玻璃纖維增強塑料筋的強度與斷裂模式研究

田 偉,鄭祖嘉

(1.湖北樂忠信工程咨詢有限公司，武漢 430074;2.武漢科技大學城市建設學院, 武漢 430065)

玻璃纖維增強塑料筋的強度與斷裂模式研究

田 偉1,鄭祖嘉2

(1.湖北樂忠信工程咨詢有限公司，武漢 430074;2.武漢科技大學城市建設學院, 武漢 430065)

GFRP筋拉伸力學性能與破壞形態(tài)不同于常見的工程應用材料。利用燒失實驗測得不同GFRP桿件中樹脂的含量，通過對桿件的一次拉伸，觀察不同樹脂含量下桿件從受力到破壞的整個過程中的表觀特征，并測得初裂荷載與破壞荷載。對比分析不同樹脂含量的GFRP筋在受拉伸荷載作用下的初裂荷載以及破壞荷載表明：GFRP筋為脆性材料；不同樹脂含量下桿件首先是以剪應力錯動為主，而后轉為樹脂和纖維的共同斷裂與剪應力錯動綜合而破壞；不同樹脂含量下的GFRP筋隨著樹脂含量的增加呈先增大后減小的趨勢；GFRP桿件的破壞強度較高，可以起到代替鋼筋的作用。

GFRP筋； 破壞模式； 拉伸試驗； 樹脂含量

鋼筋銹蝕一直是鋼筋混凝土結構的一個重要課題,尤其在海洋、道路、化工及鹽害地區(qū)結構工程中，鋼筋銹蝕十分嚴重，是導致結構喪失承載力，難以達到預期使用壽命的主要因素[1]。針對這種情況，人們提出了采用增強纖維材料(FRP)替代鋼筋的思路。玻璃纖維增強塑料筋GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic Rebar簡稱GFRP Rebar)是以連續(xù)玻璃纖維為增強材料，以合成樹脂為基體材料，并摻入適量輔助劑，經拉擠成型技術和必要的表面處理形成的一種新型復合材料[2]。GFRP具有質量輕、抗沖擊和疲勞韌性好、成型周期短、可循環(huán)利用等優(yōu)點，在20世紀70年代投入使用后便在機電工業(yè)、防腐工程、建筑工業(yè)以及航空航天、船舶、車輛等許多領域應用廣泛[3,4]。

1 GFRP桿件拉伸強度理論及斷裂模式

GFRP是典型的纖維復合材料，它是由玻璃纖維和樹脂聚合而成。當GFRP桿件承受荷載時，所受的荷載由玻璃纖維與樹脂基體共同承擔[5]。

單向連續(xù)纖維復合材料沿纖維排列方向的強度和模量均很高，因此是受力結構復合材料中最重要的一類。由于GFRP桿件是正交各向異性，且拉伸和壓縮強度又不同的材料，所以在平面應力狀態(tài)下有五個獨立的參數，最大應力強度如公式(1)所示。

(1)

不論何種應力狀態(tài)，只要任何一個應力分量達到相應的強度參數，即外部施加的力超過臨界應力時，就會產生一個或幾個斷裂過程，最重要的3種模式如圖1所示。

施加平行于纖維方向的應力σ1會引起纖維及基體的斷裂，斷裂的路徑垂直于纖維軸線方向；在橫向拉伸及斷裂模式中，強度會很低，施加σ2或τ12會引起與纖維平行方向的斷裂，在這種情況下，斷裂可能發(fā)生在基體內部、纖維與基體的界面，也可能發(fā)生在纖維內部。

事實上，基體的微小裂紋并不能引起基體完全不承受荷載，纖維即使斷裂為碎片以后，還能傳遞一定的應力。所以GFRP桿件在發(fā)生細微損傷后，應力-應變曲線的斜率只會有微小的變化，并不會立即變?yōu)?，這種現象的發(fā)生是由于即使是在纖維或基體斷裂后，荷載還會通過界面而傳遞。

