温度对纤维增强塑料筋力学性能的影响

万朝阳， 陈国新， 王 康， 陈 磊

(新疆农业大学 水利与土木工程学院， 乌鲁木齐 830052)

温度对纤维增强塑料筋力学性能的影响

万朝阳， 陈国新， 王 康， 陈 磊

(新疆农业大学 水利与土木工程学院， 乌鲁木齐 830052)

将直径φ8的玄武岩纤维增强塑料(BFRP)和玻璃纤维增强塑料(GFRP)筋恒温30 min再冷却至室温，用钢套管固定BFRP和GFRP筋端头并对其进行拉伸力学性能试验。研究BFRP和GFRP筋受拉本构关系、拉伸弹性模量、极限抗拉强度、极限拉应变等力学性能，并拟合温度在20～120℃时BFRP和GFRP筋拉伸力学性能随温度作用后的变化规律。结果表明：随荷载增加到极限荷载65%～80%，BFRP和GFRP筋均发出清脆的声音，其表面纤维丝断裂而导致脆性破坏；随温度增加，BFRP和GFRP筋受拉本构关系呈线性变化；120℃与20℃相比，极限抗拉强度分别降低9.8%和10.6%；BFRP筋极限拉应变减少20.4%，而GFRP筋出现先减后稍增趋势；BFRP筋拉伸弹性模量提高5.4%和13.9%，而GFRP筋呈先增后减现象。

纤维增强塑料筋； 玄武岩纤维增强塑料筋； 玻璃纤维增强塑料筋； 温度； 拉伸试验； 力学性能

0 引 言

钢筋混凝土是土木建筑行业中使用很普遍的一种组合材料，然而钢筋的锈蚀严重制约着建筑物的安全性和耐久性，缩短建筑物的全寿命周期。纤维增强塑料筋由纤维和基体树脂并掺入适量的辅助剂经过高温拉挤工艺和特殊表面处理所形成的一种新型复合材料。纤维增强塑料筋不仅导热系数低[1]、耐腐蚀性强[2]、抗拉强度高[3-4]，而且热膨胀系数与混凝土((8～12)×10-6/℃)相近等优点[5-7]，因此，纤维增强塑料筋在土木建筑行业中具有很大的应用前景。

实际工程中，玄武岩纤维增强塑料筋(BFRP)和玻璃纤维增强塑料筋(GFRP)所处的工作环境可能经历过高温后再回到常温这一现象，高温使BFRP和GFRP筋的树脂基体发生软化，进而对BFRP和GFRP筋的力学性能产生影响。基于BFRP和GFRP筋所处工作环境温度变化对其力学性能影响的考虑，本试验以BFRP和GFRP筋为研究对象，将其放置在20、40、60、80、100、120 ℃的温度控制箱内恒温30 min，冷却到室温后对BFRP和GFRP筋的拉伸力学性能进行试验，得到BFRP、GFRP筋的本构关系、极限抗拉强度、拉伸弹性模量以及极限应变随不同温度作用后的变化规律，从而为FRP混凝土结构在不同温度作用后的力学性能研究提供一定理论依据[8]。

1 试验方案

1.1 试验原材料

试验采用φ8的BFRP、GFRP筋由海宁安捷复合材料有限责任公司生产；高强灌浆料(CGMJM-VI)由北京思达建茂科技发展有限公司生产，水灰比14%～18%；无缝冷轧钢管的规格取决于纤维增强塑料筋直径的大小，试验采用外径19 mm、壁厚2.0 mm、长150 mm的钢套管。

1.2 试件制备

由于树脂基的纤维增强塑料筋端头抗压强度小，万能材料试验机夹头与纤维增强塑料筋直接接触导致夹持端头处纤维增强塑料筋发生破坏而中间区段无明显变化现象。本试验采用长620 mm纤维增强塑料筋并在试件两端头150 mm处套钢管，钢管端头处用透明胶带黏贴，钢管内用高强灌浆料进行填充锚固[9-10]，高强灌浆料初凝后，将试件标养3 d。试件净长为320 mm，满足ACI 440.1 R-06中关于拉伸试件净长L0≥40d的规定[11]。试件实物图如图1所示。

1.3 试验仪器设备

加载设备采用100 kN的电子万能材料试验机；温度控制箱为101型电热鼓风干燥箱，温度可根据试验需要进行手动调节；位移引伸计采用YYU-50/100，并将其放置在纤维增强塑料筋中间位置100 mm处测量纤维增强塑料筋随温度作用后的纵向伸长量。

