溫度對(duì)纖維增強(qiáng)塑料筋力學(xué)性能的影響

萬(wàn)朝陽(yáng)， 陳國(guó)新， 王 康， 陳 磊

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052)

溫度對(duì)纖維增強(qiáng)塑料筋力學(xué)性能的影響

萬(wàn)朝陽(yáng)， 陳國(guó)新， 王 康， 陳 磊

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052)

將直徑φ8的玄武巖纖維增強(qiáng)塑料(BFRP)和玻璃纖維增強(qiáng)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(duì)其進(jìn)行拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)。研究BFRP和GFRP筋受拉本構(gòu)關(guān)系、拉伸彈性模量、極限抗拉強(qiáng)度、極限拉應(yīng)變等力學(xué)性能，并擬合溫度在20～120℃時(shí)BFRP和GFRP筋拉伸力學(xué)性能隨溫度作用后的變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨荷載增加到極限荷載65%～80%，BFRP和GFRP筋均發(fā)出清脆的聲音，其表面纖維絲斷裂而導(dǎo)致脆性破壞；隨溫度增加，BFRP和GFRP筋受拉本構(gòu)關(guān)系呈線性變化；120℃與20℃相比，極限抗拉強(qiáng)度分別降低9.8%和10.6%；BFRP筋極限拉應(yīng)變減少20.4%，而GFRP筋出現(xiàn)先減后稍增趨勢(shì)；BFRP筋拉伸彈性模量提高5.4%和13.9%，而GFRP筋呈先增后減現(xiàn)象。

纖維增強(qiáng)塑料筋； 玄武巖纖維增強(qiáng)塑料筋； 玻璃纖維增強(qiáng)塑料筋； 溫度； 拉伸試驗(yàn)； 力學(xué)性能

0 引 言

鋼筋混凝土是土木建筑行業(yè)中使用很普遍的一種組合材料，然而鋼筋的銹蝕嚴(yán)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(qiáng)塑料筋由纖維和基體樹(shù)脂并摻入適量的輔助劑經(jīng)過(guò)高溫拉擠工藝和特殊表面處理所形成的一種新型復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)塑料筋不僅導(dǎo)熱系數(shù)低[1]、耐腐蝕性強(qiáng)[2]、抗拉強(qiáng)度高[3-4]，而且熱膨脹系數(shù)與混凝土((8～12)×10-6/℃)相近等優(yōu)點(diǎn)[5-7]，因此，纖維增強(qiáng)塑料筋在土木建筑行業(yè)中具有很大的應(yīng)用前景。

實(shí)際工程中，玄武巖纖維增強(qiáng)塑料筋(BFRP)和玻璃纖維增強(qiáng)塑料筋(GFRP)所處的工作環(huán)境可能經(jīng)歷過(guò)高溫后再回到常溫這一現(xiàn)象，高溫使BFRP和GFRP筋的樹(shù)脂基體發(fā)生軟化，進(jìn)而對(duì)BFRP和GFRP筋的力學(xué)性能產(chǎn)生影響?；贐FRP和GFRP筋所處工作環(huán)境溫度變化對(duì)其力學(xué)性能影響的考慮，本試驗(yàn)以BFRP和GFRP筋為研究對(duì)象，將其放置在20、40、60、80、100、120 ℃的溫度控制箱內(nèi)恒溫30 min，冷卻到室溫后對(duì)BFRP和GFRP筋的拉伸力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，得到BFRP、GFRP筋的本構(gòu)關(guān)系、極限抗拉強(qiáng)度、拉伸彈性模量以及極限應(yīng)變隨不同溫度作用后的變化規(guī)律，從而為FRP混凝土結(jié)構(gòu)在不同溫度作用后的力學(xué)性能研究提供一定理論依據(jù)[8]。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

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

1.2 試件制備

由于樹(shù)脂基的纖維增強(qiáng)塑料筋端頭抗壓強(qiáng)度小，萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)夾頭與纖維增強(qiáng)塑料筋直接接觸導(dǎo)致夾持端頭處纖維增強(qiáng)塑料筋發(fā)生破壞而中間區(qū)段無(wú)明顯變化現(xiàn)象。本試驗(yàn)采用長(zhǎng)620 mm纖維增強(qiáng)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(nèi)用高強(qiáng)灌漿料進(jìn)行填充錨固[9-10]，高強(qiáng)灌漿料初凝后，將試件標(biāo)養(yǎng)3 d。試件凈長(zhǎng)為320 mm，滿足ACI 440.1 R-06中關(guān)于拉伸試件凈長(zhǎng)L0≥40d的規(guī)定[11]。試件實(shí)物圖如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)儀器設(shè)備

