高溫下GFRP筋力學(xué)性能的試驗研究*

王曉璐 査曉雄

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，廣東深圳518055)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)以其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性好、電磁絕緣等特點，已在橋梁工程、室內(nèi)停車場等工程中得到了應(yīng)用［1］.然而高溫下FRP力學(xué)性能的惡化卻成為工程應(yīng)用中的隱患，阻礙了FRP筋在建筑領(lǐng)域的大范圍推廣.FRP筋是由連續(xù)的纖維材料通過樹脂粘結(jié)而成，高溫下樹脂受熱軟化分解引發(fā)粘結(jié)作用的減弱甚至喪失，同時作為主要受力材料的纖維絲在高溫下發(fā)生軟化或氧化，導(dǎo)致FRP筋的力學(xué)性能在高溫下顯著下降.目前國內(nèi)外對于FRP筋高溫力學(xué)性能的研究并不充分，主要體現(xiàn)在高溫力學(xué)試驗數(shù)據(jù)少且離散性大、溫度測試區(qū)域間隔大、強(qiáng)度隨溫度的折減公式僅通過現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)的簡單擬合而缺乏統(tǒng)一性與通用性［2-4］.本試驗以工程中較為常用的GFRP筋為研究對象，對GFRP筋在高溫下的力學(xué)性能進(jìn)行了測試，得到高溫下GFRP筋的極限強(qiáng)度和彈性模量隨溫度的衰減規(guī)律，并結(jié)合材料的熱性能分析試驗，提出了GFRP筋在高溫下的拉伸本構(gòu)模型，該本構(gòu)模型可推廣應(yīng)用至其他類型的纖維和樹脂材料中，從而為FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的高溫性能研究提供了基礎(chǔ).

1 GFRP筋的高溫拉伸試驗概況

本試驗對直徑8mm的GFRP筋進(jìn)行了10～500℃區(qū)間13種不同溫度下的拉伸試驗，獲得GFRP筋的極限強(qiáng)度和彈性模量隨溫度的衰減規(guī)律.拉伸試件總數(shù)為30根.

1.1 拉伸試件的加工

試驗所用的GFRP筋由中山浦美復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)，基體材料為環(huán)氧樹脂，纖維質(zhì)量率為70%，筋表面經(jīng)噴砂處理后高溫固化成型.試驗中為防止拉力機(jī)夾具引起GFRP筋端部發(fā)生剪切破壞，采用無縫鋼管內(nèi)添膨脹水泥的方式對GFRP筋端部進(jìn)行錨固，上下兩端錨固長度為140 mm，試件凈長度為320mm，滿足ACI 440.1R-06中關(guān)于拉伸試件凈長度l0≥40d(d為FRP筋直徑)的規(guī)定［5］.

1.2 試驗裝置和設(shè)備

GFRP筋的高溫拉伸試驗使用萬能試驗機(jī)對試件進(jìn)行拉伸，使用電加熱爐進(jìn)行升溫.加熱設(shè)備由6根石英加熱管組成，爐內(nèi)溫度使用兩支K型熱電偶監(jiān)控.試驗中使用位移引伸計測量GFRP筋中間位置10 cm區(qū)段的伸長量.為防止溫度過高影響引伸計的測量精度和使用壽命，F(xiàn)RP復(fù)合材料實驗室另加工了引伸計的接長桿［6］，引伸計接長桿與GFRP筋通過耐高溫彈簧固定，并從加熱爐側(cè)壁上預(yù)留的1.5cm寬的縱向通長空隙中穿過.試驗設(shè)備如圖1所示.

