GFRP筋拉伸力学性能与破坏形态试验分析

金清平，郑祖嘉，陆 伟，陈 智

（1.武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉430065；2.华中科技大学土木工程与力学学院，湖北 武汉430074）

0 前言

纤维增强复合材料（FRP）具有轻质高强的力学性能和优异的设计性，在交通、建筑、地下工程等诸多领域得到了研究和应用［1］，欧美和日本对FRP 筋在土木工程领域的应用技术相对中国较早，取得的成果也较高［2－7］。中国在FRP筋研究方面也取得了一些进展，研究了碳纤维增强复合材料（CFRP）和GFRP 锚杆在锚固支护方面的应用，应用GFRP 筋进行了土木工程的支护、锚固等实际工程，结果表明该类材料能发挥有效的支护作用，应用效果良好，但大规模应用技术和研究水平都相对滞后［1，8－9］。GFRP 筋由玻璃纤维与各种高分子聚合而成，目前主要基于经济性能和耐久性能等因素考虑，选用不同的高分子基体材料，但随着聚合物基体的改变，筋体性能具有明显差异性，需掌握其规律性［2－4］。从细观力学和宏观力学不同角度分析其力学性能，出发点和手段完全不同。作为满足工程应用要求的力学性能，更多是基于宏观力学考察复合材料的受力特性，通过常规的力学测试工具和方法可获得相关的数据。GFRP筋的力学性能中的拉伸强度规律和破坏模式是其最基本的性能，也是其推广应用的最关键问题之一，本文通过对不同尺寸和纤维含量GFRP筋进行一次性拉伸和循环拉伸试验，研究筋体在受力中表现特征、应力应变关系和破坏形态，得到GFRP筋拉伸力学性能与破坏特征。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚乙烯基体GFRP筋，直径分别为28、25、22、20、16、12mm，深圳海川材料有限公司。

1.2 主要设备及仪器

微机控制电液伺服万能试验机，WAW－1000，济南试金集团有限公司；

裂缝宽度观测仪，ZBL－F101，北京智博联科技有限公司；

程控静态电阻应变仪，BZ2205C，秦皇岛市北戴河兰德科技有限公司。

1.3 样品制备

试验GFRP筋体试验长度40cm，2段夹持长度分别为10cm，结构表面呈现螺纹状；GFRP 筋体1／2及靠近套筒的1／4处粘贴横向和纵向应变片制样。

1.4 性能测试与结构表征

按照GB／T 13096—2008进行试验，万能试验机拉伸速率为2 mm／min，对各类筋体进行了应力应变测试，测定筋体的模量以及在拉伸中的宏观表现特征，对1／2、1／4等处粘贴拉伸方向（纵向）和垂直拉伸方向（横向）应变片，得到GFRP 筋在纵向和横向的的应力应变值。

2 结果与讨论

2.1 筋体拉伸形态

在不同直径的筋体中，玻璃纤维的体积含量有变化，变化幅度介于63%～72%之间，玻璃纤维体积含量随着直径变大，逐渐减小（表1）。

对直径28 mm 的聚乙烯基GFRP 筋体进行拉伸试验，当拉伸荷载180kN 时发出劈裂响声，在套筒附近1／4处开始出现纵向裂缝，宽度约为0.10mm，并伴随声响，如图1红色标记处。发生裂缝的位置随着拉力的增加而逐渐明显，在250kN 时卸载，此时裂缝会随着荷载的减少而逐渐闭合，卸载至180kN 后再重新加载，至256kN 时再次发出劈裂响声，在筋体上端1／4范围内再次出现纵向裂缝，宽度约为0.12mm，并伴随声响，如图2所示。

表1 GFRP筋系列直径的组分含量Tab.1 Component content of GFRP bars with different diameters

图1 下端套筒附近筋体表面裂缝现象Fig.1 Position，width and shape of bars'surface cracks

图2 上端套筒附近筋体表面裂缝现象Fig.2 Position，width and shape of bars'surface cracks

图3 加载中的裂缝扩展形态Fig.3 Crack propagation modes in loading

图4 直径28mm 的GFRP筋体的破坏形态Fig.4 Failure modes of GFRP bars with a diameter of 28mm

随着荷载的增加，劈裂声响频率加快，出现混杂交织声响，加载至280kN 时，筋体表面裂缝出现明显均布的上下贯通，筋体外表面一定厚度材料与筋体内部剥离（图3）。当拉力增大到352kN 时，外表薄层与筋体分离，材料破坏，破坏强度572 MPa。纵向裂缝均布于杆件四周，在靠近套筒端部有横向断裂，如图4中蓝色标记部位，断裂的裂缝以呈纵向竖直居多。在破坏后继续加载，274kN 全部断裂。若不反复拉伸，则一次性拉伸破坏的强度（本文定义为直接破坏强度）较反复加载后破坏的强度（本文定义为循环破坏强度）值大，后者约为前者的95%左右，而在加载中出现的破坏形态类似。

