巖土工程中玄武巖纖維復合加固材料的性能分析

張艷

摘要：為了驗證玄武巖纖維復合加固材料的性能，研究對該材料的抗拉強度、耐候性以及抗剪強度3大性能進行分析。采用對比分析的方式完成該材料與鋼筋材料之間性能的對比，該材料具有質量輕、性能強、絕緣等優勢，在強酸、強堿環境下仍可維持自身性能。利用玄武巖纖維復合加固材料制作混凝土構件，以此替代傳統鋼筋混凝土構件，可有效解決巖土工程中存在的鋼筋腐蝕等問題。將該材料應用于巖土工程中，可與混凝土之間形成良好的粘接性，具有一定的可行性。

關鍵詞：玄武巖纖維復合加固材料;抗拉強度;耐候性能;抗剪強度

中圖分類號：TU375.1;TQ437.1 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）07-0057-04

Performance analysis of basalt fiber composite reinforcement material in geotechnical engineering

ZHANG Yan

（Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， Shaanxi China）

Abstract：In order to verify the performance of basalt fiber composite reinforcement material， this study analyzed the three major performances of the material including tensile strength， weather resistance and shear strength. After the performance comparison between this material and reinforcement material， it is figured out that this material has the advantages of light weight， strong performance， insulation and so on. It can maintain its own performance in strong acid and alkali environment. Using basalt fiber composite reinforcement material to make concrete members instead of traditional reinforced concrete members can effectively solve the problems of reinforcement corrosion in geotechnical engineering. When the material is used in geotechnical engineering， it can form a good bond with concrete and has certain feasibility.

Key words：basalt fiber composite reinforcement material; tensile strength; weatherability; shear strength

隨著我國對生態環境重視程度的不斷增長，土木工程逐漸采用新型綠色環保材料作為核心材料。傳統巖土工程主要采用鋼筋作為建筑材料，鋼筋在使用過程中易受外界環境因素的干擾，腐蝕現象較為嚴重，不適用于地下建筑的施工建設。而玄武巖纖維復合加固材料主要以玄武巖纖維作為增強材料，并將合成樹脂作為該材料的基體，使該材料具有綠色環保、強度高、耐腐蝕性強等優勢。將該材料應用于巖土工程中，可最大限度地提高材料與混凝土之間的粘接性，具有較好的應用前景。

1巖土工程中玄武巖纖維復合加固材料的抗拉性能

巖土工程中使用較為廣泛的材料為玄武巖纖維復合加固材料，在該材料的支持下，有利于提升巖土工程的整體施工質量。玄武巖纖維復合加固材料實際上是一種新型復合材料，該材料主要由玄武巖纖維和基體材料共同組成。對該材料進行制備時，為提升材料的基本性能，需要經過特殊的工藝，并在持續不間斷的情況下完成玄武巖纖維復合加固材料的制備。材料加工工藝的步驟主要包括纏繞、拉擠及成型。玄武巖纖維復合加固材料制備過程中的主要受力材料為纖維，該材料中纖維含量越高，表明材料的抗拉性能越好。但是隨著材料中纖維含量的不斷增長，最終可導致復合材料的延展性能減弱。本文采用對比分析的方式完成該材料與鋼筋材料之間性能的對比，該材料具有質量輕、性能強、絕緣等優勢。為解決巖土工程中存在的鋼筋腐蝕等問題，將該材料應用于巖土工程，采用玄武巖纖維復合加固材料制作混凝土構件，以此替代傳統鋼筋混凝土構件[1]。

1.1抗拉性能試驗方法

由于玄武巖纖維復合加固材料中含有大量的纖維材料，為測試該材料的力學性能，將抗拉強度作為檢驗玄武巖纖維復合加固材料性能的重要指標。本研究對該材料進行性能測試時，采用數控液壓萬能試驗機作為性能測試的核心設備，在此基礎上結合靈敏度較高的數字引伸計，即可實現材料拉伸長度的采集。該材料在實際應用過程中，易受剪應力等因素干擾而產生不同程度的破壞現象。在該情況下對該材料進行抗拉試驗，可使該材料因荷載的持續增大，最終使材料的端部被破壞，無法得到纖維材料抗拉強度的準確值[2]。

玄武巖纖維復合加固材料試驗樣本的制備過程：選用無縫鋼管作為該試驗的錨具，利用專業的清理方法將該工具內壁鐵銹清理干凈，并在該工具的內壁打出凹、凸不平的刻痕，最后將該工具的一端端口鉗為錐形，通過該方式有利于最大限度地強化錨具與環氧樹脂系粘結劑之間含有的摩擦力。對玄武巖纖維復合加固材料進行抗拉強度試驗時，采用環氧樹脂和喜利得A級植筋膠作為錨具與復合加固材料的粘結劑，其中環氧樹脂粘結劑內主要包含環氧樹脂、固化劑、催化劑以及石英砂，四者之間的配合比例為100∶80∶8∶ 30，在完成該粘結劑的配比時，應保證中間自由段的長度大于等于30倍直徑，其數值大于等于500 mm[3]。

玄武巖纖維復合加固材料的性能測試過程：該材料試驗樣本制作完畢后，對該試件進行養護，養護時間為1周以上，將該試件安裝在試驗機的上、下夾頭間，在試件中部安裝一個數字引伸計。準備工作均完成后，啟動試驗機，將試驗機的加載速率調節至2 mm/min，對試驗樣本進行拉伸，直至試件被破壞，即可關閉試驗機，并精準記錄試件被破壞時的受力值及破壞程度。

