玄武岩纤维增强聚合物 (BFRP) 筋条在现代建筑中的前景|混凝土|滑移|玄武岩|聚合物|预应力

玄武岩纤维增强聚合物 (BFRP) 筋在预应力混凝土构件中的应用

摘要：预应力混凝土构件通过防止开裂以最大限度地减少水和空气的渗透而表现出高耐久性。然而，即使是预应力混凝土，钢预应力绞线的腐蚀也是不可避免的，这会导致混凝土结构的退化，并导致基础设施的维护成本过高。纤维增强聚合物 (FRP) 等非金属材料具有诱人的长期潜力，因为它们不腐蚀、重量轻，杨氏模量低于钢 [1]。目前很少有研究能够充分解决新开发的有机玄武岩纤维增强聚合物 (BFRP) 筋作为预应力元件在预应力混凝土环境中的性能，导致其被排除在 ACI-440.4R 报告 [2] 之外，该报告是关于使用 FRP 筋的预应力混凝土结构。因此，本研究进行了一项实验和有限元研究，并介绍了一种使用 BFRP 筋代替传统钢预应力绞线作为预应力元件的预应力混凝土构件新系统。在本研究中，首先，对两种市售工业楔形锚栓的兼容性进行了测试，以预紧来自两个不同供应商的 8 毫米和 12 毫米 BFRP 筋。随后，在实验调查中表现良好的楔形锚栓被用于在测试装置中固定 8 毫米 BFRP 筋，同时对筋的预应力达到其极限抗拉能力的 50%。对锚栓进行的测试表明，锚栓效率在 59% 到 79% 之间，并表明测试的锚栓可以对 BFRP 筋施加预应力，超过 ACI-440.4R 指南 [2] 为 FRP 筋定义的最大初始预应力极限。测得的 BFRP 筋在 1000 小时后因应力松弛而造成的损失为 12%，而根据该数据推断，百万小时应力损失为 16%。对用 BFRP 筋预应力的混凝土梁进行的试验表明，转移长度约为 250 - 500 毫米。BFRP 筋的端部滑移在混凝土梁活动端为 1.9 - 2.7 毫米，在死端为 1.6 - 2.2 毫米。混凝土和 BFRP 筋之间的平均粘结应力在 1.8 MPa - 2.6 MPa 之间（使用 28 天特征立方体强度为 40 MPa 的混凝土）。此外，由于 BFRP 筋的应力松弛、混凝土梁的弹性缩短和收缩以及徐变，20 天内的综合应变损失为初始预应力值的 10% - 19%。根据实验研究，已为楔锚系统和预应力混凝土梁开发了非线性 FE 模型。此外，作为长期目标的一部分，本研究报告了一种新颖的制造方法，用于在拉挤过程中将光纤传感器嵌入 BFRP 棒内，随后回收相关的光纤导线。成品是通过首先校准光纤传感器并将其嵌入 BFRP 棒中来开发的。已报告了对开发的智能 BFRP 预应力筋的实验室调查，以检查其与普通预应力 BFRP 筋相比的适用性。

关键词：玄武岩纤维增强聚合物；光纤传感器；有限元分析；预应力混凝土。

https://www.youtube.com/watch?v=QA0ESc2rdlI

应用FRP筋条对预应力混凝土构件的研究

我今天要介绍的工作是我研究小组的一些学生完成的，Prashant Muthwani是我的博士生。此外，我今天要展示的部分工作是与贝尔法斯特女王大学的博士生合作完成的。感谢Nicole和Sue Taylor教授，他们是贝尔法斯特女王大学的成员。

首先，我们都关心土木结构的耐久性。这张幻灯片展示了美国和印度因腐蚀导致的结构维修成本数据。在印度，由于腐蚀造成的结构失败，已经报告了多起伤亡事件。因此，解决方案是减少腐蚀，尽管它无法完全消除，但可以通过多种技术来降低其影响。使用预应力混凝土结构是减少混凝土结构中腐蚀的一种方法，因为预应力可以显著减少混凝土中的裂缝，从而降低腐蚀的可能性。

然而，我们发现即使在预应力混凝土结构中，预应力元件仍然是由容易腐蚀的钢材制成，因此腐蚀问题依然存在。我们可以看到，通过使用非金属替代材料（如FRP），可以避免20%至25%的总腐蚀损失。实际上，FRP的使用正日益普及，甚至ACI 440规范也已为使用FRP元件的混凝土预应力提供了指导。

