玄武岩纤维增强材料加固砌体砖墙的抗震性能

通过对采用混合加固方式的砌体砖墙进行加固前后的低周反复试验,研究了玄武岩纤维增强材料(BFRP)加固对砌体砖墙的加固效果,探讨了不同玄武岩纤维用量、加固前是否损伤对砌体砖墙抗震性能的影响,对比分析了不同砌体砖墙加固后的极限承载力、极限位移、滞回及骨架曲线、刚度退化、BFRP应变.结果表明:BFRP加固提高了砌体砖墙的极限承载力和抗震性能;加固后砌体砖墙的破坏形式以弯曲破坏为主,砌体的抗压强度成为砖墙抗剪承载力的主要控制因素;加固后砌体砖墙的承载力和刚度退化明显减慢.

玄武岩纤维增强复合材料拉挤圆管抗弯性能研究

为使玄武岩纤维增强复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)拉挤圆管在桥梁工程中得到更广泛地应用,对其抗弯性能进行试验及有限元分析。对2根长度为750 mm的BFRP拉挤圆管进行三点抗弯试验;采用LS-DYNA有限元软件对试验过程进行模拟,验证有限元模拟的正确性;在保持BFRP拉挤圆管总厚度不变的条件下,研究内、外层双向纤维布的铺设厚度和角度对抗弯性能的影响。结果表明:试件从加载至破坏分为线弹性阶段、下降阶段和残余阶段,试件破坏后残余强度较大且卸载后迅速回弹恢复几何形状;有限元模拟试件的荷载~滑移曲线、失效现象和试验结果吻合较好,有限元模拟正确;布置适量厚度的内、外层双向纤维布可以提高试件的抗弯承载力;将内、外层双向纤维布铺设方向由90°变为45°后,抗弯承载力进一步提高,随着外层45°纤维布厚度增加,破坏时的挠度下降。建议制作BFRP拉挤圆管时,布置适量厚度的双向纤维布,角度以45°为宜。

低速加载对铝合金-玄武岩纤维增强树脂复合材料粘接接头失效的影响

为了给铝合金-玄武岩纤维增强树脂复合材料(BFRP)粘接结构在汽车工业中的应用提供参考和指导,制作了铝合金-BFRP粘接接头,分别在1、50、100 mm/min低速加载速率下进行准静态拉伸试验与剪切试验.结合汽车服役中的温度区间,在80℃的高温老化环境下对接头进行0、5、10、15、20 d的老化实验.对老化的接头进行加载速率为1、100 mm/min的准静态拉伸试验与剪切试验,得到不同老化时间下铝合金-BFRP粘接接头的准静态失效强度.结合宏观模式与扫描电子显微镜分析研究接头失效模式的变化,结果表明:铝合金-BFRP粘接接头失效强度由加载速率和老化时间共同影响.低速加载过程,接头在拉应力和切应力作用下的失效强度均随加载速率的增大而升高;在加载速率范围内,切应力作用下接头失效强度的上升幅度大于拉应力作用下的;3种低速加载速率测试中,拉应力和切应力作用下接头的失效模式分别为纤维撕裂和胶层内聚,未老化接头的宏观失效模式无明显变化.本研究对高温环境下服役的粘接结构准静态的失效预测具有工程意义.

玄武岩纤维增强不饱和聚酯层压复合材料低速冲击损伤性能

研究0°单向、0°/90°交错和平纹织物三种不同铺层方式玄武岩纤维增强复合材料低速冲击加载力学性能。在实验中,通过手糊成型法并在硫化机上加热加压制备层压复合材料,且在Instron9250落锤冲击测试仪上完成层压复合材料低速冲击试验,得到载荷-挠度曲线和载荷-时间曲线,用于分析三种不同铺层方式玄武岩纤维增强不饱和聚酯树脂层压复合材料低速冲击加载力学性能。通过观察层压复合材料破坏形态来分析其破坏方式。实验结果表明:0°/90°交错层压复合材料和平纹织物增强层压复合材料抗低速冲击性能优于0°单向层压复合材料;0°单向层压复合材料破坏方式为裂纹沿着纤维方向伸展,而0°/90°交错层压复合材料和平纹织物层压复合材料破坏只发生在冲击点附近局部区域。

