鄭宏宇，廖澍峰，袁世杰，江懷雁

（1、廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南寧 530004；2、華藍(lán)設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司 南寧 530029；3、廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系 南寧 530007）

0 引言

玄武巖纖維復(fù)合材料筋（Basalt Fiber Reinforced Polymer Bar，簡(jiǎn)稱(chēng)為“BFRP 筋”，下同），是由玄武巖纖維和基體樹(shù)脂經(jīng)拉擠工藝和表面處理制成的一種新型非金屬?gòu)?fù)合塑料筋材［1］。BFRP 筋與CFRP、GFRP、AFRP 等FRP 筋相似，也具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)［2-5］，在海洋富含氯離子環(huán)境、酸堿腐蝕環(huán)境和特殊環(huán)境中作為混凝土結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)筋和加固材料［6］，具有鋼筋所不具備的優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)BFRP筋基本力學(xué)性能進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果表明［7-9］，BFRP 筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈線(xiàn)性，無(wú)屈服平臺(tái)，破壞呈脆性，但受筋材組分、生產(chǎn)工藝、測(cè)試方法等因素的影響，各學(xué)者提供的數(shù)據(jù)差異較大，使得在配置BFRP筋的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，BFRP筋材的強(qiáng)度取值，尤其是抗壓強(qiáng)度及其對(duì)構(gòu)件承載力的貢獻(xiàn)率，仍無(wú)統(tǒng)一取值，因此尚需更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，以便根據(jù)可靠度理論確定設(shè)計(jì)強(qiáng)度和設(shè)計(jì)方法。

本文對(duì)一種國(guó)產(chǎn)BFRP 筋的受拉性能進(jìn)行測(cè)試，獲取破壞形態(tài)、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)、延伸率，分析破壞形態(tài)和筋材直徑對(duì)上述拉伸性能指標(biāo)的影響規(guī)律，并對(duì)BFRP 筋作為混凝土結(jié)構(gòu)增強(qiáng)筋的方式進(jìn)行分析，以便為BFRP 筋在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供試驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 筋材外觀及組分

測(cè)試的BFRP筋為南京某公司生產(chǎn)的綠博纖維復(fù)合筋系列，筋材名義直徑分為8 mm、10 mm、12 mm共3 種，玄武巖纖維體積分?jǐn)?shù)均為70%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%，不同直徑的筋材纖維體積分?jǐn)?shù)在5%以?xún)?nèi)浮動(dòng)，基體樹(shù)脂類(lèi)型為環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)。筋材表面做噴砂處理，通過(guò)擠壓工藝形成螺旋狀弧形凹肋，凹肋間距均為10 mm，直徑8 mm、10 mm、12 mm 筋材的凹肋深度分別為0.5 mm、0.6 mm、0.8 mm。3 種直徑的BFRP 筋的外觀如圖1所示。

圖1 3種直徑的BFRP筋的外觀Fig.1 Appearance of Three Diameter BFRP Bars

1.2 BFRP筋受拉試件設(shè)計(jì)和制作

試件根據(jù)《結(jié)構(gòu)工程用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋：GB/T 26743—2011》［10］制作。每種直徑制作5個(gè)試件，共計(jì)15 個(gè)試件。試件受拉測(cè)試段長(zhǎng)度取為名義直徑d的40 倍［10-11］。筋材兩端采用3 mm 厚的鋼管制成粘結(jié)型錨具進(jìn)行錨固，錨固長(zhǎng)度統(tǒng)一取為300 mm。錨固膠體采用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿，按環(huán)氧樹(shù)脂∶改性脂肪胺固化劑（牌號(hào)593）∶水泥∶砂子=100∶28∶200∶300 的質(zhì)量比配制而成［12］。拉伸測(cè)試時(shí)，凡是發(fā)生錨固失效而非BFRP 筋材料破壞的試件，均重新制作該試件再次測(cè)試。

