BFRP片材受拉力學(xué)性能測(cè)試及設(shè)計(jì)討論

□ 許迪鑫 鄭宏宇 秦 鵬 黃 琦

1??引言

玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Basalt Fiber Reinforced Polymer，BFRP）是以玄武巖作為原材料，在高溫（1500℃）下熔化，通過拉拔制成的一種較新興的纖維復(fù)合材料，具有耐酸堿腐蝕性能優(yōu)良、輕質(zhì)高強(qiáng)、耐高溫等特點(diǎn)[1]，通常被用作結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)的材料之一，已在道路、橋梁、建筑和特種結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛。近年來，已有研究者對(duì)BFRP材料進(jìn)行的受拉性能試驗(yàn)表明[2]，BFRP材料的受拉應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系呈直線，沒有屈服平臺(tái)，達(dá)到極限拉應(yīng)變后發(fā)生斷裂，是一種典型的脆性材料。然而，對(duì)于BFRP增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中BFRP材料的強(qiáng)度取值和利用率仍未有統(tǒng)一結(jié)論，尚需更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累。

為了全面了解BFRP材料的性能，筆者對(duì)BFRP片材的受拉性能進(jìn)行測(cè)試，獲取破壞形態(tài)、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、斷裂伸長(zhǎng)率，分別對(duì)BFRP材料在混凝土構(gòu)件加固中的利用率、承載力設(shè)計(jì)時(shí)BFRP材料強(qiáng)度的取值展開討論并給出建議，為實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

2??試驗(yàn)概況

本次測(cè)試所用的BFRP布由南京開博銳工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)，面密度為300g/m2，名義厚度為0.114mm。測(cè)試用的浸漬膠為KBR-Y01碳纖維復(fù)合材浸漬粘貼膠，由南京開博銳工程技術(shù)有限公司提供，是一種A、B兩組分改性環(huán)氧樹脂類黏膠劑，配比為主劑:固化劑=2:1，符合《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》（GB 50728—2011）中A級(jí)膠的技術(shù)指標(biāo)要求。

2.1 BFRP片材拉伸試件設(shè)計(jì)和制作

BFRP片材試件的設(shè)計(jì)和制作參考規(guī)范[3]進(jìn)行，以片材層數(shù)為變量，試件的寬度為25mm，測(cè)試段長(zhǎng)度為150mm，共制作4組試件，每組5個(gè)。為了防止BFRP片材在拉伸測(cè)試時(shí)被夾具夾壞，在試件兩端粘貼2mm厚的鋁片作為加強(qiáng)片，為保證黏結(jié)效果，鋁片長(zhǎng)度隨層數(shù)的增加而相應(yīng)增長(zhǎng)。試件參數(shù)詳見表1，試件尺寸如圖1所示。

表1 BFRP片材受拉測(cè)試試件參數(shù)

圖1 BFRP片材受拉測(cè)試試件尺寸示意圖

試件制作方法如下：先裁剪BFRP布，將浸漬樹脂按照主劑:固化劑=2:1的比例混合，均勻涂刷在BFRP布兩面上，待其充分浸潤(rùn)后，用塑料薄膜覆蓋在BFRP布的兩面，并用玻璃板壓緊，靜置2d。待浸漬樹脂固化后，撤除玻璃板，得到光滑的BFRP板，再按所需尺寸裁剪成BFRP片材。最后將鋁片通過浸漬樹脂粘貼在片材兩端，并使用502膠水在試件正面和背面中部各粘貼1個(gè)應(yīng)變片。

2.2 測(cè)試設(shè)備及測(cè)試方法

本次測(cè)試采用單調(diào)靜力加載，加載設(shè)備采用WAW-600型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。測(cè)試開始前，將應(yīng)變片與數(shù)據(jù)采集儀連接，然后將試件兩端的鋁片放入試驗(yàn)機(jī)夾頭中，使被夾持試件的縱軸與拉伸方向?qū)R，確保試件豎直無(wú)扭曲，并擰緊夾頭，完成試件的安裝。正式加載采用位移控制的方法，加載速率為2mm/min，直至試件破壞后停止加載。試件的荷載—應(yīng)變曲線、極限荷載等數(shù)據(jù)均由試驗(yàn)機(jī)配套的電腦采集系統(tǒng)自動(dòng)采集。

3??測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 測(cè)試現(xiàn)象及破壞形態(tài)

加載初期，試件表面無(wú)明顯變化，部分試件會(huì)發(fā)出清脆的響聲，這是由于環(huán)氧樹脂開裂所致。當(dāng)荷載接近極限荷載時(shí)，部分纖維絲先后被拉斷，并發(fā)出比較大的響聲，這是因?yàn)橹谱髟嚰r(shí)膠水涂抹不均勻，應(yīng)力集中在部分纖維絲上，造成這部分纖維絲先被拉斷。當(dāng)試件達(dá)到極限拉應(yīng)變時(shí)，其余纖維絲幾乎同時(shí)被拉斷，試件破壞。

試件最終破壞形態(tài)如圖2所示。由圖可知，破壞時(shí)所有纖維絲均被拉斷，由于應(yīng)力集中現(xiàn)象的存在，斷裂的位置各不相同，但均屬于全截面拉斷破壞，破壞呈脆性。

