表面纏繞方式對(duì)GFRP筋力學(xué)性能的影響

龐育陽(yáng)，張 普，高丹盈，趙 科，莫 飛

(鄭州大學(xué)新型建材與結(jié)構(gòu)研究中心，河南鄭州450002)

常見(jiàn)的FRP筋按采用的纖維原料，分為玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(GFRP)筋、碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)筋和芳綸纖維聚合物(AFRP)筋等［1-2］.玻璃纖維增強(qiáng)聚合物筋是以纖維為增強(qiáng)材料，合成樹(shù)脂為基體，加入一定量的外加劑，經(jīng)拉擠纏繞成型，并對(duì)筋材進(jìn)行表面處理，從而得到的一種新型復(fù)合材料.這種材料具有耐腐蝕性好、抗拉強(qiáng)度高、自重輕、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)［3-5］.在一些特殊或是惡劣的環(huán)境中，混凝土結(jié)構(gòu)使用GFRP筋代替鋼筋，是解決鋼筋銹蝕問(wèn)題的方法之一［6-8］，目前已廣泛應(yīng)用于橋梁、水工建筑物、海港碼頭、煤巷臨時(shí)加固以及永久邊坡加固等工程中［9-11］.

不同表面纏繞方式對(duì)GFRP筋抗扭性能、抗剪性能均有影響.通過(guò)控制纏繞力、纏繞速度和牽引速度可以改變GFRP筋表面的肋深和肋間距.通過(guò)改變纏繞材料又可以得到新型表面纏繞方式的GFRP筋.不同表面纏繞方式對(duì)于GFRP筋與混凝土的黏結(jié)影響顯著.用玻璃纖維束代替尼龍繩纏繞，不僅可以使玻璃纖維束與GFRP筋協(xié)同工作，增強(qiáng)筋材的抗壓性能，而且在制備完成后省掉了解尼龍繩的工序，提高了生產(chǎn)效率.因此，本研究通過(guò)對(duì)不同表面纏繞方式的GFRP筋進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，得出不同表面纏繞方式對(duì)GFRP筋力學(xué)性能的影響規(guī)律和作用機(jī)理.

1 制備工藝與試驗(yàn)

1.1 GFRP筋的制備工藝

采用鄭州大學(xué)教育部纖維復(fù)合建筑材料與結(jié)構(gòu)工程研究中心的FRP筋拉擠成型設(shè)備，制備肋間距不同、直徑不同及表面纏繞材料不同的GFRP筋材(見(jiàn)圖1).筋材的增強(qiáng)材料為無(wú)捻中堿玻璃纖維紗，基體樹(shù)脂采用的是聚乙烯不飽和樹(shù)脂，其中玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)為65% ～70%，基體樹(shù)脂體積分?jǐn)?shù)為30%～35%，尼龍繩和玻璃纖維束作為纏繞材料.

圖1 制備的GFRP筋材類(lèi)型

制備GFRP筋時(shí)，纏繞設(shè)備將尼龍繩或玻璃纖維束單向纏繞于筋材表面，形成螺紋狀肋變形，同時(shí)表面螺旋纏繞對(duì)纖維施加一定約束力，使纖維束緊密地結(jié)合在一起，通過(guò)改變纏繞速度和牽引速度可以改變肋間距的大小.二次浸膠使GFRP筋表面纖維充分浸漬.GFRP筋材的成型工藝主要包括粗紗、浸漬、預(yù)成型、纏繞、二次浸漬、固化成型、牽引和切割成品等.本試驗(yàn)制備的GFRP筋材，直徑分別為6，8，10，12，14 和 16 mm，肋間距分別為 10，20 和 30 mm，表面纏繞物分別為尼龍繩、1層玻璃纖維束和2層玻璃纖維束(后面性能測(cè)試試驗(yàn)的表面纏繞物都為該種方式).

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 拉伸性能測(cè)試

參考GB/T 13096—2008《拉擠玻璃纖維增強(qiáng)塑料桿力學(xué)性能試驗(yàn)方法》，采用1 000 kN電液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)GFRP筋材進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，得到極限延伸率、彈性模量和極限抗拉強(qiáng)度.本試驗(yàn)制作用環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑作為填充物的黏結(jié)式錨具試樣(見(jiàn)圖2)，本試驗(yàn)采用的GFRP筋材直徑為12 mm，肋間距分別為10，20和30 mm，纏繞方式同上.

圖2 拉伸測(cè)試試件

1.2.2 壓縮性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 1448—2005《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》，采用的GFRP筋材直徑分別為10，12，14和16 mm，纏繞方式同上，制作試樣如圖3所示，試樣的基本尺寸是H/d=3(H為試樣高，d為試樣直徑).