1.3 測(cè)試方法

采用上海某公司生產(chǎn)的WAW-600型600 kN加載級(jí)微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單調(diào)靜力拉伸測(cè)試。先通過(guò)預(yù)加載消除對(duì)中誤差，正式測(cè)試采用0.5 kN/s 的加載速率。由試驗(yàn)機(jī)配套的電腦采集系統(tǒng)自動(dòng)采集荷載-位移曲線(xiàn)、極限荷載和彈性模量等數(shù)據(jù)。

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 破壞模式

測(cè)試時(shí)發(fā)生的破壞模式分為2類(lèi)（見(jiàn)圖2）：

⑴全截面拉斷破壞。荷載達(dá)到極限荷載的70%以上時(shí)，先發(fā)出“啪”的一聲輕響，玄武巖纖維較薄弱部分先行被拉斷，其余部分仍繼續(xù)承拉，同時(shí)發(fā)生應(yīng)力重分布。隨著荷載繼續(xù)增大，越來(lái)越多的纖維被拉成絲狀，同時(shí)發(fā)出“嘶啦”聲，緊隨其后發(fā)出“嘭”的一聲巨響，纖維被拉斷并散開(kāi)呈絮狀的燈籠形態(tài)，如圖2?所示。玄武巖纖維筋的強(qiáng)度在此破壞模式中能得到充分利用，是理想的破壞模式。

⑵縱向劈裂破壞。當(dāng)試件加載至接近極限荷載時(shí)，試件發(fā)出“啪”的一聲輕響，試件測(cè)試段中部出現(xiàn)一條到多條長(zhǎng)度較長(zhǎng)、寬度較大的縱向裂縫，筋體分裂成幾部分，外周部分纖維被拉斷，承載力隨即下降，如圖2?所示。此破壞模式一般是由于內(nèi)、外層纖維束受力存在差異、層間基體抗剪強(qiáng)度遭到破壞所致。

圖2 BFRP筋拉伸試件破壞形態(tài)Fig.2 Failure Modes of BFRP Bar Specimens under Tension

2.2 破壞模式對(duì)抗拉強(qiáng)度和彈性模量的影響

BFRP 筋拉伸性能測(cè)試數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的破壞模式如表1 所示?？梢钥闯?，破壞模式對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響不明顯，但對(duì)拉伸彈性模量有一定影響?？傮w而言，縱向劈裂破壞對(duì)應(yīng)的拉伸彈性模量較全截面拉斷破壞的要低一些。

2.3 抗拉強(qiáng)度隨筋材名義直徑的變化規(guī)律

BFRP 筋的抗拉強(qiáng)度隨筋材名義直徑的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 3種直徑BFRP筋的抗拉強(qiáng)度平均值柱狀圖Fig.3 Column Diagram of Average Tensile Strength of Three Diameter BFRP Bars

由圖3 可知，BFRP 筋的抗拉強(qiáng)度隨名義直徑的增大而近似呈線(xiàn)性下降趨勢(shì)，其主要原因是：①纖維體積分?jǐn)?shù)隨筋材直徑的增大而略有減?。虎谥睆皆酱?，筋材在拉擠生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)缺陷和強(qiáng)度不均勻等不利因素的機(jī)率越大；③筋材表面螺旋形壓痕深度隨筋材直徑增大而增大，纖維彎曲程度加劇，參與抗拉的均勻程度下降。此外，由表1可看出，抗拉強(qiáng)度的離散程度隨筋材直徑的增大有減小趨勢(shì)。

2.4 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

各試件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖4所示。由圖4可知，BFRP 筋的受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的斜率和峰值應(yīng)力的離散程度較小，在低于（80%～90%）峰值應(yīng)力時(shí)基本成線(xiàn)性關(guān)系，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)峰值應(yīng)力的80%后，部分較薄弱的玄武巖纖維先行失效，應(yīng)力發(fā)生重分布，斜率會(huì)發(fā)生少許波動(dòng)?？傮w而言，BFRP 筋無(wú)明顯屈服點(diǎn)，拉應(yīng)力達(dá)到峰值后陡然下降，具有脆性破壞的特征。

圖4 3種直徑BFRP筋的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.4 Tensile Stress-strain Curves of Three Diameter BFRP Bars