图1 试件标养图

1.4 试验步骤

将制作好的BFRP和GFRP筋标养3 d达到强度后，依次放置在101型电热鼓风干燥箱内；调制箱内的温度分别到20、40、60、80、100、120 ℃；恒温30 min并冷却至室温后，采用速率为0.2 kN/s的荷载加载方式对BFRP和GFRP筋进行拉伸力学性能试验；数据采集仪记录试件破坏荷载、极限抗拉强度等主要力学指标以及荷载-位移曲线等图形。

2 试验结果与分析

2.1 纤维增强塑料筋恒温后的破坏形态

恒温后，纤维增强塑料筋的破坏形态相同点分为2种：① 纤维增强塑料筋表面的纤维丝首先发生部分断裂，接着基体材料树脂与纤维丝发生剥离，最后纤维增强塑料筋断裂破坏；② 纤维增强塑料筋未居中钢套管中心，拉力使纤维增强塑料筋在钢套管锚口处发生偏拉破坏。纤维增强塑料的破坏形态不同之处：BFRP筋易在钢套管锚口处发生第一种破坏形态，而GFRP筋第一种破坏形态却大多在试件中心处。GFRP筋与BFRP筋的典型破坏形态，如图2、3所示。

图2 GFRP筋破坏形态 图3 BFRP筋破坏形态

加载初期，纤维增强塑料筋表面纤维丝部分断裂并伴随清脆响声；随着载荷增加到极限荷载的65%～80%，纤维增强塑料筋表面出现裂纹且清脆声逐渐变密；达到极限载荷时，纤维增强塑料筋突然断裂并发出较大的响声。BFRP和GFRP筋在20、40、60、80、100、120 ℃温度作用后，从加载到脆性破坏阶段，开始受载时试件树脂基体受力；接着基体材料树脂出现破坏；然后树脂和纤维丝剥离；最终纤维丝大部分被拉断，呈脆性断裂[12]。

2.2 纤维增强塑料筋恒温后的应力-应变曲线

纤维增强塑料筋在5种温度下恒温30 min冷却至室温后，根据其在电子万能材料试验机上的试验结果绘制应力(σ)-应变(ε)关系曲线，如图4、5所示。

图4 BFRP 筋( σ) -( ε)关系曲线图

图5 GFRP 筋( σ) -( ε)关系曲线

从图4、5可以看出，BFRP与GFRP筋从开始加载到破坏，其(σ)-(ε)曲线呈线性增长趋势，没有明显的屈服阶段，呈脆性破坏。纤维增强塑料筋中纤维的弹性模量大于树脂，加载初期主要由树脂受力，树脂破坏后，主要由纤维丝承受拉力，达到极限荷载时纤维丝发生断裂。由于玻璃纤维弹性模量略大于玄武岩纤维，图5中GFRP筋曲线斜率略高于图4中BFRP筋曲线斜率。玄武岩纤维丝抗拉强度大于玻璃纤维丝，BFRP筋破坏时残余的玄武岩纤维丝被拉断，以致破坏后的BFRP筋(σ)-(ε)曲线出现略微的上升再下降阶段，而GFRP筋破坏后呈直线下降。

2.3 纤维增强塑料筋恒温后的拉伸试验结果

纤维增强塑料筋在5种不同温度作用后的拉伸力学性能试验结果如表1所示。

表1 不同温度作用后纤维增强塑料筋力学性能指标

从表1试验结果可知：随着温度增加，BFRP与GFRP筋的极限承载力、极限抗拉强度以及极限应变呈降低趋势；BFRP筋弹性模量逐渐增大，而GFRP筋呈先增后减现象。在20～100 ℃范围内，BFRP与GFRP筋极限承载力、极限抗拉强度以及极限应变受温度影响较小；100～120 ℃范围内，BFRP与GFRP筋受温度的影响稍大，其中BFRP、GFRP筋极限拉伸强度和常温相比分别降低了9.8%和10.6%。这是由于纤维增强塑料筋的基体树脂在此温度范围内开始出现软件现象，降低了基体树脂对纤维丝的黏接性能，因此纤维增强塑料筋的力学性能指标降低。

2.4 纤维增强塑料筋恒温后的拉伸弹性模量

EBL=-0.001 5T2+0.262 4T+47.239

(1)

EGL=0.027 2T+47.734

(2)

式中：EL为拉伸弹性模量；F1为50%的极限荷载；F2为20%的极限荷载；ε1为50%极限荷载对应的应变；ε2为20%极限荷载对应的应变；A为纤维增强塑料筋截面面积；T为温度。拟合曲线如图6所示。

图6 拉伸弹性模量与温度关系曲线

从图6中可以看出：纤维增强塑料筋在恒温后，BFRP筋拉伸弹性模量呈递增趋势，增幅为5.4%；GFRP筋却出现先增后减现象，变化幅度13.9%，受温度影响较BFRP筋大。20～100 ℃范围内，GFRP筋拉伸弹性模量呈递增趋向；100～120 ℃范围内其呈递减现象。文献[13-14]中表明，玻璃纤维丝是影响GFRP筋拉伸弹性模量随温度呈先增后减现象的主要因素，当试验温度比GFRP筋中黏接基体树脂的玻璃纤维软化临界值低时，恒温一定时间，其弹性模量有一定幅度的升高；当试验温度较黏接树脂的玻璃纤维软化临界值高时，其弹性模量出现一定范围的下降现象[15-16].