圖1 試驗設(shè)備圖Fig.1 Test equipment

1.3 高溫拉伸試驗過程

進(jìn)行高溫拉伸試驗前先連接好位移引伸計與接長桿，用耐高溫彈簧將接長桿固定于GFRP筋的中部，同時在試件中部綁扎兩根K型熱電偶，并使用鋁箔紙將試件包裹以使GFRP筋表面受熱均勻.隨后，將綁扎好引伸計的試件從加熱爐的上下端口和側(cè)壁縫隙中穿入，用萬能試驗機(jī)將試件端部夾緊.準(zhǔn)備工作完成后電加熱爐開始升溫，待爐內(nèi)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫40min，開始進(jìn)行拉伸試驗.拉伸試驗采用位移控制的方式，加載速率為2 mm/min，試驗中采集試驗機(jī)的拉力值和位移引伸計伸長量，換算得到GFRP筋在高溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

2 GFRP筋的高溫力學(xué)性能

2.1 極限強(qiáng)度和彈性模量隨溫度的變化

GFRP筋高溫拉伸試驗結(jié)果如表1所示.GFRP筋的極限強(qiáng)度和彈性模量隨溫度的升高而逐漸減小，且GFRP筋的高溫力學(xué)性能受樹脂的玻璃化溫度、纖維絲的軟化溫度影響顯著.試驗中，由于樹脂在高溫下發(fā)生軟化甚至分解，因此300℃以上的GFRP筋彈性模量未測出.

表1 高溫下GFRP筋極限強(qiáng)度和彈性模量試驗結(jié)果Table 1 Results of ultimate strength and elastic modulus of GFRP bars at elevated temperature

試驗測得的GFRP筋極限強(qiáng)度隨溫度的衰減趨勢如圖2所示.由試驗結(jié)果可知，GFRP筋在高溫下極限強(qiáng)度的變化可分為以下4個階段:(1)10～80℃，該溫度區(qū)段內(nèi)GFRP筋抗拉強(qiáng)度受溫度的影響較小，80℃時極限強(qiáng)度僅較常溫降低了6%;(2)80～120℃，該溫度區(qū)段內(nèi)環(huán)氧樹脂發(fā)生了軟化，樹脂的軟化不僅使自身強(qiáng)度降低，同時也減弱了對玻璃纖維絲的粘結(jié)作用，導(dǎo)致GFRP筋整體強(qiáng)度下降，120℃時的極限強(qiáng)度較常溫時下降了22%;(3)120～400℃，該溫度區(qū)段樹脂完全軟化甚至分解，對玻璃纖維絲的粘結(jié)作用幾乎完全喪失，而此時耐火性能較強(qiáng)的玻璃纖維尚未發(fā)生軟化，故GFRP筋的極限強(qiáng)度在該溫度區(qū)段趨于恒定;(4)400～500℃，玻璃纖維絲在該溫度區(qū)段發(fā)生軟化，力學(xué)性能迅速惡化，導(dǎo)致GFRP筋極限強(qiáng)度隨溫度迅速下降，500℃時GFRP筋的強(qiáng)度僅為常溫下的33%.

圖2 極限強(qiáng)度隨溫度的衰減規(guī)律Fig.2 Variation of ultimate strength versus different temperatures

GFRP筋彈性模量隨溫度的衰減曲線如圖3所示.GFRP筋彈性模量在120℃前受溫度的影響較小，一旦超過120℃，試件的彈性模量隨溫度的升高迅速折減，接近線性變化.由圖中試驗數(shù)據(jù)的分布情況可以看出，數(shù)據(jù)的離散性在樹脂完全軟化(溫度高于120℃)后變大，在樹脂分解(溫度高于300℃)后未能測出彈性模量.故本試驗使用的在GFRP筋上綁扎位移引伸計來測量伸長量的方法在高溫環(huán)境中的可應(yīng)用性降低.

圖3 彈性模量隨溫度的衰減規(guī)律Fig.3 Variation of elastic modulus versus different temperatures

GFRP筋在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示.可見，常溫和高溫下GFRP筋的拉伸本構(gòu)關(guān)系基本呈線性變化，其本構(gòu)模型可由極限強(qiáng)度與彈性模量兩個參數(shù)確定.

