GFRP筋密度以及各組分體積分?jǐn)?shù)的測定

彭 義，姜天華，金清平

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430070）

玻璃纖維增強(qiáng)塑料筋的性能和質(zhì)量在很大程度上是取決于玻璃纖維以及樹脂的含量。只有當(dāng)玻璃纖維和樹脂的配合比合適時，由它們組成的玻璃纖維塑料筋才能發(fā)揮出良好的性能，才能更好的應(yīng)用到工程實(shí)踐中去。玻璃纖維的密度是表征其物理力學(xué)性能的一個重要的參數(shù)，其大小主要取決于玻璃成分，測定玻璃纖維的密度，對研究其物理力學(xué)性能有重要的意義。

1 GFRP筋密度的測定

該次試驗(yàn)所用的材料為深圳海川新材料科技有限公司所生產(chǎn)的GFRP筋。該GFRP筋由含堿量小于0.8%的無堿玻璃纖維（E－Glass）無捻粗紗或者高強(qiáng)玻璃纖維（S）無捻粗紗和樹脂基體（環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂）、固化劑等材料，通過拉擠成型固化工藝復(fù)合而成的筋材。采用桿件的材料類型為乙烯基玻璃纖維筋，直徑有12、16、20、22、25、28六種。首先測出GFRP筋的密度，根據(jù)《纖維增強(qiáng)塑料密度和相對密度試驗(yàn)方法》（GB／T 1463—2005）。

該次試驗(yàn)將GFRP筋切割成5cm左右的小段，采用液體置換法，測得密度值如表1所示。

根據(jù)表1中的計(jì)算結(jié)果，得到GFRP筋的平均密度為2.05g／cm3。

表1 GFRP筋不同直徑的密度表

2 玻璃纖維密度的測定

要得到玻璃纖維的密度，首先要對GFRP筋中的樹脂進(jìn)行燒失，根據(jù)《玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹脂含量試驗(yàn)方法》（GB／T 2577—2005），放進(jìn)馬弗爐，在指定的溫度下進(jìn)行燒失，然后試樣再稱量。試樣燒失前后的質(zhì)量差即為樹脂含量，燒失后所得到的就是纖維。

在625℃±20℃的馬弗爐中加熱坩堝15min，冷卻至室溫后稱量，重復(fù)操作直至兩次稱量結(jié)果差不超過1mg。將盛有試樣的坩堝放入馬弗爐，升溫至350～400℃后恒溫0.5h，再升溫630℃恒溫直至燒失完成。去除殘留物放入干燥器冷卻，進(jìn)行稱量，然后重復(fù)灼燒恒溫冷卻直至兩次質(zhì)量差不超過1mg。

該文采用液體置換法測定纖維密度，該方法是現(xiàn)階段最為常用的測定方法，其原理是將結(jié)狀纖維在常態(tài)下稱重，然后完全浸沒在已知密度小于纖維密度的液體中，將纖維再次稱重，求出纖維在該液體中的浮力，從而推導(dǎo)出纖維的體積，得出纖維的密度。

計(jì)算公式為

式中：ρf為玻璃纖維的密度，g／cm3；V 為纖維的體積，cm3；w1為試樣常態(tài)下重量，g；w2為試樣浸潤液中重量，g；ρL為提潤液密度，g／cm3。

影響試驗(yàn)精度的主要因素有纖維表面氣泡，纖維或懸絲表面張力效應(yīng)和試驗(yàn)溫度變化等。其中，纖維之間的氣泡對密度測定的影響最大。去除氣泡的方法很多，其中便于快速測試的有真空泵法、煮沸法、超聲振蕩法、擠壓法和高速離心法（離心機(jī)）等，這些方法都是盡可能的去除纖維表面氣泡，促使水分子浸入纖維單絲間的縫隙。除上述方法外，我們還可以在浸潤液中加入一些微量的表面活性劑。該次試驗(yàn)是采用煮沸法。

