GFRP板材热性能分析①

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(同济大学土木工程学院，上海 200092)

0 引 言

近年来，异形曲面幕墙逐步进入大众视野，由于技术与成本等因素的影响，传统幕墙材料难以满足要求。玻璃纤维增强复合材料(Glass-Fibre-Reinforced Polymer，简称GFRP) 是由玻璃纤维与基体材料按比例以一定工艺混合成型的高性能新型材料应运而生[1]。GFRP材料力学性能突出，同时由于其特殊的热性能，使其在曲面加工成型方面具有显著优势[2]，因此在建筑领域有很大的发展前景，如梦露大厦和德国DZ银行[3]。依托为福州某商业广场造型，该结构的建筑标高9.8m，俯视角度整体呈现为外径43m的圆形，用于覆盖三个柱中部直径约25m的圆形下沉式广场。该项目作为国内首次全GFRP立面结构，其主要有两个难点，其一为曲面热加工成型工艺的温控精度，其二为材料本身存在环氧树脂所导致的抗火性能缺陷。主要针对抗火性能通过Abaqus数值模拟与不燃性试验寻找解决方案。

1 材料制备与DMA实验

1.1 GFRP材料制备

采用真空辅助树脂传递模塑(简称VARTM)加工方式。该工艺是将增强材料置于已完成的真空装置中，在一定压力与温度下通过抽入树脂(基质)与复合材料充分融合浸润，通过固化与后固化得到材料。

实验采用的VARTM工艺为常温固化脱模，2h成型，24h固化，70℃后固化，玻璃纤维作为增强材料，按±45°方向铺设，基质为环氧树脂。添加剂为粉末阻燃剂。玻璃纤维质量分数为70%，实验方案布置如图1，实验板材如图2。

图1 VARTM实验方案

图2 GFRP板材试件

1.2 DMA实验

动态热机械分析(DMA)实验是用以测量粘弹性材料的力学性能与时间、温度或频率的关系。 DMA的实验原理：作为基质的高聚物是一种粘弹性材料，一方面像弹性材料具有储存机械能的特性，另一方面又像粘液一般会损耗能量而不储存能量。当这种材料变形时，一部分能量变成位能，另一部分变成热损耗。当温度升高时，材料贮能模量、损耗模量和力学损耗角均会发生变化，尤其在玻璃态转化温度(Tg)附近存在突变，因此通过DMA实验可测定该GFRP板的Tg以此确定曲面加工温度区间。

图3 DMA实验设备：DMA Q800

图4 贮能模量-温度曲线

选用DMA Q800试验机如图3，截取GFRP标准试件的名义尺寸为84.8mm×12.7mm×4.5mm，共5组，选取第三组Y3得右侧贮能模量温度曲线，贮能模量表示黏弹性材料在形变过程中由于弹性形变而储存的能量。由图4可以看出在温度70-80℃范围内贮能模量到达峰值，以此确定该GFRP材料Tg范围为70-80℃。当温度大于100℃，贮能模量下降趋于稳定。因此该材料热加工温度可选取100-120℃。对于整体板材点位温度本文不做详细描述。

2 GFRP材料火灾数值模拟

对GFRP进行火灾数值模拟[4]，使用Abaqus有限单元分析软件，建立复合材料模型，模型如图5所示。该模型尺寸为400mm x 400mm，共8层，每层厚度0.6mm，总厚度为4.8mm；各层加强方向按照±45°堆叠。网格采用热传递DS8，玻尔兹曼常数为5.67e-8。拟采用单面接触加热，材料和外界初始温度均为293K，材料热辐射率取0.9。向火面热对流系数取为25，背火面热对流系数取为8。对GFRP板进行热传递瞬态分析模型如图5。

图5 复合材料模型

图6 升温曲线

图7 无阻燃剂试件

图8 不燃性试验炉

分别进行有阻燃剂和无阻燃剂模拟实验，模拟得到升温曲线图6所示，外界按照IS0834标准升温曲线，GFRP-W1为无阻燃剂升温曲线，GFRP-Y1为表面设置1mm阻燃剂升温曲线。

3 GFRP材料火灾实验模拟

实验材料选用上述工艺制备玻纤含量约70%的GFRP板材两块，其中一块添加10%含量阻燃剂，另一块板不添加阻燃剂。见图7和图8，按照试验方法将分别将两块板加工成标准圆柱状试样各两组，经过状态调节后进行试验。选用建筑不燃性试验机，实验前后分别对试样进行称重，调节炉内温度约为750℃左右。

