高温和冻融后玄武岩纤维筋力学性能研究.pdf

NO.8(Ser.299)JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERING SOCIETY第8 期（总2 99）Aug2023报程学道铁2023年8 月文章编号：10 0 6-2 10 6(2 0 2 3)0 8-0 0 18-0 5高温和冻融后玄武岩纤维筋力学性能研究林明安林加剑？2米*（1.中国铁路设计集团有限公司，天津30 0 142；2.安徽大学，合肥230601)摘要：研究目的：为研究玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）筋在高温和冻融作用后的力学性能变化规律，采用万能试验机对BFRP筋进行常温下拉伸试验，并对经过高温作用和冻融循环处理后的筋材拉伸性能进行测试。在试验结果基础上，探讨高温、冻融循环等环境条件对BFRP筋强度、刚度的影响及其力学性能退化情况，为拓展BFRP筋的工程应用提供试验数据和支撑。研究结论：（1)BFRP筋破坏形式为脆性破坏，极限抗拉强度大于110 0 MPa，弹性模量大于51GPa；(2)BFRP筋抗拉强度随温度升高而降低，当温度达到30 0 时，试件抗拉强度降幅高达32.5%，但剩余强度仍为7 8 3MPa；（3)BFR P筋抗拉强度随冻融循环（-50 7）次数增加有所下降，循环冻融10 0 次后，降低幅度为9.8%,残余抗拉强度为10 45.6 MPa；（4)在耐高温和冻融试验中,BFRP筋材的弹性模量变化不大，极限拉应变随温度升高、冻融循环次数增加而不断降低，与强度退化趋势基本相同；（5）本研究成果可为BFRP筋在高温和寒区环境冻融作用下的应用提供参考和借鉴。关键词：玄武岩纤维筋；抗拉强度；高温作用；冻融循环中图分类号：TU377.9文献标识码：AExperimental Study on the Mechanical Properties of BFRP Bars after High-temperature and Freeze-thaw CyclesLIN Mingan,LIN Jiajian?(1.China Railway Design Corporation,Tianjin 300142,China;2.Anhui University,Hefei,Anhui 230601,China)Abstract:Research purposes:In order to study the mechanical properties of basalt fiber reinforced polymer(BFRP)bars after high-temperature and freeze-thaw actions,some laboratory tests were conducted by the universal testingmachine,including tensile test at room temperature,high-temperature resistance test and freeze-thaw cycle test.According to test results,retention ration of strength and stiffness of BFRP bars under high-temperature and freeze-thaw actions,and the degradation of the mechanical properties were discussed,so as to provide experiment data andsupport for expanding the engineering application of BFRP bars.Research conclusions:(1)The failure mode of BFRP bars is brittle failure,and the ultimate tensile strength is greaterthan 1100 MPa,the elastic modulus is greater than 51 GPa.(2)The tensile strength of BFRP bars decreases with theincrease of temperature.When the temperature reaches 300,t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e s p e c i me n d e c r e a s e s b y32.5%,but the residual strength is still 783 MPa.(3)The tensile strength of BFRP bars decreases with the increase offreeze-thaw(-50 7 )c y c l e s.A f t e r 10 0 c y c l e s o f f r e e z e -t h a w,t h e r e d u c t i o n r a n g e i s 9.8%,a n d t h e r e s i d u a ltensile strength is 1 045.6 MPa.