玄武岩纤维增强复合材料及其界面研究进展

介绍了玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)及其界面的研究现状,探讨了目前对界面研究的不同改性方式,并对不同改性方式对提高纤维与树脂两者之间结合强度的有效性进行了分析,通过对目前BFRP界面研究的总结,提出了对未来研究的展望。

玄武岩纤维布加固混凝土梁的抗弯疲劳性能试验

通过2根玄武岩纤维布加固的钢筋混凝土梁和1根普通钢筋混凝土梁的弯曲疲劳性能试验研究,分析玄武岩纤维布对加固梁抗弯疲劳性能的影响.试验结果表明,采用玄武岩纤维布进行加固后,梁的抗疲劳性能得到极大改善;粘贴1层和2层玄武岩纤维布后,钢筋混凝土梁的疲劳寿命分别提高了66%和235%,50万次时,其疲劳变形分别减小了26.04%和35.40%.在纤维布与混凝土粘结可靠的情况下,若梁的配筋率不超过2.5%,加固梁发生钢筋疲劳断裂破坏的可能性极大.

玄武岩纤维的性能及其制品在土木工程领域的应用

玄武岩纤维是继碳纤维和玻璃纤维后又一种值得关注的无机高性能纤维材料。介绍了玄武岩纤维的化学成分、各项优越特性以及玄武岩纤维制品(短切纱、土工织物以及玄武岩纤维复合筋)在土木工程领域的应用和作用。随着玄武岩纤维性能和产量的提高,玄武岩纤维及其制品将在土木工程领域具有广阔的应用前景。

玄武岩纤维片材和碳纤维片材高温后拉伸性能比较

对未经环氧树脂浸渍以及经环氧树脂充分浸渍的单向玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)片材和碳纤维增强复合材料(CFRP)片材进行了高温后拉伸性能试验。试验结果表明,常温下和高温后BFRP片材的拉伸强度和拉伸模量均远远小于CFRP片材,但伸长率一般高于CFRP片材;常温下,环氧树脂的存在能够显著提高FRP片材的拉伸强度,但高温处理后,环氧树脂的作用不明显,尤其对于CFRP片材;浸渍环氧树脂的CFRP片材和BFRP片材的拉伸强度随温度的变化规律基本一致,均呈现出先降后升再降的趋势,并在150℃左右时取得最大;浸渍和未浸渍环氧树脂的FRP片材在经历300～400℃高温处理后强度均出现急剧下降;当处理温度大于200℃时,处理时间越长,FRP片材的拉伸强度和拉伸模量下降越多。

紫外线照射条件下玄武岩纤维片材的耐久性能

玄武岩纤维增强复合材料以其低廉的价格和高效的性能,正在土木工程加固中发挥着越来越重要的作用。为了研究玄武岩纤维片材在紫外线照射条件下表面防护对其材料力学性能的影响,进行了一共45个试件分别置于有、无防护的紫外线照射条件下的老化试验。经过9824 h紫外线照射后检测结果表明:无防护条件下,玄武岩纤维片材的拉伸强度下降了2.02%,伸长率下降了13.73%,弹性模量提高了0.34%;有防护条件下,玄武岩纤维片材的拉伸强度下降了1.51%,伸长率下降了9.59%,弹性模量下降了5.60%。由此可知,紫外线照射对玄武岩纤维片材的拉伸强度影响较小,防护对玄武岩纤维的性能有一定的保护作用。

