巖土工程中玄武巖纖維復(fù)合加固材料的性能分析

張艷

摘要：為了驗(yàn)證玄武巖纖維復(fù)合加固材料的性能，研究對(duì)該材料的抗拉強(qiáng)度、耐候性以及抗剪強(qiáng)度3大性能進(jìn)行分析。采用對(duì)比分析的方式完成該材料與鋼筋材料之間性能的對(duì)比，該材料具有質(zhì)量輕、性能強(qiáng)、絕緣等優(yōu)勢(shì)，在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿環(huán)境下仍可維持自身性能。利用玄武巖纖維復(fù)合加固材料制作混凝土構(gòu)件，以此替代傳統(tǒng)鋼筋混凝土構(gòu)件，可有效解決巖土工程中存在的鋼筋腐蝕等問(wèn)題。將該材料應(yīng)用于巖土工程中，可與混凝土之間形成良好的粘接性，具有一定的可行性。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維復(fù)合加固材料;抗拉強(qiáng)度;耐候性能;抗剪強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TU375.1;TQ437.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）07-0057-04

Performance analysis of basalt fiber composite reinforcement material in geotechnical engineering

ZHANG Yan

（Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， Shaanxi China）

Abstract：In order to verify the performance of basalt fiber composite reinforcement material， this study analyzed the three major performances of the material including tensile strength， weather resistance and shear strength. After the performance comparison between this material and reinforcement material， it is figured out that this material has the advantages of light weight， strong performance， insulation and so on. It can maintain its own performance in strong acid and alkali environment. Using basalt fiber composite reinforcement material to make concrete members instead of traditional reinforced concrete members can effectively solve the problems of reinforcement corrosion in geotechnical engineering. When the material is used in geotechnical engineering， it can form a good bond with concrete and has certain feasibility.

Key words：basalt fiber composite reinforcement material; tensile strength; weatherability; shear strength

隨著我國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)境重視程度的不斷增長(zhǎng)，土木工程逐漸采用新型綠色環(huán)保材料作為核心材料。傳統(tǒng)巖土工程主要采用鋼筋作為建筑材料，鋼筋在使用過(guò)程中易受外界環(huán)境因素的干擾，腐蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重，不適用于地下建筑的施工建設(shè)。而玄武巖纖維復(fù)合加固材料主要以玄武巖纖維作為增強(qiáng)材料，并將合成樹(shù)脂作為該材料的基體，使該材料具有綠色環(huán)保、強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。將該材料應(yīng)用于巖土工程中，可最大限度地提高材料與混凝土之間的粘接性，具有較好的應(yīng)用前景。

1巖土工程中玄武巖纖維復(fù)合加固材料的抗拉性能

巖土工程中使用較為廣泛的材料為玄武巖纖維復(fù)合加固材料，在該材料的支持下，有利于提升巖土工程的整體施工質(zhì)量。玄武巖纖維復(fù)合加固材料實(shí)際上是一種新型復(fù)合材料，該材料主要由玄武巖纖維和基體材料共同組成。對(duì)該材料進(jìn)行制備時(shí)，為提升材料的基本性能，需要經(jīng)過(guò)特殊的工藝，并在持續(xù)不間斷的情況下完成玄武巖纖維復(fù)合加固材料的制備。材料加工工藝的步驟主要包括纏繞、拉擠及成型。玄武巖纖維復(fù)合加固材料制備過(guò)程中的主要受力材料為纖維，該材料中纖維含量越高，表明材料的抗拉性能越好。但是隨著材料中纖維含量的不斷增長(zhǎng)，最終可導(dǎo)致復(fù)合材料的延展性能減弱。本文采用對(duì)比分析的方式完成該材料與鋼筋材料之間性能的對(duì)比，該材料具有質(zhì)量輕、性能強(qiáng)、絕緣等優(yōu)勢(shì)。為解決巖土工程中存在的鋼筋腐蝕等問(wèn)題，將該材料應(yīng)用于巖土工程，采用玄武巖纖維復(fù)合加固材料制作混凝土構(gòu)件，以此替代傳統(tǒng)鋼筋混凝土構(gòu)件[1]。

