新型玄武岩纤维复合材料(BFRP)锚杆力学性能研究

针对预应力锚杆的性能需求,开发了单筋型、平行索型和绞索型三种不同类型的预应力玄武岩纤维复合材料(BFRP)锚杆,研究了其拉伸、锚固和拉拔性能。结果表明,以环氧树脂作为黏结介质时,平行索的平均强度最高,达1 319 MPa。绞索由于本身捻度,受扭转作用,相较于平行索刚度和承载力有所下降,但是破坏时整体性更好,不会发生逐根破坏。采用平行-内锥式锚具时,锚杆的破坏模式为试件中间自由段纤维炸裂,锚固效率系数均大于97%。平行索的拉拔极限荷载最高,绞索的拉拔极限荷载最低,但拉拔刚度最高。

玄武岩纤维复合材料性能提升及其新型结构

纤维增强复合材料(FRP)具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳的优点,是结构加固增强的理想材料。其中,具有环境友好特性的玄武岩纤维复合材料(BFRP)有望推动工程结构的绿色可持续化发展,得到国家和地方政府的大力支持。为进一步提升BFRP增强工程结构的性能与寿命,还需从BFRP材料性能和结构增强形式等方面进行改善。该文阐述了BFRP高性能化技术,并从设计理念、关键技术和力学性能三个方面,对三种新型BFRP增强结构形式进行了综述,包括高耐久损伤可控BFRP筋/网格-钢筋混合配置混凝土结构、BFRP型材-混凝土组合结构以及BFRP拉索大跨结构,并对BFRP新建结构的发展提出了建议和展望。

玄武岩纤维及其增强水泥基复合材料研究进展

玄武岩纤维是一种新型无机绿色环保高性能纤维材料。综述了玄武岩纤维及其玄武岩纤维增强水泥基复合材料(basalt fiber reinforced cement-based composite)国内外最新研究进展,简要介绍了玄武岩纤维国内外研究进展,玄武岩纤维表面处理技术对界面性能的影响以及对提高复合材料整体性能的必要性,并重点介绍了玄武岩纤维增强水泥基复合材料力学性能研究和纤维增强机理以及玄武岩纤维水工混凝土及BFRP加固应用。最后对玄武岩纤维增强水泥基复合材料的发展研究方向进行了展望。

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。

玄武岩连续纤维增强结构用胶合板的研究

为提高结构用胶合板的力学性能,本研究对使用不同胶黏剂、不同板坯结构以及不同工艺条件的玄武岩纤维增强树脂(BFRP)/结构用胶合板生产工艺进行了研究,并对复合材料的静曲强度、BFRP与结构用胶合板之间的胶合强度进行了检测与分析。结果表明:与未增强的结构用胶合板相比,BFRP增强结构用胶合板的静曲强度提高了1～2倍;羟甲基化间苯二酚(Hydroxymethylated Resorcinol,HMR)的使用大大改善了BFRP与木材界面的胶合性能。使用BFRP提高结构用胶合板的力学性能是切实可行的。

BFRP-钢板复合加固钢筋混凝土梁的抗弯性能研究

纤维增强复合材料加固技术与钢板加固技术已广泛应用于对钢筋混凝土梁的加固,但无论采用哪一种加固方式,均有其局限性。为了弥补单一材料的不足,获得更好的加固效果,本研究选用钢板与天然玄武岩纤维增强复合材料(BFRP),采用单独加固与同时粘贴复合材料和钢板的复合加固方式,通过四点弯曲试验,研究钢板厚度、BFRP层数、钢板与BFRP的复合方式对钢筋混凝土梁的抗弯性能的影响。通过对比各试验梁的开裂荷载、极限荷载、跨中挠度、应变和破坏形式等,发现:与未加固梁相比,增加BFRP层数、钢板厚度以及采用复合加固的形式能有效地提高试验梁的承载力和构件刚度,但构件延性降低。其中,同时粘贴2层BFRP和2 mm钢板的复合加固方式最有效。该研究对探索天然纤维复合材料在工程加固领域的应用具有一定的理论指导意义。