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。

新型玄武岩FRP布加固混凝土结构性能试验

为研究新型玄武岩纤维增强复合材料(FRP)布加固混凝土圆柱结构性能,制作了12根试件并进行轴心受压试验,通过改变不同粘贴层数,分析了混凝土柱承载力、延性的变化,以及玄武岩FRP布约束混凝土作用机理。结果表明,粘贴玄武岩FRP布加固结构,可以有效改善结构的力学性能,提高混凝土极限强度和极限应变,提高加固墩柱的承载能力;随着玄武岩FRP布层数增加,混凝土的延性得到较大改善,外贴1~3层玄武岩FRP布加固时,混凝土柱的延性提高幅度约为30.9%~80.7%;玄武岩FRP布约束力主要是在混凝土受压后达到屈服应力时产生;采用玄武岩FRP布进行结构加固,并不是粘贴层数越多加固效果越好。

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。

降雨条件下三级桥基岸坡-BFRP锚杆体系的协同变形机制研究

为探讨降雨条件下三级桥基岸坡-玄武岩纤维增强复合材料(basalt fiber reinforced polymer,简称BFRP)杆体系的水文响应和协同变形机制,以实际工程案例为依托开展室内物理模型试验,测试得到了坡体含水率、土压力、锚杆轴力及应变响应数据。分析了边坡降雨-入渗-变形的阶段性演化规律及过程响应,提出了坡体“分级加固,兼顾整体与局部”原则的强度-渗流-变形综合防控措施。基于多属性响应数据系统,阐明了桥基岸坡-BFRP锚杆体系的协同变形机制。结果表明:降雨条件下桥基岸坡表现出由3级→2级→1级的变形演化趋势,1级边坡底部在积水软化、卸荷回弹和应力集中效应影响下更易发生累积性破坏。边坡张拉裂缝初步形成或扩展时,BFRP锚杆轴力呈受拉突增趋势,即边坡的阶段性变形特征与BFRP锚杆轴力的变化趋势较为吻合,该指标有望为降雨条件下边坡的变形监测提供可靠依据。BFRP锚杆的柔性加固性能可有效遏制降雨诱发的坡体变形,在此基础上应采取坡体排水和绿化护坡等措施对其进行补强加固。

服役低温老化对铝合金-玄武岩纤维增强树脂复合材料粘接接头力学性能的影响及失效预测

为了给铝合金-玄武岩纤维增强树脂(BFRP)复合材料粘接结构在汽车工业中的应用提供参考和指导,加工了铝合金-BFRP复合材料粘接接头。结合汽车服役中的温度区间,选取-10℃和-40℃的低温老化环境,对接头进行0、10、20、30天的老化。对老化后的粘接接头进行准静态拉伸试验和剪切试验,得到不同老化时间下铝合金-BFRP粘接接头的准静态失效强度。结合DSC和FTIR分析低温老化对BFRP复合材料的影响,并对粘接接头的失效断面进行宏观分析和SEM分析。结果表明:在低温老化环境中,胶粘剂与BFRP复合材料的化学性质受低温老化作用影响不大,BFRP中的官能团与玻璃化转变温度(Tg)没有发生明显的变化,接头的失效强度和失效模式主要受胶粘剂与粘接基材的热应力影响。对于拉伸接头,随着低温老化时间的增加,BFRP复合材料纤维与树脂基体间的结合力降低,铝合金-BFRP复合材料接头的失效断面中纤维撕裂的比例逐渐减少,拉伸接头失效强度逐渐下降。老化后剪切接头仍为内聚失效,BFRP复合材料的低温老化对铝合金-BFRP复合材料剪切接头的失效强度几乎没有影响,剪切接头失效强度的下降主要是胶粘剂与粘接基材热膨胀系数不一致引起的热应力的影响。采用二次应力准则公式对-10℃和-40℃低温环境下,拉应力、剪应力值随老化时间的变化规律进行了拟合,在此失效准则的基础上,根据响应面原理,建立接头失效强度随老化时间变化的三维曲面,为粘接技术在车身结构中的工程应用提供参考。