然而，我们注意到，BFRP（玄武岩纤维增强聚合物）尚未包含在ACI规范中，主要原因是相关研究较少且其市场供应不广泛。但在印度等国家，玄武岩资源丰富，因此玄武岩纤维增强聚合物可以成为替代钢筋的良好选择。

接下来，我们花几分钟时间讨论玄武岩纤维增强聚合物筋条的制造过程。这种筋条的原料是熔融的玄武岩岩石，通过连续玄武岩纤维技术（CBF）生产出玄武岩纤维的绳索。这些玄武岩纤维绳索经过拉挤工艺，与聚合物树脂在高温下结合，最终产生BFRP筋条。BFRP筋条的强度与其他类型的FRP筋条（如玻璃纤维、碳纤维等）相似，并且成本较低。

BFRP的优势包括：具有化学耐受性，抗拉强度比钢筋高出30%至50%，杨氏模量与玻璃纤维相似，更耐紫外线反应，耐火性高，无致癌性，并且不需要任何添加剂。然而，BFRP在全球不够流行的原因之一是获取玄武岩的来源在许多国家并不方便。

关于不同类型FRP筋条的研究已经进行，其中包括对预应力混凝土结构中传递长度的计算指导。尽管已有多项研究为不同类型FRP筋条推荐了传递长度，但针对BFRP的研究非常有限。Philip Crossfit（Sue Taylor教授的博士生）在贝尔法斯特女王大学进行了一项研究，以确定BFRP的传递长度。

由于BFRP筋条的横向强度较低，现有的机械楔式锚固系统不适用于这些筋条。Philip结合了机械楔式锚固与粘合剂环氧树脂来确定预应力筋条的传递长度。然而，这种高性能环氧树脂需要额外的混合和固化时间，从而增加了BFRP元件的生产成本。

本研究的基本动机和目标包括：

研究因钢筋腐蚀而迅速退化的预应力混凝土构件行为。
调查现成的工业锚固系统的性能，并提出改进措施。
开发测试装置，以确定BFRP筋条的设计指导，如传递长度参数。
由于BFRP等FRP筋条的低延展性，需在设计中考虑更大的安全系数，因此开发一种智能FRP筋条，能够感知内部应力并发出预警，从而降低设计所需的安全系数。

本次演示分为实验部分、有限元分析部分和智能BFRP筋条的开发。实验部分又分为两部分：第一部分研究用于预应力BFRP筋条的锚固系统，第二部分研究在印度孟买科技大学开发的测试装置用于预应力混凝土构件的传递阶段参数。

有限元分析也分为两部分：第一部分是关于机械楔式锚固的研究，第二部分研究在孟买科技大学测试装置中BFRP预拉混凝土构件的表现。最后，演示的最后部分将介绍与贝尔法斯特大学合作开发的智能BFRP筋条。

接下来，我们将探讨关于BFRP筋条预应力锚固的实验研究。BFRP筋条可以通过两种类型的锚固进行预应力：一种是机械楔式锚固，另一种是粘结式锚固。我们在本研究中测试了两种由不同供应商提供的BFRP筋条，所有筋条均采用开模拉挤工艺制造，且每个供应商提供的两种直径的机械性能如下所示：抗拉强度范围为920 MPa到1200 MPa，FRP的杨氏模量通常低于钢的杨氏模量，约为40到50 MPa，并且峰值应变在2.5到2.8之间。

本研究测试了两种锚固系统：一种是粘结式锚固，另一种是机械楔式锚固。粘结式锚固根据ASTM D7205标准进行制造，所用的FRP筋条为8毫米直径，由C2供应商提供。该锚固的制造过程包括将玻璃片包裹在筋条周围并进行热处理，最后插入铝管以形成锚固。

测试结果显示，所测得的平均抗拉强度约为1100 MPa，弹性模量为44 GPa，锚固效率约为94%。然而，由于粘结锚固的制造过程较为复杂，现场安装困难。

锚固系统的复杂性较高，因此我们在现场没有足够的时间和设施来大规模制造粘结锚固。因此，本研究进一步集中于商业上可用的机械楔式锚固。

这是在贝尔法斯特女王大学由Prashanth开发的测试装置，用于测试与C1和C2供应商提供的两种不同类型BFRP筋条配合的机械楔式锚固。除了这两种不同类型的筋条外，测试中还使用了两种不同类型的机械楔式锚固。图片展示了所使用的不同类型的锚固系统。基本上，第一类锚固分为两种不同尺寸，适用于8毫米和12毫米直径的筋条，分别标记为类型A和类型B。第二类锚固则具有更长的持有区，并使用玻璃填充聚合物楔子来测试8毫米直径的BFRP筋条。

