表面缠绕方式对GFRP筋力学性能的影响

庞育阳，张 普，高丹盈，赵 科，莫 飞

(郑州大学新型建材与结构研究中心，河南郑州450002)

常见的FRP筋按采用的纤维原料，分为玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋、碳纤维增强聚合物(CFRP)筋和芳纶纤维聚合物(AFRP)筋等［1-2］.玻璃纤维增强聚合物筋是以纤维为增强材料，合成树脂为基体，加入一定量的外加剂，经拉挤缠绕成型，并对筋材进行表面处理，从而得到的一种新型复合材料.这种材料具有耐腐蚀性好、抗拉强度高、自重轻、抗疲劳等优点［3-5］.在一些特殊或是恶劣的环境中，混凝土结构使用GFRP筋代替钢筋，是解决钢筋锈蚀问题的方法之一［6-8］，目前已广泛应用于桥梁、水工建筑物、海港码头、煤巷临时加固以及永久边坡加固等工程中［9-11］.

不同表面缠绕方式对GFRP筋抗扭性能、抗剪性能均有影响.通过控制缠绕力、缠绕速度和牵引速度可以改变GFRP筋表面的肋深和肋间距.通过改变缠绕材料又可以得到新型表面缠绕方式的GFRP筋.不同表面缠绕方式对于GFRP筋与混凝土的黏结影响显著.用玻璃纤维束代替尼龙绳缠绕，不仅可以使玻璃纤维束与GFRP筋协同工作，增强筋材的抗压性能，而且在制备完成后省掉了解尼龙绳的工序，提高了生产效率.因此，本研究通过对不同表面缠绕方式的GFRP筋进行力学性能测试，得出不同表面缠绕方式对GFRP筋力学性能的影响规律和作用机理.

1 制备工艺与试验

1.1 GFRP筋的制备工艺

采用郑州大学教育部纤维复合建筑材料与结构工程研究中心的FRP筋拉挤成型设备，制备肋间距不同、直径不同及表面缠绕材料不同的GFRP筋材(见图1).筋材的增强材料为无捻中碱玻璃纤维纱，基体树脂采用的是聚乙烯不饱和树脂，其中玻璃纤维体积分数为65% ～70%，基体树脂体积分数为30%～35%，尼龙绳和玻璃纤维束作为缠绕材料.

图1 制备的GFRP筋材类型

制备GFRP筋时，缠绕设备将尼龙绳或玻璃纤维束单向缠绕于筋材表面，形成螺纹状肋变形，同时表面螺旋缠绕对纤维施加一定约束力，使纤维束紧密地结合在一起，通过改变缠绕速度和牵引速度可以改变肋间距的大小.二次浸胶使GFRP筋表面纤维充分浸渍.GFRP筋材的成型工艺主要包括粗纱、浸渍、预成型、缠绕、二次浸渍、固化成型、牵引和切割成品等.本试验制备的GFRP筋材，直径分别为6，8，10，12，14 和 16 mm，肋间距分别为 10，20 和 30 mm，表面缠绕物分别为尼龙绳、1层玻璃纤维束和2层玻璃纤维束(后面性能测试试验的表面缠绕物都为该种方式).

1.2 试验方案

1.2.1 拉伸性能测试

参考GB/T 13096—2008《拉挤玻璃纤维增强塑料杆力学性能试验方法》，采用1 000 kN电液压伺服万能试验机，对GFRP筋材进行拉伸性能测试，得到极限延伸率、弹性模量和极限抗拉强度.本试验制作用环氧树脂和固化剂作为填充物的黏结式锚具试样(见图2)，本试验采用的GFRP筋材直径为12 mm，肋间距分别为10，20和30 mm，缠绕方式同上.

图2 拉伸测试试件

1.2.2 压缩性能测试

根据GB/T 1448—2005《纤维增强塑料压缩性能试验方法》，采用的GFRP筋材直径分别为10，12，14和16 mm，缠绕方式同上，制作试样如图3所示，试样的基本尺寸是H/d=3(H为试样高，d为试样直径).

