BFRP和GFRP筋剪切性能的溫度效應

蔡啟明，陸春華，*，延永東，張菊連

（1.江蘇大學土木工程與力學學院，江蘇 鎮江 212013；2.上海宏信建筑科技有限公司，上海 201800）

纖維增強復合材料（FRP）在工程應用中經常會面臨高溫環境作用［1］，而高溫后FRP筋的性能退化會給結構的后續服役埋下安全隱患，甚至引發結構破壞［2-3］.為此，國內外學者對此開展了一定的研究.但相關研究［3-6］多以FRP筋拉伸性能為分析對象，關于其高溫剪切性能的研究相對較少.FRP筋作為一種各項異性材料，一方面其橫向性能遠遠弱于縱向性能，故剪切性能往往決定其使用壽命［7］；另一方面剪切性能作為材料的基本力學性能，可揭示高溫下纖維與樹脂間的工作機理，從而可對FRP筋進行較全面的性能評價［8-9］.因此，有必要進一步對FRP筋剪切性能的溫度效應展開研究.

目前，對FRP筋剪切性能的相關研究［9-12］均采用“先環境作用后加載測試”的方法.該方法雖然不能完全反映高溫下FRP筋剪切性能的退化規律，但考慮到試驗的易操作性，同時也能為高溫后FRP筋剪切性能的損傷評估提供有效參考.基于上述試驗方法，本文以筋材直徑d、溫度T以及恒溫時長為參數，研究了高溫后玄武巖纖維增強復合材料（BFRP）筋和玻璃纖維增強復合材料（GFRP）筋剪切性能的退化特性，并利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測了其微觀結構，分析試件高溫后剪切性能的損傷機理，最后提出了BFRP、GFRP筋隨溫度變化的剪切強度預測計算模型，以期為FRP混凝土結構的抗火設計提供一定的理論依據.

1 試驗

1.1 原材料

選取直徑為12、16 mm的BFRP、GFRP筋，分別記為B12、B16、G12、G16，其基體均為雙酚A型環氧樹脂，纖維體積分數φ均為64%，其力學性能見表1.采用差示掃描量熱法（DSC）測試了2類筋材的玻璃化轉變溫度Tg，由于采用相同的基體材料，兩者的Tg相差不大，其均值為111.3℃.

表1 BFRP、GFRP筋的力學性能Table 1 Mechanical properties of BFRP and GFRP bars

1.2 試驗方法

1.2.1 高溫試驗

取T=20、70、120、170、220、270、350、420、500℃，共9種工況，在某爐業公司生產的高溫試驗箱內進行高溫試驗，達到設定溫度后恒溫處理0.5 h.由于BFRP、GFRP筋的基體熱分解溫度Td一般在300℃左右［4-5］，故其使用溫度建議不超過300℃［3］.因此，為滿足工程應用要求，同時又能觀測到明顯的試驗效果，進而有效地評價FRP筋的高溫剪切性能，對270℃的高溫試驗，增設恒溫時長1.0、3.0、6.0 h，用 于 考 察 恒 溫 時 長 對BFRP、GFRP筋剪切性能的影響.

1.2.2 短梁剪切試驗

用UTM 5305型電子萬能試驗機進行短梁剪切試驗.為避免剪切試驗中的彎曲效應，移動設備底部支座，調節其跨徑比為5，加載頭作用于試件的跨中位置.短梁剪切試驗示意圖見圖1.每組工況3個試件，結果取平均值.

圖1 短梁剪切試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of short-beam shear test

1.2.3 SEM分析

用S-3400N型掃描電子顯微鏡評估經20、120、350℃溫度作用后BFRP、GFRP筋的微觀結構及完整性，分析FRP筋性能退化的“短板效應”.

2 結果與分析

2.1 試件外觀與破壞形態

BFRP、GFRP筋的高溫試驗中，筋材外觀與溫度息息相關，不同溫度下試件的表觀變化見圖2.由圖2可見：室溫條件下，GFRP筋呈淺黃色，BFRP筋呈亮黑色；當溫度升至350℃時，樹脂基體發生碳化反應，試件全身呈炭黑色，其橫截面均呈龜裂狀；當溫度上升至500℃時，樹脂基體基本熱解消失，2類試件的纖維絲呈松散狀.