2.5 纤维增强塑料筋恒温后的极限抗拉强度

对表1中纤维增强塑料筋在恒温后的极限抗拉强度数值进行回归分析，得出恒温不同温度后纤维增强塑料筋极限抗拉强度ftu的拟合公式：

fBtu=-0.003 5T2-0.429 3T+904.38

(3)

fGtu=-0.004 3T2-0.262 2T+840.64

(4)

从BFRP、GFRP筋曲线拟合公式可以看出：随着温度的增加，极限抗拉强度ftu均出现递减现象，且fBtu大于fGtu。恒温不同温度后，BFRP、GFRP筋极限抗拉强度影响拟合曲线如图7所示。

图7 极限抗拉强度与温度关系曲线

根据图7极限抗拉强度随温度的规律可得：100℃之前，BFRP与GFRP筋的弹性模量受温度影响较小；100～120 ℃，BFRP与GFRP筋受温度影响稍大，其中BFRP、CFRP筋极限抗拉强度和常温相比降低9.8%和10.6%。恒温不同温度后，BFRP筋极限抗拉强度较GFRP筋高，且BFRP筋降低速率低于GFRP筋。

2.6 纤维增强塑料筋恒温后的极限拉应变

由极限拉应变公式εtu=Fu/(ELA)得表1中极限拉应变数值，并对恒温后极限拉应变与温度的关系进行回归分析，得出恒温后纤维增强塑料筋极限拉应变εtu的拟合公式:

εBtu=-0.000 006T2-0.002T+1.893 6

(5)

εGtu=0.000 03T2-0.007 2T+1.730 5

(6)

式中εtu为纤维增强塑料筋极限拉应变；Fu为纤维增强塑料筋极限荷载。

随温度的增加，BFRP与GFRP筋的极限拉应变与温度拟合关系曲线如图8所示。由图8可见：恒温不同温度后，BFRP与GFRP筋的极限拉应变变化幅度为1.3%～2.0%，且极限拉应变εtu降幅分别为20.4%和21.5%。由于拉伸弹性模量与极限拉应变之间成反比关系，BFRP筋弹性模量随温度的升高而变大；而GFRP筋却出现先增后稍减的趋势。因此，BFRP筋的极限拉应变曲线图呈递减规律，GFRP筋曲线呈现先减后稍增的现象。

图8 极限拉应变与温度关系曲线

3 结 论

在20、40、60、80、100、120 ℃ 5种不同温度作用后，通过对BFRP与GFRP筋应力-应变曲线、弹性模量、极限抗拉强度以及极限抗拉应变的对比研究，结论如下：

(1) BFRP与GFRP筋在破坏之前的应力与应变曲线均呈线性趋势增长，没有明显的屈服阶段，均为脆性材料。

(2) 随温度增加，BFRP筋弹性模量EL呈递增趋势；GFRP筋在20～100 ℃弹性模量出现增加的趋势，100～120 ℃呈递减变化规律。BFRP和GFRP筋拉伸弹性模量分别降低5.4%和13.9%，且GFRP筋弹性模量受温度影响较BFRP筋稍大。

(3) BFRP与GFRP筋极限抗拉强度ftu均随温度的增加呈递减趋势，极限抗拉强度和常温相比分别降低9.8%和10.6%。

(4) 在20～100 ℃范围内，BFRP和GFRP筋极限抗拉应变εtu均呈递减趋势；100～120 ℃范围内，BFRP筋递减而GFRP筋呈稍增现象，两者降幅分别为20.4%和21.5%。

(5) 在100～120 ℃温度范围内，GFRP筋比BFRP筋对温度较敏感。

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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

国家“十二五”科技支撑计划课题(2013BAJ12B05)；新疆维吾尔自治区优秀青年科技创新人才培养项目(2014721012)； 乌鲁木齐市建委建设科技项目资助(2015020)

万朝阳(1991-)，男，湖北仙桃人，硕士生，从事复合材料研究。

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

陈国新(1978-)，男，新疆巴州人，副教授，硕士生导师，从事新型建筑结构体系以及复合材料方面的研究。

Tel.：15199062296； E-mail：xjbnchgx@163.com

TB 332； TU 599

A

1006-7167(2017)02-0030-04