圖3 壓縮測(cè)試試件

1.2.3 剪切性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 1450.2—2005《纖維增強(qiáng)塑料沖壓式剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，采用CMT系列點(diǎn)伺服50 kN萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，配以壓式剪切器進(jìn)行剪切試驗(yàn).采用 GFRP 筋材直徑為6，8，10，12，14 和 16 mm，表面纏繞方式同上，試樣尺寸與剪切模具相當(dāng)，長(zhǎng)度為140 mm.試樣如圖4所示.

圖4 剪切測(cè)試試件

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析

2.1 拉伸性能

2.1.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)得的典型GFRP筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示.GFRP筋自開(kāi)始受荷至完全破壞的受力過(guò)程中，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系在達(dá)到極限強(qiáng)度前近似為一條斜直線.當(dāng)荷載達(dá)到破壞荷載的30%～50%時(shí)，試件開(kāi)始發(fā)出“噼啪”聲，隨著荷載繼續(xù)增大，纖維斷裂的聲音加劇，達(dá)到極限強(qiáng)度后，荷載開(kāi)始下降，并出現(xiàn)少量變形，繼續(xù)加載，變形急劇增大，直至破壞，整個(gè)測(cè)試曲線沒(méi)有明顯的屈服階段.

圖5 GFRP筋材典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在GFRP筋接近破壞時(shí)，可以明顯看到表面纖維束被拉斷，隨著斷裂纖維束的增加，GFRP筋中部突然發(fā)生炸散式破壞，同時(shí)飛散出許多細(xì)小纖維，試驗(yàn)結(jié)束.由于GFRP筋強(qiáng)度較高，在測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度時(shí)，部分試件出現(xiàn)破壞而不能測(cè)出有效的拉伸強(qiáng)度.主要的破壞形式有:試件從GFRP筋中部位置破壞，筋材本身出現(xiàn)炸裂式破壞，為有效試件;GFRP筋從黏結(jié)套筒中滑出或直接將套筒兩端堵頭拉斷，筋材本身則未被拉斷，為無(wú)效試件.圖6為拉伸試樣破壞形式.

圖6 拉伸試樣破壞形式

2.1.2 結(jié)果分析

對(duì)不同表面纏繞方式的GFRP筋進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1(表中數(shù)據(jù)均為有效試件測(cè)試數(shù)據(jù)).表1中，試樣編號(hào)中的12代表筋材直徑為12 mm;10，20和30代表筋材肋間距10，20和30 mm;-0代表尼龍繩纏繞，-1代表玻璃纖維束纏繞1層或玻璃纖維束為2 400 tex，-2代表玻璃纖維束纏繞2層或玻璃纖維束為4 800 tex.通過(guò)理論分析得到圖7.

表1 GFRP筋拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖7 不同表面纏繞方式對(duì)拉伸性能的影響

結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表1及圖7可知:玻璃纖維層數(shù)對(duì)筋材拉伸性能影響不明顯，與纏1層玻璃纖維束相比，纏2層玻璃纖維束平均抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)0.01%，彈性模量增長(zhǎng)1.28%，極限延伸率增長(zhǎng)4.0%;當(dāng)肋間距為30 mm時(shí)，纏繞尼龍繩與纏繞玻璃纖維束的GFRP筋在拉伸性能方面較為接近，而肋間距小于30 mm時(shí)，隨著肋間距的增加拉伸性能變化很大，肋間距為10 mm與肋間距為20 mm的筋材相比，抗拉強(qiáng)度減小22.3%，彈性模量減小41.4%，極限延伸率增加49.4%，這主要由于肋間距較大時(shí)，筋材縱向纖維均比較平直，承受拉力時(shí)纖維束可以協(xié)同工作.因此，在肋深不變時(shí)，纏繞方式的不同，導(dǎo)致了筋材表面纖維彎曲程度的不同，最終導(dǎo)致拉伸性能的差別.由圖7可知:筋材纖維越平直，其抗拉強(qiáng)度越大，彈性模量越大，極限延伸率則越小(理論上肋間距有一個(gè)最佳值).

2.2 壓縮性能

2.2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

如圖8為壓縮試驗(yàn)典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

圖8 GFRP筋材典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)加載前期，曲線較為平滑，隨后試件承受壓力不斷增大，當(dāng)試件中樹(shù)脂和玻璃纖維間的橫向拉應(yīng)力過(guò)大時(shí)，樹(shù)脂與玻璃纖維黏結(jié)較差的薄弱點(diǎn)附近，首先出現(xiàn)樹(shù)脂與纖維剝離的現(xiàn)象，隨荷載增加，樹(shù)脂與纖維的剝離區(qū)也不斷增大，直至最后產(chǎn)生縱向劈裂裂縫而破壞，如圖9所示.