1.2抗拉性能試驗結果

采用環氧樹脂膠作為試驗樣的粘結劑時，選用直徑為6、8、10 mm的玄武巖纖維復合加固筋材分別制作出4根試驗樣本。采用喜利得A級植筋膠作為試驗樣的粘結劑時，選用直徑分別為6、8、10、12、14 mm的玄武巖纖維復合加固筋材制作出4根試驗樣本。不同粘結劑作用下試驗樣本的測試結果為：該試件在拉伸過程中，首先出現環氧樹脂膠脫落的現象，接著試件內部部分纖維被試驗機拉斷，該現象可稱之為樹脂拉裂。隨著試驗機的不斷拉伸，荷載處于穩定增長狀態，環氧樹脂及纖維出現剝落現象，并且纖維斷裂現象越演越烈，最后試件中部被試驗機拉斷。同時，并伴有巨大的聲響，試件出現爆炸現象，之前無明顯征兆。故對該試件進行性能測試時，試驗人員應與試件之間保持一定距離，防止人員因試件爆炸而受傷。玄武巖纖維復合加固材料的平均拉力及平均應力值如表1所示[4]。

5種不同筋材直徑的彈性模量平均值依次為：46.3、49、54.3、60.7、47 GPa，通過對試件的彈性模量進行分析可知，試件直徑與彈性模量之間呈正比關系變化、由于玄武巖纖維復合加固材料內纖維含量較高，彈性模量的強度主要與纖維含量有關，故直徑越大的試件，其彈性模量越大。直徑為14 mm試件的彈性模量較小的主要原因是該試件內部纖維含量較少，環氧樹脂過多所致。

2巖土工程中玄武巖纖維復合加固材料的耐候性能

2.1耐候性能試驗方法

本研究對玄武巖纖維復合加固材料的耐候性能進行測試時，選用長度為30 cm的復合筋作為試驗樣本，將試件置于酸、堿環境下，對試件的強度保持率情況進行分析。性能測試開始之前，將試驗樣本截取成直徑為6、8、10、12 mm的筋材，不同直徑筋材的數量為8根，從4種不同直徑的筋材中各選取4根置于酸堿環境下浸泡。其中，酸性溶液為硫酸，濃度為0.025 mol/L;堿性溶液為Ca（OH），質量濃度為2.5 g/L[5]。試驗準備工作完畢后，即可開始筋材的耐候性能測試，測試過程：從4種直徑的筋材中各選出1根，將4根筋材共同組成1組，共4組試件，浸入至酸堿溶液中，通過容器蓋使容器處于密閉狀態，并放入恒溫箱內保溫。試驗時間為30 d，每天對溶液進行1次攪動。浸泡完畢后，利用清水將筋材表面清洗干凈并風干。最后將剩余試件置于蒸餾水中浸泡并晾干，浸泡時間為1 h。精準記錄筋材表面的變化情況，利用試驗機對4個組試件進行抗拉試驗，計算試件的強度保留率[6]。

2.2耐候性能試驗結果

酸性、堿性溶液環境下筋材的強度試驗結果如表2、表3所示。

3巖土工程中玄武巖纖維復合加固材料的抗剪強度

3.1抗剪強度試驗方法

將玄武巖纖維復合加固材料與普通鋼筋進行對比可知，玄武巖纖維復合加固材料具有較強的抗拉強度。本研究為驗證該材料的抗剪強度，采用三點剪切試驗方法對該材料的性能進行測試，測試過程中的核心設備為萬能試驗機。性能測試開始之前，將試驗樣本截取成直徑為10、12、14 mm的筋材，不同直徑筋材的數量為4根，將試件穿過鋼套管后置于萬能試驗機上端，即可啟動萬能試驗機，直至試件受力出現下降的情況時，關閉萬能試驗機，試驗結束[7]。

3.2抗剪強度試驗結果

通過抗剪強度試驗結果分析可知，樣本的直徑為10 mm時，玄武巖纖維復合加固材料的平均抗剪強度為159 MPa;樣本的直徑為12 mm時，玄武巖纖維復合加固材料的平均抗剪強度為189 MPa。試驗樣本的直徑為14 mm時，玄武巖纖維復合加固材料的平均抗剪強度為187 MPa。以直徑為12 mm的玄武巖纖維復合加固材料為例，12 mm玄武巖纖維復合加固材料抗剪強度變化曲線如圖1所示。

鋼筋材料實際是一種均質材料，抗剪強度進行描述時，僅通過強度指標即可完成該材料的概括。而玄武巖纖維復合加固材料主要由內部纖維束與環氧樹脂粘結劑粘接而成，無法使用強度指標對其進行描述。本研究通過對抗剪強度變化情況進行分析可知，玄武巖纖維復合加固材料的抗剪強度與直徑之間呈正比關系變化，隨著材料直徑的不斷增大，抗剪強度也越來越大。通過計算可知，普通鋼筋的抗剪強度數值大約在170 MPa左右，玄武巖纖維復合加固材料越鋼筋之間的抗剪強度數值相差不大[8]。

4結語

本研究主要對玄武巖纖維復合加固材料的抗拉強度、耐候性以及抗剪強度三大性能進行測試，并采用對比分析的方式，將玄武巖纖維復合加固材料與普通鋼筋進行對比，該材料的抗拉強度遠大于普通鋼筋。將該材料置于強酸強堿環境下長期浸泡，仍可保持較高的強度保留率，該現象表明玄武巖纖維復合加固材料的耐候性能較強。該材料的抗剪強度維持在159～189 MPa，普通鋼筋的抗剪強度數值大約在170 MPa左右，該材料的抗剪強度略大于普通鋼筋。該材料性能較好，在強酸強堿環境下仍可維持自身性能，將該材料應用于巖土工程中，可與混凝土之間形成良好的粘結性，具有一定可行性。

【參考文獻】

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