圖4 不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Stress-strain relationship curves at different temperatures

2.2 GFRP筋的高溫拉伸試驗現(xiàn)象

GFRP筋在不同溫度下的破壞模式略有不同，當(dāng)溫度低于環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，試件的破壞模式與常溫相近，GFRP筋在產(chǎn)生多條縱向劈裂裂紋后，纖維束被拉斷，試件呈成束纖維放射狀的破壞.當(dāng)溫度處于樹脂的軟化區(qū)段時，由于樹脂逐漸喪失了對纖維絲的膠粘作用，試件在破壞時玻璃纖維呈細(xì)絲狀.隨著溫度的升高，環(huán)氧樹脂發(fā)生氧化，顏色由黃綠色逐漸變?yōu)辄S褐色，破壞時GFRP筋中部的纖維變得蓬松發(fā)散.待溫度達(dá)到樹脂的氧化分解溫度后，構(gòu)件顏色變?yōu)樯詈稚?，破壞模式也由常溫下的纖維成束破壞變?yōu)閱谓z的破壞.不同溫度下試件的拉伸破壞模式如圖5所示，為了更好地觀察GFRP筋的破壞形態(tài)，試件在殘余應(yīng)力約為極限荷載的70%時停止加載，未將試件完全拉斷.

圖5 不同溫度下GFRP筋的拉伸破壞模式Fig.5 Failure modes of GFRP rebars at different temperatures

3 GFRP材料的熱分析試驗

GFRP筋的基體材料環(huán)氧樹脂是典型的高分子熱固性材料，其分子交聯(lián)受溫度影響顯著，從而引起物理性能的急劇變化.GFRP筋在高溫下的力學(xué)性能與其熱性能密切相關(guān)，因此，有必要對GFRP筋的熱性能進(jìn)行進(jìn)一步研究.

熱分析試驗使用NETZSCH公司生產(chǎn)的STA449F3 TG-DSC同步熱分析儀對材料進(jìn)行熱分析.差示掃描量熱儀(DSC)可測試GFRP材料的吸熱、放熱，以判斷分子的相變溫度;熱重分析儀(TGA)測量樣品質(zhì)量變化，以判斷GFRP的熱分解溫度.試驗的升溫速率為10℃/min，氣氛為氮氣，最高測試溫度為500℃.

經(jīng)測試，本試驗所用玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的TG/DSC測試結(jié)果如圖6所示.圖中，T為溫度，q為熱流量，m為剩余質(zhì)量.DDSC為DSC曲線隨時間t的一階導(dǎo)數(shù)，DTG為TG曲線隨時間的一階導(dǎo)數(shù).

由 DSC/DDSC曲線可以看出，材料在75～115℃之間的熱流曲線有明顯的變化，出現(xiàn)了放熱峰，該溫度下GFRP筋的基體材料環(huán)氧樹脂發(fā)生了化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)生了相變，DDSC曲線的峰值點對應(yīng)的樹脂玻璃化溫度為94.7℃.由TG/DTG曲線可知，GFRP材料在325～475℃之間質(zhì)量顯著下降，該溫度下環(huán)氧樹脂發(fā)生了熱分解，DTG曲線的峰值點對應(yīng)的熱分解溫度為392.0℃，500℃時GFRP筋的質(zhì)量損失約為常溫時的12%(GFRP筋纖維質(zhì)量率約為70%).

圖6 玻璃纖維/環(huán)氧樹脂的TG/DSC曲線Fig.6 TG/DSC curves of glass fiber/epoxy

4 GFRP筋高溫下的拉伸本構(gòu)模型

GFRP筋在常溫和高溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均接近線性變化，高溫下的拉伸本構(gòu)模型可由極限強(qiáng)度和彈性模量確定.