(4)In the high-temperature resistance and freeze-thaw cycle tests,the elastic modulusof BFRP bars has lttle change.The ultimate tensile strain decreases with the increase of temperature and the number offreeze-thaw cycles,and basically the same as the strength degradation trend.(5)The research result can provide a收稿日期：2 0 2 3-2 6-2 0米米作者简介：林明安，198 4年出生，男，高级工程师；林加剑，197 9年出生，男，讲师。林明安第8 期林加剑：高温和冻融后玄武岩纤维筋力学性能研究19reference for applying BFRP bars in high-temperature environments and under freeze-thaw cycles in cold regions.Key words:BFRP bar;tensile strength;high-temperature action;freeze-thaw cycle传统钢质锚索（杆）在多雨、地层水富集环境下易锈蚀破坏，强度降低，支护失效。纤维增强复合材料（FiberReinforcedPolymer，简称FRP)筋替代钢筋解决钢筋锈蚀问题已成为土木工程材料领域的研究热点)。玄武岩纤维（Basalt FRP，BFRP)筋较其他FRP筋由于性价比高、原料丰富、绿色环保、低碳等优点，在轨道工程、桥梁工程、道路路面工程等交通基础设施领域应用前景广泛2-4。基础设施的设计使用年限长且服役环境复杂多样,研究BFRP筋的高温性能和冻融性能对BFRP结构安全经济设计具有重要意义。中国北方大部分地区及青藏高原高寒地区的基础设施面临着冻融、高地温等极端环境的影响。BFRP筋相对其他FRP筋出现较晚,国内外学者对BFRP筋的高温性能、冻融性能的研究相对较少5-7 基于以上情况,开展了BFRP筋在高温、冻融环境下的抗拉强度、弹性模量等力学性能的试验研究。1试验方案本文主要进行BFRP筋材的拉伸性能试验、耐高温试验、冻融试验。1.1试验材料试验用BFRP筋材由山西某玄武岩公司生产，螺旋缠绕带肋筋，表面覆盖型砂，有效直径12.6 mm，密度2.0 8 g/cm，重量为0.2 6 kg/m，如图1所示。图1试验用BFRP筋材锚具用外径32 mm、壁厚3mm的无缝钢管制成，长度为2 0 cm。使用橡胶垫将无缝钢管一端封堵，向钢管灌人环氧树脂填充料。1.2试验方法1.2.1拉伸试验拉伸试验采用纤维增强复合材料筋基本力学性能试验方法（GB/T300222013）国家标准8 ，具体试验在数控万能试验机上实施，连续加载至试样破坏，记录最大荷载值及破坏形式，采用高灵敏度的数字引伸计对其拉伸试验数据进行采集，获得应力应变曲线。1.2.2耐高温试验使用高低温环境箱对BFRP筋局部加热，加热段长度为2 5cm。试验开始前，向加热炉上部塞入绝热石棉,防止锚具中的环氧树脂填充料出现软化。对BFRP筋整体加热至目标温度并保持状态10 min，取出试件冷却至常温后胶装锚具。静置7 d后在拉伸试验机上做抗拉强度测试，试件拉伸强度测试采用2mm/min等速加载方式,直至BFRP筋材断裂。1.2.3冻融试验循环冻融过程在高低温环境箱内进行，将BFRP筋材直接浸人水容器中，然后将水容器放人环境箱冷冻，1h后取出解冻。每天进行8 个循环（每个循环中1h冷冻时间，2 h解冻时间），冻融循环的温度为-50 7。将达到目标循环次数的BFRP筋材放在拉伸试验机上进行抗拉强度测试，采用2 mm/min等速加载，直至BFRP筋材断裂。1.3力学指标计算根据中国国家标准8 ，由试验数据计算BFRP筋拉伸强度、弹性模量、极限拉应变。抗拉强度按式(1)计算：F0=7(1)A式中b拉伸强度(MPa);Fb最大荷载(N)；A-试样的横截面面积（mm）。拉伸弹性模量按式(2）计算：EL=(e1-6)AF,-F,(2)式中EL一#-拉伸弹性模量（MPa）；F-50%的最大荷载（N）；F220%的最大荷载（N）；8150%最大荷载对应的应变；8220%最大荷载对应的应变。极限应变按式（3）计算：F8u=E.A(3)式中极限应变。2023年8 月程报学道铁202试验结果2.1自然环境下BFRP筋力学指标抗拉试验共3组，每组3个试件，试样标距为550 mm。A组加载速率为1mm/min,B组加载速率为2 mm/min,C组加载速率为3mm/min。其试验结果如表1所示。