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。

BFRP抗浮锚杆抗拔性能现场试验与荷载传递特性

玄武岩纤维增强聚合物(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)锚杆具有自重轻、抗拉强度高、耐腐蚀性能好等优点,率先将BFRP锚杆应用于滨海某医院的地下室抗浮中。基于5根不同锚固长度、不同直径的全螺纹BFRP抗浮锚杆的极限抗拔试验,分析抗浮锚杆的破坏形态,明确锚杆杆体和锚固体的荷载-位移变化规律,探究BFRP抗浮锚杆杆体轴力和剪应力随锚固深度的分布规律,并讨论BFRP锚杆的破坏机制。研究表明:(1)2组BFRP抗浮锚杆的抗拔承载力均超过400 kN,完全满足工程的抗浮要求;(2)随着锚固长度与杆体直径的增加,抗浮锚杆的极限抗拔承载力略有增加,但杆体位移相应增大;(3)BFRP抗浮锚杆轴向应力在孔口处最大,随深度增加而加速降低,轴向应力的传递深度约为锚固长度的2/3,通过增加锚固长度来提升抗浮锚杆的抗拔承载力有限;(4)BFRP抗浮锚杆的剪应力先沿锚固深度迅速增加,在锚固深度0.75 m附近达到峰值后逐渐减小,剪应力峰值随荷载水平的增加而增大。试验结果为BFRP抗浮锚杆的应用奠定了基础。

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。

应变速率和温度对单束BFRP力学性能的影响

利用MTS万能试验机和Instron落锤冲击系统分别研究了单束玄武岩纤维增强复合材料(单束BFRP)在室温(25℃)下的准静态(应变速率为(1/600)s^(-1))力学性能及不同温度(-25,0,25,50,75,100℃)、应变速率(40,80,120,160s^(-1))下的力学性能.结果表明:单束BFRP的拉伸力学性能与应变速率、温度具有相关性.在室温下,随着应变速率的增加,单束BFRP的弹性模量、破坏强度、峰值应变、最大应变和韧性均有不同程度的增大;在相同的应变速率(40s^(-1))下,随着温度的升高,弹性模量、破坏应力和冲击韧性先增大后减小,峰值应变和最大应变先减小后增大.

BFRP-混凝土加固中胶层厚度对有效粘结长度的影响

FRP作为加固材料,主要是通过环氧树脂将FRP与混凝土粘结成一个整体,所以FRP-混凝土界面的粘结力学性能是影响加固效果的重要因素,也是FRP与混凝土共同工作的基础。而在实际工程中,FRP外贴加固混凝土结构的破坏一般发生在加固粘结面上,所以提高粘结面的粘结性能是提高混凝土加固的一项重要措施,而有效粘结面的提高可以增加粘结面的粘结性能。国内外学者对FRP加固混凝土结构做了大量的试验研究,但目前研究的加固材料多为碳纤维(CFRP)和芳纶纤维(AFRP)等,而对性价比良好的玄武岩纤维(BFRP)研究的较少。本文通过三种不同胶层厚度的BFRP-混凝土双剪试验,来探索胶层厚度对有效粘结长度的影响。

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。

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。

盐雾侵蚀条件下玄武岩纤维布加固混凝土构件的耐久性试验

国内外学者对纤维复合材料(FRP)加固混凝土梁的整体性能及其耐久性都做了大量的试验和理论研究,但是以往对FRP的研究大多集中在碳纤维复合材料(CFRP)及玻璃纤维复合材料(GFRP)等上面,而对性价比良好的玄武岩纤维(BFRP)加固混凝土结构的试验研究却很少。基于以上因素,通过对18个梁在不同的初始荷载水平情况下分别在自然环境和盐雾环境下的老化试验研究,结果表明:不同初始荷载水平对BFRP加固混凝土梁的影响较小;盐雾环境与自然环境下对比发现,BFRP加固混凝土梁具有较好的耐盐雾侵蚀能力。

高温作用下BFRP筋力学性能试验研究

高温作用下玄武岩增强纤维复合材料(BFRP)力学性能的变化规律是研究BFRP混凝土结构损伤和评估的基础。本文通过拉伸、抗压和抗剪材性能试验,观察BFRP筋在不同温度中的外观变化形态和在外荷载作用下的破坏模式,获得高温下BFRP筋的本构关系曲线,分析抗压强度、抗剪强度、抗拉强度、弹性模量和极限应变等材料力学性能参数随温度增高的变化规律,建立各力学性能参数随温度增加的退化模型。结果表明:BFRP筋为线弹性本构关系,粘结树脂随温度增高出现碳化,表面硬度下降,抗拉、抗压以及抗剪强度退化显著,其中抗剪强度损失率高达77.75%。