玻璃纖維增強筋在低溫環(huán)境中的拉伸性能研究

金清平，向亞男，高永紅

(武漢科技大學城市建設學院, 湖北 武漢 430065)

0 前言

GFRP筋具有輕質、高強、耐化學腐蝕、耐疲勞、抗電磁、阻燃等優(yōu)點[1-4]，與鋼筋相比，GFRP筋在海洋環(huán)境和一定濕度環(huán)境下具有較好的耐久性拉伸性能保持率較高[5-6]，是較為理想的鋼筋替代品，成為近些年來持續(xù)研究的熱點，并逐漸應用于土木工程結構中。在橋梁結構、土釘支護等實際工程中，GFRP筋結構也經(jīng)常會遭受低溫氣候的作用。目前國內外學者研究較多的是高溫對GFRP筋力學性能的影響，美國混凝土協(xié)會頒布的《關于FRP加筋混凝土結構的設計與施工規(guī)范》中總結了關于高溫對GFRP筋體及結構的影響，指出在溫度超過玻璃化轉化溫度(約65～120 ℃)時，材料的拉伸彈性模量會減小，而當溫度達到250 ℃時，GFRP的拉伸強度將減少超過20 %[7]。高永紅等[8]研究了GFRP 筋在20～180 ℃時的拉伸性能，研究表明極限拉伸強度、極限延伸率、彈性模量隨溫度的升高而下降; 直徑越大，極限拉伸強度、極限延伸率下降的幅度越大，而彈性模量下降的幅度差別不大。周繼凱等[9-10]研究得到GFRP 筋的力學性能對環(huán)境溫度敏感；并針對不同直徑的GFRP筋開展了力學性能研究，采用基于材料強度Weibull分布的最弱鏈理論分析其尺寸效應，結果表明，GFRP筋的極限拉伸強度、彈性模量和極限延伸率隨著直徑的增加而降低，而屈服應變變化規(guī)律則相反。低溫效應對GFRP筋性能的影響研究較少。在常溫至極低溫度下循環(huán)后GFRP筋的拉伸模量會下降，最高可降低至68 %[11]，而在多次凍融循環(huán)后，GFRP筋與混凝土的黏結性研究結果并不一致[12-15]。在設計計算中如何考慮低溫對GFRP筋及其結構產(chǎn)生的影響是工程應用需要解決的問題。

本文通過研究常見低溫環(huán)境下GFRP筋的拉伸性能，揭示了其變化規(guī)律，為GFRP筋在低溫中的拉伸性能評估提供了理論依據(jù)，并為實際工程中的應用提供了理論支撐。

1 實驗部分

1.1 主要原料

聚乙烯基GFRP筋，直徑分別為16、22 mm，深圳海川材料有限公司。

1.2 主要設備及儀器

數(shù)顯控溫低溫冰柜，HX-T-3000D2，東莞市昊昕儀器設備有限公司；

微機控電液伺服萬能試驗機，WAW-1000，濟南試金集團有限公司；

靜態(tài)電阻應變儀，BZ2205C，秦皇島北戴河蘭州科技有限公司。

1.3 樣品制備

如圖1所示，采用無縫鋼管內填充膨脹水泥的方式對GFRP筋端部進行錨固，上下2端錨固的長度均為200 mm，試樣凈長度為400 mm。

圖1 GFRP筋試樣Fig.1 Test sample of GFRP bars

1.4 性能測試與結構表征

拉伸性能按GB/T 13096—2008測試，采用位移加載控制方式，拉伸速率為2 mm/min；試驗選取直徑為16、22 mm的GFRP筋試樣，試驗溫度分別為-20、-10、0、10、20 ℃，共5種工況，將各GFRP筋試樣在對應的溫度環(huán)境中下靜置0.5 h后開始拉伸試驗；對直徑為16、22 mm的GFRP筋體在-20、0、20 ℃低溫時分別恒溫持續(xù)0.5、1、1.5、2、2.5 h后進行拉伸試驗，研究恒溫時間對GFRP筋拉伸性能的影響；將GFRP筋試樣放入數(shù)顯控溫低溫冰柜中，降溫到指定溫度后恒溫計時，恒溫時間保持0.5 h后進行拉伸試驗，期間采取保溫措施。

2 結果與討論

2.1 低溫下GFRP筋的拉伸性能

分別對直徑為16、22 mm的 GFRP筋在-20～20 ℃時的5種不同溫度下的拉伸性能進行測試，5種溫度下的試樣破壞形態(tài)較為相似。筋體在試驗中，當荷載超過50 %極限拉伸強度后，不定時發(fā)出清脆的響聲，即筋體在拉伸過程中的“初響”。接近極限拉伸強度時，筋體伴隨著“蹦”的一聲巨響而斷裂。筋體外表面發(fā)生明顯可見的剝離，呈較小范圍內的片狀開裂破壞。

