不同直径GFRP和BFRP筋高温后受剪与受压性能*

谢青海,孙成建,肖建庄,赵李荣

(1.江苏海洋大学 土木与港海工程学院,江苏 连云港 222005; 2.同济大学 土木工程学院,上海 200092; 3.江苏省海洋工程基础设施智能建造工程研究中心,江苏 连云港 222005)

0 引言

近年来,纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer,简称FRP)在工程中得到广泛应用,其中GFRP和BFRP筋因在电磁场中绝缘、不导电、绝热性好,故常被应用于防电磁干扰的特殊环境混凝土结构中[1-3]。FRP筋应用到混凝土结构中需要应对很多挑战,高温作用就是其中之一[4]。研究表明,FRP筋树脂基体在玻璃态转化温度Tg时会软化,当温度超过Tg后,弹性模量因其分子结构变化而显著降低[5]。当温度继续升高时,超过树脂分解温度Td后,树脂会发生热分解,纤维则彼此分离,导致FRP筋力学性能急剧降低直至丧失[6]。

国内外学者持续研究FRP筋高温力学性能。Ashrafi等[6]、Wang等[7]和Hajiloo等[8]研究了高温中玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋抗拉性能退化规律。结果表明,当温度为350～450 ℃时,由于树脂发生热分解,GFRP筋抗拉强度显著下降50%～70%。Najafabadi等[9]在Ashrafi等[6]的基础上,将GFRP筋埋入混凝土套筒中,发现包覆混凝土可减少GFRP筋约20%的抗拉强度损失。

为更全面地了解FRP筋高温力学性能,朱德举等[10]通过双剪试验研究了小直径(<5 mm)GFRP筋和玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋不同高温后抗剪性能,发现筋材剪切强度随着温度升高均呈先上升后下降趋势。而蔡启明等[11]通过短梁剪切试验发现,直径为12和16 mm的GFRP筋和BFRP筋的剪切强度均随温度升高呈现下降趋势。唐利等[12]则通过高温后冲切试验方式,发现直径为8 mm的BFRP筋抗剪强度随温度升高而降低。

已有文献对FRP筋高温受拉性能研究较为充分。但由于FRP筋为各向异性材料,高温后抗剪和抗压强度退化情况仍需深入研究,以便对不同直径FRP筋高温力学性能有更全面的认识[11]。本研究通过高温后双剪试验和抗压试验,研究不同直径GFRP筋和BFRP筋高温后的破坏模式和力学性能退化情况;进一步基于Weibull模型对GFRP筋和BFRP筋高温后剪切和抗压强度进行统计分析,量化高温力学性能的变异性。

1 试验材料及分组

选用带肋GFRP筋和BFRP筋,基体为环氧树脂。以直径16 mm筋材为例,其尺寸及形貌示意图见图1。试验温度分别取室温(20 ℃),50,200,250,300,350,400 ℃。剪切试验取直径为6,10和16 mm的BFRP和GFRP筋,抗压试验取直径为10和16 mm的BFRP和GFRP筋,试件基本信息见表1。剪切试验试件长度为300 mm,抗压试验试件长度取为直径的2倍。

2 试验方法及装置

2.1 高温试验

基于《纤维增强塑料高低温力学性能试验准则》(GB/T 9979—2005)要求,并综合朱徳举等[10]和蔡启明等[11]采用的高温试验方法,以确保FRP筋内外达到一致温度。在高温试验中,升温速率采用5 ℃/min,达到设定温度后恒温2 h,之后FRP筋在高温炉里冷却至常温,升温曲线如图2所示。通过称量所有试件在高温前后的质量,计算不同直径FRP筋经历高温后的烧失量。

图2 升温曲线Fig.2 Heating curve

另外参考规范《玻璃纤维增强塑料树脂含量测试方法》(GB/T 2577—2005),对FRP筋的树脂含量进行测试。同样基于高温前后质量差异,计算得到不同直径FRP筋的树脂含量。

