李雙營，趙建昌

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 青海民族大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，西寧 810007)

纖維復(fù)合材與單個玻璃材料、碳纖維等材料相比存在偏離正效應(yīng)現(xiàn)象，即碳纖維和玻璃纖維混合后的強度、彈性模量和力學(xué)性能會偏離單個纖維力學(xué)性能的現(xiàn)象[1].徐歡歡等[2]基于各種纖維的混雜比例對各種力學(xué)性能的影響規(guī)律進行了研究，對多種纖維復(fù)合材料各種力學(xué)模量的估算公式進行了修正，有一定的實用價值；曾金芳等[3]研究了碳纖維混雜復(fù)合材料縱向拉壓性能.結(jié)果表明,該混雜復(fù)合材料體系的縱向拉伸強度均低于混合定律的預(yù)測值,表現(xiàn)出明顯的混雜負復(fù)合材料體系的縱向拉伸強度均低于混合定律的預(yù)測值,表現(xiàn)出明顯的混雜負效應(yīng).材料的拉壓破壞模式發(fā)生改變,趙占超等[4]通過拉伸試驗研究碳纖維和玻璃纖維間的黏結(jié)性能，根據(jù)其力學(xué)性能的試驗結(jié)果分析了碳纖維和玻璃纖維的層間合理匹配形式；張博明等[5]介紹了混雜纖維復(fù)合材料的性能優(yōu)勢,分別對復(fù)合材料最佳性能和最佳成本時的纖維混雜比例的研究進展進行了綜述；Xu等[6]在其發(fā)表的論文標題中第一次使用纖維層間界面黏結(jié)這一術(shù)語，標志著纖維復(fù)合材料在界面工程的研究領(lǐng)域進入了一個全新的階段.田毅[7]通過復(fù)合材料力學(xué)性能分析，選擇復(fù)合纖維的混雜方式，研究層間混雜復(fù)合材料的優(yōu)化匹配及其力學(xué)性能(彈性模量、抗拉強度、延伸率)的數(shù)學(xué)表達式.本文根據(jù)混雜效應(yīng)影響因子，制備不同體積比的GFRP-鋼筋復(fù)合材料，開展復(fù)合材料的拉伸斷裂試驗，研究不同體積匹配比對混雜復(fù)合材料的強度、彈性模量、延伸率等的影響，進一步得到GFRP-鋼筋混雜復(fù)合材料的優(yōu)化體積比，為實際工程的研究提供理論支持.

1 GFRP-鋼筋復(fù)合材料的制備

1.1 GFRP-鋼筋復(fù)合材料的選取

根據(jù)規(guī)范[8]的要求：由堿含量少于1%的無堿玻璃纖維無捻粗紗、環(huán)氧樹脂作為基體、固化劑、普通鋼筋等材料通過成型固化工藝復(fù)合而成的筋材.

1.2 基體和固化劑的選擇

固化劑采用環(huán)氧樹脂藍星化工WSR6101(E41)，環(huán)氧樹脂室溫固化劑藍星化工593，配比WSR6101∶593=4∶1.

1.3 GFRP-鋼筋復(fù)合材料的制備與熱壓工藝[9]

首先，玻璃纖維紗經(jīng)過紗架進入樹脂膠槽，浸潤樹脂后經(jīng)過預(yù)成型模具擠去多余的樹脂；其次，玻璃纖維徑向均勻分布在預(yù)成型模具上，鋼筋由中心位置塞入，使玻璃纖維均勻布置在鋼筋周圍；然后將附有玻璃纖維的鋼筋進入纏繞工序，纏繞機頭纏繞出螺紋后進入烘箱高溫固化，固化完成后進入螺紋退纏繞工序，去除多余粗糙的纏繞線，露出明顯螺紋，同時牽引機牽引玻璃纖維鋼筋進入切割工序；最后卸料完成桿體生產(chǎn)，生產(chǎn)過程如圖1所示.

