溫度對纖維增強塑料筋力學性能的影響

萬朝陽， 陳國新， 王 康， 陳 磊

(新疆農業大學 水利與土木工程學院， 烏魯木齊 830052)

溫度對纖維增強塑料筋力學性能的影響

萬朝陽， 陳國新， 王 康， 陳 磊

(新疆農業大學 水利與土木工程學院， 烏魯木齊 830052)

將直徑φ8的玄武巖纖維增強塑料(BFRP)和玻璃纖維增強塑料(GFRP)筋恒溫30 min再冷卻至室溫，用鋼套管固定BFRP和GFRP筋端頭并對其進行拉伸力學性能試驗。研究BFRP和GFRP筋受拉本構關系、拉伸彈性模量、極限抗拉強度、極限拉應變等力學性能，并擬合溫度在20～120℃時BFRP和GFRP筋拉伸力學性能隨溫度作用后的變化規律。結果表明：隨荷載增加到極限荷載65%～80%，BFRP和GFRP筋均發出清脆的聲音，其表面纖維絲斷裂而導致脆性破壞；隨溫度增加，BFRP和GFRP筋受拉本構關系呈線性變化；120℃與20℃相比，極限抗拉強度分別降低9.8%和10.6%；BFRP筋極限拉應變減少20.4%，而GFRP筋出現先減后稍增趨勢；BFRP筋拉伸彈性模量提高5.4%和13.9%，而GFRP筋呈先增后減現象。

纖維增強塑料筋； 玄武巖纖維增強塑料筋； 玻璃纖維增強塑料筋； 溫度； 拉伸試驗； 力學性能

0 引 言

鋼筋混凝土是土木建筑行業中使用很普遍的一種組合材料，然而鋼筋的銹蝕嚴重制約著建筑物的安全性和耐久性，縮短建筑物的全壽命周期。纖維增強塑料筋由纖維和基體樹脂并摻入適量的輔助劑經過高溫拉擠工藝和特殊表面處理所形成的一種新型復合材料。纖維增強塑料筋不僅導熱系數低[1]、耐腐蝕性強[2]、抗拉強度高[3-4]，而且熱膨脹系數與混凝土((8～12)×10-6/℃)相近等優點[5-7]，因此，纖維增強塑料筋在土木建筑行業中具有很大的應用前景。

實際工程中，玄武巖纖維增強塑料筋(BFRP)和玻璃纖維增強塑料筋(GFRP)所處的工作環境可能經歷過高溫后再回到常溫這一現象，高溫使BFRP和GFRP筋的樹脂基體發生軟化，進而對BFRP和GFRP筋的力學性能產生影響。基于BFRP和GFRP筋所處工作環境溫度變化對其力學性能影響的考慮，本試驗以BFRP和GFRP筋為研究對象，將其放置在20、40、60、80、100、120 ℃的溫度控制箱內恒溫30 min，冷卻到室溫后對BFRP和GFRP筋的拉伸力學性能進行試驗，得到BFRP、GFRP筋的本構關系、極限抗拉強度、拉伸彈性模量以及極限應變隨不同溫度作用后的變化規律，從而為FRP混凝土結構在不同溫度作用后的力學性能研究提供一定理論依據[8]。

1 試驗方案

1.1 試驗原材料

試驗采用φ8的BFRP、GFRP筋由海寧安捷復合材料有限責任公司生產；高強灌漿料(CGMJM-VI)由北京思達建茂科技發展有限公司生產，水灰比14%～18%；無縫冷軋鋼管的規格取決于纖維增強塑料筋直徑的大小，試驗采用外徑19 mm、壁厚2.0 mm、長150 mm的鋼套管。

1.2 試件制備

由于樹脂基的纖維增強塑料筋端頭抗壓強度小，萬能材料試驗機夾頭與纖維增強塑料筋直接接觸導致夾持端頭處纖維增強塑料筋發生破壞而中間區段無明顯變化現象。本試驗采用長620 mm纖維增強塑料筋并在試件兩端頭150 mm處套鋼管，鋼管端頭處用透明膠帶黏貼，鋼管內用高強灌漿料進行填充錨固[9-10]，高強灌漿料初凝后，將試件標養3 d。試件凈長為320 mm，滿足ACI 440.1 R-06中關于拉伸試件凈長L0≥40d的規定[11]。試件實物圖如圖1所示。

