BFRP基本物化性能报告

BFRP 筋-混凝土块粘结性能测试：用于 BFRP 筋－混凝土块粘结测试的混凝土强 度为 C30。所用水泥为哈尔滨水泥厂产的 425#硅酸盐水泥，细骨料为中砂，粗骨
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料为最大粒径不超过 25mm 的碎石。其配合比为：
水泥：水：碎石：砂=400：200：620：1180 用于试件浇筑的模具用木头制作（见图 5.1），内腔为边长为 100mm 的正方 体。混凝土浇筑前，小心将筋插入内腔中间（图 5.2），试块与试件在同样的自然 条件下养护 28 天 (图 5.3) ，对试块进行抗压试验，测得实际抗压强度为 26.2MP。 图 5.4 是拆模后的 BFRP 筋‐混凝土试样，图 6 是试样的尺寸示意图。 图 7 是根据 ACI 440‐3R‐04 规定的 BFRP 筋‐混凝土块拔出实验装置示意图。 图 8 是实验实际采用的装置，主要包括，液压式万能试验机（WE—30B 长春试 验机厂制造，最大荷载 300KN）；量程为 40mm 的 LVDT 位移计及配套采集系统。
量为 77.1%。纤维含量远大于理论最大纤维含量，如～70%（体积比），说明试样 内部纤维为未能够完全浸渍，有较多的空洞，这些浸渍未完全的纤维束及空洞容 易促进水分子和/或其它溶液的渗入，这样将对材料的耐久性能产生不良影响。 3.2 BFRP 筋热性能
图 12 给出了 BFRP 筋的两次 DSC 升温曲线，曲线 1（图 12.1）是 BFRP 筋试 样第一次升温曲线，升温速度从 10oC/min 从室温到 200oC，然后以 20oC/min 的 速度冷却到 20oC/min，再升温到 200oC (曲线 2，见图 12.2)。
咸贵军 教授 / Prof. Guijun Xian
哈尔滨工业大学二校区土木工程学院 FRP 复合材料与结构研究所
哈尔滨市南岗区海河路 202 号，邮编：150090 School of Civil Engineering,
Harbin Institute of Technology (HIT), 202 Haihe Road, Nangang District, Harbin 150090, China
玄武岩纤维增强环氧树脂基 FRP 筋及其片材 （I）： 基本物化性能测试报告
Basalt Fiber Reinforced Epoxy FRP Bar and Plate （I）: Physical - Chemical Properties
2009 年 11 月 5 日 November 5, 2009
试验加载与试验测量方案
1) 安装混凝土试块：将混凝土试件中的 BFRP 筋从拉力机横梁上部插入， 使用拉力机下部夹具将 BFRP 筋端部加紧；
2) 安装 LVDT 位移计：在自由端位置处安装 1 个 LVDT 位移计，LVDT 固定于 BFRP 筋上，探头与混凝土试块的上表面接触，由此可直接测量自由端处的 BFRP 筋与混凝土之间的滑移量随时间变化曲线。同理，将另一个 LVDT 与横梁下方的 BFRP 筋固定，探头与试验机横梁接触，经过计算，可得到荷载端处 BFRP 筋与混 凝土滑移量随时间变化曲线；
如图 12.1 所示，BFRP 筋试样出现一个明显的放热峰（峰值在 165oC 附近）， 这是由未完全固化的环氧树脂后固化所致，同时，由于放热峰的干扰，试样的玻 璃化转变并不明显，约为 132oC。
经过第一次升温过程后，BFRP 筋试样的后固化基本完成，在第二次升温过 程中，如图 12.2 所示，放热峰基本消失，玻璃化转变明显。经后固化后，BFRP 试样的玻璃化温度升高至 142oC。 3.3 BFRP 筋拉伸性能
根据 ACI 440.3R-04 关于 FRP 筋径向拉伸性能测试的规定，测试了 BFRP 筋 （名义直径为 8mm）的拉伸性能，有效测试为 24 根，具体拉伸强度、模量及断 裂伸长率见表 3。BFRP 筋的拉伸曲线如图 13 所示，可见，BFRP 筋具有线弹性。
BFRP 筋的平均拉伸强度为 899MPa，拉伸模量 50.8 GPa，拉伸断裂伸长率为 1.78%。
浸渍好的 BFRP 片材于室温下存放一周，然后，移入烘箱内后固化，后固化 条件是 60oC，48 小时。
后固化后的 BFRP 片材，用水冷金刚锯沿纤维方向切割成 200mm x 12mm x 试 样厚度的矩形片材 （图 10），用于拉伸测试。 BFRP 片材拉伸性能测试： 利用济南试金集团生产的 WDW-100D 万能拉力试验机 （最大量程：10 吨）测试 BFRP 片材的拉伸性能。材料的拉伸应变由试验机所配 备的引伸计测定。
w % 100 x W
1
W
Wf，试样烧蚀后剩余的纤维重量；Wc，试样烧蚀前的重量。
BFRP 筋中纤维体积含量可以根据下式计算：
W
V % 100 x W
W
2
其中，Vf 为纤维体积含量，ρf 与 ρm,分别为纤维与基体的密度。
