玄武岩复合材料筋增强ECC受拉性能及裂缝控制机理

工程水泥基复合材料(ECC)因其高韧性和多缝开裂特性成为研究热点,纤维复合材料(FRP)因具有抗拉强度高、密度小、耐腐蚀性好等优点而受到广泛关注。为研究玄武岩复合材料(BFRP)筋增强ECC(BFRP-ECC)的受拉性能以及筋材对基体的裂缝控制机理,考虑了基体类别和配筋率等因素,对ECC狗骨试件、BFRP-ECC和BFRP-砂浆薄板试件进行了单轴拉伸试验,同时借助数字图像相关法(DIC)技术获得了试件受拉过程中的全场应变和开裂状态,基于Richard的弹塑性应力应变公式提出了BFRP-ECC单轴受拉应力应变本构模型。结果表明:BFRP-ECC的极限拉应力随配筋率的增加而增大;ECC基体对复合材料的受拉性能增强效果优于砂浆基体,同时以ECC为基体的复合材料在裂缝间距和宽度控制上都明显优于以砂浆为基体的复合材料;BFRP筋能增加BFRP-ECC裂缝处的桥连应力,减小裂缝间距和宽度,增加裂缝数量。本文建立的BFRP-ECC单轴受拉应力应变本构模型与试验数据吻合良好,较好地反映了BFRP-ECC受拉应力应变关系。

BFRP筋增强海水海砂混凝土梁的抗冲击性能

为研究玄武岩纤维增强复合材料(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)筋增强海水海砂混凝土(seawater sea-sand concrete,SSC)梁的抗冲击性能,利用落锤冲击装置研究了不同冲击能量(1818 J,2727 J,3636 J,4848 J)作用下,不同混凝土强度(30 MPa,50 MPa)和配筋率(0.23%,0.48%)的BSFP-SSC梁冲击响应,并测试了冲击后梁的残余承载力。结果表明,随着冲击能量的增加,BFRP-SSC梁的破坏模式由弯曲破坏转变为剪切破坏,梁的残余承载力系数逐渐降低。提高配筋率或海水海砂混凝土强度,均可有效降低梁的最大跨中位移,提升初始峰值冲击力和抗冲击性能。该研究可为BFRP筋增强海水海砂混凝土梁的抗冲击设计提供重要依据。

温度老化对GFRP/BFRP筋残余弯曲性能的影响

对玻璃/玄武岩纤维增强复合材料(GFRP/BFRP)筋材在温度老化作用后的弯曲性能进行了试验研究,重点探讨了不同作用温度及恒温时间对不同直径的两类FRP筋材的弯曲性能影响特性,同时采用扫描电子显微镜(SEM)对温度老化作用后部分GFRP/BFRP筋的微观结构变化及损伤机理进行了分析。试验与分析结果表明:(1)温度老化作用后GFRP/BFRP筋材弯曲强度与最大应变随作用温度升高均呈阶段性下降的趋势,而弯曲弹性模量无明显退化,其保留率均在90%以上;(2)温度老化作用后直径较大的GFRP筋材的弯曲性能退化更为明显;且G12筋的弯曲性能保留率退化曲线均高于B12筋,说明BFRP筋的弯曲性能对温度作用更为敏感;(3)在270℃高温环境下,GFRP/BFRP筋弯曲性能随着恒温时间的延长均呈现线性下降趋势;(4)结合试验结果和SEM微观结构分析,可认为造成温度老化作用后两类FRP筋弯曲强度退化的主要原因是纤维与树脂基体间协同工作效果和纤维⁃树脂基体界面性能的显著降低。最后,结合本试验结果,给出了500℃以内温度老化作用后GFRP/BFRP筋材弯曲强度退化的计算模型以及线性插值预测方法,便于实际工程应用。

BFRP筋增强珊瑚混凝土耐久性研究进展

随着远海工程建设对建筑原材料的需求量与日俱增,若由内陆向海岛运送原料,其运输费用高、时效性差等问题显而易见。对于岛礁工程建设而言,可就地取材,将珊瑚碎屑作为骨料并加入海水拌制成珊瑚混凝土,同时采用纤维增强复合材料筋(FRP筋)作为结构增强筋,可有效解决海洋环境下钢筋锈蚀等耐久性问题。玄武岩纤维增强复合材料筋(BFRP筋)的力学性能优越,但我国对BFRP筋的研发起步较晚,尚未有充分的理论经验,故应对BFRP筋增强珊瑚混凝土耐久性展开系统研究,以确保岛礁工程建设的安全性。基于现有试验研究进展,在分析BFRP筋、珊瑚混凝土材料基本力学性能的基础上,对BFRP筋的耐久性、珊瑚混凝土的耐久性、BFRP筋-珊瑚混凝土界面粘结耐久性,以及BFRP筋增强珊瑚混凝土结构耐久性进行系统地概述与总结,并对BFRP筋增强珊瑚混凝土耐久性的后续研究进行展望。

