田 伟,郑祖嘉

(1.湖北乐忠信工程咨询有限公司，武汉 430074;2.武汉科技大学城市建设学院, 武汉 430065)

玻璃纤维增强塑料筋的强度与断裂模式研究

田 伟1,郑祖嘉2

(1.湖北乐忠信工程咨询有限公司，武汉 430074;2.武汉科技大学城市建设学院, 武汉 430065)

GFRP筋拉伸力学性能与破坏形态不同于常见的工程应用材料。利用烧失实验测得不同GFRP杆件中树脂的含量，通过对杆件的一次拉伸，观察不同树脂含量下杆件从受力到破坏的整个过程中的表观特征，并测得初裂荷载与破坏荷载。对比分析不同树脂含量的GFRP筋在受拉伸荷载作用下的初裂荷载以及破坏荷载表明：GFRP筋为脆性材料；不同树脂含量下杆件首先是以剪应力错动为主，而后转为树脂和纤维的共同断裂与剪应力错动综合而破坏；不同树脂含量下的GFRP筋随着树脂含量的增加呈先增大后减小的趋势；GFRP杆件的破坏强度较高，可以起到代替钢筋的作用。

GFRP筋； 破坏模式； 拉伸试验； 树脂含量

钢筋锈蚀一直是钢筋混凝土结构的一个重要课题,尤其在海洋、道路、化工及盐害地区结构工程中，钢筋锈蚀十分严重，是导致结构丧失承载力，难以达到预期使用寿命的主要因素[1]。针对这种情况，人们提出了采用增强纤维材料(FRP)替代钢筋的思路。玻璃纤维增强塑料筋GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic Rebar简称GFRP Rebar)是以连续玻璃纤维为增强材料，以合成树脂为基体材料，并掺入适量辅助剂，经拉挤成型技术和必要的表面处理形成的一种新型复合材料[2]。GFRP具有质量轻、抗冲击和疲劳韧性好、成型周期短、可循环利用等优点，在20世纪70年代投入使用后便在机电工业、防腐工程、建筑工业以及航空航天、船舶、车辆等许多领域应用广泛[3,4]。

1 GFRP杆件拉伸强度理论及断裂模式

GFRP是典型的纤维复合材料，它是由玻璃纤维和树脂聚合而成。当GFRP杆件承受荷载时，所受的荷载由玻璃纤维与树脂基体共同承担[5]。

单向连续纤维复合材料沿纤维排列方向的强度和模量均很高，因此是受力结构复合材料中最重要的一类。由于GFRP杆件是正交各向异性，且拉伸和压缩强度又不同的材料，所以在平面应力状态下有五个独立的参数，最大应力强度如公式(1)所示。

(1)

不论何种应力状态，只要任何一个应力分量达到相应的强度参数，即外部施加的力超过临界应力时，就会产生一个或几个断裂过程，最重要的3种模式如图1所示。

施加平行于纤维方向的应力σ1会引起纤维及基体的断裂，断裂的路径垂直于纤维轴线方向；在横向拉伸及断裂模式中，强度会很低，施加σ2或τ12会引起与纤维平行方向的断裂，在这种情况下，断裂可能发生在基体内部、纤维与基体的界面，也可能发生在纤维内部。

事实上，基体的微小裂纹并不能引起基体完全不承受荷载，纤维即使断裂为碎片以后，还能传递一定的应力。所以GFRP杆件在发生细微损伤后，应力-应变曲线的斜率只会有微小的变化，并不会立即变为0，这种现象的发生是由于即使是在纤维或基体断裂后，荷载还会通过界面而传递。

由于杆件所受荷载由纤维与树脂基体共同承担，所以纤维与树脂基体在杆件中的配比的不同，必将导致杆件发生断裂的荷载的差异。

2 GFRP力学性能实验

2.1 实验材料

实验选取由深圳海川材料有限公司生产的GFRP筋，基体材料选用乙烯基，直径选用Φ16、Φ20、Φ25的GFRP筋，筋体表面有螺纹。

2.2 试验标准

GFRP杆件基体含量试验采用《玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法》(GB/T 2577—2005)，GFRP筋拉伸试验采用我国国家标准中的《拉挤玻璃纤维增强塑料杆拉伸性能实验方法(GB T 13096 11一91)》进行力学性能试验研究。

2.3 试样形态

测量树脂含量试验中，将GFRP杆件切割成5 cm左右长度，之后放进马弗炉，在指定的温度下进行烧失。

拉伸试验中为了能够保证GFRP杆件在拉伸过程中不会因为万能试验机夹具压力过大而发生损坏，我们选取两端带有钢套筒的GFRP杆件进行拉伸试验。两端钢套筒长度为20 cm,裸露在外的GFRP杆件长度为40 cm，如图2所示。

2.4 试验方法

测量树脂含量试验中，在(625±20)℃的马弗炉中加热坩埚15 min，冷却至室温后称量，重复操作直至两次称量结果差不超过1 mg。将盛有直径为12～28 mm GFRP试样的坩埚放入马弗炉，升温至350～400 ℃后恒温0.5 h，再升温630 ℃恒温直至烧失完成。去除残留物放入干燥器冷却，进行称量，然后重复灼烧恒温冷却直至两次质量差不超过1 mg。