图3 压缩测试试件

1.2.3 剪切性能测试

根据GB/T 1450.2—2005《纤维增强塑料冲压式剪切强度试验方法》，采用CMT系列点伺服50 kN万能试验机，配以压式剪切器进行剪切试验.采用 GFRP 筋材直径为6，8，10，12，14 和 16 mm，表面缠绕方式同上，试样尺寸与剪切模具相当，长度为140 mm.试样如图4所示.

图4 剪切测试试件

2 试验现象与结果分析

2.1 拉伸性能

2.1.1 试验现象

试验过程中，测得的典型GFRP筋应力-应变曲线如图5所示.GFRP筋自开始受荷至完全破坏的受力过程中，应力-应变关系在达到极限强度前近似为一条斜直线.当荷载达到破坏荷载的30%～50%时，试件开始发出“噼啪”声，随着荷载继续增大，纤维断裂的声音加剧，达到极限强度后，荷载开始下降，并出现少量变形，继续加载，变形急剧增大，直至破坏，整个测试曲线没有明显的屈服阶段.

图5 GFRP筋材典型的应力-应变曲线

在GFRP筋接近破坏时，可以明显看到表面纤维束被拉断，随着断裂纤维束的增加，GFRP筋中部突然发生炸散式破坏，同时飞散出许多细小纤维，试验结束.由于GFRP筋强度较高，在测试拉伸强度时，部分试件出现破坏而不能测出有效的拉伸强度.主要的破坏形式有:试件从GFRP筋中部位置破坏，筋材本身出现炸裂式破坏，为有效试件;GFRP筋从黏结套筒中滑出或直接将套筒两端堵头拉断，筋材本身则未被拉断，为无效试件.图6为拉伸试样破坏形式.

图6 拉伸试样破坏形式

2.1.2 结果分析

对不同表面缠绕方式的GFRP筋进行拉伸性能测试，数据见表1(表中数据均为有效试件测试数据).表1中，试样编号中的12代表筋材直径为12 mm;10，20和30代表筋材肋间距10，20和30 mm;-0代表尼龙绳缠绕，-1代表玻璃纤维束缠绕1层或玻璃纤维束为2 400 tex，-2代表玻璃纤维束缠绕2层或玻璃纤维束为4 800 tex.通过理论分析得到图7.

表1 GFRP筋拉伸试验结果

图7 不同表面缠绕方式对拉伸性能的影响

结合实测数据表1及图7可知:玻璃纤维层数对筋材拉伸性能影响不明显，与缠1层玻璃纤维束相比，缠2层玻璃纤维束平均抗拉强度增长0.01%，弹性模量增长1.28%，极限延伸率增长4.0%;当肋间距为30 mm时，缠绕尼龙绳与缠绕玻璃纤维束的GFRP筋在拉伸性能方面较为接近，而肋间距小于30 mm时，随着肋间距的增加拉伸性能变化很大，肋间距为10 mm与肋间距为20 mm的筋材相比，抗拉强度减小22.3%，弹性模量减小41.4%，极限延伸率增加49.4%，这主要由于肋间距较大时，筋材纵向纤维均比较平直，承受拉力时纤维束可以协同工作.因此，在肋深不变时，缠绕方式的不同，导致了筋材表面纤维弯曲程度的不同，最终导致拉伸性能的差别.由图7可知:筋材纤维越平直，其抗拉强度越大，弹性模量越大，极限延伸率则越小(理论上肋间距有一个最佳值).

2.2 压缩性能

2.2.1 试验现象

如图8为压缩试验典型的应力-应变曲线.

图8 GFRP筋材典型的应力-应变曲线

试验加载前期，曲线较为平滑，随后试件承受压力不断增大，当试件中树脂和玻璃纤维间的横向拉应力过大时，树脂与玻璃纤维黏结较差的薄弱点附近，首先出现树脂与纤维剥离的现象，随荷载增加，树脂与纤维的剥离区也不断增大，直至最后产生纵向劈裂裂缝而破坏，如图9所示.