这两种锚固系统中，第二类锚固仅用于8毫米直径的筋条，因此仅对C1和C2供应商提供的8毫米BFRP筋条进行了测试。我们共测试了18个不同的样本，以估计锚固效率，并测试了3个样本以研究长期载荷效应下的松弛损失。测试中的锚固滑移通过数字图像相关技术和线性电位计进行了监测，使用应变计和负载传感器分别监测应变和载荷，加载速率设置为标准推荐的0.008毫米/分钟。

现在让我们看看测试结果。我们注意到，BFRP筋条在锚固区域主要发生填充，对于第一类和第二类锚固观察到两种失效模式。一种是压碎失效，主要由于锚固区域内BFRP筋条被锚固的锯齿边缘压碎；另一种是前端过载失效，发生在锚固外筒附近的断裂失效。这种失效主要出现在BFRP筋条的活端。

这张表展示了使用不同筋条组合获得的各种强度。C1和C2是两种筋条，A和B是C1筋条的两种不同直径。测试结果显示，获得的结构强度范围在条的极限强度的59%到79%之间，而使用粘结锚固时获得的锚固效率则较高。然而，ACI指南建议，预应力应用中初始预应力应达到极限强度的50%。由于这些锚固的效率均高于50%，因此这些锚固仍可使用。不过，我们的研究小组仍在进一步探讨工业楔式锚固在预应力BFRP筋条中的效率是否可以进一步提高。

接下来，我将分析这些测试中机械楔式锚固的荷载-滑移关系以及应力-应变关系。在荷载-滑移关系中，观察到两个不同的区域，主要通过曲线斜率的变化来识别。初始斜率是由于锚固在筒内的安置过程造成的，而在锚固安置后，斜率变得更陡峭。对于第二类锚固，荷载与滑移关系中还观察到第三个区域，这是由于测试后这些锚固的塑性变形造成的。因此，这些锚固在使用后无法重复使用，因其经历了塑性变形。

如我们所预测的，BFRP筋条的应力-应变关系被观察为弹性，表明它们没有延展性，因此在达到极限时会突然失效，而没有明显警告。我们还对这些BFRP筋条进行了松弛测试，结果显示，在1小时时松弛损失为3%，24小时时为8%，随后松弛速率逐渐减小，约在1000小时时达到12%。基于这些结果，推算出一百万小时的松弛损失约为18%，而没有锚固滑移。

这是一张显示筋条应变随时间变化的图表。在测试BFRP筋条与不同锚固时，观察到在一些样本中锚固发生了滑移，导致部分线性电位计损坏，因此我们对一些样本采用了第二种测量技术，即数字图像相关技术。

在四个样本的活端锚固处应用数字图像相关技术，记录的滑移值高于线性电位计记录的滑移值，因为线性电位计主要测量一个方向的滑移，而数字图像相关技术则捕捉到了三维效应。此外，我们还注意到，在对两个样本的滑移变化进行观察时，记录到了负滑移和正滑移。这是由于筋条在锚固内的初始设置过程中，筋条相对于锚固的反向移动导致的。

我们还研究了两种类型FRP筋条的显微图像，以评估其制造工艺。观察到C1和C2供应商提供的筋条中，纤维直径分别为15微米和10微米。两种筋条的纤维与树脂比率分别为1.72和1.786，接近一致。然而，C1供应商提供的筋条具有更均匀的纤维分布。此外，C1供应商提供的筋条表面涂覆的砂粒直径为30微米至60微米，而C2供应商的筋条则为150微米至250微米。

接下来，我们进入实验工作的第二部分，利用在孟买科技大学开发的设备来确定传递阶段参数。这里是该设备的图片，BFRP筋条通过在梁上施加负荷进行预应力。这是一个自平衡框架，配备了两个模具，用于浇筑混凝土梁。BFRP筋条穿过这些混凝土梁模具，并通过施加负荷进行初始预应力。我们所施加的加载速率记录在样本中。经过两小时的预拉伸后，混凝土梁在准备好的模具中被浇筑。

混凝土的材料性质在浇筑后经过3天、7天和28天的测试，28天的抗压强度约为45 MPa，范围在40到45 MPa之间。在混凝土达到足够强度后，模具被拆除，预应力的BFRP筋条被释放，预应力力转移到混凝土梁上。