1.3 試驗儀器設備

加載設備采用100 kN的電子萬能材料試驗機；溫度控制箱為101型電熱鼓風干燥箱，溫度可根據試驗需要進行手動調節；位移引伸計采用YYU-50/100，并將其放置在纖維增強塑料筋中間位置100 mm處測量纖維增強塑料筋隨溫度作用后的縱向伸長量。

圖1 試件標養圖

1.4 試驗步驟

將制作好的BFRP和GFRP筋標養3 d達到強度后，依次放置在101型電熱鼓風干燥箱內；調制箱內的溫度分別到20、40、60、80、100、120 ℃；恒溫30 min并冷卻至室溫后，采用速率為0.2 kN/s的荷載加載方式對BFRP和GFRP筋進行拉伸力學性能試驗；數據采集儀記錄試件破壞荷載、極限抗拉強度等主要力學指標以及荷載-位移曲線等圖形。

2 試驗結果與分析

2.1 纖維增強塑料筋恒溫后的破壞形態

恒溫后，纖維增強塑料筋的破壞形態相同點分為2種：① 纖維增強塑料筋表面的纖維絲首先發生部分斷裂，接著基體材料樹脂與纖維絲發生剝離，最后纖維增強塑料筋斷裂破壞；② 纖維增強塑料筋未居中鋼套管中心，拉力使纖維增強塑料筋在鋼套管錨口處發生偏拉破壞。纖維增強塑料的破壞形態不同之處：BFRP筋易在鋼套管錨口處發生第一種破壞形態，而GFRP筋第一種破壞形態卻大多在試件中心處。GFRP筋與BFRP筋的典型破壞形態，如圖2、3所示。

圖2 GFRP筋破壞形態 圖3 BFRP筋破壞形態

加載初期，纖維增強塑料筋表面纖維絲部分斷裂并伴隨清脆響聲；隨著載荷增加到極限荷載的65%～80%，纖維增強塑料筋表面出現裂紋且清脆聲逐漸變密；達到極限載荷時，纖維增強塑料筋突然斷裂并發出較大的響聲。BFRP和GFRP筋在20、40、60、80、100、120 ℃溫度作用后，從加載到脆性破壞階段，開始受載時試件樹脂基體受力；接著基體材料樹脂出現破壞；然后樹脂和纖維絲剝離；最終纖維絲大部分被拉斷，呈脆性斷裂[12]。

2.2 纖維增強塑料筋恒溫后的應力-應變曲線

纖維增強塑料筋在5種溫度下恒溫30 min冷卻至室溫后，根據其在電子萬能材料試驗機上的試驗結果繪制應力(σ)-應變(ε)關系曲線，如圖4、5所示。

圖4 BFRP 筋( σ) -( ε)關系曲線圖

圖5 GFRP 筋( σ) -( ε)關系曲線

從圖4、5可以看出，BFRP與GFRP筋從開始加載到破壞，其(σ)-(ε)曲線呈線性增長趨勢，沒有明顯的屈服階段，呈脆性破壞。纖維增強塑料筋中纖維的彈性模量大于樹脂，加載初期主要由樹脂受力，樹脂破壞后，主要由纖維絲承受拉力，達到極限荷載時纖維絲發生斷裂。由于玻璃纖維彈性模量略大于玄武巖纖維，圖5中GFRP筋曲線斜率略高于圖4中BFRP筋曲線斜率。玄武巖纖維絲抗拉強度大于玻璃纖維絲，BFRP筋破壞時殘余的玄武巖纖維絲被拉斷，以致破壞后的BFRP筋(σ)-(ε)曲線出現略微的上升再下降階段，而GFRP筋破壞后呈直線下降。

