金清平，鄭祖嘉，陸 偉，陳 智

（1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢430065；2.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430074）

0 前言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）具有輕質(zhì)高強(qiáng)的力學(xué)性能和優(yōu)異的設(shè)計(jì)性，在交通、建筑、地下工程等諸多領(lǐng)域得到了研究和應(yīng)用［1］，歐美和日本對(duì)FRP 筋在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)相對(duì)中國較早，取得的成果也較高［2－7］。中國在FRP筋研究方面也取得了一些進(jìn)展，研究了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）和GFRP 錨桿在錨固支護(hù)方面的應(yīng)用，應(yīng)用GFRP 筋進(jìn)行了土木工程的支護(hù)、錨固等實(shí)際工程，結(jié)果表明該類材料能發(fā)揮有效的支護(hù)作用，應(yīng)用效果良好，但大規(guī)模應(yīng)用技術(shù)和研究水平都相對(duì)滯后［1，8－9］。GFRP 筋由玻璃纖維與各種高分子聚合而成，目前主要基于經(jīng)濟(jì)性能和耐久性能等因素考慮，選用不同的高分子基體材料，但隨著聚合物基體的改變，筋體性能具有明顯差異性，需掌握其規(guī)律性［2－4］。從細(xì)觀力學(xué)和宏觀力學(xué)不同角度分析其力學(xué)性能，出發(fā)點(diǎn)和手段完全不同。作為滿足工程應(yīng)用要求的力學(xué)性能，更多是基于宏觀力學(xué)考察復(fù)合材料的受力特性，通過常規(guī)的力學(xué)測試工具和方法可獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)。GFRP筋的力學(xué)性能中的拉伸強(qiáng)度規(guī)律和破壞模式是其最基本的性能，也是其推廣應(yīng)用的最關(guān)鍵問題之一，本文通過對(duì)不同尺寸和纖維含量GFRP筋進(jìn)行一次性拉伸和循環(huán)拉伸試驗(yàn)，研究筋體在受力中表現(xiàn)特征、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和破壞形態(tài)，得到GFRP筋拉伸力學(xué)性能與破壞特征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

聚乙烯基體GFRP筋，直徑分別為28、25、22、20、16、12mm，深圳海川材料有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，WAW－1000，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司；

裂縫寬度觀測儀，ZBL－F101，北京智博聯(lián)科技有限公司；

程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，BZ2205C，秦皇島市北戴河蘭德科技有限公司。

1.3 樣品制備

試驗(yàn)GFRP筋體試驗(yàn)長度40cm，2段夾持長度分別為10cm，結(jié)構(gòu)表面呈現(xiàn)螺紋狀；GFRP 筋體1／2及靠近套筒的1／4處粘貼橫向和縱向應(yīng)變片制樣。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

按照GB／T 13096—2008進(jìn)行試驗(yàn)，萬能試驗(yàn)機(jī)拉伸速率為2 mm／min，對(duì)各類筋體進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變測試，測定筋體的模量以及在拉伸中的宏觀表現(xiàn)特征，對(duì)1／2、1／4等處粘貼拉伸方向（縱向）和垂直拉伸方向（橫向）應(yīng)變片，得到GFRP 筋在縱向和橫向的的應(yīng)力應(yīng)變值。

2 結(jié)果與討論

2.1 筋體拉伸形態(tài)

在不同直徑的筋體中，玻璃纖維的體積含量有變化，變化幅度介于63%～72%之間，玻璃纖維體積含量隨著直徑變大，逐漸減小（表1）。

對(duì)直徑28 mm 的聚乙烯基GFRP 筋體進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，當(dāng)拉伸荷載180kN 時(shí)發(fā)出劈裂響聲，在套筒附近1／4處開始出現(xiàn)縱向裂縫，寬度約為0.10mm，并伴隨聲響，如圖1紅色標(biāo)記處。發(fā)生裂縫的位置隨著拉力的增加而逐漸明顯，在250kN 時(shí)卸載，此時(shí)裂縫會(huì)隨著荷載的減少而逐漸閉合，卸載至180kN 后再重新加載，至256kN 時(shí)再次發(fā)出劈裂響聲，在筋體上端1／4范圍內(nèi)再次出現(xiàn)縱向裂縫，寬度約為0.12mm，并伴隨聲響，如圖2所示。