2.5 拉伸彈性模量隨筋材直徑的變化規(guī)律

3 種直徑BFRP 筋的拉伸彈性模量對(duì)比如圖5 所示。由圖5 可知，不同直徑BFRP 筋的拉伸彈性模量差異在10%以?xún)?nèi)，無(wú)明確規(guī)律，可認(rèn)為拉伸彈性模量與筋材直徑關(guān)系不明顯，但由表1的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值可知，拉伸彈性模量的離散程度隨筋材直徑的減小而減小。BFRP 筋的拉伸彈性模量平均值為5.343×104MPa，與混凝土的彈性模量為同一數(shù)量級(jí)，約為C25 混凝土彈性模量的2 倍和普通熱軋鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋彈性模量的1/4。

表1 BFRP筋試件拉伸性能測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test Data of Tensile Properties of BFRP Bar Specimens

圖5 3種直徑BFRP筋的彈性模量柱狀圖Fig.5 Bar Chart of Elastic Modulus of Three Diameter BFRP bars

2.6 拉斷伸長(zhǎng)率隨筋材直徑的變化規(guī)律

因BFRP 筋拉伸至破壞基本無(wú)塑性變形，因此只能測(cè)其拉斷伸長(zhǎng)率dfu，可由下式計(jì)算得到：

式中：dfu為BFRP筋受拉至破壞時(shí)的伸長(zhǎng)率；Nu為軸拉力峰值；Ef為拉伸彈性模量；Af為BFRP 筋的名義截面面積。不同直徑BFRP筋的拉斷伸長(zhǎng)率平均值對(duì)比情況如圖6所示。

圖6 3種直徑BFRP筋的平均拉斷伸長(zhǎng)率柱狀圖Fig.6 Bar Chart of Average Elongation at Fracture of Three Diameter BFRP bars

由圖6 可知，BFRP 筋的拉斷伸長(zhǎng)率平均值隨筋材直徑的變化規(guī)律不明顯?？傮w而言，BFRP 筋的拉斷伸長(zhǎng)率較低，實(shí)測(cè)平均值為1.78%，僅為HRB400 熱軋鋼筋峰值伸長(zhǎng)率［13］的1/4.2，拉斷伸長(zhǎng)率［13］的1/9.0。

3 BFRP 筋用作混凝土構(gòu)件增強(qiáng)筋的主要問(wèn)題及解決方案

BFRP 筋的伸長(zhǎng)率dfu雖然明顯低于普通鋼筋，但由于其拉伸彈性模量也低于鋼筋，因此BFRP 筋仍具有較大的極限拉應(yīng)變，本文實(shí)測(cè)其極限拉應(yīng)變最小值為0.015 0，平均值為0.017 8，遠(yuǎn)大于混凝土的平均極限拉應(yīng)變0.000 1，也明顯高于HRB400 鋼筋的平均屈服拉應(yīng)變0.002，因此BFRP 筋作為混凝土結(jié)構(gòu)的受拉縱筋時(shí)，構(gòu)件破壞前能出現(xiàn)可觀的裂縫和變形預(yù)兆，因此有一定的可行性，但需控制裂縫寬度和變形量。

本文測(cè)試的8 mm 直徑BFRP 筋與抗拉強(qiáng)度相近的PSB785 級(jí)預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋實(shí)測(cè)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)［14］對(duì)比如圖7 所示。圖7 中，ff，ptm是BFRP 筋的極限抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)平均值，fpym、fptm分別是預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)平均值。

圖7 BFRP筋與PSB785級(jí)預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)對(duì)比Fig.7 Comparison of Stress-strain Curves of BFRP bar and PSB785 Prestressed Rebar

