纖維增強(qiáng)塑料筋力學(xué)特性研究

程 濤（安徽建工集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230022）

纖維增強(qiáng)塑料筋力學(xué)特性研究

程 濤（安徽建工集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230022）

基于玻璃纖維增加塑料筋抗拉強(qiáng)度較大、抗剪切強(qiáng)度較低的特點(diǎn)，采用特制裝置進(jìn)行筋材室內(nèi)抗拉試驗研究，分析直徑、材料組成、肋間距這三個因素對筋材力學(xué)特性的影響，獲得有益結(jié)論：GFRP筋材直徑增大能使得其極限荷載增大，但極限抗拉強(qiáng)度有所下降；纖維含量增加能提高筋材極限抗拉強(qiáng)度及彈性模量；肋間距增大將降低極限抗拉強(qiáng)度，增大應(yīng)變值，造成彈模逐漸增大；直徑對筋材極限抗拉強(qiáng)度影響最大，肋間距次之，材料組成最??；肋間距對筋材彈模影響最大，材料組成次之，直徑最小。

GFRP；抗拉強(qiáng)度；直徑；材料組成；肋間距

玻璃纖維增加塑料筋（GFRP筋材）的抗拉強(qiáng)度受玻璃纖維的力學(xué)性能、樹脂的強(qiáng)度、加工成型方式、筋材的直徑、筋材的肋間距、筋材組成等因素有關(guān)，因此國內(nèi)各個廠家生產(chǎn)的 GFRP筋材的質(zhì)量的離散性較大，致使筋材的力學(xué)性能差異性明顯，而抗拉強(qiáng)度高是這種材料的最顯著特征，也是其廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中的重要因素之一。因此，有必要針對某些廠家生產(chǎn)的GFRP筋材的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行試驗研究，通過室內(nèi)試驗系統(tǒng)性研究材料成分、直徑、肋間距這三個因素對玻璃纖維樹脂錨桿抗拉強(qiáng)度的影響，獲得不同外觀幾何尺寸及材料構(gòu)成下的拉應(yīng)力變化規(guī)律，以便形成統(tǒng)一的材料參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在滿足經(jīng)濟(jì)性及適用性的條件下，充分發(fā)揮GFRP筋材抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，從而以規(guī)范形式來指導(dǎo)筋材的生產(chǎn)、工程施工及設(shè)計。

1 試驗方法

1.1 第一步：材料選取

本試驗中選取3種筋材直徑分別為：18mm（D1）、25mm（D2）、32mm（D3）；三種不同肋間距分別為：10mm（L1）、20mm（L2）、30mm（L3）；三種不同材料組成分別為：60%玻璃纖維含量與40%樹脂含量（G1）、65%玻璃纖維含量與 35%樹脂含量（G2）、70%玻璃纖維含量與30%樹脂含量（G3）；則（D1L2G1）表示GFRP筋材屬性為：直徑18mm、肋間距20mm、60%玻璃纖維含量與 40%樹脂含量。每根 GFRP筋材長度均取為45cm。

1.2 第二步：材料處理

由于GFRP筋材抗拉強(qiáng)度一般非常高，而橫向抗壓強(qiáng)度及層間剪切強(qiáng)度很低。為使試件在中部破壞，將大直徑材料加工成小直徑啞鈴形狀試件，間接測定GFRP筋的抗拉強(qiáng)度。為防止試件端部被夾持部分在試驗過程發(fā)生局部破壞造成試件抖動，需使用玻璃纖維布和環(huán)氧樹脂進(jìn)行包裹，如圖1所示。

圖1 玻璃纖維增強(qiáng)筋端部夾持方式

1.3 第三步：拉伸試驗

應(yīng)變片沿GFRP錨桿上下對稱粘貼，平均取值，在工作區(qū)的中部及距中點(diǎn)兩側(cè)各 100mm共選3個斷面，打磨區(qū)域滿足應(yīng)變片的最小占用面積，每根桿體共貼片6個，用排線將電阻應(yīng)變片導(dǎo)線引出，施工連續(xù)外荷載時每隔2kN讀取應(yīng)變值，直到試件破壞。