现在我们来讨论在此测试装置中使用的各种仪器。我们使用了线性电位计和负载传感器来测量施加在BFRP筋条上的预应力荷载，线性电位计用于测量施加在支撑梁上的位移，并记录筋条与锚固之间以及筋条与混凝土之间的滑移。同时，我们还在混凝土梁和BFRP筋条上使用了应变计，以测量在释放预应力后产生的应变。

本项目研究了两种不同类型的应变计布置。

首先，第一种布置是将大多数应变计安装在混凝土梁上，只有少量单应变计安装在混凝土内部的BFRP筋条中心。这是为了检查预应力是否有效传递到筋条内部，而大多数应变数据主要来自于安装在两根混凝土梁上的应变计。第二种应变计布置则应用于第二批浇筑的样本上，这批样本在BFRP筋条上增加了应变计，因为我们希望除了获得混凝土梁的应变分布外，还能获取BFRP筋条的应变分布。

需要注意的是，这两批样本的混凝土性质、样本和筋条的尺寸以及施加的预应力水平都是相同的。以下是我们从这些测试中获得的结果摘要。我们可以看到，两个批次的松弛损失在4%到6%之间，杨氏模量在48到51之间。然而，对于第一批样本，由于未使用应变计测量传递长度，因此仅使用了混凝土的应变计，这给出了375毫米的传递长度，适用于直径为8毫米的BFRP筋条。

对于第二批样本，安装在混凝土上的应变计不幸脱粘，因此无法获得混凝土表面的应变分布。然而，嵌入在混凝土内部的BFRP筋条上的应变计记录了应变分布，这批样本的传递长度为325毫米。最终滑移也非常小，介于1到2毫米之间。这基本上说明BFRP筋条的传递长度大约为筋条直径的40倍，预应力损失则在12%到14%之间。

总结实验研究的第一部分，我们进行了机械楔式锚固的锚固效率测试，发现其效率在59%到79%之间，这对于预应力应用来说仍然是可接受的，因为ACI规范建议初始预应力应达到极限强度的50%。松弛损失和百万小时的预测松弛损失分别在12%和18%左右。对于直径为8毫米的BFRP筋条，传递长度在325到375毫米之间，滑移也很小，平均粘结应力为1.8到2.6 MPa，混凝土强度为40 MPa，总应变损失在12%到14%之间。

接下来是关于有限元研究的部分，首先是机械楔式锚固系统的研究。我们对在贝尔法斯特女王大学测试的机械楔式锚固进行了有限元建模。由于这些锚固的对称性，仅开发了半个模型。实验结果显示，峰值破坏载荷为57千牛，而有限元结果为60千牛，接近实验值，极限应力也与实验结果相近，尽管极限应变略高。

从荷载-滑移关系和应力-应变关系可以看出，这些模型相对接近，因此该模型进一步用于进行12个有限元模型的参数研究。第一个研究的参数是锚固区域的长度，研究了三种不同长度的锚固，结果显示，当锚固长度从45毫米变为95毫米时，峰值应变约减少50%。

第二个研究的参数是楔子的初始位置，研究了四种不同的楔子位置和设置荷载。结果表明，当楔子未正确安装时，锚固效率会受到影响。红线表示正确安装的楔子，观察到没有初始滑移，并且该楔子的强度略高。第三个参数是楔子的夹紧角度，研究了五种不同的夹紧角度，发现随着夹紧角度的减小，BFRP筋条上的压缩力增加。

第四个研究的参数是桶楔的配置，研究了不同厚度的桶和楔子的三到四种不同模型。结果显示，使用的标准第一类锚固没有出现屈服现象，而其他配置的应力更高。因此得出结论，第一类锚固的配置适合于BFRP筋条的保持，桶和楔子的厚度变化会导致更高的应力，从而可能导致这些锚固和桶的屈服。

接下来是有限元研究的第二部分，涉及在孟买科技大学开发的测试框架。该系统设计为自约束结构，由现成材料制造，已申请专利，并可多次使用，适用于重复的预应力应用，且便于运输。我们进行了有限元研究，以改进或优化设计，并研究BFRP预应力混凝土梁的传递阶段参数。

