GFRP筋拉伸力學性能與破壞形態試驗分析

金清平，鄭祖嘉，陸 偉，陳 智

（1.武漢科技大學城市建設學院，湖北 武漢430065；2.華中科技大學土木工程與力學學院，湖北 武漢430074）

0 前言

纖維增強復合材料（FRP）具有輕質高強的力學性能和優異的設計性，在交通、建筑、地下工程等諸多領域得到了研究和應用［1］，歐美和日本對FRP 筋在土木工程領域的應用技術相對中國較早，取得的成果也較高［2－7］。中國在FRP筋研究方面也取得了一些進展，研究了碳纖維增強復合材料（CFRP）和GFRP 錨桿在錨固支護方面的應用，應用GFRP 筋進行了土木工程的支護、錨固等實際工程，結果表明該類材料能發揮有效的支護作用，應用效果良好，但大規模應用技術和研究水平都相對滯后［1，8－9］。GFRP 筋由玻璃纖維與各種高分子聚合而成，目前主要基于經濟性能和耐久性能等因素考慮，選用不同的高分子基體材料，但隨著聚合物基體的改變，筋體性能具有明顯差異性，需掌握其規律性［2－4］。從細觀力學和宏觀力學不同角度分析其力學性能，出發點和手段完全不同。作為滿足工程應用要求的力學性能，更多是基于宏觀力學考察復合材料的受力特性，通過常規的力學測試工具和方法可獲得相關的數據。GFRP筋的力學性能中的拉伸強度規律和破壞模式是其最基本的性能，也是其推廣應用的最關鍵問題之一，本文通過對不同尺寸和纖維含量GFRP筋進行一次性拉伸和循環拉伸試驗，研究筋體在受力中表現特征、應力應變關系和破壞形態，得到GFRP筋拉伸力學性能與破壞特征。

1 實驗部分

1.1 主要原料

聚乙烯基體GFRP筋，直徑分別為28、25、22、20、16、12mm，深圳海川材料有限公司。

1.2 主要設備及儀器

微機控制電液伺服萬能試驗機，WAW－1000，濟南試金集團有限公司；

裂縫寬度觀測儀，ZBL－F101，北京智博聯科技有限公司；

程控靜態電阻應變儀，BZ2205C，秦皇島市北戴河蘭德科技有限公司。

1.3 樣品制備

試驗GFRP筋體試驗長度40cm，2段夾持長度分別為10cm，結構表面呈現螺紋狀；GFRP 筋體1／2及靠近套筒的1／4處粘貼橫向和縱向應變片制樣。

1.4 性能測試與結構表征

按照GB／T 13096—2008進行試驗，萬能試驗機拉伸速率為2 mm／min，對各類筋體進行了應力應變測試，測定筋體的模量以及在拉伸中的宏觀表現特征，對1／2、1／4等處粘貼拉伸方向（縱向）和垂直拉伸方向（橫向）應變片，得到GFRP 筋在縱向和橫向的的應力應變值。

2 結果與討論

2.1 筋體拉伸形態

在不同直徑的筋體中，玻璃纖維的體積含量有變化，變化幅度介于63%～72%之間，玻璃纖維體積含量隨著直徑變大，逐漸減小（表1）。

對直徑28 mm 的聚乙烯基GFRP 筋體進行拉伸試驗，當拉伸荷載180kN 時發出劈裂響聲，在套筒附近1／4處開始出現縱向裂縫，寬度約為0.10mm，并伴隨聲響，如圖1紅色標記處。發生裂縫的位置隨著拉力的增加而逐漸明顯，在250kN 時卸載，此時裂縫會隨著荷載的減少而逐漸閉合，卸載至180kN 后再重新加載，至256kN 時再次發出劈裂響聲，在筋體上端1／4范圍內再次出現縱向裂縫，寬度約為0.12mm，并伴隨聲響，如圖2所示。