圖9 壓縮試樣破壞形式

GFRP筋的破壞較為突然，破壞前基本上無(wú)明顯預(yù)兆，破壞時(shí)伴有很大的響聲.試樣主要有兩種破壞形式:由于壓力過(guò)大使壓縮試件兩端的玻璃纖維束散掉，此時(shí)端部呈圓臺(tái)狀;試樣沿縱向產(chǎn)生劈裂裂縫而破壞.

2.2.2 結(jié)果分析

對(duì)不同表面纏繞方式的GFRP筋進(jìn)行壓縮性能測(cè)試，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

表2 GFRP筋壓縮試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)理論分析得圖10.由圖10可知:表面纏繞玻璃纖維束與纏繞尼龍繩的GFRP筋相比，可明顯提高小直徑GFRP筋的抗壓強(qiáng)度，提高幅度分別為59.0%(d=10 mm)和 41.6%(d=12 mm);但是對(duì)大直徑GFRP筋提高不明顯，這是因?yàn)楫?dāng)壓縮試樣承受壓力時(shí)，玻璃纖維束纏繞在筋表面，對(duì)試樣有一定約束作用，相當(dāng)于箍筋的作用，抑制了壓縮試樣的橫向變形，從而提高了抗壓強(qiáng)度.直徑較大時(shí)，由于成型工藝不完善，約束效果較差，提高效果不明顯.另外，纏繞層數(shù)對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響不明顯.

圖10 表面纏繞方式對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 剪切性能

2.3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)加載初期，呈現(xiàn)較平滑的曲線，如圖11所示.主要是由于GFRP筋材表面的樹(shù)脂在力很小時(shí)就會(huì)發(fā)生斷裂，隨著荷載的增大而發(fā)出纖維斷裂的“噼啪”聲，聲音逐漸增大且愈加密集，當(dāng)試件破壞時(shí)，伴隨著很大的響聲.GFRP筋試件的破壞均為整體緩慢切斷，斷口較整齊，且都有不同程度的擠壓變形，沒(méi)有發(fā)生脆性剪斷(圖12)，這說(shuō)明GFRP筋中的樹(shù)脂性能較好，縱向纖維對(duì)橫向剪切有一定的作用.

圖11 典型的抗剪荷載-位移曲線

圖12 剪切試樣破壞形式

2.3.2 結(jié)果分析

對(duì)不同纏繞方式的GFRP筋進(jìn)行剪切性能測(cè)試，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.通過(guò)理論分析得圖13.

表3 GFRP筋剪切試驗(yàn)測(cè)得的剪切強(qiáng)度 MPa

圖13 表面纏繞方式對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

由圖13可知，小直徑GFRP筋表面纏繞玻璃纖維束的剪切強(qiáng)度提高明顯.直徑為8 mm時(shí)，纏2層玻璃纖維束的GFRP筋與纏尼龍繩的相比，剪切強(qiáng)度提高29.7%;直徑為12 mm時(shí)，剪切強(qiáng)度提高了26.9%;直徑為16 mm時(shí)，強(qiáng)度增加就很不明顯了.因?yàn)椴ＡЮw維束的纏繞使GFRP筋成型時(shí)纖維更加緊密，與樹(shù)脂充分結(jié)合，兩者的協(xié)同工作性更強(qiáng)，從而使GFRP筋的剪切強(qiáng)度得到提高，而當(dāng)直徑較大時(shí)，纖維束的這種影響將相對(duì)減弱，同時(shí)，玻璃纖維束本身對(duì)剪切強(qiáng)度也有所貢獻(xiàn).

3 結(jié)論

1)當(dāng)GFRP筋肋間距較大時(shí)，表面纏繞方式對(duì)拉伸性能指標(biāo)影響較小，影響幅度一般不超過(guò)5%;當(dāng)肋間距較小時(shí)，極限抗拉強(qiáng)度、彈性模量明顯減小，而極限延伸率明顯增大.肋間距為10 mm的筋材與20 mm的相比，抗拉強(qiáng)度減小22.3%，彈性模量減小41.4%，極限延伸率增加49.4%.表面纏繞纖維束的層數(shù)對(duì)拉伸性能影響不明顯.

2)表面纏繞玻璃纖維束對(duì)小直徑GFRP筋抗壓強(qiáng)度提高明顯，提高幅度分別為59.0%(d=10 mm)和41.6%(d=12 mm);對(duì)于大直徑GFRP筋，由于成型工藝不完善，約束效果不太明顯.

3)表面纏繞玻璃纖維束對(duì)剪切強(qiáng)度可以產(chǎn)生影響，特別是對(duì)于小直徑GFRP筋剪切強(qiáng)度提高尤其顯著.直徑為8 mm時(shí)，纏2層玻璃纖維束的GFRP筋與纏尼龍繩的相比，剪切強(qiáng)度提高29.7%;直徑為12 mm時(shí)，剪切強(qiáng)度提高26.9%.

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