这里展示的结果主要是针对设计要求的。一根支撑梁上锚固的BFRP筋条出现了钢材屈服，因此在该位置添加了加劲肋，因而获得了1.25的安全系数。增加加劲肋后，观察到应力降低。此外，支撑梁的模型也进行了优化，基于结果提供了额外的刚度，以提高安全系数，因为该梁在预应力应用过程中直接承受荷载。

BFRP筋条的应变和最终滑移也在研究中进行，初始应变已校准以匹配实验和有限元结果。然而，随时间变化的BFRP筋条的后续应变尚未校准，结果如实验和有限元分析所示。虽然数值未完全匹配，但某些趋势是由于梁的弹性缩短和混凝土的收缩而导致的，这些现象在有限元分析和实验中均得到了定性预测。

虽然有限元模型报告了更高的最终滑移，但滑移模式与实验结果相似。关于传递长度的结果显示，使用BFRP筋条和混凝土的应变计获得的传递长度与实验结果一致，实验研究得到的传递长度为325毫米，而有限元研究得到的传递长度为450毫米。由于混凝土上的应变计脱粘，未能获得实验传递长度，但有限元分析显示的460毫米与BFRP筋条上的应变计结果吻合良好。

第二部分的结论是，开发了强大的非线性三维模型用于机械楔式锚固，并进行了参数研究，以研究各种参数的影响。此外，为BFRP预应力混凝土梁开发了一种独特的建模技术，以模拟预应力传递，并通过有限元分析建立了测试装置的稳健设计，评估了BFRP筋条的传递阶段参数。

接下来是本研究的最后部分，涉及智能BFRP筋条的开发。正如我之前提到的，FRP筋条缺乏足够的延展性，因此在施工中必须应用较大的安全系数。避免这一大安全系数的其中一种解决方案是将FRP与光纤传感器结合，以便更准确地预测这些FRP筋条中的应力，从而减少所需的安全系数。

光纤传感器的工作原理是，当光通过某些机械设备时，波长发生变化，而这种波长变化是由于机械属性或元件中的应变变化引起的。这个基本原理被用于本研究中。

最初，我们在这些筋条上使用外部安装的传感器，同时尝试了一些表面集成传感器，通过在筋条表面制作小凹槽来安装光纤传感器。然而，我们注意到，这些光纤传感器在表面或凹槽内的安装无法测量高应变，最多只能测量到2000微应变，这可能是由于在锚固区域光纤传感器的破损。为了避免这一问题，我们提出了一种表面集成技术，将传感器嵌入FRP筋条内部。

所做的工作是对普通拉挤生产线进行改造，以安装BFRP筋条，并在其进入树脂和温控室之前与光纤结合。这就是集成的实现方式。一旦生产出这种BFRP筋条，就需要将光纤传感器连接到一些适配器上。在这里，我有一个小视频，可以展示光纤传感器与适配器的集成。

我们使用了一种拼接器，将适配器与已经嵌入BFRP筋条内部的光纤传感器连接。一旦将适配器连接到光纤传感器，这些适配器就可以连接到仪器系统，以记录施加在这些BFRP筋条上的任何应变。可以看到，这里正在记录相关数据。这就是光纤传感器与适配器的集成，以及光纤在筋条内部的分布。

嵌入技术的质量评估是通过光学显微镜进行的，可以看到光纤传感器与BFRP筋条的纤维有效集成。此外，我们还进行了其他测试，施加了一些应变并用线性电位计进行了测量。记录的应变值显示，两个测量设备的记录值非常接近，尽管线性电位计记录的应变值较高，因为光纤传感器的记录能力有限。如果使用不同类型的光纤传感器，可以记录更高的应变。

本部分的总结是，表面集成技术用于嵌入传感器，通过制作凹槽进行了测试，但发现锚固处受损的风险较大，因此开发了一种改进的制造技术，用于智能预应力FRP筋条。实验室调查表明，这些智能筋条在纤维分布和测试属性上与普通FRP筋条相当。

总体总结如下：首先，对用于预拉紧的工业锚固和预应力BFRP混凝土梁的试点测试进行了实验研究；其次，针对机械锚固和测试装置进行了有限元研究，以研究传递长度和阶段参数，这些参数对于制定BFRP预应力混凝土梁的设计指南至关重要；最后，开发并测试了一种智能FRP BFRP筋条，可用于实际应用。

目前正在进行的工作是提高机械楔式锚固在混凝土梁中的BFRP预应力效率，以及在结构构件中使用智能BFRP筋条。抱歉超出了时间，这就是我所有的发言，谢谢。