表1 GFRP筋系列直徑的組分含量Tab.1 Component content of GFRP bars with different diameters

圖1 下端套筒附近筋體表面裂縫現(xiàn)象Fig.1 Position，width and shape of bars'surface cracks

圖2 上端套筒附近筋體表面裂縫現(xiàn)象Fig.2 Position，width and shape of bars'surface cracks

圖3 加載中的裂縫擴(kuò)展形態(tài)Fig.3 Crack propagation modes in loading

圖4 直徑28mm 的GFRP筋體的破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes of GFRP bars with a diameter of 28mm

隨著荷載的增加，劈裂聲響頻率加快，出現(xiàn)混雜交織聲響，加載至280kN 時(shí)，筋體表面裂縫出現(xiàn)明顯均布的上下貫通，筋體外表面一定厚度材料與筋體內(nèi)部剝離（圖3）。當(dāng)拉力增大到352kN 時(shí)，外表薄層與筋體分離，材料破壞，破壞強(qiáng)度572 MPa?？v向裂縫均布于桿件四周，在靠近套筒端部有橫向斷裂，如圖4中藍(lán)色標(biāo)記部位，斷裂的裂縫以呈縱向豎直居多。在破壞后繼續(xù)加載，274kN 全部斷裂。若不反復(fù)拉伸，則一次性拉伸破壞的強(qiáng)度（本文定義為直接破壞強(qiáng)度）較反復(fù)加載后破壞的強(qiáng)度（本文定義為循環(huán)破壞強(qiáng)度）值大，后者約為前者的95%左右，而在加載中出現(xiàn)的破壞形態(tài)類似。

根據(jù)GFRP筋體的含量不同，便于進(jìn)行受力特征對(duì)比，選取纖維含量有一定差異的直徑20 mm 的GFRP筋。初次加載至153.5kN 時(shí)有響聲，出現(xiàn)裂紋，繼續(xù)加載至159kN 時(shí)，桿體兩端出現(xiàn)可觀察裂紋，至167.5kN 時(shí)1／4處開始有裂紋出現(xiàn)，至175kN 時(shí)，桿體1／2處有裂紋出現(xiàn)，此時(shí)測得裂紋寬度為0.3mm（圖5），至193kN 時(shí)，響聲頻率加大，桿體中間出現(xiàn)一條貫穿的縱向裂縫，加載至195.5kN 時(shí)，出現(xiàn)外層與內(nèi)層之間的剝離，GFRP 筋產(chǎn)生破壞，破壞強(qiáng)度約622.6 MPa，如圖6所示。

圖5 GFRP筋體1／2處裂紋Fig.5 Crack on the middle of GFRP bars

圖6 直徑20mm 的GFRP筋體的破壞形態(tài)Fig.6 Failure modes of GFRP bars with a diameter of 20mm

對(duì)其他直徑系列GFRP 筋進(jìn)行試驗(yàn)，均會(huì)產(chǎn)生開裂聲響，并出現(xiàn)裂縫，出現(xiàn)規(guī)律與上述描述類似，不同直徑產(chǎn)生此類現(xiàn)象的時(shí)點(diǎn)不同，剝離片尺寸大小不均勻，最大值20.6 mm，最小值5.7 mm，厚度最大值5.2mm，最 小 值1.8 mm，整 個(gè) 裂 縫 寬 度 為0.1～0.4mm，其他試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，對(duì)GFRP 筋體強(qiáng)度和纖維含量進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算單位纖維體積比（表1）條件下的筋體強(qiáng)度值，得到纖維復(fù)合材料中纖維含量的作用效率值。