图9 压缩试样破坏形式

GFRP筋的破坏较为突然，破坏前基本上无明显预兆，破坏时伴有很大的响声.试样主要有两种破坏形式:由于压力过大使压缩试件两端的玻璃纤维束散掉，此时端部呈圆台状;试样沿纵向产生劈裂裂缝而破坏.

2.2.2 结果分析

对不同表面缠绕方式的GFRP筋进行压缩性能测试，数据见表2.

表2 GFRP筋压缩试验结果

通过理论分析得图10.由图10可知:表面缠绕玻璃纤维束与缠绕尼龙绳的GFRP筋相比，可明显提高小直径GFRP筋的抗压强度，提高幅度分别为59.0%(d=10 mm)和 41.6%(d=12 mm);但是对大直径GFRP筋提高不明显，这是因为当压缩试样承受压力时，玻璃纤维束缠绕在筋表面，对试样有一定约束作用，相当于箍筋的作用，抑制了压缩试样的横向变形，从而提高了抗压强度.直径较大时，由于成型工艺不完善，约束效果较差，提高效果不明显.另外，缠绕层数对抗压强度的影响不明显.

图10 表面缠绕方式对抗压强度的影响

2.3 剪切性能

2.3.1 试验现象

试验加载初期，呈现较平滑的曲线，如图11所示.主要是由于GFRP筋材表面的树脂在力很小时就会发生断裂，随着荷载的增大而发出纤维断裂的“噼啪”声，声音逐渐增大且愈加密集，当试件破坏时，伴随着很大的响声.GFRP筋试件的破坏均为整体缓慢切断，断口较整齐，且都有不同程度的挤压变形，没有发生脆性剪断(图12)，这说明GFRP筋中的树脂性能较好，纵向纤维对横向剪切有一定的作用.

图11 典型的抗剪荷载-位移曲线

图12 剪切试样破坏形式

2.3.2 结果分析

对不同缠绕方式的GFRP筋进行剪切性能测试，数据见表3.通过理论分析得图13.

表3 GFRP筋剪切试验测得的剪切强度 MPa

图13 表面缠绕方式对抗剪强度的影响

由图13可知，小直径GFRP筋表面缠绕玻璃纤维束的剪切强度提高明显.直径为8 mm时，缠2层玻璃纤维束的GFRP筋与缠尼龙绳的相比，剪切强度提高29.7%;直径为12 mm时，剪切强度提高了26.9%;直径为16 mm时，强度增加就很不明显了.因为玻璃纤维束的缠绕使GFRP筋成型时纤维更加紧密，与树脂充分结合，两者的协同工作性更强，从而使GFRP筋的剪切强度得到提高，而当直径较大时，纤维束的这种影响将相对减弱，同时，玻璃纤维束本身对剪切强度也有所贡献.

3 结论

1)当GFRP筋肋间距较大时，表面缠绕方式对拉伸性能指标影响较小，影响幅度一般不超过5%;当肋间距较小时，极限抗拉强度、弹性模量明显减小，而极限延伸率明显增大.肋间距为10 mm的筋材与20 mm的相比，抗拉强度减小22.3%，弹性模量减小41.4%，极限延伸率增加49.4%.表面缠绕纤维束的层数对拉伸性能影响不明显.

2)表面缠绕玻璃纤维束对小直径GFRP筋抗压强度提高明显，提高幅度分别为59.0%(d=10 mm)和41.6%(d=12 mm);对于大直径GFRP筋，由于成型工艺不完善，约束效果不太明显.

3)表面缠绕玻璃纤维束对剪切强度可以产生影响，特别是对于小直径GFRP筋剪切强度提高尤其显著.直径为8 mm时，缠2层玻璃纤维束的GFRP筋与缠尼龙绳的相比，剪切强度提高29.7%;直径为12 mm时，剪切强度提高26.9%.

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