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BFRP 筋热性能测试：利用查示扫描量热仪（DSC），测试 BFRP 筋的玻璃化温度， 以及 BFRP 筋所用环氧基体的固化情况。实验所用差示扫描量热仪是德国产 Linseis DSC-PT10 （图 3），试样重量约 10mg, 升温速率采用 10oC/min，实验所 用坩埚为铝制。
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1. BFRP 筋与片材
BFRP 筋由四川航天拓鑫玄武岩事业有限公司提供，名义直径为 8mm，表面加 肋，并喷砂 （图 1）。
BFRP 筋所用的高聚物基体为高温固化环氧树脂。
BFRP 片材是利用手糊法工艺，由哈尔滨工业大学土木工程学院 FRP 实验室 制备。四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司提供玄武岩纤维布，美国 Fyfe 公司提 供 FRP 浸渍用环氧树脂，商品名为 Tyfo S。Tyfo S 是一种广泛应用于 FRP 复合 材料的树脂基体，适用于室温固化。Tyfo S 树脂的基本性能指标见表 1。
140mm 的无缝钢管的一端使用橡胶垫密封，保证在胶灌注后，不会从 该端流出。
2. 灌胶：将配制好的胶慢慢灌入钢管，确保灌入的胶体密实，不夹杂过多 的气泡。
3. 插筋：将 BFRP 筋缓慢旋入钢管内，并及时擦去黏在管外壁上的胶体。
4. 固化：将一端灌胶完毕的 BFRP 筋垂直放置 5—7 小时，使环氧树脂初步 固化。达到一定粘结强度后，再按相同方法灌注另一端。两端均完成后， 需将其置于温度高于 20℃的环境下 7—10 天，可达到所需要的粘结强 度。
BFRP 筋拉伸性能测试：根据 ACI440.3R-04 关于 GFRP 和 CFRP 筋拉伸性能测试的 标准，采用无缝钢管为锚头，并且保证 BFRP 筋中间自由段的长度满足筋直径的 40 倍，即 320mm。经过多次实验室实验，锚头长度选定为 140mm，同时钢管厚度 为 3mm，内径为 12 mm。图 4 是实验室制备的加有锚固头的 BFRP 筋试样，试样 总长度为 600mm.试样长度的选择也是基于材料耐久性能测试所用恒温水槽的尺 寸。600mm 筋试样可以很容易地浸渍于恒温水槽中。
拉伸速率采用 5mm/min，BFRP 材料的厚度采用名义厚度，即每层厚度为 0.4mm。 本次测试试样为两层，片材名义厚度为 0.8mm。
图 11 为拉伸后的 BFRP 片材试样及拉力试验机。
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3. BFRP 筋的基本物化性能
3.1 BFRP 筋纤维含量 BFRP 筋内部的纤维含量测试值见表 2，平均纤维重量含量为 84.9%，体积含
用于将筋粘结到钢管内的胶是由实验室自配，要求粘结剂具有高的粘结强 度与模量，确保在拉伸过程中，BFRP 筋不会从钢管中拔出。具体组分为：环氧 树脂（E51）、环氧铁粉、常温固化剂、促进剂，其质量配比如下：
环氧树脂：环氧铁粉: 常温固化剂：促进剂 = 100: 150: 30.5: 1.5 锚固头的制备方法具体如下： 1. 钢管处理：对钢管内壁通过酸洗进行除锈处理，清洗干燥后，将长度为
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摘要 同玻璃纤维增强高聚物（GFRP）与碳纤维增强高聚物（CFRP）相似，玄武岩 纤维增强高聚物（BFRP）也具有高的力学性能与化学稳定性，及较低密度等等优 势，并被认为有广泛用途的土木工程新材料。哈尔滨工业大学 FRP 复合材料与结 构研究所（土木工程学院）与四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司合作，系统研究 了 BFRP 复合材料（如 BFRP 筋及片材）的基本物化性能和各种环境下的耐久性能。 该报告是系列研究报告结果的第一部分，主要测试了 BFRP 复合材料的基本物化 性能。本报告中的测试方法均基于美国混凝土协会及美国材料测试标准，ACI 440-3R-04/ASTM。
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2.2 BFRP 手糊片材性能测试 手糊法制备的 BFRP 片材的纤维含量测试，热性能测试与上述 BFRP 筋测试的
方法相同。 BFRP 片材制备：Tyfo S 环氧树脂的重量配比为 100：34.5 （树脂：固化剂）， 搅拌机低速搅拌（100rpm）按重量配比好的树脂 5 分钟，然后在实验台上用手糊 法制备 2 层 BFRP 片材。实验用纤维与环氧树脂见图 9。
手糊法制备的 BFRP 片材中，纤维布为两层，单向取向 （图 2）。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2. 性能测试方法
2.1 BFRP 筋性能测试
纤维含量测试：从 BFRP 筋端部用电锯切下约 10mm 长试样，沿纤维方向，用裁 纸刀将 BFRP 筋周围的的环氧树脂涂层及砂粒去掉， 剩下的芯部试样经高温烧蚀 （600oC，1 小时），试样中的树脂高温分解，根据试样烧蚀前后的重量变化，确 定筋的纤维重量含量（Wf）：