表1 GFRP筋系列直徑的組分含量Tab.1 Component content of GFRP bars with different diameters

圖1 下端套筒附近筋體表面裂縫現象Fig.1 Position，width and shape of bars'surface cracks

圖2 上端套筒附近筋體表面裂縫現象Fig.2 Position，width and shape of bars'surface cracks

圖3 加載中的裂縫擴展形態Fig.3 Crack propagation modes in loading

圖4 直徑28mm 的GFRP筋體的破壞形態Fig.4 Failure modes of GFRP bars with a diameter of 28mm

隨著荷載的增加，劈裂聲響頻率加快，出現混雜交織聲響，加載至280kN 時，筋體表面裂縫出現明顯均布的上下貫通，筋體外表面一定厚度材料與筋體內部剝離（圖3）。當拉力增大到352kN 時，外表薄層與筋體分離，材料破壞，破壞強度572 MPa。縱向裂縫均布于桿件四周，在靠近套筒端部有橫向斷裂，如圖4中藍色標記部位，斷裂的裂縫以呈縱向豎直居多。在破壞后繼續加載，274kN 全部斷裂。若不反復拉伸，則一次性拉伸破壞的強度（本文定義為直接破壞強度）較反復加載后破壞的強度（本文定義為循環破壞強度）值大，后者約為前者的95%左右，而在加載中出現的破壞形態類似。

根據GFRP筋體的含量不同，便于進行受力特征對比，選取纖維含量有一定差異的直徑20 mm 的GFRP筋。初次加載至153.5kN 時有響聲，出現裂紋，繼續加載至159kN 時，桿體兩端出現可觀察裂紋，至167.5kN 時1／4處開始有裂紋出現，至175kN 時，桿體1／2處有裂紋出現，此時測得裂紋寬度為0.3mm（圖5），至193kN 時，響聲頻率加大，桿體中間出現一條貫穿的縱向裂縫，加載至195.5kN 時，出現外層與內層之間的剝離，GFRP 筋產生破壞，破壞強度約622.6 MPa，如圖6所示。

圖5 GFRP筋體1／2處裂紋Fig.5 Crack on the middle of GFRP bars

圖6 直徑20mm 的GFRP筋體的破壞形態Fig.6 Failure modes of GFRP bars with a diameter of 20mm

對其他直徑系列GFRP 筋進行試驗，均會產生開裂聲響，并出現裂縫，出現規律與上述描述類似，不同直徑產生此類現象的時點不同，剝離片尺寸大小不均勻，最大值20.6 mm，最小值5.7 mm，厚度最大值5.2mm，最 小 值1.8 mm，整 個 裂 縫 寬 度 為0.1～0.4mm，其他試驗結果如表2所示，對GFRP 筋體強度和纖維含量進行對比，計算單位纖維體積比（表1）條件下的筋體強度值，得到纖維復合材料中纖維含量的作用效率值。

2.2 拉伸應力應變關系

以直徑28mm、25mm 筋體為代表進行數據處理和分析。得到直徑28mm、25mm 的GFRP筋一次拉伸時1／2和1／4處縱、橫向應力應變關系曲線，如圖7所示，通過循環拉伸筋體，循環荷載通過加載－卸載－加載的方式進行，得到試驗結果如圖8、圖9所示。其中，循環1表示拉伸加載從破壞荷載的零至30%；循環2表示拉伸加載從破壞荷載的10%至50%；循環3表示拉伸加載從破壞荷載的30%至80%；破壞表示拉伸加載從破壞荷載的10%至破壞。

表2 GFRP筋系列直徑加載與對應特征Tab.2 Load and corresponding characteristics of GFRP bars with different diameters

