不同表面類型GFRP筋拉伸與剪切性能試驗(yàn)研究

謝 芳 楊紅梅 梁 敏 王貴祥 裘海文

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院, 浙江 紹興 312000; 2.浙江勤業(yè)建工集團(tuán)有限公司, 浙江 紹興 312000)

新材料的開發(fā)為結(jié)構(gòu)工程的創(chuàng)新和發(fā)展提供了更多的可能[1].作為一種新材料，玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(Glass Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱GFRP)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，如較高的拉伸強(qiáng)度，電絕緣性，耐腐蝕性和良好的可塑性等[2-7].近年來，GFRP被視為可以部分或完全替代鋼筋的新型材料.Xie等[8-10]對(duì)GFRP管進(jìn)行試驗(yàn)研究，表明GFRP管具有良好的工作性能.但目前GFRP筋種類繁多，其力學(xué)性能受不同纖維體積摻量與基體樹脂的配比及制造工藝等因素影響較大，使得不同批次的GFRP材料的差異較大，在一定程度上限制了GFRP材料在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為此對(duì)GFRP筋的力學(xué)性能開展了大量的研究.

Micelli[11]在對(duì)FRP筋的力學(xué)性能進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RP筋橫向與縱向的彈性模量相差較大，屬于典型的各向異性材料.

周繼凱等[12]等對(duì)不同直徑GFRP筋進(jìn)行拉伸性能研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著直徑增大，GFRP筋抗拉強(qiáng)度、彈性模量和延伸率逐漸降低.金清平等[13]結(jié)合試驗(yàn)研究分析了FRP筋直徑及外界溫度對(duì)其抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律.Mo等[14]為了分析GFRP筋在拉伸過程中應(yīng)力沿著筋體表面的分布規(guī)律，使用表面粘貼了應(yīng)變片的方法對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn).李國(guó)維等[15]發(fā)現(xiàn)加載速率會(huì)對(duì)大直徑GFRP筋拉伸性能產(chǎn)生影響，并且抗拉強(qiáng)度隨著加載速率增大而增大.武軍等[16]發(fā)現(xiàn)：極限抗拉強(qiáng)度和極限拉應(yīng)變受尺寸效應(yīng)影響較大，而彈性模量受尺寸效應(yīng)影響不明顯.高丹盈等[17]對(duì)GFRP筋開展剪切試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：FRP筋抗剪強(qiáng)度隨著直徑的增大而降低.

綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)GFRP筋的研究可知，GFRP筋力學(xué)性能受多種因素影響，且與鋼筋存在本質(zhì)區(qū)別.在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中，GFRP筋在承受拉力的同時(shí)也伴隨著剪力的存在.鑒此，本文對(duì)不同直徑、不同表面類型的GFRP筋進(jìn)行拉伸性能和剪切性能試驗(yàn)研究，為GFRP筋力學(xué)性能研究提供有效的試驗(yàn)參考，為GFRP代替鋼筋投入工程應(yīng)用的可行性提供依據(jù).

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用GFRP筋材料由浙江新納復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)提供，三種表面類型分別為光圓、螺紋和噴砂， 如圖1所示. GFRP筋直徑為8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm.筋材的增強(qiáng)材料為玻璃纖維，基體樹脂采用的是環(huán)氧樹脂，其中玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)為80%，環(huán)氧樹脂體積分?jǐn)?shù)為20%.

(a)光圓筋

1.2 試件制作

按照J(rèn)G/T 406-2013《土木工程用玻璃纖維增強(qiáng)筋》規(guī)定[18]，GFRP筋拉伸試件長(zhǎng)度包括兩端的錨固長(zhǎng)度和中間的有效長(zhǎng)度，其中測(cè)試區(qū)的有效長(zhǎng)度要大于100 mm或者40倍玻璃纖維筋的直徑，并保證試件不能在兩端錨固區(qū)破壞或者從錨固端部滑出.此次拉伸試件總長(zhǎng)為1 000 mm，中間段的有效長(zhǎng)度為400 mm，兩端用長(zhǎng)度為300 mm的無縫鋼管錨固.為了保證拉伸試件錨固端的粘結(jié)強(qiáng)度大于GFRP筋本身的抗拉強(qiáng)度，本次拉伸試驗(yàn)錨固端的加固粘結(jié)劑采用膨脹水泥和自來水，按照水∶膨脹水泥=1∶3重量比進(jìn)行攪拌配合，并放入烘箱養(yǎng)護(hù).拉伸筋材示意圖及實(shí)物圖分別如圖2(a)和圖2(b)所示.