根据GFRP筋体的含量不同，便于进行受力特征对比，选取纤维含量有一定差异的直径20 mm 的GFRP筋。初次加载至153.5kN 时有响声，出现裂纹，继续加载至159kN 时，杆体两端出现可观察裂纹，至167.5kN 时1／4处开始有裂纹出现，至175kN 时，杆体1／2处有裂纹出现，此时测得裂纹宽度为0.3mm（图5），至193kN 时，响声频率加大，杆体中间出现一条贯穿的纵向裂缝，加载至195.5kN 时，出现外层与内层之间的剥离，GFRP 筋产生破坏，破坏强度约622.6 MPa，如图6所示。

图5 GFRP筋体1／2处裂纹Fig.5 Crack on the middle of GFRP bars

图6 直径20mm 的GFRP筋体的破坏形态Fig.6 Failure modes of GFRP bars with a diameter of 20mm

对其他直径系列GFRP 筋进行试验，均会产生开裂声响，并出现裂缝，出现规律与上述描述类似，不同直径产生此类现象的时点不同，剥离片尺寸大小不均匀，最大值20.6 mm，最小值5.7 mm，厚度最大值5.2mm，最 小 值1.8 mm，整 个 裂 缝 宽 度 为0.1～0.4mm，其他试验结果如表2所示，对GFRP 筋体强度和纤维含量进行对比，计算单位纤维体积比（表1）条件下的筋体强度值，得到纤维复合材料中纤维含量的作用效率值。

2.2 拉伸应力应变关系

以直径28mm、25mm 筋体为代表进行数据处理和分析。得到直径28mm、25mm 的GFRP筋一次拉伸时1／2和1／4处纵、横向应力应变关系曲线，如图7所示，通过循环拉伸筋体，循环荷载通过加载－卸载－加载的方式进行，得到试验结果如图8、图9所示。其中，循环1表示拉伸加载从破坏荷载的零至30%；循环2表示拉伸加载从破坏荷载的10%至50%；循环3表示拉伸加载从破坏荷载的30%至80%；破坏表示拉伸加载从破坏荷载的10%至破坏。

表2 GFRP筋系列直径加载与对应特征Tab.2 Load and corresponding characteristics of GFRP bars with different diameters

2.3 GFRP筋力学性能分析

从图7中可以看出，2种直径筋体的应力应变曲线曲线基本一致，在筋体1／4处的应变要略大于1／2处，1／4应力要先于1／2达到极限，这和裂纹开展和破坏规律是吻合的；考虑材料在受力中再加载方式，采用了加载－不完全卸载－加载和加载－完全卸载－加载的方式进行了比较试验，在图8中可以发现直径25mm 在加载至p30%后（加载达到的强度用pi表示，其中，i表示加载达到的强度与破坏强度的比值百分数，如p30%表示加载强度达到破坏强度的30%，下同）卸载，再加载时应力应变曲线下移，表明出现了残余应变；在p30%～p80%的范围内加、卸载，筋体的应力应变曲线重合，曲线斜率基本相同，曲线也非常平顺，表明此阶段没有残余应变，筋体材料的弹性模量相对较稳定；从破坏曲线（p10%～p）下移了一定距离表明残余应变仍然存在，曲线斜率较之前要陡，超过前期加载荷载之后，曲线与之前的变化规律趋向相同；横向应变在各种加载方式下基本相同；而图9反映直径28mm 加载－不完全卸载－加载的应力应变曲线不同于直径25mm的加载曲线，在初期的加载中，材料没有明显的残余应变，在超过p50%后加载再卸载，应力应变曲线出现下移，产生残余变形，在p50%以上筋体的曲线变陡，到达前期最大荷载之后，曲线变化规律趋向前期规律；而横向应变曲线在p50%后也出现下移，表明在后期有明显的残余应变。通过一次拉伸试验数据计算，得到平均纵向弹性模量约为40～45GPa，泊松比约为0.28～0.30。循环拉伸中的模量和泊松比变化不大，在破坏时的拉伸曲线上，泊松比约为0.21，误差主要来自残余应变的影响，因此泊松比可视具体工程实际取0.21～0.30。