1.1抗拉性能試驗(yàn)方法

由于玄武巖纖維復(fù)合加固材料中含有大量的纖維材料，為測(cè)試該材料的力學(xué)性能，將抗拉強(qiáng)度作為檢驗(yàn)玄武巖纖維復(fù)合加固材料性能的重要指標(biāo)。本研究對(duì)該材料進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，采用數(shù)控液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)作為性能測(cè)試的核心設(shè)備，在此基礎(chǔ)上結(jié)合靈敏度較高的數(shù)字引伸計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)材料拉伸長(zhǎng)度的采集。該材料在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，易受剪應(yīng)力等因素干擾而產(chǎn)生不同程度的破壞現(xiàn)象。在該情況下對(duì)該材料進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，可使該材料因荷載的持續(xù)增大，最終使材料的端部被破壞，無(wú)法得到纖維材料抗拉強(qiáng)度的準(zhǔn)確值[2]。

玄武巖纖維復(fù)合加固材料試驗(yàn)樣本的制備過(guò)程：選用無(wú)縫鋼管作為該試驗(yàn)的錨具，利用專(zhuān)業(yè)的清理方法將該工具內(nèi)壁鐵銹清理干凈，并在該工具的內(nèi)壁打出凹、凸不平的刻痕，最后將該工具的一端端口鉗為錐形，通過(guò)該方式有利于最大限度地強(qiáng)化錨具與環(huán)氧樹(shù)脂系粘結(jié)劑之間含有的摩擦力。對(duì)玄武巖纖維復(fù)合加固材料進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，采用環(huán)氧樹(shù)脂和喜利得A級(jí)植筋膠作為錨具與復(fù)合加固材料的粘結(jié)劑，其中環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑內(nèi)主要包含環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、催化劑以及石英砂，四者之間的配合比例為100∶80∶8∶ 30，在完成該粘結(jié)劑的配比時(shí)，應(yīng)保證中間自由段的長(zhǎng)度大于等于30倍直徑，其數(shù)值大于等于500 mm[3]。

玄武巖纖維復(fù)合加固材料的性能測(cè)試過(guò)程：該材料試驗(yàn)樣本制作完畢后，對(duì)該試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1周以上，將該試件安裝在試驗(yàn)機(jī)的上、下夾頭間，在試件中部安裝一個(gè)數(shù)字引伸計(jì)。準(zhǔn)備工作均完成后，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，將試驗(yàn)機(jī)的加載速率調(diào)節(jié)至2 mm/min，對(duì)試驗(yàn)樣本進(jìn)行拉伸，直至試件被破壞，即可關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)，并精準(zhǔn)記錄試件被破壞時(shí)的受力值及破壞程度。

1.2抗拉性能試驗(yàn)結(jié)果

采用環(huán)氧樹(shù)脂膠作為試驗(yàn)樣的粘結(jié)劑時(shí)，選用直徑為6、8、10 mm的玄武巖纖維復(fù)合加固筋材分別制作出4根試驗(yàn)樣本。采用喜利得A級(jí)植筋膠作為試驗(yàn)樣的粘結(jié)劑時(shí)，選用直徑分別為6、8、10、12、14 mm的玄武巖纖維復(fù)合加固筋材制作出4根試驗(yàn)樣本。不同粘結(jié)劑作用下試驗(yàn)樣本的測(cè)試結(jié)果為：該試件在拉伸過(guò)程中，首先出現(xiàn)環(huán)氧樹(shù)脂膠脫落的現(xiàn)象，接著試件內(nèi)部部分纖維被試驗(yàn)機(jī)拉斷，該現(xiàn)象可稱(chēng)之為樹(shù)脂拉裂。隨著試驗(yàn)機(jī)的不斷拉伸，荷載處于穩(wěn)定增長(zhǎng)狀態(tài)，環(huán)氧樹(shù)脂及纖維出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，并且纖維斷裂現(xiàn)象越演越烈，最后試件中部被試驗(yàn)機(jī)拉斷。同時(shí)，并伴有巨大的聲響，試件出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象，之前無(wú)明顯征兆。故對(duì)該試件進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)人員應(yīng)與試件之間保持一定距離，防止人員因試件爆炸而受傷。玄武巖纖維復(fù)合加固材料的平均拉力及平均應(yīng)力值如表1所示[4]。