2.2 剪切试验

参考规范《土木工程用玻璃纤维增强筋》(JG/T 406—2013),采用双剪测试装置(见图3)。采用位移加载方式,加载速率为2 mm/min。每种温度试件数量为6个,试件长度为300 mm。

图3 FRP筋剪切试验设备Fig.3 Shear test equipment for FRP bars

剪切强度计算公式为

fv=P/2A。

(1)

式中:fv为FRP筋剪切强度,MPa;P为最大破坏荷载,N;A为FRP筋横截面积,mm2。

2.3 抗压试验

目前尚无FRP筋受压试验统一标准,参考文献[12],FRP筋试件长度取为直径的2倍。装置如图4所示,采用位移加载方式,加载速率为1 mm/min。每种温度试件数量为6个。取直径16 mm的FRP筋测试高温后的受压弹性模量。

图4 FRP筋抗压试验设备Fig.4 Compression test equipment for FRP bars

3 试验结果与分析

3.1 烧失量

不同高温后的GFRP筋和BFRP筋烧失量见图5。当温度达到150 ℃时,已经超过玻璃态转化温度Tg,环氧树脂开始软化,烧失量无明显变化。当温度超过300 ℃时,环氧树脂开始快速分解,烧失量随温度升高而急剧增加。当温度为350 ℃时,GFRP筋平均烧失量为6.72%,BFRP筋平均烧失量为8.14%;当温度达到400 ℃时,两种FRP筋的烧失量快速增加到15%到20%;BFRP筋的烧失量比GFRP筋略高。

图5 不同温度后FRP筋烧失量Fig.5 Ignition loss of FRP bars after different temperatures

不同直径的GFRP筋和BFRP筋树脂含量如图6所示。GFRP筋树脂平均含量约为19.71%,BFRP筋树脂平均含量约为21.52%。对比图5和图6可以发现,400 ℃时大部分树脂已分解。

图6 不同直径FRP筋树脂含量Fig.6 Resin content of FRP bars of different diameters

3.2 高温后试件破坏模式

3.2.1 受剪破坏模式 GFRP筋和BFRP筋高温

后受剪破坏模式见图7。以BFRP筋为例,其在室温(20 ℃)和150,200和250 ℃高温后,FRP筋受剪处出现裂缝,并且裂缝长度随着温度的升高而延伸;当在300 ℃高温后,FRP筋受剪处的纤维束与树脂发生剥离。在不同高温后,FRP筋受剪破坏模式可分为5种:① 受剪处两端均未断裂;② 受剪处一端断裂;③ 受剪处两端断裂;④ 受剪处纤维束呈松散状;⑤ 受剪处纤维丝呈蓬松状。随着温度的升高,受剪处的形状越来越不规则,破坏越来越严重。GFRP筋破坏模式与BFRP筋类似,如图7f所示。

a 20 ℃

b 200 ℃

c 300 ℃

d 350 ℃

e 400 ℃

f GFRP筋图7 不同温度后FRP筋受剪破坏模式Fig.7 Shear failure mode of FRP bars after different temperatures

从图7f中也可以明显看出GFRP筋树脂炭化过程:随着温度升高,GFRP筋颜色由浅绿色逐渐转变成浅褐色、深褐色、炭黑色。而BFRP筋表面颜色随温度变化不明显,最后转变为炭黑色。

3.2.2 受压破坏模式 不同高温后GFRP筋和BFRP筋的受压破坏模式见图8。FRP筋受压破坏模式可分为3种:① 端部破坏;② 劈裂破坏;③ 剥离破坏。随着温度的升高,FRP筋破坏时纵向裂缝逐渐变宽,承压面裂纹逐渐增宽。BFRP筋破坏模式与GFRP筋类似,如图8b所示。

b BFRP筋图8 不同温度后FRP筋受压破坏模式Fig.8 Compression failure mode of FRP bars after different temperatures