2.2 拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

以直徑28mm、25mm 筋體為代表進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。得到直徑28mm、25mm 的GFRP筋一次拉伸時(shí)1／2和1／4處縱、橫向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖7所示，通過循環(huán)拉伸筋體，循環(huán)荷載通過加載－卸載－加載的方式進(jìn)行，得到試驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。其中，循環(huán)1表示拉伸加載從破壞荷載的零至30%；循環(huán)2表示拉伸加載從破壞荷載的10%至50%；循環(huán)3表示拉伸加載從破壞荷載的30%至80%；破壞表示拉伸加載從破壞荷載的10%至破壞。

表2 GFRP筋系列直徑加載與對(duì)應(yīng)特征Tab.2 Load and corresponding characteristics of GFRP bars with different diameters

2.3 GFRP筋力學(xué)性能分析

從圖7中可以看出，2種直徑筋體的應(yīng)力應(yīng)變曲線曲線基本一致，在筋體1／4處的應(yīng)變要略大于1／2處，1／4應(yīng)力要先于1／2達(dá)到極限，這和裂紋開展和破壞規(guī)律是吻合的；考慮材料在受力中再加載方式，采用了加載－不完全卸載－加載和加載－完全卸載－加載的方式進(jìn)行了比較試驗(yàn)，在圖8中可以發(fā)現(xiàn)直徑25mm 在加載至p30%后（加載達(dá)到的強(qiáng)度用pi表示，其中，i表示加載達(dá)到的強(qiáng)度與破壞強(qiáng)度的比值百分?jǐn)?shù)，如p30%表示加載強(qiáng)度達(dá)到破壞強(qiáng)度的30%，下同）卸載，再加載時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線下移，表明出現(xiàn)了殘余應(yīng)變；在p30%～p80%的范圍內(nèi)加、卸載，筋體的應(yīng)力應(yīng)變曲線重合，曲線斜率基本相同，曲線也非常平順，表明此階段沒有殘余應(yīng)變，筋體材料的彈性模量相對(duì)較穩(wěn)定；從破壞曲線（p10%～p）下移了一定距離表明殘余應(yīng)變?nèi)匀淮嬖?，曲線斜率較之前要陡，超過前期加載荷載之后，曲線與之前的變化規(guī)律趨向相同；橫向應(yīng)變?cè)诟鞣N加載方式下基本相同；而圖9反映直徑28mm 加載－不完全卸載－加載的應(yīng)力應(yīng)變曲線不同于直徑25mm的加載曲線，在初期的加載中，材料沒有明顯的殘余應(yīng)變，在超過p50%后加載再卸載，應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)下移，產(chǎn)生殘余變形，在p50%以上筋體的曲線變陡，到達(dá)前期最大荷載之后，曲線變化規(guī)律趨向前期規(guī)律；而橫向應(yīng)變曲線在p50%后也出現(xiàn)下移，表明在后期有明顯的殘余應(yīng)變。通過一次拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，得到平均縱向彈性模量約為40～45GPa，泊松比約為0.28～0.30。循環(huán)拉伸中的模量和泊松比變化不大，在破壞時(shí)的拉伸曲線上，泊松比約為0.21，誤差主要來自殘余應(yīng)變的影響，因此泊松比可視具體工程實(shí)際取0.21～0.30。

圖7 GFRP筋一次拉伸試驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.7 Stress－strain curve of GFRP bars in one－time tensile test

圖8 直徑25mm GFRP筋的循環(huán)拉伸試驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.8 Stress－strain curve of the GFRP bar with a diameter of 25mm in cyclic tensile test

圖9 直徑28mm GFRP筋的循環(huán)拉伸試驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.9 Stress－strain curve of the GFRP bar with a diameter of 28mm in cyclic tensile test