2 試驗結(jié)果

GFRP筋材在受到抗拉力而產(chǎn)生破壞形式主要有：①試件端部夾持部位局部被夾斷，試件滑移出夾頭；②試件從變截面處脫層，小直徑部分直接從大直徑部分中抽出，使大直徑部分成為一個空心圓筒，呈現(xiàn)“層剪”破壞狀態(tài)；③試件端部在夾具內(nèi)滑脫，未達(dá)到其極限強(qiáng)度而破壞；④試件樹脂拉裂，纖維束部分拉斷，整個桿體發(fā)生片狀劈裂。其中前三種破壞形式均為無效破壞，只有最后一種破壞形式能真實(shí)反映構(gòu)件抗拉強(qiáng)度。

GFRP筋材拉伸性能指標(biāo) 表1

試件在加載過程中，當(dāng)加載到極限荷載的20%～30%時，會聽到試件損傷發(fā)出微小的脆響，一直持續(xù)，當(dāng)加載到極限荷載的約 60%～70%時，可聽到纖維剝離樹脂和部分纖維絲斷裂的聲音，隨著荷載施加，響聲隨之增大而漸密，最后突然發(fā)出很大斷裂聲，試件發(fā)生突然破壞。試驗后觀察發(fā)現(xiàn)：桿體表面有白斑狀裂紋，有一明顯斷面破壞面，整個試件在較大范圍內(nèi)發(fā)生片狀撕裂，且有小部分纖維絲未發(fā)生斷裂，但已失去承載能力。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 直徑對筋材抗拉強(qiáng)度的影響

一般，GFRP筋材極限承載力隨直徑增加而逐漸增強(qiáng)，但極限抗拉強(qiáng)度則表現(xiàn)出不同變化趨勢，這是由于小直徑筋材表面微裂紋尺寸和數(shù)量較少，應(yīng)力集中現(xiàn)象相對較弱，使得纖維具有較高強(qiáng)度。圖2為三種不同直徑GFRP筋材極限抗拉強(qiáng)度值。

圖2 GFRP筋材極限抗拉強(qiáng)度隨直徑變化關(guān)系

由圖2可知，隨著試件直徑的增大，雖然其極限荷載增大，但是極限抗拉強(qiáng)度有所下降。其原因為：GFRP筋為復(fù)合材料，其材料組分、加工工藝等因素均不相同，生產(chǎn)過程中玻璃纖維先被張拉到一定應(yīng)力水平，然后在模具內(nèi)浸澤樹脂，當(dāng)樹脂凝結(jié)到一定強(qiáng)度后壓?；蛐D(zhuǎn)桿體，制作表面螺紋形狀。首先，連續(xù)玻璃纖維中存在斷絲缺陷，其次，外表螺紋加工會使得潛表層纖維受到損傷而產(chǎn)生斷絲、彎曲或褶皺，后者影響更為重要，造成筋材表面和內(nèi)部分布著較多微裂縫、刻痕等，且截面尺寸越大材料富含缺陷越多，且淺表層缺陷多于深層部位。造成較大直徑GFRP筋這些缺陷也相對明顯，自然其抗拉強(qiáng)度相對較低。

3.2 材料組成對筋材抗拉強(qiáng)度影響

為研究材料組成對筋材力學(xué)性能的影響，試驗時分別采用不同廠家生產(chǎn)的GFRP筋材，其材料成分分別即為G1、G2、G3，其試驗結(jié)果見表2。

不同材料組成下GFRP筋材力學(xué)性能 表2

由表2可知，隨著筋材中纖維含量增加，樹脂含量減小，筋材極限抗拉強(qiáng)度逐漸增大，彈性模量逐漸增大，而筋材伸長率逐漸減小。當(dāng)纖維含量由 60%增加到 75%時，筋材極限抗拉強(qiáng)度增加了 35%，彈性模量增加了35%左右，兩者增加幅度均較大；而伸長率則減小了近60%，減小幅度非常明顯。說明材料組成對這3個指標(biāo)影響較大，特別是材料伸長率。這是由于玻璃纖維抗拉強(qiáng)度較高，而延性較低；而樹脂抗拉強(qiáng)度相對較低，而延性相對較大，造成玻璃纖維含量較高的GFRP筋材抗拉強(qiáng)度較大，伸長率較低。因此，生產(chǎn)廠家可通過增加纖維含量來提高筋材的極限抗拉強(qiáng)度，而利用增加環(huán)氧樹脂的含量來增強(qiáng)GFRP筋材的延性，而控制一個合適的纖維與樹脂含量比例，在滿足筋材極限抗拉強(qiáng)度的前提下兼顧材料的伸長率。但GFRP筋材抗拉強(qiáng)度不僅由纖維含量所控制，同時也受纖維本身力學(xué)性能、筋材生產(chǎn)工藝等各因素所影響，是一個離散型很高的力學(xué)性能指標(biāo)。