2.3 GFRP筋力學性能分析

從圖7中可以看出，2種直徑筋體的應力應變曲線曲線基本一致，在筋體1／4處的應變要略大于1／2處，1／4應力要先于1／2達到極限，這和裂紋開展和破壞規律是吻合的；考慮材料在受力中再加載方式，采用了加載－不完全卸載－加載和加載－完全卸載－加載的方式進行了比較試驗，在圖8中可以發現直徑25mm 在加載至p30%后（加載達到的強度用pi表示，其中，i表示加載達到的強度與破壞強度的比值百分數，如p30%表示加載強度達到破壞強度的30%，下同）卸載，再加載時應力應變曲線下移，表明出現了殘余應變；在p30%～p80%的范圍內加、卸載，筋體的應力應變曲線重合，曲線斜率基本相同，曲線也非常平順，表明此階段沒有殘余應變，筋體材料的彈性模量相對較穩定；從破壞曲線（p10%～p）下移了一定距離表明殘余應變仍然存在，曲線斜率較之前要陡，超過前期加載荷載之后，曲線與之前的變化規律趨向相同；橫向應變在各種加載方式下基本相同；而圖9反映直徑28mm 加載－不完全卸載－加載的應力應變曲線不同于直徑25mm的加載曲線，在初期的加載中，材料沒有明顯的殘余應變，在超過p50%后加載再卸載，應力應變曲線出現下移，產生殘余變形，在p50%以上筋體的曲線變陡，到達前期最大荷載之后，曲線變化規律趨向前期規律；而橫向應變曲線在p50%后也出現下移，表明在后期有明顯的殘余應變。通過一次拉伸試驗數據計算，得到平均縱向彈性模量約為40～45GPa，泊松比約為0.28～0.30。循環拉伸中的模量和泊松比變化不大，在破壞時的拉伸曲線上，泊松比約為0.21，誤差主要來自殘余應變的影響，因此泊松比可視具體工程實際取0.21～0.30。

圖7 GFRP筋一次拉伸試驗應力－應變曲線Fig.7 Stress－strain curve of GFRP bars in one－time tensile test

圖8 直徑25mm GFRP筋的循環拉伸試驗應力－應變曲線Fig.8 Stress－strain curve of the GFRP bar with a diameter of 25mm in cyclic tensile test

圖9 直徑28mm GFRP筋的循環拉伸試驗應力－應變曲線Fig.9 Stress－strain curve of the GFRP bar with a diameter of 28mm in cyclic tensile test

2.4 GFRP筋破壞分析

GFRP 筋在拉伸破壞試驗受力中呈現不同的狀態，在P50%以前，材料不出現表面裂紋，沒有材料分離現象，承載力由整個筋材發揮作用，界面發揮較好的作用，隨著荷載增加，在超過P50%以后材料開始陸續出現分離現象，界面出現破壞，分離首先從筋體的端部開始，且較均勻出現在筋體四周，隨后逐漸向中間延展，這種延展和荷載有關系，在卸載過程中或者荷載保持不變的情況下，裂紋不產生擴展，卸載后裂紋閉合，在繼續加載超過裂紋產生的荷載強度后，裂紋繼續擴展，這時局部的纖維和基體已經脫離，界面性能消失，此時筋體承載力性能改變并不大。在GFRP筋中，纖維沿著筋體縱向布置，因此在拉伸中纖維方向具有一致性，和拉應力方向相同，橫斷面出現較大的拉應力，由于筋體縱向纖維的阻礙作用，當纖維與基體在拉應力作用下脫離之后不再橫向擴展，而是向縱向發展，這大大提高了筋體的斷面強度。另一方面，從筋體的拉伸應力應變圖8、圖9可知，橫向應變為負值，即在拉伸中筋體呈現收縮，隨著拉應力增大橫向應變增大，由于材料仍然處于彈性階段，所以橫向應力亦增大，這將阻礙裂紋的橫向擴展，進一步提高了筋體的強度和剛度。

2.5 GFRP筋結構優化

拉伸強度的大小與直徑和纖維組成存在關系。根據所測數據，直徑12mm 的纖維含量最高，隨著纖維含量的增加破壞強度并沒有明顯增加，但初裂強度增加明顯。各種直徑的筋體破壞現象一致，在到達破壞荷載后材料仍然有較大的強度，但沒有明顯的流塑階段，產生的破壞性質介于脆性和塑性之間。在破壞階段筋體表面出現剝離現象，剝離層產生橫向斷裂，位置居于端部一定距離。從破壞分析表明，并不是纖維含量越高材料的性能就越好，單位纖維體積比條件下直徑20mm和25mm 的強度最高，比值達到了9.5，從一定意義上表明在這2種直徑范圍的筋體利用效率最高，是較為優化的筋體尺寸類型。

3 結論

（1）GFRP 筋一次性受力和循環受力產生不同的受力特征，達到一定的應力條件時筋體開始出現裂紋，當應力消失時裂紋閉合，筋體整個的受力過程均伴隨纖維與基體的脫離現象，裂紋在破壞前縱向發展，裂紋寬度有一定界限，在達到破壞荷載時裂紋呈現橫向參差不齊的斷裂；

