玄武巖纖維復合筋與混凝土的粘結性能試驗

陳思可,謝 亮,張君祿,黃錦林 ,鄭 翔

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2.廣東省水利新材料與結構工程技術研究中心，廣州 510635；3.浙江新納復合材料有限公司，浙江 東陽 322118)

1 概述

玄武巖纖維復合筋(Basalt Fiber Reinforced Plastics 簡稱 BFRP)是以玄武巖纖維為增強材料，以合成樹脂為基體材料，并摻入適量輔助劑，經拉擠工藝和特殊的表面處理形成的一種新型非金屬復合材料[1-3]。從1840年英國開發出以玄武巖為主要材料所生產的巖棉試制成功，玄武巖制品的開發歷史至今已有180多年。玄武巖纖維于1953年由前蘇聯莫斯科玻璃和塑料研究院開發出并批量生產至今也已經過近70 a，產品全部用于前蘇聯國防軍工和航天﹑航空領域[4-5]。

高性能纖維在土木工程領域的應用一直受到人們的關注，常用于混凝土增強的高性能纖維材料有玻璃纖維、碳纖維和芳綸。玻璃纖維不耐堿、老化快、與混凝土的適配性差，所以自20世紀60年代以來，在土木建筑中較少使用玻璃纖維增強混凝土。碳纖維和芳綸的生產過程嚴重污染環境，加之產品價格一直居高不下，使其在土木工程領域中的應用受到極大的制約[6-7]。

BFRP具有高強、輕質、耐堿、耐酸和耐自然元素的腐蝕等優異的物理化學性質[8-9]，則具有廣泛的工程運用前景。同時，玄武巖纖維復合筋的熱膨脹系數與混凝土相近，確保了混凝土與筋材的同步變形；加之由于該材料在縱向可連續生產，用于連續配筋水泥混凝土可根據設計長度進行配置，減少了鋼筋配筋縱向焊接工序，大大提高了工程建設進度，具有廣泛的工程應用前景。但BFRP在土木工程行業的運用尚屬新型產品，其自身的物理、化學性能、力學性能以及與混凝土的組合受力性能還需進一步研究[10-13]。

BFRP與混凝土的粘結性能可以反映增強筋和混凝土之間的相互作用效果，是影響BFRP推廣應用的關鍵技術之一[14-20]。目前國內外學者對BFRP筋與混凝土的粘結性能進行了研究，主要集中在粘結性能影響因素[14-16]，粘結滑移曲線過程分析[17-19]以及粘結滑移模型建立[19]等方面，這些成果為BFRP筋在混凝土結構中的應用奠定了基礎。

BFRP作為一種新型的建筑材料，其工作性能并未完全探清，加之目前在工程應用中，BFRP的各項設計參數及計算理論還并不十分明確[20]。為明確BFRP的各項設計參數與性能指標，本文針對性的開展變化環境溫度下BFRP與混凝土粘結性能試驗，考慮不同環境溫度、基體混凝土強度等級對BFRP與混凝土粘結性能的影響，以鋼筋試樣作為對比，為BFRP在實際工程運用中所需的設計參數及計算理論提供試驗數據支撐和參考依據。

2 試驗材料及方法

2.1 材料

試驗選用BFCB-10-A-ER玄武巖復合筋和HRB400E鋼筋進行試驗，試驗所用BFRP由浙江新納復合材料有限公司生產，鋼筋由廣東韶鋼松山股份有限公司生產。

2.2 試驗依據及方法

2.2.1筋材物理力學性能試驗

參考《公路工程玄武巖纖維及其制品第4部分：玄武巖纖維復合筋》(JT/T 776.4—2010)對BFRP進行物理力學性能試驗，參考《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》(GB/T 1499.2—2018)對鋼筋進行物理力學性能試驗。