首先取適當(dāng)長度連續(xù)完整的纖維，使其成為結(jié)狀，經(jīng)丙酮清洗、退漿處理后，置于烘箱內(nèi)，烘干2h，取出后精確稱重w1。用燒杯取一定量純凈水，將纖維通過懸絲浸沒在純凈水中，利用酒精燈加熱煮沸，排除黏附在纖維表面的氣泡，再次稱重。結(jié)果見表2所示。

表2 纖維密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由表2可知，該次試驗(yàn)所用的GFRP筋的玻璃纖維密度為2.68g／cm3。

3 玻璃纖維以及樹脂含量的測定

根據(jù)《玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹脂含量試驗(yàn)方法》（GB／T 2577—2005），計(jì)算GFRP桿體的樹脂含量以及GFRP筋的玻璃纖維體積含量的公式如下所示。

樹脂含量的計(jì)算公式為

式中，M1為樹脂含量，%；m1為坩堝質(zhì)量，mg；m2為坩堝和試樣質(zhì)量和，mg；m3為殘余物和坩堝質(zhì)量和，mg。

玻璃纖維體積含量計(jì)算公式為

式中，Vg為 GFRP筋玻璃纖維體積含量，%；ρc為 GFRP筋密度，g／cm3；ρf為玻璃纖維密度，g／cm3。

其他符號與公式（2）相同。

已知前面得出的玻璃纖維的密度2.68g／cm3以及GFRP筋的密度2.05g／cm3，按照公式（2）和公式（3）求得的結(jié)果如表3所示。

表3 樹脂質(zhì)量百分比和玻璃纖維體積百分比

由表3可以知道，該次試驗(yàn)得到的GFRP筋的樹脂的質(zhì)量百分比為15.41%，玻璃纖維的體積分?jǐn)?shù)為65.98%，樹脂的體積百分比為34.02%。

4 試驗(yàn)值與實(shí)際值的對比

1）由現(xiàn)有的資料可知，對于GFRP筋，其密度范圍一般為1.5～2.1g／cm3。該次計(jì)算得到的GFRP筋的密度為2.05g／cm3，在該范圍內(nèi)，因此是滿足要求的。

2）玻璃纖維的密度一般在2.50～2.70g／cm3左右，該次試驗(yàn)得到的密度值為2.68g／cm3，滿足該范圍。

3）對于GFRP筋，玻璃纖維增強(qiáng)材料的體積分?jǐn)?shù)一般為50%～78%，樹脂的體積分?jǐn)?shù)一般為（30±5）%。該次試驗(yàn)得到的玻璃纖維的體積分?jǐn)?shù)為65.98%，樹脂的體積分?jǐn)?shù)為34.02%，均是滿足要求的。

5 結(jié) 語

對選取的GFRP筋進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)。得到了GFRP筋的密度、玻璃纖維的密度以及玻璃纖維和樹脂的體積分?jǐn)?shù)，在分析分過程中，介紹了液體置換法的方法和原理，列出了一系列的計(jì)算公式，比較系統(tǒng)的介紹了這一整個試驗(yàn)的計(jì)算流程。最后將得到的試驗(yàn)值與實(shí)際值的范圍進(jìn)行了比較，證明該次試驗(yàn)所選取方法的合理性以及試驗(yàn)操作的規(guī)范性。

［1］GB／T 1463—2005.纖維增強(qiáng)塑料密度和相對密度試驗(yàn)方法［S］.

［2］GB／T 2577—2005.玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹脂含量試驗(yàn)方法［S］.

［3］王寶瑞，李建國，紀(jì) 原，等.纖維密度測定的研究［J］.纖維復(fù)合材料，2009，9（3）：43－46.

［4］張小蘋，謝曉芳，周祝林.玻璃鋼／復(fù)合材料密度的測試與真實(shí)值范圍［J］.玻璃鋼，2012（2）：9－10.

［5］趙渠森.先進(jìn)復(fù)合材料手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.