圖1 GFRP-鋼筋復(fù)合材料的制備與熱壓工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of preparation and hot pressing process of GFRP bar reinforced composites

為防止GFRP-鋼筋復(fù)合材料受力時兩端應(yīng)力過大，導(dǎo)致筋體過早損壞構(gòu)件，需在GFRP-鋼筋復(fù)合材料兩端安裝無縫鋼管：選擇適用的鋼管，長度約300～400 mm，鋼管內(nèi)徑較玻璃鋼筋材大2～4 mm，不宜過大，鋼管內(nèi)壁每隔20～30 mm刻上1～2 mm深螺紋，加大與玻璃纖維的粘結(jié)，25 mm以下玻璃纖維筋可采用壁厚>5 mm鋼管，隨著玻璃纖維筋直徑變大，需適當增加鋼管壁厚7～10 mm，防止夾斷.具體的制作過程如下所示：步驟1選擇合適的車好內(nèi)螺紋鋼管，一端用透明膠帶密封；步驟2配制環(huán)氧樹脂膠液，比例WSR6101∶593=4∶1，攪拌均勻；步驟3將攪拌均勻的樹脂倒入鋼管中，插入玻璃鋼筋材(中空桿體需預(yù)先將內(nèi)孔用樹脂膠、混凝土砂漿填實)，放入墻角靜置1～2 h或者用熱風(fēng)機輔助加熱；玻璃鋼筋材一端環(huán)氧樹脂初步固化后，重復(fù)以上步驟，錨固玻璃鋼筋材另外一端;溫固化8～12 h以上，可以試驗，如果希望減少等待時間，可適當加熱，提高樹脂固化效率，制作過程如圖2所示.

圖2 GFRP-鋼筋復(fù)合材料錨具的安裝過程Fig.2 Installation process of rebar composite anchorage

2 實驗方案

2.1 實驗設(shè)計[10]

將GFRP-鋼筋復(fù)合材料做成700 mm的試拉件，其中標距L0=300 mm，夾芯鋼筋(里面是鋼筋，外面是玻璃纖維筋)，用套管錨固試拉件的兩端，如圖3所示，套管用無縫鋼管制作而成，兩端的錨固長度分別為200 mm，鋼管內(nèi)徑比試樣筋材桿件的直徑大4 mm，壁厚3 mm，鋼管與纖維之間的錨固用固化劑粘結(jié)而成[11].本實驗的GFRP-鋼筋復(fù)合材料按照體積比(先稱鋼筋的質(zhì)量，再稱制作好的GFRP-鋼筋復(fù)合材料的質(zhì)量，然后換算成體積)設(shè)計了8種，如表1所列，每種5根，共40根，表示為G1S0,G2S7,G3S6,G4S5,G5S4,G1S0,G6S3,G7S2,G0S1,其意義為：如G3S6表示體積比為0.324∶0.676，其比值約等于3比6.

圖3 GFRP筋(GFRP夾芯筋)的尺寸圖Fig.3 size diagram of GFRP rebars (GFRP cored rebars)

表1 GFRP-鋼筋復(fù)合材料的體積比Tab.1 Volume ratio of GFRP-reinforced composites

2.2 試驗方法

拉伸性能試驗采用上海華龍儀器有限公司的DN150的電子萬能試驗機，加載步驟按照規(guī)范[12]中進行，先對試拉件進行5 mm/min位移控制預(yù)加載，當達到屈服強度的20%～30%時，預(yù)加載結(jié)束，卸載到荷載為零時再以5 mm/min位移控制正式加載，直到試拉件破壞，觀察應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化規(guī)律，記錄破壞荷載、抗拉強度和彈性模量等指標，不計出現(xiàn)滑筋、端頭拉斷等現(xiàn)象試驗結(jié)果.

材料的動彈性模量采用NM-4B型非金屬超聲波檢測分析儀測定，材料的動彈性模量與超聲波聲速具有如下理論關(guān)系：

(1)

其中:E為材料的彈性模量；ρ為材料的密度；υ為材料的Poission比；V為材料的超聲波速度.

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 GFRP-鋼筋復(fù)合材料受拉斷裂過程與現(xiàn)象[13]

單一玻璃纖維(玻璃纖維和鋼筋的體積比為1∶0)受拉時，隨著荷載的增加，位移增大，當荷載達到極限荷載的80%時，纖維筋中部變細，有微小的裂縫出現(xiàn)，荷載和位移圖接近直線，繼續(xù)增加荷載裂紋迅速發(fā)展，接近破壞時發(fā)出強烈的爆破聲，最終單一玻璃纖維筋破壞，從出現(xiàn)裂紋到破壞，釋放能量，破壞時應(yīng)力應(yīng)變曲線有下降的趨向，屬于脆性破壞.單一鋼筋(玻璃纖維和鋼筋的體積比為0∶1)受拉時起初隨著荷載的增加，應(yīng)力應(yīng)變線性變化，當應(yīng)力達到屈服強度時，隨著荷載的增加，應(yīng)力保持不變，應(yīng)變增加，出現(xiàn)屈服階段，荷載繼續(xù)增加，進入塑性階段，位移增加的速度大于荷載增加的速度，此時鋼筋中部變細，出現(xiàn)明顯的裂紋，當荷載繼續(xù)增加時，鋼筋拉斷，隨即破壞，在鋼筋出現(xiàn)裂紋到破壞，經(jīng)歷的時間較長，釋放大量的能量，屬于延性破壞.