表1自然环境下BFRP筋材抗拉力学指标最大拉力抗拉强度伸长量伸长率弹性模量编号/kN/MPa/mm/%/CPaA147.21 181.66.61.251.4A2145.71 169.46.51.250.8A389.5根部断裂平均146.51 175.56.61.251.1B143.41 150.55.91.150.8B,1441 158.36.41.251.4B,145.81170.16.21.152.3平均144.41159.66.21.151.5C,1321095.46.31.251.7C110拔出C,150.81 210.26.71.252.2平均141.41 152.86.51.2522.2耐高温性能BFRP筋高温试验中，设计试验温度为10 0、150、2 0 0、2 50 和30 0。每种温度条件下，分别测试3根BFRP筋。测试结果如表2 所示，取其均值作为BFRP筋在该温度下的力学性能代表值。表2BFRP筋材高温试验结果温度试件最大拉力抗拉强度弹性模量极限/编号/kN/MPa/CPa拉应变t-20-1143.41 150.550.80.022.6t-20-21441158.351.40.022.520t-20-3145.81 170.152.30.022.4平均144.41 159.651.50.022 5t-100-1139.81 122530.021 2t-100-2137.41 102.753.30.0207100t-100-3140.31 126.952.10.021 6平均139.21 117.252.80.021 2t-150-1133.2106951.50.0208t-150-2135.11084.351.90.0209150t-150-3134.71 081.152.90.020 4平均134.31 07852.10.0207t-200-1130.11044.154.80.019 1t-200-2129.31037.752.60.019 7200t 200-3131.91058.651.90.020 4平均130.41 046.853.10.0197续表2BFRP筋材高温试验结果温度试件最大拉力抗拉强度弹性模量极限/编号/kN/MPa/CPa拉应变t-250-1121971.154.60.0178t-250-2123.5991.252.10.019 0250t-250-3122.4982.3550.017 9平均122.3981.553.90.018 2t 300-198.6791.340.80.019 4t-300-295.2764450.017 0300t-300-399794.541.70.0191平均97.6783.342.50.018 42.3冻融循环冻融循环试验中，对4批BFRP筋（每批3根，共计12 根），测试冻融试验前的材性试验（3根）、冻融后BFRP筋（9根）的拉伸强度和弹性模量。冻融三组试件分别进行6 0 次、8 0 次、10 0 次冻融循环，冻融循环的温度-50 7,达到目标冻融循环次数后进行力学强度测试。测试结果如表3所示，取其均值作为BFRP筋在冻融循环次数下的力学性能代表值。表3BFRP筋材冻融循环试验结果温度试件最大拉力抗拉强度弹性模量极限/编号/kN/MPa/GPa拉应变DR-0-1143.41 150.550.80.022 6无冻融DR-0-21441 158.351.40.0225DR-0-3145.81 170.152.30.0224平均144.41 159.651.50.022.5DR-60-1143.11 148.550.40.0228循环DR-60-2132.61064.252.70.020260次DR-60-3133.81 073.853.20.0202平均136.51095.552.10.021 0DR-80-1139.21 117.251.90.021 5循环DR-80-2135.71089.150.30.021 780次DR-80-31281029.251.70.020 0平均134.31 078.551.30.021 0DR-100-1133.11 068.248.80.021 9循环DR-100-2128.41 030.553.50.0193100次DR-100-3129.11 038.153.10.0195平均130.21045.651.80.02023试验分析3.1BFRP筋基本力学性能BFRP筋拉伸破坏形式基本为脆性破坏。BFRP筋应力应变曲线在断裂前呈直线，无明显的屈服平台，可以近似取BFRP筋的可靠强度为其极限抗拉强度的8 0%林明安第8 期林加剑：高温和冻融后玄武岩纤维筋力学性能研究21BFRP筋抗拉试验采用3种不同的加载速度，其抗拉强度相差不大，均大于110 0 MPa，弹性模量大于51 GPa。3.2BFRP筋耐高温试验分析不同温度下BFRP筋拉伸试验结果如表4所示。根据表4中的测试结果对高温后BFRP筋的力学性能变化规律进行讨论。表47不同温度下BFRP筋拉伸试验结果拉伸强度弹性模量极限拉应变温度平均值保留率平均值保留率平均值保留率/MPa/%/CPa/%/%/%201 159.610051.51002.251001001 117.296.352.8102.52.1294.21501 07893.052.1101.22.0792.02001 046.890.353.1103.11.9787.6250981.584.653.9104.71.8280.9300783.367.542.582.51.8481.8注：剩余性能与初始性能的比值定义为该性能的保留率。