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玄武岩纤维增强复合材料力学性能及在土木工程中的应用研究

1  引言

  目前在工程中用的比较多的纤维增强复合材料(FRP)是CFRP、GFRP和AFRP。其中CFRP的力学性能最为理想,但价格太高,而且碳纤维原丝基本依赖进口。GFRP和AFRP价格便宜,力学性能比CFRP差,且有些物理性能不理想,影响了其应用。而国内目前开发出的连续玄武岩纤维(简称BF)是一种无机纤维材料,性价比高,发展前景乐观,被国家列为中长期要重点发展的四大高新技术纤维。
   本文基于课题组近年来对玄武岩纤维增强复合材料(简称BFRP)力学性能的测试以及其在土木工程领域的应用研究情况做一简单的介绍,最后,对玄武岩纤维在土木工程中的应用提出了建议和展望。


2  玄武岩纤维

2.1 玄武岩纤维片材力学性能
   玄武岩纤维片材单向拉伸试件标准GB/T 3354-1999制定,试件尺寸为长230mm,宽15mm,在瑞格尔万能试验机上进行。完成了大量玄武岩纤维片材的单向拉伸试验,破坏后示意见图

   1. 某有代表性的三批试件的试验结果见表1。

  M1批是厂家提供的最初产品的性能,数据不是太理想,M2批是用进口树脂制作的BFRP的试验结果,M3批是各项力学性能指标都满足规范要求的某国产树脂制作的BFRP试验结果,表明,树脂种类对片材性能影响比较大。另外,在我们的一批试验中,还出现同一组试件中力学性能相差很大的结果,最大的试件强度2478. 8MPa、弹模94845.3MPa,而最差的试件强度1611.7MPa,弹模92734.6MPa,这些说明,由于玄武岩纤维为一新材料,前期的产品存在一个不稳定的过程,同时,树脂等对FRP性能的影响等也值得进一步研究。

   经过生产厂家的努力改进,目前的玄武岩纤维性能已比较稳定,图2列出厂家最近生产的一批玄武岩纤维片材的力学性能,可见,指标已经得到大大改善,而且,比较稳定,已完全能满足工程应用要求。同时,玄武岩纤维材料专家及有关生产厂家还在继续改进相关性能,力学指标有望进一步提高,并更加稳定。

2。2  玄武岩纤维棒材力学性能

  完成了三个玄武岩棒材拉伸试验,在瑞格尔万能试验机上进行。试件长度610mm,为防止试验过程中夹持端滑移,棒材两端用结构胶锚固在套筒内。用小变形传感器在试件中间部位测量其应变。测得的力学性能指标见表3。需要指出的是,这批棒材制作的玄武岩纤维原丝是生产厂家早期产品,随着后来产品指标大大提高和稳定,相应的BFRP棒材性能有望进一步得到提高,试验在进行中。

3  BFRP片材抗弯加固混凝土梁
   为验证BFRP抗弯加固混凝土梁的性能,进行了试验,加固构件选用截要150×300mm,跨度2000mm混凝土梁,配筋3Ф14,箍筋Ф8@100。试验梁采用两点集中加载,加载点在三分点处,采用分级连续加载,并实时记录试验全过程各种量测数据。加固方式及部分试验结果见表4

    从试验结果可以得到几点启示:(1)从极限承载力方面分析,可以看出玄武岩片材加固后梁受弯承载力有明显提高,最大幅度达22.52%;

   BFRP加固后的梁发生粘结破坏,而且是发生从跨中区域开始的粘结破坏:(3)对BFRP加固,因为需要的层数更多,为充分体现出其性价比,解决枯结破坏问题显得尤为必要。

4  BFRP片材抗剪加固混凝土梁
    加固构件选用截面150 X 300mm,跨度2000mm混凝土梁。配筋3Ф25.箍筋Ф8@70。L3在梁剪压区U型贴三层玄武岩。承载力提高情况见表5。荷载一位移曲线见图5。

   从试验结果可以知:(1)从承载力分析玄武岩加固混凝土结构,无论是抗弯加固还是抗剪加固都有一定效果,抗剪加固承载力可提高21.22:(2)但就破坏现象看,玄武岩远没有充分发挥作用,破坏均为粘结破坏。可见,要更好地使玄武岩纤维在抗剪加固中发挥作用,需要解决好其锚固问题,相关试验正在进行中。


5  无捻粗纱抗震加固混凝土柱
   由于玄武岩纤维有很好的延性,其最大的优势应该是在抗震加固中应用。文献[3]介绍了玄武岩纤维抗震加固混凝土柱的试验。图6给出了部分试件的P-A滞回曲线,可以看出:未加固柱发生剪切粘结破坏,极限位移极小,延性差,滞回环瘦小,耗能能力低:加固柱,破坏模式转变为弯曲破坏,延性好,滞回环饱满,耗能能力强;BF丝束的加固,有效地提高了试件的抗剪承载力,使试件从脆性剪切破坏转变到延性弯曲破坏,从而改善其抗震性能。标准柱S-0、CL-0为剪切破坏,极限位移很小,其峰值荷载分别为622.2kN、425.6kN,对于加固后的柱S-BF、CL-BF峰值荷载分别达到749.3kN、658.3kN,峰值荷载较标准柱各提高57.3%、59.9%,加固后两柱的极限位移高达57.35mm、56.85mm。BF丝束缠绕加固墩柱可以显著提高其抗剪承载力、延性及耗能能力,证实了BF丝束缠绕对墩柱抗震加固的有效性。比较加固圆柱与方柱,圆柱加固的峰值荷载提高幅度是方柱两倍多,极限位移的提高也远远大于方柱情况,BFRP对圆柱的加固效果优于方柱。

  列出相同参数下CFRP与玄武岩纤维加固混凝土柱骨架曲线的比较,可见玄武岩纤维丝加固可以取得与CFRP加固接近的效果,而价格却更低,因此,在抗震加固方面,玄武岩纤维有很好的优势。

6  建议与展望

 BFRP作为一种新型的建筑材料,在土木工程领域有广阔的应用前景,在现阶段,作者用的不规范现象,这需要制定一系列的标准来约束和规范。而且,毕竟BFRP与现有的CFRP、GFRP、AFRP有类似之处,只要对其性能做一合适的限制以后完全可以写入规范中。
  (4)合理使用玄武岩纤维
   玄武岩纤维有其很多优点,但也有缺点,我们要客观地宣传、辨证地使用。就目前情况来看,玄武岩的力学性能要超过CFRP是不太现实的,我们要系统比较BFRP和CFRP、GFRP、AFRP的优缺点,充分利用其优势在工程中应用,才能保证其健康发展。

7  结论
  本文简单扼要地介绍了玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)的基本性能,BFRP在土木工程中的研究和应用情况,并对玄武岩纤维在土木工程中的应用提出了建议和展望,有助于玄武岩纤维在土木工程中的推广应用。
参考文献:
[l]胡显奇等,连续玄武岩纤维及其复合材料[J].高科技纤维与应用,2002,4(2)1-5。
[2] 胡显奇董国义鄢宏,玄武岩纤维在建筑和基础设施中的应用,工业建筑增刊(全国第三届 FRP会议论文集),2004年,南京。
[3]吴刚胡显奇蒋剑彪等,连续玄武岩纤维在墩往抗震加固中的应用研究,2005年全国FRP会议论文集,2005年,西安。


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