由于桿件所受荷載由纖維與樹脂基體共同承擔，所以纖維與樹脂基體在桿件中的配比的不同，必將導致桿件發(fā)生斷裂的荷載的差異。

2 GFRP力學性能實驗

2.1 實驗材料

實驗選取由深圳海川材料有限公司生產的GFRP筋，基體材料選用乙烯基，直徑選用Φ16、Φ20、Φ25的GFRP筋，筋體表面有螺紋。

2.2 試驗標準

GFRP桿件基體含量試驗采用《玻璃纖維增強塑料樹脂含量試驗方法》(GB/T 2577—2005)，GFRP筋拉伸試驗采用我國國家標準中的《拉擠玻璃纖維增強塑料桿拉伸性能實驗方法(GB T 13096 11一91)》進行力學性能試驗研究。

2.3 試樣形態(tài)

測量樹脂含量試驗中，將GFRP桿件切割成5 cm左右長度，之后放進馬弗爐，在指定的溫度下進行燒失。

拉伸試驗中為了能夠保證GFRP桿件在拉伸過程中不會因為萬能試驗機夾具壓力過大而發(fā)生損壞，我們選取兩端帶有鋼套筒的GFRP桿件進行拉伸試驗。兩端鋼套筒長度為20 cm,裸露在外的GFRP桿件長度為40 cm，如圖2所示。

2.4 試驗方法

測量樹脂含量試驗中，在(625±20)℃的馬弗爐中加熱坩堝15 min，冷卻至室溫后稱量，重復操作直至兩次稱量結果差不超過1 mg。將盛有直徑為12～28 mm GFRP試樣的坩堝放入馬弗爐，升溫至350～400 ℃后恒溫0.5 h，再升溫630 ℃恒溫直至燒失完成。去除殘留物放入干燥器冷卻，進行稱量，然后重復灼燒恒溫冷卻直至兩次質量差不超過1 mg。

拉伸實驗儀器采用電液伺服萬能試驗機。選取直徑為12～28 mm帶套筒的GFRP桿件各3根，每種直徑取三根以2 mm/min的速率進行一次拉伸加載，在加載過程中觀察筋體表面破壞情況，并記錄初次發(fā)出劈裂響聲時的荷載數值，以及桿件破壞時的荷載值，桿件破壞形態(tài)如圖3所示。

3 實驗結果

燒失實驗中，利用式(2)，得出樹脂含量，結果如表1所示。式中M1為樹脂含量；m1為坩堝質量；m2為坩堝和試樣質量和；m3為殘余物和坩堝質量和。

(2)

拉伸試驗中，加載初期，GFRP桿體表面沒有出現裂痕，在加載過程中也不發(fā)出任何的響聲。當拉伸荷載增長到一定的數值時，GFRP桿體開始發(fā)出劈裂的響聲。通過對桿體表面的觀察，發(fā)現在發(fā)出劈裂響聲的同時，在桿體靠近兩端1/4處出現平行于纖維方向的細小裂縫。同時，用手觸摸筋體表面，能明顯的感受到在筋體的兩端有由于裂縫的出現而發(fā)生的細微震動。由于桿體受力為軸向受拉，故在垂直于纖維方向不受外力，這就表明此時復合材料的斷裂模式以圖1中切應力引起的錯動為主要模式。隨著拉伸荷載的繼續(xù)增加，筋體發(fā)出劈裂響聲的頻率越來越高，在桿體1/2處也出現細小裂縫，與此同時，劈裂聲也逐漸明顯。當筋體發(fā)出的劈裂聲頻率高于1次/s時，拉伸荷載已經接近GFRP筋的破壞荷載。繼續(xù)加載，筋體發(fā)出巨大響聲，并且筋體材料發(fā)生整體性的剝離，呈束狀。此時筋體破壞，并不再能夠承受拉伸荷載。這時復合材料的斷裂裂痕中不僅有順著纖維方向的，也有垂直于纖維方向的。斷裂模式很顯然是由圖1中的第一和第三種模式混合而成的破壞模式。表1中所顯示的是一次拉伸加載下不同樹脂含量的GFRP桿件所對應的初響與破壞荷載值。