4.1 極限強(qiáng)度隨溫度變化的折減公式

由GFRP筋極限強(qiáng)度隨溫度的衰減規(guī)律可知，衰減曲線主要分為4個溫度區(qū)域，共由4個溫度點控制，即室內(nèi)環(huán)境溫度、樹脂玻璃化起始溫度與終止溫度、纖維絲軟化溫度.根據(jù)試驗結(jié)果對極限強(qiáng)度隨溫度的衰減規(guī)律進(jìn)行分析與擬合，最終構(gòu)造GFRP筋極限強(qiáng)度隨溫度的折減公式，形式如下:

式中:fu，T為溫度 T 時 GFRP 筋的極限強(qiáng)度;fu，T0為常溫下GFRP筋的極限強(qiáng)度;Kf為高溫下GFRP筋強(qiáng)度的折減系數(shù);T0為室內(nèi)環(huán)境溫度，可取值為常量20℃;Tg1為樹脂玻璃化起始溫度;Tg2為樹脂玻璃化終止溫度;Ts為纖維絲軟化溫度.

由GFRP筋極限強(qiáng)度的高溫折減公式可知，高溫力學(xué)性能的下降主要由Tg1、Tg2和Ts3個參數(shù)決定.樹脂的軟化溫度可根據(jù)材料熱性能試驗測得，玻璃纖維的軟化溫度可根據(jù)纖維絲高溫下的拉伸試驗得到.根據(jù)Dimitrienko［7］的試驗結(jié)果，玻璃纖維絲在溫度較低時的熱穩(wěn)定性較好，350℃時強(qiáng)度僅下降5%，425℃時強(qiáng)度降低10%，隨后強(qiáng)度隨溫度下降明顯.因此，可取425℃為玻璃纖維絲的軟化溫度，即Ts=425℃.

對于本次GFRP筋高溫拉伸試驗，Tg1=75℃，Tg2=115℃，Ts=425℃，強(qiáng)度折減系數(shù)Kf可表示為如下形式:

使用式(3)計算的GFRP筋強(qiáng)度折減系數(shù)與試驗實測數(shù)據(jù)的對比如圖7所示，可見，高溫下強(qiáng)度折減的理論公式計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好.

圖7 高溫下強(qiáng)度折減系數(shù)的計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比Fig.7 Comparison of strength reduction coefficients between the results of analytical model and test at elevated temperature

4.2 拉伸模量隨溫度變化的折減公式

根據(jù)GFRP筋高溫拉伸試驗的測試結(jié)果，GFRP筋彈性模量隨溫度的衰減規(guī)律可表述為式(4)、(5)所示的分段線性函數(shù)形式.在溫度達(dá)到樹脂玻璃化終止溫度時，GFRP筋彈性模量退化了5%，隨后樹脂軟化完全，彈性模量近似按線性折減.

式中:KE為GFRP筋彈性模量隨溫度的折減系數(shù);ET、ET0分別為溫度T、常溫時GFRP筋的彈性模量.

對于本試驗，Tg2=115℃，Ts=425℃，彈性模量折減公式的形式如式(6)所示，計算的GFRP筋彈性模量折減系數(shù)與實測數(shù)據(jù)的對比如圖8所示.可見，分段函數(shù)與實驗數(shù)據(jù)吻合較好.由于試驗中未測出300℃后GFRP筋的彈性模量，高溫下的折減系數(shù)近似認(rèn)為是按直線延伸.

圖8 高溫彈性模量折減系數(shù)計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比Fig.8 Comparison of elastic modulus reduction coefficients between the results of analytical model and test at elevated temperature

4.3 模型的簡化

文中提出的GFRP筋力學(xué)性能的折減公式不僅可適用于本試驗中的GFRP材料，對于其他樹脂材料和纖維類型的FRP筋，亦可根據(jù)材料的熱性能，將Tg1、Tg2、Ts代入折減公式，計算不同F(xiàn)RP筋在高溫下的強(qiáng)度和模量的折減.由于環(huán)氧樹脂的玻璃軟化過程發(fā)生在一定的溫度區(qū)間，該區(qū)間需要精確的材料熱性能試驗才可獲得，而通常情況下樹脂生產(chǎn)廠家僅提供材料玻璃化溫度的轉(zhuǎn)變點，考慮到FRP筋高溫力學(xué)性能折減公式的實際應(yīng)用，可將計算公式進(jìn)行簡化，使用環(huán)氧樹脂的玻璃化溫度Tg代替上下限值Tg1、Tg2，即將高溫折減公式中的3個參數(shù)簡化為兩個參數(shù)，由環(huán)氧樹脂的玻璃化溫度Tg和纖維絲的軟化溫度Ts控制.簡化后的公式如式(7)、(8)所示.經(jīng)驗證，公式誤差較小.