3.2 結(jié)果分析

通過對GFRP-鋼筋復(fù)合材料單軸拉伸試驗，可以得到G1S0、G2S7、G3S6、G4S5、G5S4、G6S3、G7S2、G0S1復(fù)合材料極限應(yīng)力、彈性模量以及斷裂伸長率，如表2所列，以及GFRP-鋼筋復(fù)合材料單軸拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，如圖4所示.

表2 GFRP-鋼筋復(fù)合材料單軸拉伸試驗結(jié)果Tab.2 Uniaxial tensile test results of 2gfrp-reinforced composites

圖4 GFRP-鋼筋復(fù)合材料單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Uniaxial tensile stress-strain curve of reinforced composite

由表2可以看出GFRP-鋼筋復(fù)合材料隨著玻璃纖維體積的增加，極限拉應(yīng)力增加，斷裂伸長率減小，彈性模量也在減小；G2S7極限應(yīng)力達到398.67 MPa，是G0S1極限應(yīng)力的94.86%，斷裂伸長率為8.25%，而G3S6的極限拉應(yīng)力是752.54 MPa，是G0S1極限拉應(yīng)力的98.17%，接近于純鋼筋的極限應(yīng)力，外圍包裹著玻璃纖維在鹽湖地區(qū)阻止了鹵水的腐蝕，由應(yīng)力應(yīng)圖形也可以看出，GFRP-鋼筋復(fù)合材料當體積比為1∶2時，出現(xiàn)明顯的屈服階段，是延性破壞，更進一步證實了玻璃纖維和鋼筋的臨界體積比是1∶2時，更符合鹽湖腐蝕地區(qū)的特點.

通過對不同體積比的GFRP-鋼筋復(fù)合材料受拉可以得到，當玻璃纖維和鋼筋的體積比為0.218∶0.782時，由于纖維體積較小，隨著荷載的增加，應(yīng)變小的玻璃纖維首先出現(xiàn)裂縫退出工作，荷載主要由鋼筋承擔，特別在鹽湖腐蝕地區(qū)，玻璃纖維出現(xiàn)裂縫對鋼筋的腐蝕會造成一定的影響；當玻璃纖維和鋼筋的體積比為0.736∶0.264時，由于纖維體積較大，鋼筋體積較小，當荷載增加時，隨著荷載的增加表現(xiàn)出來的性質(zhì)和單一玻璃纖維受拉時表現(xiàn)出的性質(zhì)相似，屬于脆性破壞(一次破壞)，當玻璃纖維和鋼筋的體積比大致為0.324∶0.676時，玻璃纖維起到一定的保護作用，特別是在鹽湖腐蝕地區(qū)，鋼筋不會受鹵水的腐蝕，同時還具有鋼筋的特性，應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯的屈服階段，屬于延性破壞.

當GFRP-鋼筋復(fù)合材料的體積比接近與0.324∶0.676

4 GFRP-鋼筋復(fù)合材料的臨界體積比預(yù)估結(jié)果

以GFRP-鋼筋復(fù)合材料體積比為橫坐標，縱坐標為強度，將試驗所測應(yīng)力和本文理論推導(dǎo)公式預(yù)估模型推導(dǎo)值對比曲線如圖5所示.可見，實驗值和理論值基本一致.抗拉強度曲線在臨界體積比處出現(xiàn)最小值，是GFRP-鋼筋復(fù)合材料的破壞機制所決定的.在本試驗中，G3S6(Vc=1∶2)拉伸試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示，出現(xiàn)明顯的屈服階段，是延性破壞.