(a)GFRP筋拉伸示意圖

按照GB/T 1450.2—2005《纖維增強(qiáng)塑料沖壓式剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法》[19]，將GFRP筋體截成300 mm長(zhǎng)的試樣，其剪切試樣如圖2(c)所示.

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及加載方案

1.3.1 拉伸性能測(cè)試

采用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行GFRP筋材拉伸性能試驗(yàn)，如圖3所示.結(jié)合初始標(biāo)距為200 mm的引伸計(jì)采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，得到不同表面類型、不同直徑的GFRP筋抗拉強(qiáng)度、極限應(yīng)變和彈性模量.加載方式均采用位移控制加載，速率為5mm/min，直至GFRP筋拉斷，試驗(yàn)結(jié)束.

圖3 試樣加載圖

1.3.2 剪切性能測(cè)試

采用配以壓式剪切器的微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)每種類型的5個(gè)試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn).將GFRP筋桿體截成300 mm長(zhǎng)的試件，并將其放入剪切測(cè)試裝置中，測(cè)試裝置如圖4所示.加載方式采用位移控制，加載速率為2 mm/min，直至GFRP筋剪斷，試驗(yàn)結(jié)束.剪切試件的受力圖如圖5所示.

(a)實(shí)物圖

圖5 剪切試樣受力圖

2 GFRP筋的拉伸性能

2.1 拉伸破壞形態(tài)

2.1.1 GFRP筋斷裂破壞

該破壞形態(tài)為GFRP筋拉伸試驗(yàn)的典型破壞形態(tài).加載前期，荷載隨著位移平緩增大，如圖6所示；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的40%～60%時(shí)，樹脂開始剝離纖維而發(fā)出清脆撕裂聲； 此后， 纖維剝離樹脂的響聲逐漸增大，在撕裂的位置可以清晰地看到白斑狀裂紋出現(xiàn).接近極限荷載時(shí)，撕裂聲響增大且加密，纖維由外向內(nèi)持續(xù)發(fā)生斷裂，伴隨一聲巨響，試件呈現(xiàn)“爆炸式”破壞，同時(shí)飛散出細(xì)小纖維，如圖7所示.

圖6 典型試件荷載—位移曲線

(a)光圓筋

2.1.2 GFRP筋端部拉脫破壞

該破壞形態(tài)為GFRP筋拉伸試驗(yàn)的非典型破壞形態(tài).由于GFRP筋端部錨固強(qiáng)度不足，使得GFRP筋在極限拉伸破壞前，筋體從套管中滑出，此時(shí)，筋材本身未發(fā)生斷裂，該破壞模型為無效破壞.在本次試驗(yàn)中，僅直徑10 mm光圓類的兩個(gè)GFRP筋試件發(fā)生此類破壞，如圖8所示.

圖8 GFRP筋端部拉脫破壞

2.1.3 錨固鋼套管拉斷破壞

該破壞模型為GFRP筋拉伸試驗(yàn)的非典型破壞，為無效破壞，僅為GFRP筋拉伸試驗(yàn)的設(shè)計(jì)提供參考.錨固套管在GFRP筋達(dá)到極限荷載前被拉斷，而筋材本身無明顯斷裂現(xiàn)象，如圖9所示，表明了GFRP筋抗拉強(qiáng)度大于鋼套管的抗拉強(qiáng)度.

圖9 錨固鋼套管拉斷

2.2 拉伸性能參數(shù)

2.2.1 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

GFRP筋從加載至完全破壞的過程中，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線始終呈一次線性分布，到達(dá)極限應(yīng)力時(shí)突然失去承載能力；與鋼筋在受力呈現(xiàn)明顯的屈服平臺(tái)而具有延性破壞的受力特征不同，GFRP筋呈現(xiàn)典型的脆性破壞，如圖10所示.在工程結(jié)構(gòu)中，既要發(fā)揮GFRP筋較高的拉伸性能，又要對(duì)其沒有屈服平臺(tái)的本構(gòu)特性加以關(guān)注.

圖10 GFRP筋與鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2.2 極限拉應(yīng)力

GFRP筋極限拉應(yīng)力(抗拉強(qiáng)度)按公式(1)計(jì)算，為

(1)

式中，fu為GFRP筋極限抗拉強(qiáng)度(MPa)；Fu為GFRP筋峰值荷載(N)；A為GFRP筋截面面積(mm2).

2.2.3 極限拉應(yīng)變

極限拉應(yīng)變按公式(2)計(jì)算，為

(2)

式中，εu為GFRP筋極限拉應(yīng)變(%)；E為GFRP筋拉伸彈性模量(GPa)；Fu和A的含義與公式(1)相同.