拉伸实验仪器采用电液伺服万能试验机。选取直径为12～28 mm带套筒的GFRP杆件各3根，每种直径取三根以2 mm/min的速率进行一次拉伸加载，在加载过程中观察筋体表面破坏情况，并记录初次发出劈裂响声时的荷载数值，以及杆件破坏时的荷载值，杆件破坏形态如图3所示。

3 实验结果

烧失实验中，利用式(2)，得出树脂含量，结果如表1所示。式中M1为树脂含量；m1为坩埚质量；m2为坩埚和试样质量和；m3为残余物和坩埚质量和。

(2)

拉伸试验中，加载初期，GFRP杆体表面没有出现裂痕，在加载过程中也不发出任何的响声。当拉伸荷载增长到一定的数值时，GFRP杆体开始发出劈裂的响声。通过对杆体表面的观察，发现在发出劈裂响声的同时，在杆体靠近两端1/4处出现平行于纤维方向的细小裂缝。同时，用手触摸筋体表面，能明显的感受到在筋体的两端有由于裂缝的出现而发生的细微震动。由于杆体受力为轴向受拉，故在垂直于纤维方向不受外力，这就表明此时复合材料的断裂模式以图1中切应力引起的错动为主要模式。随着拉伸荷载的继续增加，筋体发出劈裂响声的频率越来越高，在杆体1/2处也出现细小裂缝，与此同时，劈裂声也逐渐明显。当筋体发出的劈裂声频率高于1次/s时，拉伸荷载已经接近GFRP筋的破坏荷载。继续加载，筋体发出巨大响声，并且筋体材料发生整体性的剥离，呈束状。此时筋体破坏，并不再能够承受拉伸荷载。这时复合材料的断裂裂痕中不仅有顺着纤维方向的，也有垂直于纤维方向的。断裂模式很显然是由图1中的第一和第三种模式混合而成的破坏模式。表1中所显示的是一次拉伸加载下不同树脂含量的GFRP杆件所对应的初响与破坏荷载值。

表1 不同树脂含量的GFRP筋所对应的初裂与破坏荷载

从表1中可以看出，每一种直径的GFRP杆件所对应的树脂含量都不同，而不同树脂含量的GFRP筋所对应的初裂荷载与破坏荷载也不相同。将树脂含量按从低到高排列，观察树脂含量对GFRP杆件开裂与破坏的影响趋势，从初裂荷载曲线可以看出，当树脂含量较低时，杆件的初裂荷载随着树脂含量的增多而增大，当树脂含量较高后，杆件的初裂荷载随着树脂含量的增多而减小。从破坏荷载可以看出，当树脂含量较低或较高时，荷载没有明显的上升和下降的趋势，树脂含量接近15.2%左右时，出现较为明显的峰值。

4 结 论

a.GFRP杆件在整个拉伸过程中并不像钢筋那样经过非常明显的四个阶段，在杆件破坏之前也没有明显的特征，所以GFRP杆件为脆性材料，在实际工程应用中应留取一定的安全储备。

b.不同树脂含量的GFRP杆件在受拉伸荷载作用下，初裂破坏的位置均是在靠近杆体两端1/4处，且此时的断裂模式以剪应力引起的错动而导致的基体发生剪切破坏为主。之后随着荷载的增加，初裂破坏的位置由杆体两端向中间延伸。随着荷载的增加，杆体表面裂缝逐渐增多直至杆体发生整体的破坏，此时的断裂模式除了有因为剪应力而引起的错动，还有纤维和基体发生的断裂。

c.通过比较GFRP杆件的破坏荷载，最小强度为547.4 MPa，能够满足代替钢筋在建筑结构中起到轴向受拉的作用。

[1] 徐新生，郑永峰.FRP筋力学性能试验研究及混杂效应分析[J]. 建筑材料学报，2007,10(6):705-710.

[2] 金清平．复合材料土钉支护性能试验分析与应用研究[D]．华中科技大学，2011.

[3] 李国维,刘朝权,黄志怀,等．应用玻璃纤维锚杆加固公路边坡现场试验[J]．岩石力学与工程学报,2010(9):4057-4061.

[4] 黄生文,邱贤辉,何唯平,等.FRP土钉主要性能的试验研究[J].土木工程学,2007,40(8):74-78.

[5] 曾庆敦.复合材料的细观破坏机制与强度[M].科学出版社,2002.

Research on Strength and Fracture Modes of GFRP Bars

TIAN Wei1,ZHENG Zu-jia2

(1.Hubei Lezhongxin Engineering Consulting Co, Ltd,Wuhan 430074,China;
2.School of Urban Construction,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430065,China)

Fiber content of different GFRP bars were measured firstly, and primary tensile tests were conducted to observe apparent features of GFRP bars with different resin content. Different values of the first crack load and failure load under different tensile loads were compared and analyzed. Test results show that GFRP bar is brittle material.The fracture modes of GFRP bars with different resin content are basically the same in different stages, the characteristic appears shear dislocation at first, and then combination breakup of resin-and-fiber. The first crack load and failure load of GFRP bars are different, and increase firstly with the fiber content increasing, and then decrease. With a high level of fracture strength, GFRP bars can replace reinforcement.

GFRP bar; fracture modes; tensile test; substrate content test

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.007

2014-12-15.

田 伟(1974-),工程师.E-mail:251863776@qq.com