圖2 BFRP片材受拉試件破壞形態(tài)

3.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試獲得的抗拉強(qiáng)度、受拉彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率見表2。

表2 BFRP片材受拉性能測(cè)試結(jié)果

3.3 抗拉強(qiáng)度

BFRP片材的抗拉強(qiáng)度平均值fs,m隨層數(shù)n的變化情況如圖3所示。

圖3 四種不同BFRP片材層數(shù)的抗拉強(qiáng)度

由圖3可以看出，BFRP片材的抗拉強(qiáng)度平均值隨著層數(shù)的增加出現(xiàn)近似線性上升的趨勢(shì)，2層、3層、4層的BFRP片材抗拉強(qiáng)度與1層相比分別提高2.66%、4.81%、9.96%，說明層數(shù)的增加對(duì)片材的抗拉強(qiáng)度有一定的提高作用，但提高度較小。

3.4 受拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線

各試件的受拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4 BFRP片材受拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線

由圖4可知，BFRP片材的受拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線均為線彈性，無(wú)屈服點(diǎn)，應(yīng)力達(dá)到極限后試件瞬間失效，破壞表現(xiàn)為脆性。

3.5 受拉彈性模量

不同層數(shù)BFRP片材的受拉彈性模量平均值Es,m對(duì)比情況如圖5所示。由圖可以看出，BFRP片材的受拉彈性模量平均值隨層數(shù)的增加出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，不同層數(shù)BFRP片材的拉伸彈性模量差異在18%以內(nèi)，且與片材層數(shù)的關(guān)系無(wú)明顯規(guī)律可循。

圖5 四種不同 BFRP片材層數(shù)的彈性模量

3.6 斷裂伸長(zhǎng)率

BFRP片材達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)變稱為斷裂伸長(zhǎng)率。不同層數(shù)BFRP片材的斷裂伸長(zhǎng)率平均值εsu,m對(duì)比情況如圖6所示。由圖可知，BFRP片材的斷裂伸長(zhǎng)率平均值整體偏低，一方面是因?yàn)锽FRP片材本身是脆性材料，另一方面是因?yàn)橹谱髟嚰r(shí)涂刷的浸漬樹脂固化后成脆性，兩種材料組合起來使得整體的延性降低。

圖6 四種不同 BFRP片材層數(shù)的斷裂伸長(zhǎng)率

4??討論

4.1 BFRP加固混凝土構(gòu)件的原理

目前BFRP加固的混凝土構(gòu)件以柱子為主，通常采用全包[4]或條帶式間隔約束[5]的方式進(jìn)行加固。其原理為柱子在受壓的同時(shí)會(huì)發(fā)生橫向膨脹，使BFRP處于受拉狀態(tài)，對(duì)柱子產(chǎn)生側(cè)向約束力，在一定程度上限制其橫向泊松變形，柱子由于處于三向受壓的狀態(tài)使得抗壓承載力又能進(jìn)一步提升。

4.2 BFRP在混凝土構(gòu)件加固中的利用率

當(dāng)BFRP用于混凝土構(gòu)件加固時(shí)，由于混凝土表面存在缺陷和構(gòu)件在受力的過程中會(huì)產(chǎn)生不均勻變形，易使BFRP局部出現(xiàn)應(yīng)力集中而斷裂較早，故構(gòu)件破壞時(shí)，某些位置BFRP的應(yīng)變可能未達(dá)到其極限應(yīng)變[6]，故存在BFRP的有效拉應(yīng)變系數(shù)，即構(gòu)件破壞時(shí)BFRP的應(yīng)變與在材性實(shí)驗(yàn)時(shí)BFRP的斷裂應(yīng)變的比值，筆者稱之為BFRP利用率。已有研究表明，不同構(gòu)件中FRP利用率波動(dòng)的幅度很大，在0.13～1.0之間[7]。故BFRP在用于實(shí)際加固時(shí)，應(yīng)采取有效措施減小其應(yīng)力集中的可能性，提高BFRP的利用率。

4.3 承載力設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)BFRP強(qiáng)度的取值

由于BFRP為線彈性本構(gòu)材料，不存在屈服階段，破壞時(shí)無(wú)預(yù)兆，若承載力設(shè)計(jì)時(shí)取BFRP的極限強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)強(qiáng)度，將使構(gòu)件偏于不安全，故應(yīng)對(duì)BFRP的設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行折減，以保證足夠的可靠性。

5??結(jié)論和建議

（1）BFRP片材的破壞形態(tài)為全截面拉斷破壞，受拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈線性關(guān)系，無(wú)屈服點(diǎn)，達(dá)到峰值荷載后立即破壞失效，屬于脆性破壞。

（2）BFRP片材的抗拉強(qiáng)度隨層數(shù)的增加而增大，2層、3層、4層的抗拉強(qiáng)度與1層相比分別提高2.66%、4.81%、9.96%；受拉彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率與層數(shù)的關(guān)系不明顯。

（3）建議BFRP在用于實(shí)際加固時(shí)，應(yīng)采取有效措施減小其應(yīng)力集中的可能性，提高BFRP的利用率。在BFRP增強(qiáng)混凝土構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)BFRP的設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行折減，以保證足夠的可靠性。