2.2.2筋材與混凝土的粘結性能方法

參考《混凝土結構試驗方法標準》(GB/T 50152—2012)中對于鋼筋與混凝土粘結強度對比試驗方法，對BFRP與混凝土粘結強度進行試驗。根據圖1中的尺寸要求，制作立方體拔出試件，混凝土中無粘結部分的試件應套上硬質的光滑塑料套管，末端與鋼筋之間空隙應封閉。將制作試件標準養護至28 d齡期后，逐一按圖2所示的加載裝置對各試件進行加載，直至試件破壞。在試驗過程中，對試件破壞力、試件破壞位置等信息進行記錄。

圖1 BFRP與混凝土拔出試件尺寸要求示意(單位：mm)

圖2 BFRP與混凝土拔出試驗裝置示意(單位：mm)

具體試驗步驟如下：

1)根據試驗要求選定粒徑組成為5～10 mm的粗集料，并進行C40、C60水泥混凝土配合比設計，混凝土配合比見表1。

表1 試驗用混凝土強度等級及配合比 kg/m3

2)將待試驗的BFRP與熱軋帶肋鋼筋與混凝土間無粘結部分套上套管，并配置相應標號的混凝土灌入模具中并振實。

3)將制作好的試件養護至初凝后拆模，并置入標準養護室養護至28 d齡期，并將養護至 28 d 齡期的安裝BFRP的粘結性能試驗試件的受拉端進行加固，其加固方式同拉伸試驗。

4)將養護完成的試件分別置于不同溫度的恒溫箱中保溫8 h，試件逐一從恒溫箱中取出，從試件取出至開始加載的時間不大于30 s。試件安裝至試驗機上，以 3 kN/min 的速率對試件進行加載，直至出現：① 復合筋或鋼筋自由端相對混凝土立方體發生明顯相對滑動；② 混凝土立方體劈裂破壞；③ 上述情況發生后即停止試驗，并記錄破壞荷載與破壞形態。

3 試驗結果與討論

3.1 BFRP及鋼筋物理力學性能

試驗選用直徑為10 mm的有螺紋的環氧樹脂玄武巖纖維復合筋，考慮尺寸和外觀形狀的影響，選用直徑為10 mm的帶肋的抗震鋼筋作為參比。試驗中BFRP的密度較小，僅為2.0 g/cm3，僅為鋼筋密度的25%；試驗中BFRP的抗拉強度為1 265 MPa，為同直徑鋼筋抗拉強度的2倍。BFRP具有輕質、高強的特點，拉伸性能優異，但其斷裂伸長率僅為2.64%，遠低于同直徑鋼筋的13.5%，表現出脆性斷裂，物理力學性能對比見表2～表3。

表2 BFCB-10-A-ER玄武巖復合筋物理力學性能

表3 HRB400E鋼筋物理力學性能

3.2 BFRP、鋼筋與混凝土的粘結強度

BFRP和鋼筋的外觀形狀有一定差異，表面狀態也不同，因此與混凝土的粘結強度也存在差異。開展了基體混凝土強度等級為C40，試驗溫度為20℃下BFRP、鋼筋與混凝土的粘結強度，每組6個試樣，試驗結果見表4所示。試樣破壞形式均為從試樣中拔出，BFRP與C40混凝土的粘結強度平均值為18.9 MPa，標準偏差為1.3 MPa；鋼筋與C40混凝土的粘結強度平均值為17.0 MPa，標準偏差為0.7 MPa。螺紋BFRP與混凝土的粘結性能優于同直徑的帶肋鋼筋，但BFRP筋與混凝土的粘結強度標準偏差偏大，這主要是因為BFRP筋的拉伸變形較小，拔出拉伸峰值的變化較大。

表4 BFRP、鋼筋與C40混凝土的粘結強度 MPa

3.3 混凝土強度等級對BFRP、鋼筋與混凝土粘結強度的影響

基體混凝土的強度等級也會影響BFRP、鋼筋與混凝土的粘結強度。試驗同樣開展了基體混凝土強度等級為C60，試驗溫度為20℃的情況下BFRP、鋼筋與混凝土的粘結強度，試驗結果見表5所示。