表1 不同樹脂含量的GFRP筋所對應的初裂與破壞荷載

從表1中可以看出，每一種直徑的GFRP桿件所對應的樹脂含量都不同，而不同樹脂含量的GFRP筋所對應的初裂荷載與破壞荷載也不相同。將樹脂含量按從低到高排列，觀察樹脂含量對GFRP桿件開裂與破壞的影響趨勢，從初裂荷載曲線可以看出，當樹脂含量較低時，桿件的初裂荷載隨著樹脂含量的增多而增大，當樹脂含量較高后，桿件的初裂荷載隨著樹脂含量的增多而減小。從破壞荷載可以看出，當樹脂含量較低或較高時，荷載沒有明顯的上升和下降的趨勢，樹脂含量接近15.2%左右時，出現較為明顯的峰值。

4 結 論

a.GFRP桿件在整個拉伸過程中并不像鋼筋那樣經過非常明顯的四個階段，在桿件破壞之前也沒有明顯的特征，所以GFRP桿件為脆性材料，在實際工程應用中應留取一定的安全儲備。

b.不同樹脂含量的GFRP桿件在受拉伸荷載作用下，初裂破壞的位置均是在靠近桿體兩端1/4處，且此時的斷裂模式以剪應力引起的錯動而導致的基體發(fā)生剪切破壞為主。之后隨著荷載的增加，初裂破壞的位置由桿體兩端向中間延伸。隨著荷載的增加，桿體表面裂縫逐漸增多直至桿體發(fā)生整體的破壞，此時的斷裂模式除了有因為剪應力而引起的錯動，還有纖維和基體發(fā)生的斷裂。

c.通過比較GFRP桿件的破壞荷載，最小強度為547.4 MPa，能夠滿足代替鋼筋在建筑結構中起到軸向受拉的作用。

[1] 徐新生，鄭永峰.FRP筋力學性能試驗研究及混雜效應分析[J]. 建筑材料學報，2007,10(6):705-710.

[2] 金清平．復合材料土釘支護性能試驗分析與應用研究[D]．華中科技大學，2011.

[3] 李國維,劉朝權,黃志懷,等．應用玻璃纖維錨桿加固公路邊坡現場試驗[J]．巖石力學與工程學報,2010(9):4057-4061.

[4] 黃生文,邱賢輝,何唯平,等.FRP土釘主要性能的試驗研究[J].土木工程學,2007,40(8):74-78.

[5] 曾慶敦.復合材料的細觀破壞機制與強度[M].科學出版社,2002.

Research on Strength and Fracture Modes of GFRP Bars

TIAN Wei1,ZHENG Zu-jia2

(1.Hubei Lezhongxin Engineering Consulting Co, Ltd,Wuhan 430074,China;
2.School of Urban Construction,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430065,China)

Fiber content of different GFRP bars were measured firstly, and primary tensile tests were conducted to observe apparent features of GFRP bars with different resin content. Different values of the first crack load and failure load under different tensile loads were compared and analyzed. Test results show that GFRP bar is brittle material.The fracture modes of GFRP bars with different resin content are basically the same in different stages, the characteristic appears shear dislocation at first, and then combination breakup of resin-and-fiber. The first crack load and failure load of GFRP bars are different, and increase firstly with the fiber content increasing, and then decrease. With a high level of fracture strength, GFRP bars can replace reinforcement.

GFRP bar; fracture modes; tensile test; substrate content test

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.007

2014-12-15.

田 偉(1974-),工程師.E-mail:251863776@qq.com