2.3 纖維增強塑料筋恒溫后的拉伸試驗結果

纖維增強塑料筋在5種不同溫度作用后的拉伸力學性能試驗結果如表1所示。

表1 不同溫度作用后纖維增強塑料筋力學性能指標

從表1試驗結果可知：隨著溫度增加，BFRP與GFRP筋的極限承載力、極限抗拉強度以及極限應變呈降低趨勢；BFRP筋彈性模量逐漸增大，而GFRP筋呈先增后減現象。在20～100 ℃范圍內，BFRP與GFRP筋極限承載力、極限抗拉強度以及極限應變受溫度影響較小；100～120 ℃范圍內，BFRP與GFRP筋受溫度的影響稍大，其中BFRP、GFRP筋極限拉伸強度和常溫相比分別降低了9.8%和10.6%。這是由于纖維增強塑料筋的基體樹脂在此溫度范圍內開始出現軟件現象，降低了基體樹脂對纖維絲的黏接性能，因此纖維增強塑料筋的力學性能指標降低。

2.4 纖維增強塑料筋恒溫后的拉伸彈性模量

EBL=-0.001 5T2+0.262 4T+47.239

(1)

EGL=0.027 2T+47.734

(2)

式中：EL為拉伸彈性模量；F1為50%的極限荷載；F2為20%的極限荷載；ε1為50%極限荷載對應的應變；ε2為20%極限荷載對應的應變；A為纖維增強塑料筋截面面積；T為溫度。擬合曲線如圖6所示。

圖6 拉伸彈性模量與溫度關系曲線

從圖6中可以看出：纖維增強塑料筋在恒溫后，BFRP筋拉伸彈性模量呈遞增趨勢，增幅為5.4%；GFRP筋卻出現先增后減現象，變化幅度13.9%，受溫度影響較BFRP筋大。20～100 ℃范圍內，GFRP筋拉伸彈性模量呈遞增趨向；100～120 ℃范圍內其呈遞減現象。文獻[13-14]中表明，玻璃纖維絲是影響GFRP筋拉伸彈性模量隨溫度呈先增后減現象的主要因素，當試驗溫度比GFRP筋中黏接基體樹脂的玻璃纖維軟化臨界值低時，恒溫一定時間，其彈性模量有一定幅度的升高；當試驗溫度較黏接樹脂的玻璃纖維軟化臨界值高時，其彈性模量出現一定范圍的下降現象[15-16].

2.5 纖維增強塑料筋恒溫后的極限抗拉強度

對表1中纖維增強塑料筋在恒溫后的極限抗拉強度數值進行回歸分析，得出恒溫不同溫度后纖維增強塑料筋極限抗拉強度ftu的擬合公式：

fBtu=-0.003 5T2-0.429 3T+904.38

(3)

fGtu=-0.004 3T2-0.262 2T+840.64

(4)

從BFRP、GFRP筋曲線擬合公式可以看出：隨著溫度的增加，極限抗拉強度ftu均出現遞減現象，且fBtu大于fGtu。恒溫不同溫度后，BFRP、GFRP筋極限抗拉強度影響擬合曲線如圖7所示。

圖7 極限抗拉強度與溫度關系曲線

根據圖7極限抗拉強度隨溫度的規律可得：100℃之前，BFRP與GFRP筋的彈性模量受溫度影響較小；100～120 ℃，BFRP與GFRP筋受溫度影響稍大，其中BFRP、CFRP筋極限抗拉強度和常溫相比降低9.8%和10.6%。恒溫不同溫度后，BFRP筋極限抗拉強度較GFRP筋高，且BFRP筋降低速率低于GFRP筋。

2.6 纖維增強塑料筋恒溫后的極限拉應變

由極限拉應變公式εtu=Fu/(ELA)得表1中極限拉應變數值，并對恒溫后極限拉應變與溫度的關系進行回歸分析，得出恒溫后纖維增強塑料筋極限拉應變εtu的擬合公式:

εBtu=-0.000 006T2-0.002T+1.893 6

(5)

εGtu=0.000 03T2-0.007 2T+1.730 5

(6)