3.3 高温后FRP筋剪切性能退化分析

3.3.1 高温后FRP筋剪切荷载—位移曲线 高温后FRP筋剪切荷载—位移曲线见图9。当温度不超过300 ℃时,树脂分解较少,FRP筋中的纤维和树脂基体共同抵抗剪力;随着荷载增加,内部裂纹开展,FRP筋中的纤维和树脂基体共同承受荷载的能力被削弱,剪切变形主要由树脂基体承担,荷载增长较慢;随着树脂基体的承担剪切变形达到极限,剪应力重新分配,剪切变形主要由纤维承担,荷载增长速度明显加快,直至纤维被剪断,最终FRP筋呈脆性破坏[10]。当温度达到350 ℃时,大量树脂发生不可逆分解,严重降低了纤维和树脂基体的共同作用。随着位移增加,荷载增长缓慢,峰值荷载对应的位移明显增加。经历400 ℃高温后,FRP筋树脂与纤维的粘结基本丧失(如图7e所示),峰值荷载迅速降低。直径16 mm的GFRP筋由于纤维全部散落,未能测得400 ℃后的剪切强度。总体而言,FRP筋破坏时的峰值荷载与对应位移随着FRP筋直径变大而增加。

a GFRP筋(直径6 mm)

b GFRP筋(直径10 mm)

c GFRP筋(直径16 mm)

d BFRP筋(直径6 mm)

e BFRP筋(直径10 mm)

f BFRP筋(直径16 mm)图9 高温后FRP筋剪切荷载—位移曲线Fig.9 Shear load—displacement curves of heated FRP bars

3.3.2 高温后FRP筋相对剪切强度 高温后FRP筋相对剪切强度见图10。可以发现,随着温度升高,FRP筋剪切强度总体呈先升高后下降趋势。

b BFRP筋

c GFRP筋与BFRP筋对比图10 高温后FRP筋相对剪切强度Fig.10 Relative shear strength of heated FRP bars

如图10a所示,GFRP筋剪切强度在300 ℃及之前,高于常温值,之后则迅速降低。350,400 ℃高温后,直径越大的GFRP筋,相对剪切强度越小。结合图10a与图5可以发现,GFRP筋烧失量在300 ℃之前较小,在300 ℃之后迅速增加,与GFRP筋的剪切强度变化规律吻合。这主要由于当温度低于300 ℃时,树脂从固态到玻璃态,冷却至室温后树脂再从玻璃态转变为固态的过程增加了GFRP筋的硬度,使得GFRP筋剪切强度有所升高;当温度高于300 ℃时,树脂基体发生不可逆分解,是导致剪切强度退化的重要原因[10-11]。

图10a也对比了其他试验结果。可以看出,本文GFRP筋高温后剪切强度退化规律与付亚男[13]试验结果较为接近。朱德举等[10]试验结果表明,4 mm GFRP筋在300 ℃后剪切强度即有约20%退化,同时300 ℃之后的退化程度与本文相比较缓。Robert等[14]测试了GFRP筋高温时的剪切强度,结果显示,GFRP筋剪切强度在温度为100 ℃时即下降超过10%,在300 ℃时则下降约75%,退化程度显著高于图10a中高温冷却后的结果,这说明GFRP筋在高温冷却后剪切强度有明显恢复。

与GFRP筋类似,如图10b所示,BFRP筋的剪切强度在300 ℃之后有明显下降,并且直径越大退化越显著。强度退化原因与GFRP筋类似。直径为6 mm的BFRP筋在本文试验温度内,相对剪切强度均高于其他直径的BFRP筋,且在350 ℃及之前,高于朱德举等[10]关于4.45 mm BFRP筋相对剪切强度的试验结果。唐利等[12]基于冲压式试验、蔡启明等[11]通过短梁试验测得BFRP筋高温后的剪切强度,其退化程度比本文和朱德举等[10]的结果均更严重。