圖5 實驗數(shù)據(jù)與理論預(yù)估數(shù)據(jù)的對比Fig.5 Comparison between experimental data and theoretical prediction data

5 GFRP-鋼筋復(fù)合材料的臨界體積比預(yù)估模型[14]

由于玻璃纖維筋的斷裂應(yīng)變較低，在拉伸過程中，先承受荷載而破壞，如果鋼筋含量較小，則玻璃纖維破壞的同時鋼筋也隨之破壞，屬于一次破壞；如果鋼筋含量較大,玻璃纖維斷裂后，鋼筋繼續(xù)承受荷載，直到破壞，屬于兩次破壞.材料在一次破壞和兩次破壞之間存在臨界體積比，本文通過實驗和理論推導(dǎo)臨界體積比的范圍，為工程實際提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

推導(dǎo)GFRP-鋼筋復(fù)合材料臨界體積比預(yù)估模型有如下假設(shè)[9]：

1) 在受拉過程中GFRP-鋼筋復(fù)合材料的應(yīng)變是等值增加的.

GFRP-鋼筋復(fù)合材料屈服之前，界面的應(yīng)變基本是等值增加的，屈服之后到達到極限強度，應(yīng)變分布偏離直線關(guān)系，試驗表明構(gòu)件的破壞總是發(fā)生在一定長度范圍內(nèi)，此時的平均應(yīng)變?nèi)允欠系戎翟黾?

2) 環(huán)氧樹脂和固化劑所形成的黏結(jié)材料對纖維浸潤性好，GFRP-鋼筋復(fù)合材料界面完好.

由于環(huán)氧分子中具有羥基、醚基和環(huán)氧基等極性基團，這些極性基團與增強材料表面浸潤性好[9]，受拉破壞是由GFRP-鋼筋復(fù)合材料拉斷導(dǎo)致的，而不是由于GFRP和鋼筋黏結(jié)破壞引起的.

3) GFRP-鋼筋復(fù)合材料最佳體積比的應(yīng)力應(yīng)變由上升段、水平段、上升段三部分組成.

實際上GFRP-鋼筋復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與復(fù)合材料的形狀(螺紋筋還是圓筋)、材料的強度、軸壓的偏心程度等因素有關(guān)，準確描述比較復(fù)雜，而GFRP-鋼筋復(fù)合材料最佳體積比的應(yīng)力應(yīng)變由上升段、水平段、上升段三部分組成必然存在一定的誤差，但能滿足工程設(shè)計所要求的精度.

為方便計算將GFRP-鋼筋復(fù)合材料看成是橫截面為1的筋，玻璃纖維、鋼筋、環(huán)氧樹脂的GFRP-鋼筋復(fù)合材料的體積為υ，質(zhì)量為m；GFRP-鋼筋復(fù)合材料中玻璃纖維GFRP、鋼筋、環(huán)氧樹脂的體積分別為υg,υs,υm；質(zhì)量分別為mg,ms,mm；密度分別為ρg,ρs,ρm；體積比分別為λg,λs,λs；應(yīng)力分別為σg,σs,σm；彈性模量分別為Eg,Es,Em；GFRP-鋼筋復(fù)合材料的強度預(yù)估模型為[15]

F=λgσg+λsσs+λmσm.

(2)

F為試件受拉時的拉伸荷載，單位N.

λg+λs+λm=1.

(3)

在拉升過程中，GFRP、鋼筋、環(huán)氧樹脂等位移變形，應(yīng)變都為ε

所以：

σg=Egε,σs=Esε,σm=Emε.

(4)

當拉伸荷載F增加到玻璃纖維極限荷載Ff時，

σg=σgf,ε=εgf.

(5)

由公式(2)、(4)、(5)整理得：

(6)

玻璃纖維斷裂后，鋼筋繼續(xù)承載，當荷載F達到鋼筋極限抗拉強度Ff時有：

F=Ff,σs=σsf,ε=εsf.

(7)

同理可得：

(8)

將式(8)代入式(6)得：

(9)

由式(8)得：

(10)

由式(9)得：

(11)

(12)

公式討論：

(13)

(14)

(15)

6 結(jié)論

1) 與南京鋒暉復(fù)合有限公司合作使用玻璃纖維、鋼筋、環(huán)氧樹脂材料制備了GFRP-鋼筋復(fù)合材料，對不同體積比的玻璃纖維和鋼筋的復(fù)合材料進行試驗測定，通過比較，當玻璃纖維和鋼筋的體積比接近于1∶2時，GFRP-鋼筋復(fù)合材料具有屈服強度，是延性破壞，同時外延有玻璃纖維在鹽湖腐蝕地區(qū)起到一定的保護作用.

2) 理論推導(dǎo)出GFRP-鋼筋復(fù)合材料的臨界體積比預(yù)估模型，根據(jù)模型得到玻璃纖維、鋼筋的臨界體積比接近1∶2，這與實驗中應(yīng)力應(yīng)變曲線的數(shù)據(jù)是相符的.