图7 GFRP筋一次拉伸试验应力－应变曲线Fig.7 Stress－strain curve of GFRP bars in one－time tensile test

图8 直径25mm GFRP筋的循环拉伸试验应力－应变曲线Fig.8 Stress－strain curve of the GFRP bar with a diameter of 25mm in cyclic tensile test

图9 直径28mm GFRP筋的循环拉伸试验应力－应变曲线Fig.9 Stress－strain curve of the GFRP bar with a diameter of 28mm in cyclic tensile test

2.4 GFRP筋破坏分析

GFRP 筋在拉伸破坏试验受力中呈现不同的状态，在P50%以前，材料不出现表面裂纹，没有材料分离现象，承载力由整个筋材发挥作用，界面发挥较好的作用，随着荷载增加，在超过P50%以后材料开始陆续出现分离现象，界面出现破坏，分离首先从筋体的端部开始，且较均匀出现在筋体四周，随后逐渐向中间延展，这种延展和荷载有关系，在卸载过程中或者荷载保持不变的情况下，裂纹不产生扩展，卸载后裂纹闭合，在继续加载超过裂纹产生的荷载强度后，裂纹继续扩展，这时局部的纤维和基体已经脱离，界面性能消失，此时筋体承载力性能改变并不大。在GFRP筋中，纤维沿着筋体纵向布置，因此在拉伸中纤维方向具有一致性，和拉应力方向相同，横断面出现较大的拉应力，由于筋体纵向纤维的阻碍作用，当纤维与基体在拉应力作用下脱离之后不再横向扩展，而是向纵向发展，这大大提高了筋体的断面强度。另一方面，从筋体的拉伸应力应变图8、图9可知，横向应变为负值，即在拉伸中筋体呈现收缩，随着拉应力增大横向应变增大，由于材料仍然处于弹性阶段，所以横向应力亦增大，这将阻碍裂纹的横向扩展，进一步提高了筋体的强度和刚度。

2.5 GFRP筋结构优化

拉伸强度的大小与直径和纤维组成存在关系。根据所测数据，直径12mm 的纤维含量最高，随着纤维含量的增加破坏强度并没有明显增加，但初裂强度增加明显。各种直径的筋体破坏现象一致，在到达破坏荷载后材料仍然有较大的强度，但没有明显的流塑阶段，产生的破坏性质介于脆性和塑性之间。在破坏阶段筋体表面出现剥离现象，剥离层产生横向断裂，位置居于端部一定距离。从破坏分析表明，并不是纤维含量越高材料的性能就越好，单位纤维体积比条件下直径20mm和25mm 的强度最高，比值达到了9.5，从一定意义上表明在这2种直径范围的筋体利用效率最高，是较为优化的筋体尺寸类型。

3 结论

（1）GFRP 筋一次性受力和循环受力产生不同的受力特征，达到一定的应力条件时筋体开始出现裂纹，当应力消失时裂纹闭合，筋体整个的受力过程均伴随纤维与基体的脱离现象，裂纹在破坏前纵向发展，裂纹宽度有一定界限，在达到破坏荷载时裂纹呈现横向参差不齐的断裂；

（2）受力方式对材料的弹性模量性能影响不大，但对泊松比有一定影响；GFRP 筋在受力后纵向存在残余变形，不同直径的筋体产生残余变形的强度大小不同，直径25 mm 的样品在P0%～P30%时出现残余变形，而直径28 mm 的样品在超过P50%后产生残余变形；

（3）不同纤维含量的GFRP 筋会有不同的破坏荷载以及破坏形态，初裂荷载随纤维含量增加而增加，破坏强度与纤维含量没有明显的单调关系，筋体的破坏性质介于脆性破坏和塑性破坏之间，在破坏后有一定的残余强度，但没有很明显的流塑阶段；

（4）从材料组成与拉伸力学性能之间的关系优化分析，直径20mm 和25mm 筋体利用效率最高，是较为优化的体尺寸类型。

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