第一，随温度升高,BFRP筋材表面颜色逐渐由浅灰色变为炭黑色，抗拉试验过程中筋材局部出现黏结树脂脱落、纤维分离，最终试件呈坑蚀式、断裂式、撕裂式及灯笼式破坏形态。第二,BFRP筋抗拉强度参数随温度升高而降低，且降低幅度越来越大，当温度达到30 0 时试件抗拉强度降低程度较为显著，降幅高达32.5%，但剩余强度仍为7 8 3MPa。唐利等6 、朱德举等9 和陆春华等10 通过BFRP筋高温试验也得到了类似结果。高温后BFRP筋抗拉强度退化的主要原因可能是树脂和纤维界面黏结性能的退化。第三，弹性模量表征材料的刚度，是重要的力学性能指标。试验温度内，纤维筋未达到其软化温度，弹性模量变化不大，由于测量误差等原因存在波动情况第四，极限拉应变又称断裂延伸率，综合考虑了抗拉强度和弹性模量，表征BFRP筋材在断裂时的变形能力,其随温度升高不断降低，与强度退化趋势基本相同，如图2 所示3.3BFRP筋冻融循环试验分析冻融循环后BFRP筋的力学性能变化如表5所示。由表5可以看出：第一，经过冻融循环的试件与未冻融试件相比，受拉时并没有表现脆性增强的迹象，这说明冻融循环对BFRP筋材的破坏形态没有明显影响，对弹性模量基本无影响；第二，BFRP筋材抗拉强度随冻融循环次数增加有所下降，循环冻融10 0 次后，BFRP筋材极限抗拉强度进一步降低，降低幅度为9.8%，残余抗拉强度为10 45.6 MPa，如图3所示。11010510095%/率遇尚9085注：抗拉强度；一80弹性模量一575一极限拉应变7065601050100150200250300 350温度/图2耐高温拉伸性能变化折线图表5不同冻融循环次数下BFRP筋拉伸性能拉伸强度弹性模量极限拉应变次数平均值保留率平均值保留率平均值保留率/MPa/%/GPa/%/%/%01 159.610051.51000.022.5100601095.594.552.1101.20.021 093.3801078.593.051.399.60.021 093.31001 045.690.251.8100.60.020 289.8注：剩余性能与初始性能的比值定义为该性能的保留率。105100%/率遇尚95注：90抗拉强度；弹性模量；一一极限拉应变85801020406080100120冻融循环次数图3冻融条件下拉伸性能变化折线图4结论（1)BFR P筋材应力-应变曲线无明显屈服平台，破坏形式为脆性破坏，无明显预兆，极限抗拉强度大于1100MPa，弹性模量大于51GPa。(2)BFRP筋抗拉强度参数随温度升高而降低，并且降低幅度越来越大，当温度达到30 0 时试件抗拉强度降低程度较为显著，降幅高达32.5%，但剩余强度仍为7 8 3MPa。BFR P筋材抗拉强度随冻融循环次数增加有所下降，循环冻融10 0 次后，BFRP筋材极限抗拉强度进一步降低，降低幅度为9.8%，残余抗拉强度为10 45.6 MPa。高温较冻融对抗拉强度的影响更为显著。在耐高温和冻融试验中，由于弹性模量变化（编辑曹淑荣）2023年8 月程道铁报学22不大，极限拉应变随温度升高、冻融循环次数增加而不断降低，与强度退化趋势基本相同。(3)BFRP筋耐高温、耐冻融性能优良，可以在高地热、高寒地区使用。参考文献：1吴智深，汪昕，吴刚.FRP增强工程结构体系M.北京：科学出版社,2 0 17.Wu Zhishen,Wang Xin,Wu Gang.FRP ReinforcedEngineering Structural Systems M.Beijing:SciencePress,2017.2施成.应用玄武岩纤维筋的轨道板静载受力性能试验研究J.铁道建筑,2 0 2 1（10）：10 9-112.Shi Cheng.Experimental Study on Static MechanicalBehavior of Track Slab Reinforced by Basalt Fiber BarJ.Railway Engineering,2021(10):109-112.3张清峰，张昌伟，杨亮元，等玄武岩纤维改性碾压混凝土抗裂性能研究J铁道工程学报，2 0 19（10）：12-16.Zhang Qingfeng,Zhang Changwei,Yang Liangyuan,etc.Experimental Research on the Modified PermeableCement Stabilized Macadam with Basalt Fiber J.Journal of Railway Engineering Society,2019(10):12-16.4张清峰，张昌伟，林雄，等.玄武岩纤维改性透水水泥稳定碎石试验研究J.铁道工程学报，2 0 2 0（7）：18-2 2.Zhang Qingfeng,Zhang Changwei,Lin Xiong,etc.Experimental Research on the Modified PermeableCement Stabilized Macadam with Basalt Fiber J.Journal of Railway 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