（2）受力方式對材料的彈性模量性能影響不大，但對泊松比有一定影響；GFRP 筋在受力后縱向存在殘余變形，不同直徑的筋體產生殘余變形的強度大小不同，直徑25 mm 的樣品在P0%～P30%時出現殘余變形，而直徑28 mm 的樣品在超過P50%后產生殘余變形；

（3）不同纖維含量的GFRP 筋會有不同的破壞荷載以及破壞形態，初裂荷載隨纖維含量增加而增加，破壞強度與纖維含量沒有明顯的單調關系，筋體的破壞性質介于脆性破壞和塑性破壞之間，在破壞后有一定的殘余強度，但沒有很明顯的流塑階段；

（4）從材料組成與拉伸力學性能之間的關系優化分析，直徑20mm 和25mm 筋體利用效率最高，是較為優化的體尺寸類型。

［1］ 黃生文，邱賢輝，何唯平，等.FRP 土釘主要性能的試驗研究［J］.土木工程學報，2007，40（8）.74－78.Huang Shengwen，QiuXianhui，He Weiping，et al.An Experimental Study on the Performance of FRP Soil Nails［J］.China Civil Engineering Journal，2007，40（8）：74－78.

［2］ Javier Walvar L.Tensile and Bond Properties of GFRP Reinforcing Bars［J］.ACI，Materials Journal，1995.92（3）：276－285.

［3］ S Kocaoza，V A Samaranayakeb，A Nanni.Tensile Characterization of Glass FRP Bars［J］.Composites：Part B，2005（36）：127－134.

［4］ Y M Cheng，Yong－ki Choi.New Soil Nail Material－Pilot Study of Grouted GFRP Pipe Nails in Korea and Hong Kong［J］.ASCE，2009，21：93－102.

［5］ Jo?o R Correia，Nuno M Almeida，Jo?o R Figueira.Recycling of FRP Composites：Reusing Fine GFRP Waste in Concrete Mixtures［J］.Journal of Cleaner Production，2011，19（15）：1745－1753.

［6］ Colotti，Vincenzo，Swamy R.Narayan.A Direct Holistic Design Approach for Reinforced Concrete Beams Strengthened with FRP［J］.Indian Concrete Journal，2011，85（5）：9－22.

［7］ 張 梅，劉保縣，萬街華，等.新型材料CFRP 在錨桿中的應用［J］.四川建筑，2011，（6）：78－80.Zhang Mei，Liu Baoxian，Wan Jiehua，et al.Application of the New Material CFRP in Anchor Bolt［J］.Sichuan Building Materials，2011，（6）：78－80.

［8］ 王曉璐，查曉雄.高溫下GFRP 筋力學性能的試驗研究［J］.華南理工大學學報：自然科學版，2011，（9）：75－80.Wang Xiaolu，Zha Xiaoxiong.Experimental Investigation into Mechanical Behavior of GFRP Rebars at Elevated Temperature［J］.Journal of Soutn China University of Technology：Natural Science Edition，2011，（9）：75－80.

［9］ 黃志懷，李國維，王思敬，等.粵贛高速公路K35高邊坡加固 效 果 監 測 與 評 價［J］.巖 土 力 學，2008，29（10）：2783－2788.Huang Zhihuai，Li Guowei，Wang Sijing，et al.Monitoring and Evaluation High Slope K35of Yue－Gan Expressway［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29（10）：2783－2788.

［10］ 彭衡和，邱賢輝.GFRP錨桿加固高速公路紅砂巖邊坡的工程實例分析［J］.公路工程，2008，（4）：114－117.Peng Henghe，Qiu Xianhui.Case Study on GFRP Bolts Reinforcing Red－sand Stone Slope in Expressway［J］.Highway Engineering，2008，（4）：114－117.

［11］ 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.Li Guowei，Liu Chaoquan，Huang Zhihuai，et al.In－Situ Test of Glass Fiber Reinforced Polymer Anchor on Highway Slope Reinforcement［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，（9）：4057－4061.