式中εtu為纖維增強塑料筋極限拉應變；Fu為纖維增強塑料筋極限荷載。

隨溫度的增加，BFRP與GFRP筋的極限拉應變與溫度擬合關系曲線如圖8所示。由圖8可見：恒溫不同溫度后，BFRP與GFRP筋的極限拉應變變化幅度為1.3%～2.0%，且極限拉應變εtu降幅分別為20.4%和21.5%。由于拉伸彈性模量與極限拉應變之間成反比關系，BFRP筋彈性模量隨溫度的升高而變大；而GFRP筋卻出現先增后稍減的趨勢。因此，BFRP筋的極限拉應變曲線圖呈遞減規律，GFRP筋曲線呈現先減后稍增的現象。

圖8 極限拉應變與溫度關系曲線

3 結 論

在20、40、60、80、100、120 ℃ 5種不同溫度作用后，通過對BFRP與GFRP筋應力-應變曲線、彈性模量、極限抗拉強度以及極限抗拉應變的對比研究，結論如下：

(1) BFRP與GFRP筋在破壞之前的應力與應變曲線均呈線性趨勢增長，沒有明顯的屈服階段，均為脆性材料。

(2) 隨溫度增加，BFRP筋彈性模量EL呈遞增趨勢；GFRP筋在20～100 ℃彈性模量出現增加的趨勢，100～120 ℃呈遞減變化規律。BFRP和GFRP筋拉伸彈性模量分別降低5.4%和13.9%，且GFRP筋彈性模量受溫度影響較BFRP筋稍大。

(3) BFRP與GFRP筋極限抗拉強度ftu均隨溫度的增加呈遞減趨勢，極限抗拉強度和常溫相比分別降低9.8%和10.6%。

(4) 在20～100 ℃范圍內，BFRP和GFRP筋極限抗拉應變εtu均呈遞減趨勢；100～120 ℃范圍內，BFRP筋遞減而GFRP筋呈稍增現象，兩者降幅分別為20.4%和21.5%。

(5) 在100～120 ℃溫度范圍內，GFRP筋比BFRP筋對溫度較敏感。

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Effect of Temperature on Mechanical Properties of Fiber Reinforced Plastic Bar

WANChaoyang，CHENGuoxin，WANGKang，CHENLei

(School of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

Maintained at different temperatures, the sensitivity of fiber reinforced plastic (FRP) bar’s tensile mechanical properties to temperature was studied. BFRP (φ8) and GFRP (φ8) were retained at constant temperature for thirty minutes and then cooled to room temperature, and fixed by steel casing to test their tensile mechanical property. Mechanical properties of BFRP and GFRP bar’s including tensile constitutive relation, tensile elastic modulus, ultimate tensile strength and ultimate tensile strain were tested, and the variation of BFRP and GFRP bar’s tensile mechanical properties to temperature (20-120℃) was fitted. The results showed that when the load of BFRP and GFRP bar was increased to 65%-80% of ultimate load, there was crisp sound, and surface filament broke, leading to brittle failure. With the increase of temperature, BFRP and GFRP bar’s tensile constitutive relationship varied linearly. Compared 120℃with 20℃, ultimate tensile strength decreased by 9.8% and 10.6% respectively; BFRP bar’s ultimate tensile strain decreased 20.4%, while that of GFRP bars increased slightly after the first decrease trend; BFRP bar’s tensile elastic modulus increased by 5.4% and 13.9%, while that of GFPR bar increased firstly and then decreased.

fiber reinforced plastic bar； basalt fiber reinforced plastic(BFRP)； glass fiber reinforced plastic(GFRP)； temperature； tensile test； mechanical properties

2016-05-14

國家“十二五”科技支撐計劃課題(2013BAJ12B05)；新疆維吾爾自治區優秀青年科技創新人才培養項目(2014721012)； 烏魯木齊市建委建設科技項目資助(2015020)

萬朝陽(1991-)，男，湖北仙桃人，碩士生，從事復合材料研究。

Tel.：15199171536； E-mail：m15199171536@163.com

陳國新(1978-)，男，新疆巴州人，副教授，碩士生導師，從事新型建筑結構體系以及復合材料方面的研究。

Tel.：15199062296； E-mail：xjbnchgx@163.com

TB 332； TU 599

A

1006-7167(2017)02-0030-04