加載設(shè)備采用100 kN的電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)；溫度控制箱為101型電熱鼓風(fēng)干燥箱，溫度可根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)；位移引伸計(jì)采用YYU-50/100，并將其放置在纖維增強(qiáng)塑料筋中間位置100 mm處測(cè)量纖維增強(qiáng)塑料筋隨溫度作用后的縱向伸長(zhǎng)量。

圖1 試件標(biāo)養(yǎng)圖

1.4 試驗(yàn)步驟

將制作好的BFRP和GFRP筋標(biāo)養(yǎng)3 d達(dá)到強(qiáng)度后，依次放置在101型電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)；調(diào)制箱內(nèi)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(duì)BFRP和GFRP筋進(jìn)行拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)；數(shù)據(jù)采集儀記錄試件破壞荷載、極限抗拉強(qiáng)度等主要力學(xué)指標(biāo)以及荷載-位移曲線等圖形。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 纖維增強(qiáng)塑料筋恒溫后的破壞形態(tài)

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

圖2 GFRP筋破壞形態(tài) 圖3 BFRP筋破壞形態(tài)

加載初期，纖維增強(qiáng)塑料筋表面纖維絲部分?jǐn)嗔巡殡S清脆響聲；隨著載荷增加到極限荷載的65%～80%，纖維增強(qiáng)塑料筋表面出現(xiàn)裂紋且清脆聲逐漸變密；達(dá)到極限載荷時(shí)，纖維增強(qiáng)塑料筋突然斷裂并發(fā)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(kāi)始受載時(shí)試件樹(shù)脂基體受力；接著基體材料樹(shù)脂出現(xiàn)破壞；然后樹(shù)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(qiáng)塑料筋恒溫后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

纖維增強(qiáng)塑料筋在5種溫度下恒溫30 min冷卻至室溫后，根據(jù)其在電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果繪制應(yīng)力(σ)-應(yīng)變(ε)關(guān)系曲線，如圖4、5所示。

圖4 BFRP 筋( σ) -( ε)關(guān)系曲線圖

圖5 GFRP 筋( σ) -( ε)關(guān)系曲線

從圖4、5可以看出，BFRP與GFRP筋從開(kāi)始加載到破壞，其(σ)-(ε)曲線呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，沒(méi)有明顯的屈服階段，呈脆性破壞。纖維增強(qiáng)塑料筋中纖維的彈性模量大于樹(shù)脂，加載初期主要由樹(shù)脂受力，樹(shù)脂破壞后，主要由纖維絲承受拉力，達(dá)到極限荷載時(shí)纖維絲發(fā)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(qiáng)度大于玻璃纖維絲，BFRP筋破壞時(shí)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(xiàn)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(qiáng)塑料筋恒溫后的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

纖維增強(qiáng)塑料筋在5種不同溫度作用后的拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同溫度作用后纖維增強(qiáng)塑料筋力學(xué)性能指標(biāo)

從表1試驗(yàn)結(jié)果可知：隨著溫度增加，BFRP與GFRP筋的極限承載力、極限抗拉強(qiáng)度以及極限應(yīng)變呈降低趨勢(shì)；BFRP筋彈性模量逐漸增大，而GFRP筋呈先增后減現(xiàn)象。在20～100 ℃范圍內(nèi)，BFRP與GFRP筋極限承載力、極限抗拉強(qiáng)度以及極限應(yīng)變受溫度影響較?。?00～120 ℃范圍內(nèi)，BFRP與GFRP筋受溫度的影響稍大，其中BFRP、GFRP筋極限拉伸強(qiáng)度和常溫相比分別降低了9.8%和10.6%。這是由于纖維增強(qiáng)塑料筋的基體樹(shù)脂在此溫度范圍內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)軟件現(xiàn)象，降低了基體樹(shù)脂對(duì)纖維絲的黏接性能，因此纖維增強(qiáng)塑料筋的力學(xué)性能指標(biāo)降低。

2.4 纖維增強(qiáng)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(duì)應(yīng)的應(yīng)變；ε2為20%極限荷載對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；A為纖維增強(qiáng)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(guān)系曲線