表5 BFRP、鋼筋與C60混凝土的粘結強度 MPa

試樣破壞形式均為從試樣中拔出，BFRP與C60混凝土的粘結強度平均值為29.3 MPa，標準偏差為1.5 MPa；鋼筋與C60混凝土的粘結強度平均值為26.5 MPa，標準偏差為0.7 MPa。在基體為C60混凝土的情況下，螺紋BFRP與混凝土的粘結性能同樣優于同直徑的帶肋鋼筋，同時粘結強度標準偏差也較大。相比于C40強度等級的基體混凝土，C60混凝土作為基體時，BFRP、鋼筋與混凝土的粘結強度均得到顯著提升。提高基體混凝土強度，有利于提高筋材與混凝土的粘結強度。

3.4 溫度對BFRP、鋼筋與混凝土粘結強度的影響

試驗溫度也會影響BFRP、鋼筋與混凝土的粘結強度，進一步開展溫度為40℃、60℃的情況下BFRP、鋼筋與混凝土的粘結強度試驗，結果見表6所示。

表6 試驗溫度為40℃和60℃下BFRP、鋼筋與混凝土的粘結強度 MPa

所有試樣破壞形式均為從試樣中拔出，試驗溫度為40℃時，BFRP與C60混凝土的粘結強度平均值為30.8 MPa，標準偏差為1.6 MPa；鋼筋與C60混凝土的粘結強度平均值為25.6 MPa，標準偏差為1.0 MPa。試驗溫度為60℃時，BFRP與C60混凝土的粘結強度平均值為26.5 MPa，標準偏差為1.2 MPa；鋼筋與C60混凝土的粘結強度平均值為20.3 MPa，標準偏差為0.9 MPa。通過與表5中試驗溫度為20℃時，BFRP、鋼筋與混凝土的粘結強度對比可知，隨著試驗溫度的提升，BFRP與混凝土的粘結強度先升高后降低，鋼筋與混凝土的粘結強度顯著降低。因此在實際工程中環境溫度對鋼筋與混凝土的粘結強度的不利影響明顯大于BFRP與混凝土的粘結強度。

4 結語

本文探討了不同試驗溫度、混凝土強度等級對BFRP、鋼筋與混凝土的粘結強度的影響，為BFRP在實際工程運用中所需的設計參數及計算理論提供試驗數據支撐和參考依據。

1)本試驗所使用的BFRP表面均未見突出的纖維毛刺與裂紋，纖維與樹脂間界面未見明顯破壞。BFRP外觀尺寸、密度、線膨脹系數、耐候性指標、拉伸性能、滿足《公路工程玄武巖纖維及其制品第4部分：玄武巖纖維復合筋》(JT/T 776.4—2010)技術要求。

2)BFRP的密度較小，僅為2.0 g/cm3，僅為鋼筋密度的25%；BFRP的抗拉強度為1 265 MPa，為同直徑鋼筋的2倍。BFRP具有輕質、高強的特點，拉伸性能優異。但是BFRP的斷裂伸長率僅為2.64%，遠低于同直徑鋼筋的13.5%，表現出脆性斷裂。

3)螺紋BFRP與混凝土的粘結性能優于同直徑的帶肋鋼筋，但BFRP筋與混凝土的粘結強度標準偏差偏大。

4)相比于C40強度等級的基體混凝土，C60混凝土作為基體時，BFRP、鋼筋與混凝土的粘結強度均得到顯著提升。提高基體混凝土強度，有利于提高筋材與混凝土的粘結強度。

5)隨著試驗溫度的提升，BFRP與混凝土的粘結強度先升高后降低，鋼筋與混凝土的粘結強度顯著降低。因此在實際工程中環境溫度對鋼筋與混凝土的粘結強度的不利影響明顯大于BFRP與混凝土的粘結強度。