3.3 肋間距對筋材抗拉強(qiáng)度影響

為研究肋間距變化對筋材力學(xué)性能影響，試驗時分別選取肋間距分別為10mm、20mm、30mm的玻璃纖維筋進(jìn)行拉撥試驗研究，玻璃纖維筋其它尺寸分別為：直徑18mm；玻璃纖維含量70%、樹脂含量30%。表3為不同肋間距時的玻璃纖維筋抗拉強(qiáng)度值。

不同肋間距下GFRP筋材力學(xué)性能 表3

由表3可知，隨著GFRP筋材肋間距增大，其極限抗拉強(qiáng)度逐漸減小，而應(yīng)變值逐漸增大，造成GFRP筋材的彈性模量逐漸增大。分析認(rèn)為：筋材抗拉破壞時，包裹玻璃纖維樹脂首先產(chǎn)生開裂，隨著拉應(yīng)力增加，裂縫逐漸擴(kuò)展、深入，并最終形成貫穿的裂縫，并局部出現(xiàn)剝離、脫落，其局部受力面積逐漸減小，拉力由玻璃纖維與樹脂共同承擔(dān)逐漸轉(zhuǎn)變成玻璃纖維獨(dú)自承擔(dān)，同時因樹脂包裹作用逐漸減弱，玻璃纖維抗拉承載力逐漸減小，造成整個GFRP筋材抗拉強(qiáng)度達(dá)到極值后迅速減小、快速破壞的試驗現(xiàn)象。因此肋間距減小勢必增加筋材承受抗拉橫截面面積，致使破壞時裂縫開展、深入出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，有效阻礙裂縫貫通及發(fā)展，使得破壞時 GFRP筋極限抗拉強(qiáng)度增大。同時肋間距減小使得裂縫達(dá)到相同開展深度所需應(yīng)變量增大，使得樹脂與玻璃纖維受力更加均勻，破壞時兩者相對位移較小，樹脂包裹作用得到增強(qiáng)，使得破壞時筋材應(yīng)變值也相應(yīng)減小。因此，肋間距增加能夠有效增加筋材極限抗拉強(qiáng)度，減小材料彈性模量。當(dāng)然，肋間距減小會大幅增加筋材中樹脂含量，造成單位長度筋材造價提高，不利于控制出廠價格。因此，選擇合適肋間距，設(shè)置肋合理布置方式，從而為GFRP筋材設(shè)計、施工及生產(chǎn)工藝提供技術(shù)支撐。

4 結(jié) 論

本文基于室內(nèi)試驗研究直徑、肋間距、材料組成這三因素對 GFRP筋材力學(xué)性能影響，得出如下結(jié)論。

①GFRP筋材直徑增大，雖其極限荷載增大，但極限抗拉強(qiáng)度有所下降；纖維含量增加能提高筋材的極限抗拉強(qiáng)度及彈性模量；肋間距增大將降低極限抗拉強(qiáng)度，增大應(yīng)變值，造成筋材彈模逐漸增大。

②直徑、肋間距、材料組成均影響GFRP筋材的力學(xué)特性。直徑對GFRP筋材極限抗拉強(qiáng)度的影響最大，肋間距次之，材料組成最??；肋間距對GFRP筋材彈模的影響最大，材料組成次之，直徑最小。

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［4］JG/T 406-2013，土木工程用玻璃纖維增強(qiáng)筋［S］.

TU431

A

1007-7359（2016）02-0197-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.069

項目名稱：住房城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計劃項目（建科〔2015〕91號）。

程濤（1983—），男，安徽桐城人，畢業(yè)于河海大學(xué)，工程師，主要從事基坑工程方面的研究工作。