2.4 GFRP筋破壞分析

GFRP 筋在拉伸破壞試驗(yàn)受力中呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，在P50%以前，材料不出現(xiàn)表面裂紋，沒有材料分離現(xiàn)象，承載力由整個(gè)筋材發(fā)揮作用，界面發(fā)揮較好的作用，隨著荷載增加，在超過P50%以后材料開始陸續(xù)出現(xiàn)分離現(xiàn)象，界面出現(xiàn)破壞，分離首先從筋體的端部開始，且較均勻出現(xiàn)在筋體四周，隨后逐漸向中間延展，這種延展和荷載有關(guān)系，在卸載過程中或者荷載保持不變的情況下，裂紋不產(chǎn)生擴(kuò)展，卸載后裂紋閉合，在繼續(xù)加載超過裂紋產(chǎn)生的荷載強(qiáng)度后，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，這時(shí)局部的纖維和基體已經(jīng)脫離，界面性能消失，此時(shí)筋體承載力性能改變并不大。在GFRP筋中，纖維沿著筋體縱向布置，因此在拉伸中纖維方向具有一致性，和拉應(yīng)力方向相同，橫斷面出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，由于筋體縱向纖維的阻礙作用，當(dāng)纖維與基體在拉應(yīng)力作用下脫離之后不再橫向擴(kuò)展，而是向縱向發(fā)展，這大大提高了筋體的斷面強(qiáng)度。另一方面，從筋體的拉伸應(yīng)力應(yīng)變圖8、圖9可知，橫向應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，即在拉伸中筋體呈現(xiàn)收縮，隨著拉應(yīng)力增大橫向應(yīng)變?cè)龃?，由于材料仍然處于彈性階段，所以橫向應(yīng)力亦增大，這將阻礙裂紋的橫向擴(kuò)展，進(jìn)一步提高了筋體的強(qiáng)度和剛度。

2.5 GFRP筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

拉伸強(qiáng)度的大小與直徑和纖維組成存在關(guān)系。根據(jù)所測數(shù)據(jù)，直徑12mm 的纖維含量最高，隨著纖維含量的增加破壞強(qiáng)度并沒有明顯增加，但初裂強(qiáng)度增加明顯。各種直徑的筋體破壞現(xiàn)象一致，在到達(dá)破壞荷載后材料仍然有較大的強(qiáng)度，但沒有明顯的流塑階段，產(chǎn)生的破壞性質(zhì)介于脆性和塑性之間。在破壞階段筋體表面出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，剝離層產(chǎn)生橫向斷裂，位置居于端部一定距離。從破壞分析表明，并不是纖維含量越高材料的性能就越好，單位纖維體積比條件下直徑20mm和25mm 的強(qiáng)度最高，比值達(dá)到了9.5，從一定意義上表明在這2種直徑范圍的筋體利用效率最高，是較為優(yōu)化的筋體尺寸類型。

3 結(jié)論

（1）GFRP 筋一次性受力和循環(huán)受力產(chǎn)生不同的受力特征，達(dá)到一定的應(yīng)力條件時(shí)筋體開始出現(xiàn)裂紋，當(dāng)應(yīng)力消失時(shí)裂紋閉合，筋體整個(gè)的受力過程均伴隨纖維與基體的脫離現(xiàn)象，裂紋在破壞前縱向發(fā)展，裂紋寬度有一定界限，在達(dá)到破壞荷載時(shí)裂紋呈現(xiàn)橫向參差不齊的斷裂；

（2）受力方式對(duì)材料的彈性模量性能影響不大，但對(duì)泊松比有一定影響；GFRP 筋在受力后縱向存在殘余變形，不同直徑的筋體產(chǎn)生殘余變形的強(qiáng)度大小不同，直徑25 mm 的樣品在P0%～P30%時(shí)出現(xiàn)殘余變形，而直徑28 mm 的樣品在超過P50%后產(chǎn)生殘余變形；

（3）不同纖維含量的GFRP 筋會(huì)有不同的破壞荷載以及破壞形態(tài)，初裂荷載隨纖維含量增加而增加，破壞強(qiáng)度與纖維含量沒有明顯的單調(diào)關(guān)系，筋體的破壞性質(zhì)介于脆性破壞和塑性破壞之間，在破壞后有一定的殘余強(qiáng)度，但沒有很明顯的流塑階段；

（4）從材料組成與拉伸力學(xué)性能之間的關(guān)系優(yōu)化分析，直徑20mm 和25mm 筋體利用效率最高，是較為優(yōu)化的體尺寸類型。

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