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玄武岩纤维复合材料网格与钢筋网片的抗裂机理和性能对比
发布者:admin   发布时间:2022-09-23 08:55:46    点击次数:39

玄武岩纤维复合材料(BFRP)网格与钢筋网片有哪些区别呢?相信大家都非常好奇,今天,绿材谷科技小编就来给大家带来BFRP网格的基本性能以及与钢筋网片的抗裂机理和性能对比。

01 玄武岩纤维复合材料网格基本性能

玄武岩纤维复合材料(BFRP)网格因具有轻质、高强、耐腐蚀、与混凝土热膨胀系数一致、节点强度高、粘结性能优异和更小的保护层厚度等优点,可配置在混凝土结构的保护层中,如图1所示,抵抗大体积混凝土浇筑时产生的裂缝,其基本力学性能如表1所示。


(a) 立面图



(b) 横截面图

图1 BFRP网格配置构造


表1 玄武岩纤维复合材料网格基本力学性能

复合材料网格种类

拉伸强度(MPa)

拉伸弹性模量(GPa)

断裂伸长率%
BFG2000
≥2000
≥85
2.3

注:数据来自国家标准《结构工程用纤维增强复合材料网格》GB/T 36262-2018


02 玄武岩纤维复合材料网格与钢筋网片的抗裂机理和性能对比

2.1 基本抗裂原理

大体积混凝土浇筑时,内部混凝土水化放热剧烈导致内部与外部混凝土产生温度差,使得混凝土表面产生拉应力,BFRP网格和钢筋网片作为增强材料,通过与混凝土的粘结抵抗混凝土表面的拉应力,减小该拉应力,从而避免裂缝的出现。图2和3分别为BFRP网格和钢筋网片抵抗混凝土拉应力之后的混凝土表面的应力云图,图2比图3 表现出更为均匀的表面应力,这是因为肢条密集且粘结优异的BFRP网格因可提供更均匀的约束力,使得混凝土表面的拉应力分布更为均匀,应力水平更低。另一方面,当混凝土表面因结构受外荷载等因素出现裂缝时,如图4和5所示,而裂缝处的BFRP网格和钢筋网片通过与混凝土的粘结提供相反的拉应力,限制裂缝的发展。因粘结性能和力学性能优异,采用了BFRP网格的混凝土表面的裂缝会更细与更短。

图2 BFRP网格增强混凝土构件表面应力云图


图3 钢筋网片增强混凝土构件表面应力云图

图4 BFRP网格控裂示意


图5 钢筋网片控裂示意


2.2 性能对比

因网孔大小、保护层厚度、节点构造、耐腐蚀性、热膨胀系数、粘结性能、弹性模量、施工方法和生产功耗的不同,BFRP网格与钢筋网片相比有以下九点区别:

1更小的网孔

与常规钢筋网片相比(网孔大小100mm×100mm),BFRP网格具有更小的网孔(50mm×50mm),肢条更密集,约束力分布更均匀。如图6和7所示,因钢筋网片网孔较大,网孔中心处的约束较少,容易产生裂缝,而BFRP网格的网孔小,约束力覆盖完全,更有利于抗裂。且BFRP网格的肢条更密集,裂缝穿过肢条的概率更大,更有利于限制已出现裂缝的发展。


图6 BFRP网格控裂示意


图7 钢筋网片控裂示意

2更小的保护层厚度

虽然BFRP网格的弹模低于钢筋网片,但耐腐蚀性更好的BFRP网格可以设置更小的保护层厚度,大体积混凝土的裂缝是由内外的温度差而产生,外侧混凝土拉应力较大,裂缝首先在外部出现,如图8所示。因此保护层厚度越小,网格直接在应力最大处发挥作用,抗裂效果越好。钢筋网片因需要较大的保护层厚度,抗裂效果较差,如图9所示。经实际工程验证,其综合控裂效果显著优于钢筋网片。


图8 BFRP网格控裂示意


图9 钢筋网片控裂示意

3更强的节点

BFRP网格的节点由多层纤维布置一体成型,如图10所示,相比于钢筋网片(如图11所示),BFRP网格节点更有利于传力,具有更强的节点机械咬合力,更高的节点刚度,比钢筋网片更有利于抗裂。