基于深度信念网络的玄武岩纤维增强树脂复合材料耐久性预测

采用紫外线老化试验箱模拟大气环境中的紫外线进行加速老化试验,对玄武岩纤维增强树脂复合材料(BFRP)及环氧树脂在紫外线环境中的耐久性进行了研究。通过BFRP及环氧树脂经紫外线老化后的拉伸强度、弹性模量、断裂延伸率的变化,结合深度信念网络(DBN)的方法,预测BFRP及环氧树脂拉伸强度、弹性模量的变化趋势;并提出以同批次非破坏性试件的弹性模量作为BFRP耐久性的评价指标。结果表明,随着老化时间的延长, BFRP及环氧树脂的拉伸强度及断裂延伸率均先提高后下降,但弹性模量趋于平缓下降;DBN得到的预测值与试验值相对误差基本在10%以内,表明DBN进行BFRP及环氧树脂耐久性预测的有效性;以非破坏性试件的弹性模量来评价BFRP的耐久性更具科学性。

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。

高温作用后GFRP/BFRP筋拉伸性能试验研究及强度折减计算

为探讨高温作用后2类纤维增强复合材料(FRP筋材)的拉伸性能退化情况,本文对高温作用后的玻璃/玄武岩纤维增强复合材料(GFRP/BFRP)筋材进行了拉伸试验,并将宏观与微观结合进行分析。试验结果表明:高温超过220℃后,筋材表面部分纤维开始脱落,整体性逐渐遭到破坏,已不再适合进行拉伸试验;经220℃以内温度作用后,2类FRP筋材抗拉强度均随作用温度升高呈阶段性下降的趋势;而弹性模量总体变化幅度很小;高温作用后,直径16 mm的GFRP筋抗拉强度下降速率比12 mm的2种FRP筋更快;结合试验结果与扫描电镜微观结构分析,可认为高温作用后2类FRP筋抗拉强度退化的主要原因是树脂和纤维界面黏结性能的退化。结合本文和已有相关试验结果,提出了20~220℃温度范围内G/BFRP筋抗拉强度的折减计算模型,并给出了关键温度节点对应的强度保留率ηt建议值。

玄武岩纤维增强复合材料板螺栓连接试验研究

为研究玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)拉挤成型板材螺栓连接节点承载力性能,重点分析了螺栓直径D、数量B、边距Sw和端距E对BFRP拉挤成型板材螺栓连接节点承载力的影响规律。研究结果表明:对于不同的节点连接参数,典型的BFRP拉挤成型板材螺栓连接节点载荷-位移曲线先呈现出从线性到非线性增加的趋势;到达极限荷载后连接节点进入失效阶段,承载力下降较快,而且随着参数的变化,破坏形式由渐进破坏逐渐呈现出瞬间脆性破坏的趋势。无论上述参数如何变化,其最终破坏模式均为劈裂或者剪切破坏。

BFRP筋回收轮胎钢纤维混凝土短柱偏压性能试验

提出了玄武岩筋回收轮胎钢纤维混凝土(BRC)短柱新型材料构件,为研究BRC短柱偏压性能,制作6根混凝土短柱,并结合非接触式全场应变位移测量技术-数字图像(3D-DIC)技术进行试验测量,研究了回收轮胎钢纤维(RTSF)体积掺量和偏心距对短柱偏压性能和破坏模式的影响.研究结果表明:BRC短柱受压破坏为混凝土压碎、玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋压断破坏,RTSF提高了混凝土短柱的受压性能,对限制试验柱裂缝和变形的发展具有显著作用,并能有效提高其开裂荷载、极限荷载、混凝土极限压应变和抗压强度.在相同偏心距下,与玄武岩筋普通混凝土短柱相比,BRC混凝土短柱的开裂荷载分别提高了20.46%,23.19%和38.36%,极限承载力分别提高了15.39%,21.55%和30.69%.由于现有的计算模型不足以准确计算BRC短柱受压承载力,提出了考虑RTSF混凝土抗拉强度的承载力计算模型,BRC短柱试验值与预测值符合较好.

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。