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(xué)城市建設(shè)學(xué)院, 武漢 430065)

玻璃纖維增強(qiáng)塑料筋的強(qiáng)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(xué)城市建設(shè)學(xué)院, 武漢 430065)

GFRP筋拉伸力學(xué)性能與破壞形態(tài)不同于常見的工程應(yīng)用材料。利用燒失實(shí)驗(yàn)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(gè)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(yīng)力錯(cuò)動為主，而后轉(zhuǎn)為樹脂和纖維的共同斷裂與剪應(yīng)力錯(cuò)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(qiáng)度較高，可以起到代替鋼筋的作用。

GFRP筋； 破壞模式； 拉伸試驗(yàn)； 樹脂含量

鋼筋銹蝕一直是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要課題,尤其在海洋、道路、化工及鹽害地區(qū)結(jié)構(gòu)工程中，鋼筋銹蝕十分嚴(yán)重，是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)喪失承載力，難以達(dá)到預(yù)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(qiáng)纖維材料(FRP)替代鋼筋的思路。玻璃纖維增強(qiáng)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(qiáng)材料，以合成樹脂為基體材料，并摻入適量輔助劑，經(jīng)拉擠成型技術(shù)和必要的表面處理形成的一種新型復(fù)合材料[2]。GFRP具有質(zhì)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(diǎn)，在20世紀(jì)70年代投入使用后便在機(jī)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(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3,4]。

1 GFRP桿件拉伸強(qiáng)度理論及斷裂模式

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

單向連續(xù)纖維復(fù)合材料沿纖維排列方向的強(qiáng)度和模量均很高，因此是受力結(jié)構(gòu)復(fù)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(qiáng)度又不同的材料，所以在平面應(yīng)力狀態(tài)下有五個(gè)獨(dú)立的參數(shù)，最大應(yīng)力強(qiáng)度如公式(1)所示。

(1)

不論何種應(yīng)力狀態(tài)，只要任何一個(gè)應(yīng)力分量達(dá)到相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)，即外部施加的力超過臨界應(yīng)力時(shí)，就會產(chǎn)生一個(gè)或幾個(gè)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(yīng)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(qiáng)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(nèi)部、纖維與基體的界面，也可能發(fā)生在纖維內(nèi)部。

事實(shí)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(yīng)力。所以GFRP桿件在發(fā)生細(xì)微損傷后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率只會有微小的變化，并不會立即變?yōu)?，這種現(xiàn)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(dān)，所以纖維與樹脂基體在桿件中的配比的不同，必將導(dǎo)致桿件發(fā)生斷裂的荷載的差異。

2 GFRP力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選取由深圳海川材料有限公司生產(chǎn)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

GFRP桿件基體含量試驗(yàn)采用《玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹脂含量試驗(yàn)方法》(GB/T 2577—2005)，GFRP筋拉伸試驗(yàn)采用我國國家標(biāo)準(zhǔn)中的《拉擠玻璃纖維增強(qiáng)塑料桿拉伸性能實(shí)驗(yàn)方法(GB T 13096 11一91)》進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)研究。

2.3 試樣形態(tài)

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

拉伸試驗(yàn)中為了能夠保證GFRP桿件在拉伸過程中不會因?yàn)槿f能試驗(yàn)機(jī)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(jìn)行拉伸試驗(yàn)。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(yàn)方法

測量樹脂含量試驗(yàn)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(fù)操作直至兩次稱量結(jié)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(jìn)行稱量，然后重復(fù)灼燒恒溫冷卻直至兩次質(zhì)量差不超過1 mg。

拉伸實(shí)驗(yàn)儀器采用電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)。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(jìn)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(shí)的荷載數(shù)值，以及桿件破壞時(shí)的荷載值，桿件破壞形態(tài)如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

燒失實(shí)驗(yàn)中，利用式(2)，得出樹脂含量，結(jié)果如表1所示。式中M1為樹脂含量；m1為坩堝質(zhì)量；m2為坩堝和試樣質(zhì)量和；m3為殘余物和坩堝質(zhì)量和。

(2)

拉伸試驗(yàn)中，加載初期，GFRP桿體表面沒有出現(xiàn)裂痕，在加載過程中也不發(fā)出任何的響聲。當(dāng)拉伸荷載增長到一定的數(shù)值時(shí)，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(xiàn)在發(fā)出劈裂響聲的同時(shí)，在桿體靠近兩端1/4處出現(xiàn)平行于纖維方向的細(xì)小裂縫。同時(shí)，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(xiàn)而發(fā)生的細(xì)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(shí)復(fù)合材料的斷裂模式以圖1中切應(yīng)力引起的錯(cuò)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(xiàn)細(xì)小裂縫，與此同時(shí)，劈裂聲也逐漸明顯。當(dāng)筋體發(fā)出的劈裂聲頻率高于1次/s時(shí)，拉伸荷載已經(jīng)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(shí)筋體破壞，并不再能夠承受拉伸荷載。這時(shí)復(fù)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(yīng)的初響與破壞荷載值。

表1 不同樹脂含量的GFRP筋所對應(yīng)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(yīng)的樹脂含量都不同，而不同樹脂含量的GFRP筋所對應(yīng)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(dāng)樹脂含量較低時(shí)，桿件的初裂荷載隨著樹脂含量的增多而增大，當(dāng)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(dāng)樹脂含量較低或較高時(shí)，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(shí)，出現(xiàn)較為明顯的峰值。

4 結(jié) 論

a.GFRP桿件在整個(gè)拉伸過程中并不像鋼筋那樣經(jīng)過非常明顯的四個(gè)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(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)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(shí)的斷裂模式以剪應(yīng)力引起的錯(cuò)動而導(dǎo)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(shí)的斷裂模式除了有因?yàn)榧魬?yīng)力而引起的錯(cuò)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(qiáng)度為547.4 MPa，能夠滿足代替鋼筋在建筑結(jié)構(gòu)中起到軸向受拉的作用。

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

[2] 金清平．復(fù)合材料土釘支護(hù)性能試驗(yàn)分析與應(yīng)用研究[D]．華中科技大學(xué)，2011.

[3] 李國維,劉朝權(quán),黃志懷,等．應(yīng)用玻璃纖維錨桿加固公路邊坡現(xiàn)場試驗(yàn)[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),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(yàn)研究[J].土木工程學(xué),2007,40(8):74-78.

[5] 曾慶敦.復(fù)合材料的細(xì)觀破壞機(jī)制與強(qiáng)度[M].科學(xué)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