5種不同筋材直徑的彈性模量平均值依次為：46.3、49、54.3、60.7、47 GPa，通過(guò)對(duì)試件的彈性模量進(jìn)行分析可知，試件直徑與彈性模量之間呈正比關(guān)系變化、由于玄武巖纖維復(fù)合加固材料內(nèi)纖維含量較高，彈性模量的強(qiáng)度主要與纖維含量有關(guān)，故直徑越大的試件，其彈性模量越大。直徑為14 mm試件的彈性模量較小的主要原因是該試件內(nèi)部纖維含量較少，環(huán)氧樹(shù)脂過(guò)多所致。

2巖土工程中玄武巖纖維復(fù)合加固材料的耐候性能

2.1耐候性能試驗(yàn)方法

本研究對(duì)玄武巖纖維復(fù)合加固材料的耐候性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，選用長(zhǎng)度為30 cm的復(fù)合筋作為試驗(yàn)樣本，將試件置于酸、堿環(huán)境下，對(duì)試件的強(qiáng)度保持率情況進(jìn)行分析。性能測(cè)試開(kāi)始之前，將試驗(yàn)樣本截取成直徑為6、8、10、12 mm的筋材，不同直徑筋材的數(shù)量為8根，從4種不同直徑的筋材中各選取4根置于酸堿環(huán)境下浸泡。其中，酸性溶液為硫酸，濃度為0.025 mol/L;堿性溶液為Ca（OH），質(zhì)量濃度為2.5 g/L[5]。試驗(yàn)準(zhǔn)備工作完畢后，即可開(kāi)始筋材的耐候性能測(cè)試，測(cè)試過(guò)程：從4種直徑的筋材中各選出1根，將4根筋材共同組成1組，共4組試件，浸入至酸堿溶液中，通過(guò)容器蓋使容器處于密閉狀態(tài)，并放入恒溫箱內(nèi)保溫。試驗(yàn)時(shí)間為30 d，每天對(duì)溶液進(jìn)行1次攪動(dòng)。浸泡完畢后，利用清水將筋材表面清洗干凈并風(fēng)干。最后將剩余試件置于蒸餾水中浸泡并晾干，浸泡時(shí)間為1 h。精準(zhǔn)記錄筋材表面的變化情況，利用試驗(yàn)機(jī)對(duì)4個(gè)組試件進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，計(jì)算試件的強(qiáng)度保留率[6]。

2.2耐候性能試驗(yàn)結(jié)果

酸性、堿性溶液環(huán)境下筋材的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

3巖土工程中玄武巖纖維復(fù)合加固材料的抗剪強(qiáng)度

3.1抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法

將玄武巖纖維復(fù)合加固材料與普通鋼筋進(jìn)行對(duì)比可知，玄武巖纖維復(fù)合加固材料具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度。本研究為驗(yàn)證該材料的抗剪強(qiáng)度，采用三點(diǎn)剪切試驗(yàn)方法對(duì)該材料的性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中的核心設(shè)備為萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。性能測(cè)試開(kāi)始之前，將試驗(yàn)樣本截取成直徑為10、12、14 mm的筋材，不同直徑筋材的數(shù)量為4根，將試件穿過(guò)鋼套管后置于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上端，即可啟動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，直至試件受力出現(xiàn)下降的情況時(shí)，關(guān)閉萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)結(jié)束[7]。