2.2.4 拉伸彈性模量

GFRP筋拉伸彈性模量按公式(3)計(jì)算[20]，為

(3)

式中：E為GFRP筋拉伸彈性模量，單位為GPa；A為GFRP筋橫截面面積(mm2)；F1、ε1分別為試樣所受荷載為極限荷載50%的荷載值及其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變(N和無量綱)；F2、ε2分別為試樣所受荷載為極限荷載20%的荷載值及其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變(N和無量綱).

2.3 直徑及表面類型對(duì)GFRP筋拉伸性能的影響

2.3.1 對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

將試驗(yàn)得到的GFRP筋抗拉強(qiáng)度與鋼筋的抗拉強(qiáng)度受直徑影響的關(guān)系曲線進(jìn)行比較.如圖11所示，鋼筋的抗拉強(qiáng)度參考混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[21]繪制，表現(xiàn)了光圓HPB300和螺紋HRB400鋼筋的受拉屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度.

圖11 GFRP筋與鋼筋抗拉強(qiáng)度的比較

由分析可知：GFRP筋的抗拉強(qiáng)度均大于鋼筋屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度；GFRP筋抗拉強(qiáng)度受其直徑的影響較顯著，而鋼筋的屈服和極限抗拉強(qiáng)度不受其直徑影響；GFRP筋抗拉強(qiáng)度伴隨著直徑的增大而減小；GFRP筋抗拉強(qiáng)受其表面類型度的影響顯著.

對(duì)于光圓類GFRP筋，當(dāng)直徑由8 mm增大到16 mm時(shí)，抗拉強(qiáng)度由1 332.13 MPa降低至1 137.46 MPa，降低了14.61%；對(duì)于噴砂類GFRP筋，當(dāng)直徑由8 mm增大到16 mm時(shí)，抗拉強(qiáng)度降低了17.90%；對(duì)于螺紋類GFRP筋，當(dāng)直徑由8 mm增大到16 mm時(shí)，抗拉強(qiáng)度降低了15.40%.

表面類型不同的GFRP筋抗拉強(qiáng)度顯著不同.GFRP筋抗拉強(qiáng)度根據(jù)表面類型由大到小依次為光圓>噴砂>螺紋；當(dāng)GFRP筋直徑為14 mm時(shí)，三種類型的抗拉強(qiáng)度分別為1 290.32 MPa、1 156.26 MPa、1 037.56 MPa，光圓抗拉強(qiáng)度分別是噴砂和螺紋的1.12倍和1.24倍，而噴砂是螺紋的1.11倍.

2.3.2 對(duì)極限拉應(yīng)變的影響

將試驗(yàn)得到的GFRP筋極限拉應(yīng)變與鋼筋的極限拉應(yīng)變受其直徑影響的關(guān)系曲線進(jìn)行比較，如圖12所示.鋼筋的極限拉應(yīng)變參照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[21]繪制，表現(xiàn)了鋼筋的受拉屈服應(yīng)變和極限應(yīng)變.

圖12 GFRP筋與鋼筋拉伸應(yīng)變

鋼筋的極限應(yīng)變基本不受其直徑的影響，光圓HPB300和螺紋HRB400鋼筋極限應(yīng)變分別約為10.00%和7.50%.而由分析可知，GFRP筋的極限應(yīng)變隨著直徑及表面類型的變化微小，穩(wěn)定在2.0%～2.5%之間.

2.3.3 對(duì)拉伸彈性模量的影響

試驗(yàn)得到的GFRP筋拉伸彈性模量隨著直徑及表面類型的變化很小，基本穩(wěn)定在45 GPa～60 GPa之間，C40混凝土彈性模量為32.50 GPa.可見，GFRP筋的彈性模量與混凝土的彈性模量比較接近.光圓HPB300和螺紋HRB400鋼筋的彈性模量約為本次試驗(yàn)的GFRP筋拉伸彈性模量的4～5倍.

圖13 GFRP筋與鋼筋彈性模量的比較

3 GFRP筋的剪切性能

3.1 剪切破壞形態(tài)

在加載初期，荷載-位移呈現(xiàn)平滑的曲線，如圖14所示，在此階段GFRP筋表面基本無明顯破環(huán)特征；隨著荷載漸漸增大，開始發(fā)出纖維斷裂的“噼啪”聲；隨著荷載繼續(xù)加大，聲音逐漸增大且愈加密集；當(dāng)試件破壞時(shí)，伴隨著纖維斷裂發(fā)出清脆的響聲.GFRP筋試樣的破壞現(xiàn)狀為整體緩慢切斷，且都有不同程度的擠壓變形，如圖15所示.