采用同源材料夹片锚具的玄武岩纤维复材筋体外预应力加固混凝土梁受弯性能研究

绿色环保的玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)具有高强度和优良的蠕变性能,有望作为预应力材料用于工程结构加固。本文首先针对体外预应力应用中的两大关键技术问题,即锚固和转向问题,提出一种可减小BFRP筋锚固端应力集中的组装式同源材料夹片锚具,同时基于有限元分析,优化了体外预应力BFRP筋的转向角度与转向半径。开展了2组混凝土梁的受弯试验,其中一组为体外预应力BFRP筋加固混凝土梁,另一组为普通混凝土梁。主要研究了结构承载力、延性、裂缝、预应力变化等力学性能。结果表明,所开发的同源材料夹片锚具能够有效、可靠地传递预应力,体外预应力BFRP筋加固后的混凝土梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载相比未加固梁提升了500%、142%和138%,且具有一定的延性。

混杂钢纤维超高性能混凝土梁裂缝分形理论研究

混凝土梁在受弯过程中表面裂缝分布及演化的宏观特征可以反映其受弯性能,本文基于不同废旧轮胎钢纤维(WTSF)取代率的玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋混杂钢纤维超高性能混凝土梁受弯试验结果,利用分形理论分析试验梁表面裂缝开展情况。结果表明,BFRP筋混杂钢纤维超高性能混凝土梁表面裂缝分布具有分形特征,满足自相似性,分形维数的变化区间为[0.892,1.064]。探讨了梁表面裂缝分形维数与施加荷载值、WTSF取代率、跨中挠度和最大裂缝宽度之间的关系,并分别拟合了WTSF取代率与完全破坏状态下全梁区和纯弯段分形维数的函数关系。分形维数与施加荷载值、跨中挠度和最大裂缝宽度均呈对数函数关系,完全破坏状态下,WTSF取代率变大会增大梁表面裂缝的分形维数,但总体来说不利影响并不明显,研究结果可为超高性能混凝土的工程实际应用提供参考。

水环境下掺铝硅质基体树脂粘结界面性能演变的分子动力学模拟与验证

以硅铝相为主的玄武岩纤维复合材料筋常被应用于潮湿、腐蚀等恶劣环境中,水分子会导致环氧树脂与玄武岩纤维的粘结性能下降,直接影响玄武岩纤维复合材料筋的力学与耐久性能。采用部分铝原子取代硅原子构建了掺铝二氧化硅的玄武岩纤维表面基底模型,基于分子动力学模拟水浸泡环境下环氧树脂与掺铝二氧化硅基体两相间的粘结性能演变。模拟结果表明:掺铝二氧化硅与环氧树脂粘结力弱于纯二氧化硅;环氧树脂与纤维基底两相间主要通过环氧树脂氧原子(Oe)纤维基底氢原子(Hs)纤维基底氧原子(Os)氢键作用方式粘结;水分子会占据两相粘结的氢键作用原子对中的反应位点,降低两相间粘结力;水浸泡28 d后,玄武岩纤维束与环氧树脂界面粘结力降低了47.53%,验证了分子模型的可行性。

BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯承载力试验与理论

通过11根玄武岩纤维增强聚合物复合材料(BFRP)筋钢纤维高强混凝土梁的受弯性能试验,研究了钢纤维混凝土层厚度、钢纤维体积分数和BFRP筋配筋率对BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯破坏形态及其承载力的影响。结果表明,BFRP筋钢纤维高强混凝土梁的破坏模式可分为受压破坏、受拉破坏和平衡破坏3种;钢纤维混凝土层厚度和钢纤维体积分数的变化对于BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯承载力具有一定程度的影响,当BFRP筋配筋率为0.77%时,掺加体积分数为1.0%钢纤维的梁受弯承载力较无钢纤维梁提高了22.7%,在受拉区0.57倍截面高度内掺加1.0vol%钢纤维的梁受弯承载力达到全截面钢纤维混凝土梁受弯承载力的86.7%;增大BFRP筋配筋量可显著提高BFRP筋钢纤维高强混凝土梁的受弯承载力,BFRP筋配筋率为1.65%的试验梁受弯承载力较配筋率为0.56%的试验梁提高了39.4%。针对不同的破坏模式,提出了BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯承载力和平衡配筋率的计算方法,并结合安全配筋率的概念对试验梁的破坏模式进行了预测,试验结果与分析结果吻合良好。