3.2抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析可知，樣本的直徑為10 mm時(shí)，玄武巖纖維復(fù)合加固材料的平均抗剪強(qiáng)度為159 MPa;樣本的直徑為12 mm時(shí)，玄武巖纖維復(fù)合加固材料的平均抗剪強(qiáng)度為189 MPa。試驗(yàn)樣本的直徑為14 mm時(shí)，玄武巖纖維復(fù)合加固材料的平均抗剪強(qiáng)度為187 MPa。以直徑為12 mm的玄武巖纖維復(fù)合加固材料為例，12 mm玄武巖纖維復(fù)合加固材料抗剪強(qiáng)度變化曲線如圖1所示。

鋼筋材料實(shí)際是一種均質(zhì)材料，抗剪強(qiáng)度進(jìn)行描述時(shí)，僅通過(guò)強(qiáng)度指標(biāo)即可完成該材料的概括。而玄武巖纖維復(fù)合加固材料主要由內(nèi)部纖維束與環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑粘接而成，無(wú)法使用強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行描述。本研究通過(guò)對(duì)抗剪強(qiáng)度變化情況進(jìn)行分析可知，玄武巖纖維復(fù)合加固材料的抗剪強(qiáng)度與直徑之間呈正比關(guān)系變化，隨著材料直徑的不斷增大，抗剪強(qiáng)度也越來(lái)越大。通過(guò)計(jì)算可知，普通鋼筋的抗剪強(qiáng)度數(shù)值大約在170 MPa左右，玄武巖纖維復(fù)合加固材料越鋼筋之間的抗剪強(qiáng)度數(shù)值相差不大[8]。

4結(jié)語(yǔ)

本研究主要對(duì)玄武巖纖維復(fù)合加固材料的抗拉強(qiáng)度、耐候性以及抗剪強(qiáng)度三大性能進(jìn)行測(cè)試，并采用對(duì)比分析的方式，將玄武巖纖維復(fù)合加固材料與普通鋼筋進(jìn)行對(duì)比，該材料的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于普通鋼筋。將該材料置于強(qiáng)酸強(qiáng)堿環(huán)境下長(zhǎng)期浸泡，仍可保持較高的強(qiáng)度保留率，該現(xiàn)象表明玄武巖纖維復(fù)合加固材料的耐候性能較強(qiáng)。該材料的抗剪強(qiáng)度維持在159～189 MPa，普通鋼筋的抗剪強(qiáng)度數(shù)值大約在170 MPa左右，該材料的抗剪強(qiáng)度略大于普通鋼筋。該材料性能較好，在強(qiáng)酸強(qiáng)堿環(huán)境下仍可維持自身性能，將該材料應(yīng)用于巖土工程中，可與混凝土之間形成良好的粘結(jié)性，具有一定可行性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]朱忠鋒，王文煒.玄武巖格柵增強(qiáng)ECC復(fù)合材料反復(fù)荷載作用下本構(gòu)關(guān)系模型[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（5）：44-50.

[2]鄭宇宙，王文煒.復(fù)材網(wǎng)格-UHTCC復(fù)合增強(qiáng)鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2017（6）：23-32.

[3]李禎，李曄.玄武巖編織網(wǎng)復(fù)合ECC增強(qiáng)鋼筋混凝土圓柱體軸向受壓性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2017（9）：40-44.

[4]任曉丹，劉凱，魏公濤，等.不同加載速率下箍筋約束混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2017（3）：141-150.

[5]朱忠鋒，王文煒.玄武巖格柵增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料單軸拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)及本構(gòu)關(guān)系模型[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2017（10）：2 367-2 374.

[6]葛文杰，馮肖，季翔，等.纖維增強(qiáng)復(fù)材筋增強(qiáng)工程用水泥基復(fù)合材料-混凝土復(fù)合梁受彎性能試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2017（11）：23-27.

[7]朱忠鋒，王文煒.FRP編織網(wǎng)/ECC復(fù)合加固鋼筋混凝土圓柱力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（5）：1 082-1 087.

[8]葛文杰，虞佳敏，高培琦，等.碳纖維布加固玄武巖纖維復(fù)材筋工程用水泥基復(fù)合材料混凝土梁的受彎性能A[J].工業(yè)建筑，2020（2）：163-168.