從圖6中可以看出：纖維增強(qiáng)塑料筋在恒溫后，BFRP筋拉伸彈性模量呈遞增趨勢(shì)，增幅為5.4%；GFRP筋卻出現(xiàn)先增后減現(xiàn)象，變化幅度13.9%，受溫度影響較BFRP筋大。20～100 ℃范圍內(nèi)，GFRP筋拉伸彈性模量呈遞增趨向；100～120 ℃范圍內(nèi)其呈遞減現(xiàn)象。文獻(xiàn)[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(xiàn)象的主要因素，當(dāng)試驗(yàn)溫度比GFRP筋中黏接基體樹(shù)脂的玻璃纖維軟化臨界值低時(shí)，恒溫一定時(shí)間，其彈性模量有一定幅度的升高；當(dāng)試驗(yàn)溫度較黏接樹(shù)脂的玻璃纖維軟化臨界值高時(shí)，其彈性模量出現(xiàn)一定范圍的下降現(xiàn)象[15-16].

2.5 纖維增強(qiáng)塑料筋恒溫后的極限抗拉強(qiáng)度

對(duì)表1中纖維增強(qiáng)塑料筋在恒溫后的極限抗拉強(qiáng)度數(shù)值進(jìn)行回歸分析，得出恒溫不同溫度后纖維增強(qiáng)塑料筋極限抗拉強(qiáng)度f(wàn)tu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(qiáng)度f(wàn)tu均出現(xiàn)遞減現(xiàn)象，且fBtu大于fGtu。恒溫不同溫度后，BFRP、GFRP筋極限抗拉強(qiáng)度影響擬合曲線如圖7所示。

圖7 極限抗拉強(qiáng)度與溫度關(guān)系曲線

根據(jù)圖7極限抗拉強(qiáng)度隨溫度的規(guī)律可得：100℃之前，BFRP與GFRP筋的彈性模量受溫度影響較??；100～120 ℃，BFRP與GFRP筋受溫度影響稍大，其中BFRP、CFRP筋極限抗拉強(qiáng)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(qiáng)度較GFRP筋高，且BFRP筋降低速率低于GFRP筋。

2.6 纖維增強(qiáng)塑料筋恒溫后的極限拉應(yīng)變

由極限拉應(yīng)變公式εtu=Fu/(ELA)得表1中極限拉應(yīng)變數(shù)值，并對(duì)恒溫后極限拉應(yīng)變與溫度的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得出恒溫后纖維增強(qiáng)塑料筋極限拉應(yīng)變?chǔ)舤u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(qiáng)塑料筋極限拉應(yīng)變；Fu為纖維增強(qiáng)塑料筋極限荷載。

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

圖8 極限拉應(yīng)變與溫度關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

在20、40、60、80、100、120 ℃ 5種不同溫度作用后，通過(guò)對(duì)BFRP與GFRP筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量、極限抗拉強(qiáng)度以及極限抗拉應(yīng)變的對(duì)比研究，結(jié)論如下：

(1) BFRP與GFRP筋在破壞之前的應(yīng)力與應(yīng)變曲線均呈線性趨勢(shì)增長(zhǎng)，沒(méi)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(shì)；GFRP筋在20～100 ℃彈性模量出現(xiàn)增加的趨勢(shì)，100～120 ℃呈遞減變化規(guī)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(qiáng)度f(wàn)tu均隨溫度的增加呈遞減趨勢(shì)，極限抗拉強(qiáng)度和常溫相比分別降低9.8%和10.6%。

(4) 在20～100 ℃范圍內(nèi)，BFRP和GFRP筋極限抗拉應(yīng)變?chǔ)舤u均呈遞減趨勢(shì)；100～120 ℃范圍內(nèi)，BFRP筋遞減而GFRP筋呈稍增現(xiàn)象，兩者降幅分別為20.4%和21.5%。

(5) 在100～120 ℃溫度范圍內(nèi)，GFRP筋比BFRP筋對(duì)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(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題(2013BAJ12B05)；新疆維吾爾自治區(qū)優(yōu)秀青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目(2014721012)； 烏魯木齊市建委建設(shè)科技項(xiàng)目資助(2015020)

萬(wàn)朝陽(yáng)(1991-)，男，湖北仙桃人，碩士生，從事復(fù)合材料研究。

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

陳國(guó)新(1978-)，男，新疆巴州人，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事新型建筑結(jié)構(gòu)體系以及復(fù)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