首先进行未添加阻燃剂的W1、W2两组实验。将试样固定后迅速放入炉内，炉内温度、试样中心和表面温度的具体变化曲线如图9。未添加阻燃剂的两组试验现象基本相同。当实验时间约为60s时，试样开始燃烧，燃烧状况较为剧烈且持续时间较长，当时间约为600s时燃烧逐渐停止，不再有燃烧现象出现。后取出试件，试件为通红状态，冷却后可明显看出为层状玻纤，上附有黑色疑似碳化，进行称重最终损失质量约为30%。

然后进行添加阻燃剂的Y1、Y2两组实验。将试样放入炉内后，约在60s时开始燃烧。燃烧大概可分为三个过程，初始时开始燃烧，燃烧状态并不剧烈，不间断出现自熄灭现象并伴随黑烟产生，此状态持续约90s；随后燃烧情况类似未添加试件，持续大约150s；随后又进入燃烧抑制状态，燃烧不剧烈，火焰不间断自熄，伴随黑烟生成，这种状态持续约300s左右。最终在600s左右时完全熄灭，试验结束后剩余物质与未添加阻燃剂类似，质量损失率约为25%。温升曲线如图10。

图9 无阻燃剂升温曲线

实验结果显示无阻燃剂试样质量损失率在30%左右，有阻燃剂试样质量损失率在25%左右。炉内温升200℃左右，火焰持续时间无阻燃剂约为500s，有阻燃剂约为300s，具体信息如表1所示。

表1 不燃性实验结果

4 分析与讨论

4.1 GFRP热加工性能

通过DMA实验，如图4中贮能模量在60℃开始快速上升由玻璃态逐步进入玻璃态转化区，在70-80℃出现峰值，即为目标材料的Tg，随后开始快速下降。当温度超过100℃后贮能模量下降趋缓到达高弹态橡胶态，此后温度升高贮能模量变化较小，由此可以看出该温度适宜材料二次加工。同时材料此时的塑性提高，此后温度再升高，材料的贮能模量基本不再发生变化，冷却后回弹较小。从而可以得出该种材料的理想热加工温度即为100℃以上，考虑技术、成本等因素合理加工区间为100-120℃。

图10 有阻燃剂升温曲线

4.2 GFRP火灾情况模拟

对于热加工环境较为单一，加热状态下主要依靠热传导进行传热，且加热温度固定，火灾状态下，热传递主要依靠热辐射和热对流，且外界温度处于不断升高状态，较为复杂。

数值模拟中，选择单面接触加热与实际火灾的复杂情况并不完全相同，参数选择存在偏差。由于GFRP材料本身含有作为基质的可燃物环氧树脂，导致材料升温较快。另由于背火面平均温度升高140℃即代表材料丧失隔热性，由图6可以看出即在300s左右材料即丧失隔热性，对比添加阻燃剂与未加阻燃剂两条升温曲线，添加阻燃剂可使材料丧失隔热性时间延长40%，效果较为显著。

不燃性试验中由试验结果表格汇总如上表所示，质量损失率均小于35%，但炉内温升(200℃ > 50℃)和火焰持续时间(540s，300s > 20s)都不满足要求，因此不满足不燃性材料的不燃性试验要求。添加阻燃剂组的燃烧状态比起不添加阻燃剂有所改善，火焰持续时间大幅度缩短，样表温度降低可延缓结构破坏时间。可能存在由于试件切割造成树脂部分外漏现象，降低阻燃效果，通过表面加隔热层可改善阻燃效果。此外燃烧剩余层状玻纤依然具备一定承载能力。

5 结 论

通过对GFRP材料热工性能进行数值模拟和不燃性试验，得出主要结论如下：

(1)通过DMA试验确定该GFRP材料的贮能模量随温度变化曲线，并确定Tg为70-80℃，当温度升至100摄氏度以上时，材料的贮能模量会下降趋缓，因此可将温度范围为100-120℃，可作为异形曲面的加工温度；

(2)火灾情况下，使用GFRP材料抗火性能较差，有无阻燃剂试件炉内温升和火焰持续时间未能满足要求。使用阻燃剂可有效延长起火时间40%左右。试样质量损失小于35%，燃烧完全后剩余玻纤依然有一定承载能力。

(3)由于火灾情况的复杂性，研究可作为指导下一步抗火试验的参考依据，如表面封闭阻燃实验。文中某些数值模拟参数取值为估算值，因此具体数值结果与实际可能存在偏差。

参考文献:

[1] 冯鹏.复合材料在土木工程中的发展与应用[J].玻璃钢/复合材料, 2014(9):99-104.

[2] 何亚飞，矫维成，杨帆.树脂基复合材料成型工艺的发展[J].纤维复合材料, 2011(2):7-13.

[3] MAD建筑设计事务所.梦露大厦2006—2011[J].时代建筑, 2010(1):66-71.

[4] 刘晓蓓，王晓洁，惠雪梅.耐高温环氧树脂研究进展[J].玻璃钢/复合材料，2013(3)：118-121.