圖14 典型試件荷載-位移曲線

(a)光圓筋

3.2 剪切強(qiáng)度

GFRP筋抗剪強(qiáng)度參照規(guī)范[19]計(jì)算，如公式(4)

(4)

式中：τu為GFRP筋抗剪強(qiáng)度(MPa)；Fs為GFRP筋剪切破壞時(shí)最大荷載(N)；A為GFRP筋截面積(mm2)；d為GFRP筋直徑(mm).

由圖16可知,(a)GFRP筋抗剪強(qiáng)度受不同表面類型的影響明顯；三種類型GFRP筋的抗剪強(qiáng)度由大到小依次為噴砂>光圓>螺紋；當(dāng)直徑為16 mm時(shí)，三種不同表面類型的抗剪強(qiáng)度分別為207.89 MPa、179.14 MPa、159.20 MPa；噴砂抗剪強(qiáng)度分別是光圓和螺紋的1.16倍和1.31倍，而光圓是螺紋的1.13倍；

圖16 三種表面類型的GFRP筋抗剪強(qiáng)度與其直徑的關(guān)系曲線

(b)與鋼筋抗剪強(qiáng)度不受直徑影響相比，GFRP筋的抗剪強(qiáng)度受直徑影響顯著；直徑在10 mm～16 mm范圍內(nèi)，GFRP筋抗剪強(qiáng)度隨著直徑的增大逐漸變??；對(duì)于噴砂類GFRP筋，其抗剪強(qiáng)度值由222.86 MPa降低至207.89 MPa，降低了6.72%；光圓及螺紋抗剪強(qiáng)度分別降低了12.94%、12.39%，表明GFRP筋直徑對(duì)抗剪強(qiáng)度具有顯著影響.

3.3 剪切強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度比較

三種不同類型GFRP筋的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度范圍分別在991.34 MPa～1 332.13 MPa 和143.86 MPa～222.86 MPa之間，兩者相差較大，且抗剪強(qiáng)度僅約為抗拉強(qiáng)度的17%，如圖17所示，求證了GFRP筋為各向異性材料.

圖17 GFRP筋拉伸強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度的關(guān)系曲線

綜上，GFRP筋的拉伸本構(gòu)曲線沒有明顯的屈服平臺(tái)；GFRP筋抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度受表面類型和直徑影響顯著，其剪切強(qiáng)度明顯小于拉伸強(qiáng)度，GFRP筋彈性模量、極限應(yīng)變受其影響較??；與此同時(shí)，鋼筋拉伸和剪切性能基本不受其類型和直徑的影響，GFRP筋與鋼筋在材性上具有較明顯的區(qū)別.如表1所示，為GFRP筋的拉伸和剪切性能相關(guān)參數(shù)與鋼筋的相關(guān)力學(xué)性能參數(shù).

表1 GFRP筋拉伸、剪切性能參數(shù)與鋼筋性能參數(shù)

4 結(jié)論

本文對(duì)不同直徑和不同表面類型的GFRP筋進(jìn)行拉伸和剪切性能試驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

(1)GFRP筋典型的拉伸破壞模式呈GFRP筋爆炸式的斷裂破壞.GFRP典型的剪切破壞模式為GFRP筋體的擠壓破壞；

(2)GFRP筋拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈直線分布，沒有屈服平臺(tái)；其拉伸彈性模量和極限拉伸應(yīng)變分別穩(wěn)定在45 MPa～60 MPa和2.01%～2.25%之間；

(3)GFRP筋試件的抗拉強(qiáng)度范圍在991.34 MPa～1332.13 MPa之間，抗剪強(qiáng)度在143.86 MPa～222.86 MPa之間，抗剪強(qiáng)度僅約為抗拉強(qiáng)度的17%；

(4)直徑對(duì)GFRP筋抗拉和抗剪強(qiáng)度影響明顯；直徑由8 mm增大至16 mm時(shí)，試件平均抗拉強(qiáng)度約降低15%；抗剪強(qiáng)度降低約10%；

(5)不同表面類型對(duì)GFRP筋抗拉和抗剪強(qiáng)度同樣產(chǎn)生明顯影響；對(duì)于拉伸強(qiáng)度光圓類GFRP筋大于噴砂類大于螺紋類，而對(duì)于剪切強(qiáng)度噴砂大于光圓大于螺紋；

(6)相同類型GFRP筋呈現(xiàn)的抗拉強(qiáng)度優(yōu)于其抗剪強(qiáng)度，GFRP筋材料為典型的各項(xiàng)異性材料，在工程應(yīng)用中應(yīng)該予以重視.