圖2 不同溫度下試件的表觀變化Fig.2 Apparent changes of specimens under different temperatures

剪切試驗中，經不同溫度作用后的BFRP、GFRP筋的受力變形過程基本相同：室溫條件下，伴隨著加載的進行，樹脂剝落和纖維絲斷裂的“噼啪”聲逐漸增大和密集，最終試件形成水平剪切破壞；350℃高溫后，纖維絲斷裂的聲音減少，但最終破壞模式與室溫下相同.G16筋在20、350℃下的剪切破壞形態見圖3.由圖3可見，20、350℃下，G16筋均從端口斷面形成水平裂縫后逐步導致試件破壞，由此可見，溫度的變化并沒有改變筋材的剪切破壞模式，該結論與文獻［10-12］相同.

圖3 G16筋在20、350℃下的剪切破壞形態Fig.3 Shear failure modes of G16 bar at 20 and 350℃

2.2 剪切載荷-位移曲線

不同溫度下B16和G16筋的剪切載荷-位移曲線見圖4.由圖4可見：B16和G16筋的剪切載荷-位移曲線整體變化趨勢基本類似，均在加載前期呈線性變化，中期出現彎曲現象，直至加載到峰值，出現剪切破壞；隨著溫度的升高，初始線性段斜率減小，這是因為高溫作用使筋材的剛度下降，即使在較小力的作用下，其也會產生較大的位移；根據剪切載荷-位移曲線涵蓋的面積可知，2類FRP筋的剪切韌性隨著溫度的升高逐漸降低；350℃達到了樹脂基體的熱分解溫度Td，此時B16和G16筋的剪切性能均有較大幅度的退化，且G16筋的退化程度更嚴重.

圖4 不同溫度下B16和G16筋的剪切載荷-位移曲線Fig.4 Shear load-displacement curves of B16 and G16 bars under different temperatures

2.3 剪切強度

根 據ASTM D4475-02（2016）《Standard test method for apparent horizontal shear strength of pultruded reinforced plastic rods by the short-beam method》，FRP筋的剪切強度τ為：

式中：P為試件破壞時的最大荷載，N.

不同溫度下BFRP和GFRP筋的剪切強度及其退化率η見表2.由表2可見：隨著溫度的升高，小直徑FRP筋的剪切強度退化速率略快，尤其是BFRP筋，這是因為試件的高溫受損過程為由表及里，而直徑與界面降解率成反比.在Mouritz［13］的研究中也表明FRP材料受溫度作用會逐漸分化為焦炭層和完整層，而焦炭層在直徑小的筋材內占比更高，同時降解界面占比越高，剪切性能的衰減就更加明顯.

由表2還可見，相同溫度作用后，G16的剪切強度退化率除170、270℃外均高于B16.這一方面應是玄武巖纖維的導熱系數小，具有屏蔽熱輻射的特性［14］，故受溫度作用時，玄武巖纖維可以更好地保護試件內部樹脂；另一方面，玄武巖纖維中存在著Fe2O3和FeO化合物，而玻璃纖維中所沒有Fe元素，這使得玄武巖纖維的熱穩定性略優于玻璃纖維［15-16］.

表2 不同溫度下BFRP和GFRP筋的剪切強度及其退化率Table 2 Shearing strength and its degradation rate of BFRP and GFRP bars after different temperatures treatment

根據溫度將FRP筋的剪切強度退化過程初步分為3個階段：（1）當溫度低于120℃時，樹脂基體呈玻璃態，筋材的剪切性能穩定，B16的剪切強度相較于室溫僅退化了2.01%，G16的退化幅度為6.56%；（2）當溫度為120～270℃時，由于超過樹脂基體的玻璃化轉變溫度（Tg＝111.3℃），聚合物由玻璃態向黏彈態轉變，BFRP和GFRP筋剪切強度的降低幅度增大；（3）當溫度高于270℃時，筋材表面的樹脂發生氧化分解反應，內部樹脂處于缺氧狀態而發生碳化反應，從而使纖維/樹脂界面剝離［17］，BFRP和GFRP筋的剪切強度均急劇減小.

