GFRP筋密度以及各组分体积分数的测定

彭 义，姜天华，金清平

（武汉科技大学城市建设学院，武汉 430070）

玻璃纤维增强塑料筋的性能和质量在很大程度上是取决于玻璃纤维以及树脂的含量。只有当玻璃纤维和树脂的配合比合适时，由它们组成的玻璃纤维塑料筋才能发挥出良好的性能，才能更好的应用到工程实践中去。玻璃纤维的密度是表征其物理力学性能的一个重要的参数，其大小主要取决于玻璃成分，测定玻璃纤维的密度，对研究其物理力学性能有重要的意义。

1 GFRP筋密度的测定

该次试验所用的材料为深圳海川新材料科技有限公司所生产的GFRP筋。该GFRP筋由含碱量小于0.8%的无碱玻璃纤维（E－Glass）无捻粗纱或者高强玻璃纤维（S）无捻粗纱和树脂基体（环氧树脂、乙烯基树脂）、固化剂等材料，通过拉挤成型固化工艺复合而成的筋材。采用杆件的材料类型为乙烯基玻璃纤维筋，直径有12、16、20、22、25、28六种。首先测出GFRP筋的密度，根据《纤维增强塑料密度和相对密度试验方法》（GB／T 1463—2005）。

该次试验将GFRP筋切割成5cm左右的小段，采用液体置换法，测得密度值如表1所示。

根据表1中的计算结果，得到GFRP筋的平均密度为2.05g／cm3。

表1 GFRP筋不同直径的密度表

2 玻璃纤维密度的测定

要得到玻璃纤维的密度，首先要对GFRP筋中的树脂进行烧失，根据《玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法》（GB／T 2577—2005），放进马弗炉，在指定的温度下进行烧失，然后试样再称量。试样烧失前后的质量差即为树脂含量，烧失后所得到的就是纤维。

在625℃±20℃的马弗炉中加热坩埚15min，冷却至室温后称量，重复操作直至两次称量结果差不超过1mg。将盛有试样的坩埚放入马弗炉，升温至350～400℃后恒温0.5h，再升温630℃恒温直至烧失完成。去除残留物放入干燥器冷却，进行称量，然后重复灼烧恒温冷却直至两次质量差不超过1mg。

该文采用液体置换法测定纤维密度，该方法是现阶段最为常用的测定方法，其原理是将结状纤维在常态下称重，然后完全浸没在已知密度小于纤维密度的液体中，将纤维再次称重，求出纤维在该液体中的浮力，从而推导出纤维的体积，得出纤维的密度。

计算公式为

式中：ρf为玻璃纤维的密度，g／cm3；V 为纤维的体积，cm3；w1为试样常态下重量，g；w2为试样浸润液中重量，g；ρL为提润液密度，g／cm3。

影响试验精度的主要因素有纤维表面气泡，纤维或悬丝表面张力效应和试验温度变化等。其中，纤维之间的气泡对密度测定的影响最大。去除气泡的方法很多，其中便于快速测试的有真空泵法、煮沸法、超声振荡法、挤压法和高速离心法（离心机）等，这些方法都是尽可能的去除纤维表面气泡，促使水分子浸入纤维单丝间的缝隙。除上述方法外，我们还可以在浸润液中加入一些微量的表面活性剂。该次试验是采用煮沸法。

首先取适当长度连续完整的纤维，使其成为结状，经丙酮清洗、退浆处理后，置于烘箱内，烘干2h，取出后精确称重w1。用烧杯取一定量纯净水，将纤维通过悬丝浸没在纯净水中，利用酒精灯加热煮沸，排除黏附在纤维表面的气泡，再次称重。结果见表2所示。

表2 纤维密度试验数据表

由表2可知，该次试验所用的GFRP筋的玻璃纤维密度为2.68g／cm3。

3 玻璃纤维以及树脂含量的测定

根据《玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法》（GB／T 2577—2005），计算GFRP杆体的树脂含量以及GFRP筋的玻璃纤维体积含量的公式如下所示。

树脂含量的计算公式为

式中，M1为树脂含量，%；m1为坩埚质量，mg；m2为坩埚和试样质量和，mg；m3为残余物和坩埚质量和，mg。

玻璃纤维体积含量计算公式为

式中，Vg为 GFRP筋玻璃纤维体积含量，%；ρc为 GFRP筋密度，g／cm3；ρf为玻璃纤维密度，g／cm3。

其他符号与公式（2）相同。

已知前面得出的玻璃纤维的密度2.68g／cm3以及GFRP筋的密度2.05g／cm3，按照公式（2）和公式（3）求得的结果如表3所示。

表3 树脂质量百分比和玻璃纤维体积百分比

由表3可以知道，该次试验得到的GFRP筋的树脂的质量百分比为15.41%，玻璃纤维的体积分数为65.98%，树脂的体积百分比为34.02%。

4 试验值与实际值的对比

1）由现有的资料可知，对于GFRP筋，其密度范围一般为1.5～2.1g／cm3。该次计算得到的GFRP筋的密度为2.05g／cm3，在该范围内，因此是满足要求的。

2）玻璃纤维的密度一般在2.50～2.70g／cm3左右，该次试验得到的密度值为2.68g／cm3，满足该范围。

3）对于GFRP筋，玻璃纤维增强材料的体积分数一般为50%～78%，树脂的体积分数一般为（30±5）%。该次试验得到的玻璃纤维的体积分数为65.98%，树脂的体积分数为34.02%，均是满足要求的。

5 结 语

对选取的GFRP筋进行了一系列的试验。得到了GFRP筋的密度、玻璃纤维的密度以及玻璃纤维和树脂的体积分数，在分析分过程中，介绍了液体置换法的方法和原理，列出了一系列的计算公式，比较系统的介绍了这一整个试验的计算流程。最后将得到的试验值与实际值的范围进行了比较，证明该次试验所选取方法的合理性以及试验操作的规范性。

［1］GB／T 1463—2005.纤维增强塑料密度和相对密度试验方法［S］.

［2］GB／T 2577—2005.玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法［S］.

［3］王宝瑞，李建国，纪 原，等.纤维密度测定的研究［J］.纤维复合材料，2009，9（3）：43－46.

［4］张小苹，谢晓芳，周祝林.玻璃钢／复合材料密度的测试与真实值范围［J］.玻璃钢，2012（2）：9－10.

［5］赵渠森.先进复合材料手册［M］.北京：机械工业出版社，2003.