图10 BFRP网格节点构造

图11 钢筋网片节点构造

4更优异的耐腐蚀性

普通钢筋耐腐蚀性差,容易发生腐蚀锈胀;不锈钢虽锈蚀速度慢,但最终还是无法避免锈胀,并且焊点容易锈蚀,破坏网片整体性。锈胀会引起旧裂缝扩展和新裂缝产生,最终导致混凝土保护层剥落。而BFRP网格耐腐蚀性能好,不发生锈胀。


5更接近混凝土的热膨胀系数

与普通钢筋网片(12×10-6/℃)和不锈钢筋网片(16-18×10-6/℃)相比,BFRP网格的热膨胀系数(9×10-6/℃)更接近混凝土的热膨胀系数(8-12×10-6/℃)。BFRP网格不会因混凝土水化热造成的温度升和降,而产生内应力,从而减小开裂的可能性。


6更优异的粘结强度

BFRP网格与混凝土的粘结性能优异,如图12所示。BFRP网格的粘结强度>13MPa,高于钢筋网片的粘结强度(>10 MPa)。网格能与混凝土协同变形,共同受力。


图12 复合材料网格传力路径与粘结强度

7弹性模量

混凝土的弹性模量会随着养护龄期的增长而逐渐增长,如图13所示[],混凝土早期(以7天为例)的弹性模量为完全养护好后的70%。以C40混凝土为例,其养护完成后弹模为32.5GPa,7天弹模为22.75GPa,而BFRP网格的弹模≥85GPa。因此, BFRP网格的弹性模量大于混凝土的弹性模量,BFRP网格配置在混凝土中,是可以作为增强材料,起到抵抗混凝土拉应力的作用,延缓混凝土的开裂。开裂后,网格的弹性模量越大,控裂效果越好,但弹模不是唯一控制因素。网格的拉伸刚度EA起控制作用,EA越大,裂缝宽度越小,因此网格的用量和弹模都会影响裂缝宽度。


图13 混凝土弹性模量历时变化曲线


8安装更便捷安全

玄武岩纤维复合材料网格轻质高强(其密度为钢筋的1/4),便于人工直接装卸和操作,安装便捷高效;整个工序可有效降低劳动强度,避免起重吊装带来的安全风险;结构钢筋骨架布置成型后即可逐段安装,紧后工序可平行流水作业;网格无磁透波绝缘,不会影响钢筋保护层正常检测。


9集约低碳,经济性高

玄武岩纤维复合材料网格从原材到生产、应用,绿色环保,符合国家“双碳”目标要求;采用机械一体化成型,实现了量产规模化,经济性高。


03 总结 

1BFRP网格和钢筋网片通过与混凝土的粘结传递约束应力,限制裂缝的出现与发展。

2BFRP网格因具有更小的网孔、更小的保护层厚度、更强的节点、更优的耐腐蚀性、与混凝土更一致的热膨胀系数和更优异的粘结强度等因素,能实现优于钢筋网片的抗裂效果,且其施工更加方便,符合国家“双碳”目标要求。

3、除能提升结构抗裂和耐久性外,强度更高的BFRP网格还能提高结构在地震作用下的约束延性。


参考文献

[1] GB/T 36262-2018,结构工程用纤维增强复合材料网格[S].

[2] 刘立新,朱爱萍,许莉.冷轧带肋钢筋焊接网粘结锚固性能试验研究[J].公路交通科技(应用技术版),2012,8(01):114-118.

[3] He W,Wang X,Ding L,et al. Experimental study on bond behavior of interface between fiber-reinforced polymer grids and concrete substrate[J]. Composite Structures,2021,257: 113164.

[4] 贺卫东. BFRP网格加固混凝土受弯构件静力与疲劳性能研究[D].东南大学,2021.

[5] 马龙. 现代混凝土徐变的几个问题探讨[D].河海大学,2006.

[6] GB 50010-2010,混凝土结构设计规范[S].

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