2.4 恒溫時長對剪切性能的影響

270℃、不同恒溫時間下BFRP和GFRP筋剪切強度保留率γT見圖5.由圖5可見：BFRP和GFRP筋的剪切強度保留率均隨恒溫時間的延長逐漸降低，且BFRP筋降低的幅度明顯小于GFRP筋；相同恒溫時間下，BFRP筋的剪切強度保留率均高于GFRP筋.由此可見，BFRP筋的耐高溫性能要明顯優于GFRP筋.

圖5 不同恒溫時間下BFRP和GFRP筋剪切強度保留率（270℃）Fig.5 Shear strength retention rate of BFRP and GFRP bars under different constant temperature time（270℃）

2.5 微觀結構

不同溫度下BFRP和GFRP筋的SEM照片見圖6.由圖6可見：20℃時，BFRP、GFRP筋中纖維絲排列緊密有序，纖維和基體的浸潤性較好；120℃時，由于剛達到樹脂基體的玻璃化轉變溫度（111.3℃），BFRP、GFRP筋的纖維絲僅表現為輕微的松散；B16在350℃溫度作用后，部分纖維表面光滑，附著的樹脂基體減少，說明兩者的交聯度降低，黏結力下降；G16中纖維的脫黏現象十分嚴重，樹脂基體已很難傳遞纖維間的應力；在整個觀測過程中，纖維表面未見明顯損傷，說明在試驗溫度范圍內，FRP筋的剪切性能退化主要是由樹脂基體的熱降解所造成.基于此，后續研究可考慮將耐高溫樹脂與纖維絲復合形成FRP筋，進而改善其高溫剪切性能.

圖6 不同溫度下B16和G16筋的SEM照片Fig.6 SEM images of B16 and G16 bars under different temperatures

2.6 溫度作用后FRP筋剪切性能退化分析

溫度作用后FRP筋的剪切強度τT為：

式中：τ20為20℃作用后FRP筋的剪切強度.

參照文獻［18］，FRP筋的剪切強度保留率γT與溫度T的關系可由雙曲正切函數表示：

式中：a、b、c為回歸參數，可由試驗結果得到.

用式（3）對試驗值進行回歸分析，得到了回歸參數a、b和c的建議值，同時出于安全考慮，初步提出了BFRP和GFRP筋在關鍵溫度節點對應的剪切強度保留率γT的建議值，結果見表3，其他作用溫度條件下的γT可采取線性插值法獲取.根據γT的建議值，可得到FRP筋剪切強度隨高溫作用后的建議退化曲線.BFRP和GFRP筋剪切強度保留率與溫度的關系曲線見圖7.由圖7可見：預測結果可以較好地描述BFRP和GFRP筋的剪切強度隨溫度升高的退化過程；所得到的建議退化曲線能在描述FRP筋材剪切強度退化規律的同時，具有一定的安全保障，可用于相關工程問題的應用分析.

表3 剪切強度計算公式中的回歸參數及關鍵溫度節點的γT建議值Table 3 Regression parameters in shear strength calculation formula and recommendedγT for critical temperature

圖7 BFRP和GFRP筋剪切強度保留率與溫度的關系曲線Fig.7 Relation curves between temperature and shear strength retention of BFRP and GFRP Bars

3 結論

（1）高溫作用會改變玄武巖纖維增強復合材料（BFRP）、玻璃纖維增強復合材料（GFRP）筋的外觀，當作用溫度達350℃時，BFRP、GFRP筋均呈炭黑色；但在20～420℃溫度區間內，溫度作用未改變其剪切破壞模式.

（2）相同溫度作用后，直徑12 mm的BFRP、GFRP筋剪切性能退化速率高于直徑16 mm的筋材.此外，在270℃下，BFRP、GFRP筋的剪切性能均隨恒溫時間的延長而逐漸降低，且BFRP筋整體上表現出比GFRP筋更優的耐高溫性能.

（3）BFRP、GFRP筋的剪切強度隨溫度的升高逐漸降低；結合SEM分析，強度衰減的主要原因是樹脂基體隨溫度升高發生分解反應，且纖維/基體間協同工作能力逐漸降低.故后續相關研究及應用中，可考慮將耐高溫樹脂作為基體材料，以改善纖維增強復合材料（FRP）筋的高溫剪切性能.

（4）基于試驗結果進行了回歸分析，提出了20～420℃溫度范圍內BFRP、GFRP筋剪切強度的預測計算模型，其理論值與試驗結果總體趨勢吻合較好.