本文GFRP筋与BFRP筋相对剪切强度对比如图10c所示。可以发现,除了直径为6 mm的BFRP筋在200,300,350 ℃相对剪切强度较高外,其他相同直径的GFRP筋与BFRP筋高温后的剪切强度退化规律基本相同,在300～400 ℃高温作用后,相对剪切强度随温度升高而直线下降。直径为10 mm的FRP筋相对剪切强度在350 ℃为75%左右,到400 ℃则迅速降到32%;直径为16 mm的FRP筋则从50%迅速降到30%。这表明直径增加引起的相对剪切强度退化程度,显著低于高温作用。

此外,在300 ℃后,直径越大的筋材,剪切强度损失越多。结合图5中烧失量数据与图7中筋材高温后形貌,可以看出,树脂的炭化显著降低了内部纤维与树脂的共同作用,内部纤维间的空隙增多,达到峰值荷载的剪切变形则较大[10]。而直径越大的筋材,在剪切变形作用下,更多的纤维过早退出,引起剪切强度退化更多。

3.3.3 高温后FRP筋剪切强度变异性 Weibull分布常用于FRP筋强度变异性描述[10,15]。两参数Weibull分布函数的基本形式为

(2)

式中:f(x|α,β)为累积失效概率;x为FRP筋强度;α为尺度参数;β为形状参数。

高温后FRP筋剪切强度Weibull分布曲线见图11。当温度小于300 ℃时,其剪切强度的分布集中于150～250 MPa,当温度高于300 ℃时,对应的Weibull分布曲线处于低强度区。与试验结果对比可以发现,Weibull模型可以较好地描述剪切强度概率分布。

a GFRP筋(直径6 mm)

b GFRP筋(直径10 mm)

c GFRP筋(直径16 mm)

e BFRP筋(直径10 mm)

f BFRP筋(直径16 mm)图11 高温后FRP筋剪切强度Weibull分布累积失效概率曲线Fig.11 Cumulative failure probability of shear strength of heated FRP bars based on Weibull distribution

3.3.4 高温后FRP筋相对剪切强度回归分析 通过对高温后FRP筋相对剪切强度进行回归分析,得到FRP筋相对剪切强度随温度变化计算公式。基于有理分式[16]得到FRP筋相对剪切强度拟合公式(3),FRP筋相对剪切强度与拟合曲线对比如图12所示,可以发现,拟合公式与试验结果吻合较好。

图12 高温后FRP筋相对剪切强度拟合曲线Fig.12 Fitting curve of relative shear strength of FRP bars after high temperatures

(3)

式中:T为温度,℃;d为FRP筋直径,mm;fs0为常温时抗剪强度,MPa;fs,T为高温T后抗剪强度,MPa。

3.4 高温后FRP筋抗压性能退化分析

3.4.1 高温后FRP筋受压应力—应变曲线 高温后16 mm直径FRP筋受压应力—应变曲线见图13。可以发现,FRP筋受压应力—应变曲线为斜直线,各曲线斜率相近,破坏时FRP筋突然断裂,属于线弹性材料,无屈服平台。基于应力—应变曲线,计算得到高温后FRP筋受压弹性模量,如图14所示。在室温时,测得GFRP筋和BFRP筋平均受压弹性模量分别为42.65 GPa和63.99 GPa。在150,200,250和300 ℃高温后,FRP筋的弹性模量均无明显变化。由于350 ℃高温后筋材已经严重受损,无法贴应变片,因而未测得相应弹性模量。

a GFRP筋

图14 高温后FRP筋受压弹性模量Fig.14 Compressive elastic modulus of heated FRP bars

(4)