5 拉伸本構(gòu)模型與試驗結(jié)果的對比

將本研究提出的GFRP筋高溫力學(xué)性能折減模型與國內(nèi)外實驗結(jié)果進(jìn)行了對比［4，7-16］，對比結(jié)果如圖9所示.由國內(nèi)外試驗結(jié)果可知，GFRP筋高溫力學(xué)性能的衰減趨勢在各組試驗中大體相同，公式計算結(jié)果與試驗結(jié)果的吻合性相對較好.由于各廠家生產(chǎn)的FRP筋所用的纖維和樹脂種類繁多，性能各有差異，因此，精確的FRP筋的高溫本構(gòu)模型必須建立在樹脂和纖維材料的熱性能基礎(chǔ)上，而不能用簡單的回歸公式給出.

圖9 GFRP筋高溫力學(xué)折減系數(shù)計算結(jié)果與國內(nèi)外試驗結(jié)果的對比Fig.9 Comparison of GFRP rebar＇s mechanical reduction coefficients at elevated temperature between analytical model and test results from other researchers＇

本研究提出的基于材料熱性能的GFRP筋高溫力學(xué)性能折減公式不僅可應(yīng)用于本試驗所用材料，該公式還可推廣應(yīng)用于其他纖維和樹脂材料的FRP筋中.公式與國內(nèi)外碳纖維(CFRP)筋的試驗結(jié)果對比如圖10所示.碳纖維絲在有氧環(huán)境下易發(fā)生高溫氧化而降低力學(xué)性能，根據(jù)碳纖維絲的TGA熱重分析實驗結(jié)果［17］，近似將質(zhì)量損失率為5%時對應(yīng)的溫度作為碳纖維絲的氧化溫度，Ts=520℃.

圖10 CFRP筋高溫力學(xué)折減系數(shù)計算結(jié)果與國內(nèi)外試驗結(jié)果的對比Fig.10 Comparison of CFRP rebar＇s mechanical reduction coefficients at elevated temperature between analytical model and test results from other researchers＇

6 結(jié)論

通過對GFRP筋高溫力學(xué)性能的試驗研究得到了GFRP筋的極限強(qiáng)度和彈性模量隨溫度的衰減規(guī)律，并結(jié)合材料熱分析試驗提出了GFRP筋在高溫下的拉伸本構(gòu)關(guān)系模型，主要結(jié)論如下:

(1)GFRP的極限強(qiáng)度隨溫度的升高而衰減，衰減幅度與所處的溫度區(qū)間有關(guān).GFRP筋強(qiáng)度的下降在樹脂玻璃化的溫度區(qū)段及纖維絲軟化后的溫度區(qū)段最為明顯.

(2)GFRP筋的彈性模量在樹脂軟化前受溫度的影響較小，一旦樹脂完全軟化，GFRP筋的彈性模量隨溫度的升高迅速折減，接近線性變化.

(3)高溫下GFRP筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本呈線性變化.GFRP筋的高溫破壞模式由常溫的纖維成束破壞變?yōu)閱谓z的破壞，顏色由青黃色逐漸變?yōu)樽睾稚?

(4)基于材料的熱性能試驗，提出了三參數(shù)的GFRP筋高溫本構(gòu)模型，模型可簡化為由樹脂玻璃化溫度和纖維絲軟化溫度控制的二參數(shù)模型.經(jīng)驗證，折減模型所得結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好.

(5)本研究提出的高溫下GFRP筋拉伸本構(gòu)模型可推廣應(yīng)用于其他纖維類型和樹脂材料的FRP筋中，經(jīng)與試驗結(jié)果比較可知，該模型具有較好的合理性與通用性.

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