由圖7 可知，當(dāng)預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)變（約0.004 5）時(shí)，發(fā)生相同應(yīng)變值的BFRP 筋的應(yīng)力水平為243 MPa 左右，僅達(dá)到其抗拉強(qiáng)度的24.7%，材料強(qiáng)度遠(yuǎn)未得到充分利用；而當(dāng)BFRP 筋的拉應(yīng)力達(dá)到預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋的屈服強(qiáng)度時(shí)，BFRP 筋的應(yīng)變值是預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋的3.47 倍，從而導(dǎo)致混凝土構(gòu)件的裂縫寬度和變形過(guò)大［15］，其根本原因是BFRP 筋的彈性模量較低。此外，混凝土受拉開(kāi)裂時(shí)，如果BFRP筋與混凝土之間粘結(jié)完好，那么BFRP 筋的拉應(yīng)力僅有5.34 MPa，可見(jiàn)其限裂作用非常有限。綜合來(lái)看，構(gòu)件裂縫寬度和變形大、強(qiáng)度利用率低、限裂作用小是BFRP 筋用作混凝土結(jié)構(gòu)增強(qiáng)筋的主要矛盾。為解決這些矛盾，可利用BFRP 筋一半以上的抗拉強(qiáng)度對(duì)混凝土施加預(yù)壓應(yīng)力，以控制混凝土開(kāi)裂或減小裂縫寬度，增大構(gòu)件剛度，減小變形，剩余強(qiáng)度一方面用于抵抗外荷載作用產(chǎn)生的應(yīng)力增量，另一方面留出一定富余度，避免BFRP筋因突然拉斷而致構(gòu)件脆性破壞。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50010—2010》，預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋和鋼絞線(xiàn)的張拉控制應(yīng)力σcon的取值范圍分別是（0.50～0.85）fpyk和（0.40～0.70）fptk?？紤]到BFRP筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系無(wú)屈服段，與鋼絞線(xiàn)更為相似，因此參考鋼絞線(xiàn)確定BFRP 筋的張拉控制應(yīng)力取值。為了盡量克服BFRP 筋彈性模量低的不足，在混凝土中應(yīng)建立較高的預(yù)壓應(yīng)力，建議適當(dāng)提高其張拉控制應(yīng)力的下限，可?。?.45～0.55）ff，ptk。另一方面，考慮到BFRP 筋的極限拉應(yīng)變和伸長(zhǎng)率小于鋼絞線(xiàn)［16］，一旦拉斷，構(gòu)件將發(fā)生脆性破壞，因此應(yīng)避免BFRP筋在構(gòu)件破壞前被拉斷。同時(shí)，因BFRP筋的應(yīng)力松馳率與其初始張拉應(yīng)力的大小成正比（但松馳率有限，預(yù)測(cè)松馳收斂值均在10%左右）［17-18］，因此應(yīng)更進(jìn)一步限制其張拉控制應(yīng)力的上限值。筆者認(rèn)為上限值在（0.60～0.65）ff，ptk范圍內(nèi)取值較為合適。

4 結(jié)論和建議

⑴BFRP 筋受拉破壞模式分為兩類(lèi)：全截面拉斷破壞和縱向劈裂破壞。其中，全截面拉斷破壞為主要模式。破壞模式對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響不明顯，對(duì)拉伸彈性模量有一定影響，即縱向劈裂的彈性模量相對(duì)較低。

⑵BFRP 筋受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈線(xiàn)性，無(wú)屈服段，破壞呈脆性。

⑶BFRP 筋的拉伸彈性模量較低，測(cè)試平均值為5.343×104MPa，為普通鋼筋的1/4。

⑷ BFRP 筋的拉斷伸長(zhǎng)率低于鋼筋，平均為1.78%，約為HRB400 級(jí)普通鋼筋峰值伸長(zhǎng)率的1/4.2和拉斷伸長(zhǎng)率的1/9。

⑸隨筋材直徑的增大，BFRP 筋的抗拉強(qiáng)度及其離散程度呈下降趨勢(shì)，拉伸彈性模量和受拉伸長(zhǎng)率的變化無(wú)明顯規(guī)律，而拉伸彈性模量的離散程度呈增大趨勢(shì)。

將BFRP 筋作為混凝土結(jié)構(gòu)的受拉縱筋時(shí)，建議施加一定預(yù)應(yīng)力，以充分利用BFRP筋的抗拉強(qiáng)度，并克服因拉伸彈性模量較低所帶來(lái)的裂縫寬度和變形較大的問(wèn)題，張拉控制應(yīng)力建議取為極限抗拉強(qiáng)度f(wàn)f，ptk的（0.45～0.65）倍。