别为 7 m m和 1 5 m m。第二组梁受拉区 配有两根 B F R P筋 ， 直径 与普 通 钢筋 相 同 。4根 梁 的 其他位 置都 配有普 通钢筋 ， 受压 区为 两根 直径 为 1 2 m m 的 H R B 3 3 5级普通钢 筋 ， 箍筋 为直径 5 m m， 间距 8 0 m m的普通 H P B 3 0 0级钢筋 。 ( 2 ) 试验 步骤。本试验 中采用分 级加载 的加载 方式， 在梁出现裂缝之前均采用每级 5 k N的强度加载。 当梁身出现裂缝之后改变加载强度级别为每级 3 k N 。 每级别的加载后， 保持荷载 2 m i n并记录试验数据。当 梁身裂缝发展到一定宽度后改变 为持续加载的方 式 ， 直 至整个受压 区梁身被压坏 ， 试件发生破坏为止。 图2粱抗弯试验示意图 ( 3 ) 试 验数 据分 析 。通 过挠 度 曲线对 比， 发现 对于受拉区配 有普 通钢 筋 的梁 在加 载 时应力 增 长较 快， 而挠度增加较慢。对于受拉 区配有 B F R P筋的梁 在加载时应力增长较 慢 ， 而挠度 增加 的较快 。这是 因 为 B F R P筋相对 于同直 径的普 通钢 筋 弹性模 量要 小 ， 就会造成承受相 同的荷载 出现 的挠度更大的情况 。 6 0 5 0 4 0 3 O 2 0 1 0 O 挠度 m m 图3 受拉区直径为7 mm 普通钢筋梁与B F R P 粱 挠厦 mm 图4 受拉 区直径为 l 5 m 普通钢筋梁与B F P P 粱 3结语 ( 1 ) B F R P筋的破坏为脆性破坏 ， 其 中纤维 材料 束程爆裂破坏形态。B F R P筋弹性模量主要与玄武岩 纤 维的含 量有关 ， 玄武岩纤 维含量越 高 ， B F R P筋 的 弹 性模量越 大。与普 通钢筋相 比， B F R P筋在 抗拉 强度 、 耐腐蚀等方面具有明显优势， 但配有 B F R P筋的结构 在 破坏时没有屈 服 阶段 ， 破 坏时 不会有 明显 预兆 。在 结 构设计 中可考虑将 普通 钢筋 与 B F R P钢 筋相 结合 ， 共同发挥作用 ， 以避免 B F R P筋没有屈服阶段的缺点 。 ( 2 ) 虽然 B F R P筋 在破坏 时没有 明显的预兆 ， 但 是 B F R P筋混凝土梁在破坏前会 出现较大的挠度， 也 就是说在破坏前会显现出较大的形变。这是由于在加 载后期 的 梁 主 要 由受 拉 区 的 B F R P筋 承 受 拉 力 ， 而 B F R P筋的较大变 形使 得 梁结 构 的变形 明显 ， 能 够 出 现破坏预兆 ， 对结构的安全更加有利 。 参考文献 1 郝庆多 ， 王言磊 ， 欧进萍 玻 璃纤维增强 复合材料筋肋参 数优 化试验研究 J 复合材料学报 ， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 1 ) ： 1 1 91 2 6 2 胡显奇 我 国连续玄武岩纤维 的进展及 发展建议 J 高科技 纤维与应用 ， 2 0 o 8 ， 3 3 ( 6 )： 1 21 9 3 胡显奇 ， 申屠年 连续玄 武岩纤 维在 军工 及 民用领域 的应用 J 高科技纤维与应用， 2 0 0 5 ， 3 0 ( 6 ) ： 7 1 3 【 收稿 日期】 2 0 1 4一l 1 2 7 作者简介 张永军( 1 9 6 4一) ， 男， 黑龙江绥化人， 土建工程 师 ， 从 事工程 管理工作 。 z 】 I ， 懈挺 z 挺