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作者：張毅            

  在路面修復(fù)中，連續(xù)配筋水泥混凝土路面在縱向配置連續(xù)鋼筋，具有較好的耐久性。但大量鋼筋的使用，造成了該路面結(jié)構(gòu)造價大幅增加，早期投資較高，這已成為其大面積推廣應(yīng)用的瓶頸。

  玄武巖纖維筋材（BFRP筋）造價低、耐銹蝕、力學(xué)性能較為優(yōu)異，因此，若將BFRP筋作為鋼筋的替代物，將為該路面結(jié)構(gòu)的推廣提供更好的途徑。據(jù)此，本文對BFRP筋各項(xiàng)性能進(jìn)行系統(tǒng)分析，并對其進(jìn)行改性，以期指導(dǎo)BFRP筋在道路工程中的應(yīng)用。

1 BFRP筋及其基本力學(xué)性能

  BFRP筋是以玄武巖纖維為增強(qiáng)材料，以合成樹脂為基體材料，并摻入適量輔助劑（如交聯(lián)單體、引發(fā)劑、促進(jìn)劑、蝕變劑、阻燃劑、陰聚劑、填料、顏料等）經(jīng)拉擠工藝和特殊的表面處理形成的一種新型復(fù)合材料，其具體形態(tài)見圖1。

  BFRP筋的基本力學(xué)性能能夠反映出BFRP筋在受到應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)，因此對

BFRP筋進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，分析BFRP筋在典型荷重狀態(tài)下的應(yīng)力、應(yīng)變變化關(guān)系，見圖2，圖3。

  由圖2，圖3可見，從開始受荷到完全破壞的受力過程中，荷重一應(yīng)變關(guān)系在初期表現(xiàn)為1條斜直線。由應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系圖分析可得，BFRP筋材在破壞之前基本呈直線變化，無屈服階段，破壞形式為脆性破壞。

2 BFRP筋單向拉伸試驗(yàn)研究

  BFRP筋材的強(qiáng)度和模量與纖維含量密切相關(guān)，因此，借助單向拉伸試驗(yàn)對不同纖維含量的BFRP筋的力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，BFRP筋材的規(guī)格見表1。

(1)強(qiáng)度和模量。玄武巖纖維筋力學(xué)性能檢則結(jié)果件表2。

  由表2可見，玄武巖纖維筋的抗拉強(qiáng)度均大于600 M Pa，約為普通鋼筋抗拉強(qiáng)度的3倍。由于BFRP筋應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為線性關(guān)系，不存在屈服階段，為方便設(shè)計和應(yīng)用，規(guī)定達(dá)到極其屈服強(qiáng)度為600 M Pa。且隨著直徑的增加，3種規(guī)格BFRP筋的纖維含量逐漸減小，導(dǎo)致模量逐漸降低。

  (2)力學(xué)性能對比。由于BFRP筋與鋼筋在結(jié)構(gòu)形態(tài)上相類似，僅是材料性質(zhì)不同，因此采用鋼筋的基本性能指標(biāo)與BFRP筋進(jìn)行比較，具體結(jié)果見表3。

  由表3可見，BFRP筋抗拉強(qiáng)度約為鋼筋的3倍，彈性模量較熱軋鋼筋低，比混凝土的彈性模量（E。=14. 5～36.0 G Pa）大2～3倍，因此其與混凝土的變形協(xié)調(diào)性與鋼筋相比較好。與鋼筋的力學(xué)性能比較可以看出，玄武巖纖維筋的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于鋼筋，但是其模量偏低，約為鋼筋彈性模量的23%，為使玄武巖纖維筋大規(guī)模使用，需要提高玄武巖纖維筋的模量值。

3  高模量BFRP-鋼絲混雜筋研究

  玄武巖纖維筋相比鋼筋而言模量較低，因此提高玄武巖纖維筋的模量可以擴(kuò)大玄武巖纖維筋的使用范圍，增強(qiáng)玄武巖纖維筋結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，控制結(jié)構(gòu)裂縫。根據(jù)混雜原理，將鋼絲和玄武巖纖維進(jìn)行混雜，在玄武巖纖維筋生產(chǎn)過程中加入一定體積分?jǐn)?shù)的鋼絲，利用鋼絲的高模量性質(zhì)來提高玄武巖纖維筋模量值，同時改善玄武巖纖維筋的延展性。混雜筋截面示意圖見圖