3.4.2 高温后FRP筋相对抗压强度 高温后FRP筋相对抗压强度见图15。从图15a中可以看出,GFRP筋抗压强度退化也可分为两段:300 ℃之前略有增加并缓慢下降,或者持续缓慢下降,而300 ℃之后迅速降低。结合图5中的高温烧失量分析,可以认为在300 ℃之前,树脂分解较少,冷却后性能得以恢复,由于树脂与纤维之间热膨胀系数等热工性能差异导致纤维与树脂之间的界面性能有所降低[10],抗压强度退化不多;而在350和400 ℃高温后,大量树脂不可逆分解,造成GFRP筋抗压强度快速下降。直径为10 mm GFRP筋在350和400 ℃后分别降低了78.01%和98.17%,而直径为16 mm FRP筋分别降低了85.87%和99.58%。400 ℃高温后,抗压强度可以认为完全丧失。

a GFRP筋

c 不同直径FRP筋拟合图15 高温后FRP筋相对抗压强度Fig.15 Relative compressive strength of FRP bars after high temperatures

如图15a所示,Alajarmeh等[17]研究了常温至140 ℃时不同长径比(l/d=4)的GFRP筋高温抗压强度,发现在温度超过100 ℃时,GFRP筋抗压强度退化已经超过50%。通过对比本文高温冷却后的结果,可以发现GFRP筋抗压强度在高温冷却后有显著恢复。BFRP筋高温后抗压强度退化,如图15b所示,以300 ℃为界限,退化规律与GFRP筋类似。唐利等[12]的研究结果得到的高温后抗压强度退化规律与本文相似,在350 ℃高温后,抗压强度损失约80%。

图15a和b同时对比了朱德举等[10]关于GFRP筋和BFRP筋高温后抗拉强度试验结果,可以发现抗拉强度在350 ℃退化较少。在其他温度退化规律与抗压强度类似。

GFRP筋与BFRP筋高温后抗压强度退化规律对比如图15c所示。可以发现,经历相同温度后,GFRP筋相对残余抗压强度略高于BFRP筋。在300～400 ℃高温作用后,相对抗压强度随温度升高而迅速下降。直径为10 mm的FRP筋相对抗压强度在300 ℃为95%～105%,到350 ℃则迅速降到20%～25%;直径为16 mm的FRP筋则从65%～80%迅速降到约10%～15%;到400 ℃均基本完全损失强度。这表明温度升高引起的相对抗压强度退化程度,显著高于直径增加。

直径越大,GFRP筋和BFRP筋高温后的抗压强度退化均越显著。由于FRP筋中纤维方向与受力方向相同,纤维对抗压强度贡献较小,抗压强度主要由树脂提供。在高温作用后,树脂逐渐分解炭化,内部结构开始变得松散[11]。同时FRP筋直径越大,内部初始缺陷越多,当温度升高时,内部顺着纤维方向的裂纹也越多。受压时,这些裂纹进一步扩展,因而直径更大的FRP筋强度退化更多。

3.4.3 高温后FRP筋相对抗压强度回归分析 FRP筋相对抗压强度拟合曲线如图15c所示,对应的拟合公式如式(4)所示,可以看出,公式与试验结果吻合较好。

4 结语

(1) 高温会导致GFRP筋和BFRP筋形貌发生显著变化。当温度高于300 ℃时,FRP筋烧失量明显增大,FRP筋中的树脂基体发生不可逆分解,树脂与纤维的共同作用迅速减弱,造成受剪与受压性能显著退化。高温引起的强度退化,比直径引起的强度退化更为显著。

(2) 随着温度升高,GFRP筋和BFRP筋剪切强度均先增加后减小。当温度高于300 ℃时,剪切强度迅速下降,且直径越大强度退化越多。

(3) 经历相同温度后,直径越大的FRP筋抗压强度损失越多。BFRP筋高温后的受压弹性模量高于GFRP筋,两者弹性模量在300 ℃之前近似保持不变。GFRP筋和BFRP筋高温后抗压强度比剪切强度退化更严重,且变异性更高。

(4) 基于Weibull分布模型,建立了FRP筋高温后剪切强度和抗压强度概率模型,能较好反映其变异性。同时本文给出了FRP筋高温后剪切和抗压强度计算公式,与试验值吻合较好,可供相关分析与设计参考。