由圖2(a)可知，在-20～20 ℃內，2種直徑GFRP筋的極限拉伸強度的變化規(guī)律相似?？梢钥闯?，隨著溫度的降低，GFRP筋的極限拉伸強度逐漸增大，拉伸強度的增長速度趨于加快，以0 ℃為分界點，從0～20 ℃，筋體的極限拉伸強度變化較小，變化幅度為1 %左右，在這個溫度范圍內，GFRP筋的極限拉伸強度相對穩(wěn)定。從-20～0 ℃，筋體的極限拉伸強度變化相對較快。整體上看，從20 ℃降溫至-20 ℃時，直徑為16、22 mm的 GFRP筋的極限拉伸強度分別增加了7.85 %和8.68 %，仍然處于較小的變化范圍。

由圖2(b)可知，在-20～0 ℃內，對直徑為16 mm的 GFRP筋體，其拉伸模量在測試溫度范圍內呈現(xiàn)較小變化值范圍的隨機性變化，變化幅度為±2.5 %，可認為這個溫度區(qū)間對拉伸模量的影響較小。對直徑為22 mm的 GFRP筋體，從0～20 ℃，拉伸模量隨溫度的降低基本沒有變化，從-20～0 ℃，拉伸模量快速提高，變化幅度達12.2 %。

直徑/mm：●—16 ▲—22(a)極限拉伸強度 (b)拉伸模量圖2 不同溫度下GFRP筋的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of GFRP bars at different temperature

在-20～20 ℃溫度區(qū)間內，GFRP筋的極限應變整體變化不大。隨著溫度的降低，以20 ℃極限應變值為參照，直徑為16、22 mm的 GFRP筋體的極限應變變化幅度小，波動分別保持在2.13 %和1.39 %以內。

2.2 恒溫時間對GFRP筋拉伸性能的影響

為研究低溫環(huán)境下恒溫時間對GFRP筋的影響，忽略直徑尺寸效應問題，以直徑為22 mm的GFRP筋為研究對象，分別研究了在-20、0、20 ℃時不同恒溫時間(0.5、1、1.5、2、2.5 h)下GFRP筋在低溫環(huán)境下的拉伸性能。從圖3(a)可以看出， 恒溫1.5 h以內GFRP筋的極限拉伸強度較為穩(wěn)定，整體上基本沒有變化，在1.5～2.5 h內，極限拉伸強度呈下降趨勢，下降幅度較小，在2.5 %以內。整體而言，持續(xù)的加熱作用對筋體的極限拉伸強度影響不大。由圖3(b)可知，當筋體處于-20、0 ℃環(huán)境中0.5～1 h的恒溫時間內，拉伸模量減小，但后者的變化幅度更大；20 ℃中0.5～1 h的恒溫時間內，拉伸模量基本沒有變化。GFRP筋在各種溫度環(huán)境中，恒溫時間持續(xù)1 h后，拉伸模量基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，最大變化幅度也在3 %以內。由圖2、3可知，在某一溫度下恒溫1 h后，GFRP筋的拉伸性能基本趨于穩(wěn)定，恒溫時間對GFRP筋的拉伸性能影響不顯著。

溫度/℃:■—-20 ●—0 ▲—20(a)極限拉伸強度 (b)拉伸模量圖3 不同恒溫時間下GFRP筋的拉伸性能Fig.3 Tensile properties of GFRP bars being kept for different time at constant temperature

3 結論

(1)GFRP筋的極限拉伸強度隨著溫度的降低呈現(xiàn)出增大的趨勢，從20 ℃下降至0 ℃時，筋體的極限拉伸強度變化幅度約為1 %，變化較小，在應用中可以忽略；從0 ℃下降至-20 ℃時，筋體的極限拉伸強度的變化幅度達到7 %～8 %，變化較為明顯，需要考慮降溫中極限拉伸強度的變化；

(2)GFRP筋的拉伸模量與筋體的尺寸有一定關系，在-20～20 ℃區(qū)間內，直徑為16 mm的GFRP筋的拉伸模量表現(xiàn)出較穩(wěn)定的狀態(tài)；直徑為22 mm的GFRP筋從20 ℃降溫至0 ℃時，筋體的拉伸模量較為穩(wěn)定，而從0 ℃降溫至-20 ℃時，筋體的拉伸模量呈快速增大的趨勢；

(3)GFRP筋在持續(xù)恒溫1 h后，拉伸性能表現(xiàn)出較穩(wěn)定的狀態(tài)，在-20～20 ℃區(qū)間內，更長的恒溫時間對GFRP筋的拉伸性能影響不顯著。

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