4，試驗(yàn)所用不同規(guī)格混雜筋見表4。

3.2復(fù)合筋室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

3. 2.1  復(fù)合筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

  不同體積分?jǐn)?shù)玄武巖纖維-鋼絲復(fù)合筋在拉伸過程中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系見圖5。

  由圖5可見，與純BFRP筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系相比，不同鋼絲體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合筋應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不再是線性關(guān)系。曲線圖開始具雙線性特性，且隨著鋼絲體積分?jǐn)?shù)的提高，這種雙線性關(guān)系進(jìn)一步加強(qiáng)，在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系上表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變不再是單一的直線，線形呈“上凸”趨勢。表明玄武巖纖維鋼絲復(fù)合筋具有了一定的延性。

3.2.2不同規(guī)格復(fù)合筋力學(xué)性能

  (1)復(fù)合筋強(qiáng)度與鋼絲摻量的關(guān)系。高強(qiáng)度鋼絲的加入使得復(fù)合筋材的強(qiáng)度特征與純玄武巖纖維筋材有所不同，分析復(fù)合筋強(qiáng)度和鋼絲摻量間的關(guān)系見圖6。

  由圖6可見，玄武巖纖維-鋼絲復(fù)合筋強(qiáng)度值隨著鋼絲含量從4%增加到24%，強(qiáng)度值分別增加了7. 51%，8.04%，26. 3%，23. 21%，當(dāng)摻量超過24%時，強(qiáng)度值開始降低。這主要是由于成型工藝的影響，隨著鋼絲數(shù)量的增加，鋼絲和纖維之間的相互干涉影響作用更加明顯，拉擠時纖維之間沒有完全平行排列，表現(xiàn)在拉伸過程中，只有部分纖維承擔(dān)荷載，因此造成復(fù)合筋的整體強(qiáng)度降低。但總的來說，摻雜鋼絲的復(fù)合筋抗拉強(qiáng)度高于純玄武巖纖維筋。

  (2)復(fù)合筋模量與鋼絲摻量的關(guān)系。高模量鋼絲的加入使得復(fù)合筋材的模量顯著增大，分析復(fù)合筋模量和鋼絲摻量間的關(guān)系見圖7。

  由圖7可見，相比純玄武巖纖維筋，隨著鋼絲的摻量從4%增加到24%，復(fù)合筋模量分別增加了18. 4%，36. 3%，66. 96%，86. 05%，說明摻加鋼絲可以顯著提高BFRP筋模量值，且在一定范圍內(nèi)，摻加的鋼絲量越大，對模量的提高效果越顯著。但并非摻雜的鋼絲越多越好，生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼絲摻雜量過大時造成筋材拉擠成型困難、鋼絲在復(fù)合筋中難以定位和鋼絲與玄武巖纖維之間粘結(jié)效果不好等問題。在本研究中，為保證玄武巖纖維復(fù)合筋的質(zhì)量，建議直徑為10 mm玄武巖纖維筋中鋼絲的摻量不超過30%。

4結(jié)語

  (1)玄武巖筋材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為良好的線性關(guān)系，不存在屈服階段，筋材的破壞為突然性的脆性破壞。

  (2)隨著筋材直徑變大，玄武巖纖維筋的模量逐漸降低，模量值的大小主要與纖維筋的纖維含量相關(guān)，纖維含量越高，玄武巖纖維筋模量越大。

  (3)與鋼筋相比，玄武巖筋材的屈服強(qiáng)度約是鋼筋的3倍，而彈性模量僅約為鋼筋的25%左右，需要采取技術(shù)措施提高玄武巖筋材的模量。

(4)通過在玄武巖纖維中加入鋼絲制作形成玄武巖纖維-鋼絲復(fù)合筋，可以顯著提高筋材的強(qiáng)度和模量值，改善其延展性，當(dāng)鋼絲含量達(dá)到24%時，復(fù)合筋模量達(dá)76.6 G Pa，提高了約86%。

5摘要為確定玄武巖纖維筋材的力學(xué)性能，通過測試玄武巖纖維筋材的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度指標(biāo)對其基本力學(xué)性能進(jìn)行研究，并借助單向拉伸試驗(yàn)，對比研究了玄武巖纖維筋材直徑對其強(qiáng)度和模量的影響，并確定其應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，對不同體積分?jǐn)?shù)的BFRP-鋼絲混雜筋力學(xué)性能進(jìn)行研究，確定當(dāng)鋼絲含量達(dá)到24%時，復(fù)合筋模量達(dá)76. 6GPa，提高了約86%，復(fù)合筋性能得到大幅度提升。