纖維增強塑料筋力學特性研究

程 濤（安徽建工集團有限公司，安徽 合肥 230022）

纖維增強塑料筋力學特性研究

程 濤（安徽建工集團有限公司，安徽 合肥 230022）

基于玻璃纖維增加塑料筋抗拉強度較大、抗剪切強度較低的特點，采用特制裝置進行筋材室內抗拉試驗研究，分析直徑、材料組成、肋間距這三個因素對筋材力學特性的影響，獲得有益結論：GFRP筋材直徑增大能使得其極限荷載增大，但極限抗拉強度有所下降；纖維含量增加能提高筋材極限抗拉強度及彈性模量；肋間距增大將降低極限抗拉強度，增大應變值，造成彈模逐漸增大；直徑對筋材極限抗拉強度影響最大，肋間距次之，材料組成最??；肋間距對筋材彈模影響最大，材料組成次之，直徑最小。

GFRP；抗拉強度；直徑；材料組成；肋間距

玻璃纖維增加塑料筋（GFRP筋材）的抗拉強度受玻璃纖維的力學性能、樹脂的強度、加工成型方式、筋材的直徑、筋材的肋間距、筋材組成等因素有關，因此國內各個廠家生產的 GFRP筋材的質量的離散性較大，致使筋材的力學性能差異性明顯，而抗拉強度高是這種材料的最顯著特征，也是其廣泛應用于工程實際中的重要因素之一。因此，有必要針對某些廠家生產的GFRP筋材的抗拉強度進行試驗研究，通過室內試驗系統性研究材料成分、直徑、肋間距這三個因素對玻璃纖維樹脂錨桿抗拉強度的影響，獲得不同外觀幾何尺寸及材料構成下的拉應力變化規律，以便形成統一的材料參數標準，在滿足經濟性及適用性的條件下，充分發揮GFRP筋材抗拉強度高的特點，從而以規范形式來指導筋材的生產、工程施工及設計。

1 試驗方法

1.1 第一步：材料選取

本試驗中選取3種筋材直徑分別為：18mm（D1）、25mm（D2）、32mm（D3）；三種不同肋間距分別為：10mm（L1）、20mm（L2）、30mm（L3）；三種不同材料組成分別為：60%玻璃纖維含量與40%樹脂含量（G1）、65%玻璃纖維含量與 35%樹脂含量（G2）、70%玻璃纖維含量與30%樹脂含量（G3）；則（D1L2G1）表示GFRP筋材屬性為：直徑18mm、肋間距20mm、60%玻璃纖維含量與 40%樹脂含量。每根 GFRP筋材長度均取為45cm。

1.2 第二步：材料處理

由于GFRP筋材抗拉強度一般非常高，而橫向抗壓強度及層間剪切強度很低。為使試件在中部破壞，將大直徑材料加工成小直徑啞鈴形狀試件，間接測定GFRP筋的抗拉強度。為防止試件端部被夾持部分在試驗過程發生局部破壞造成試件抖動，需使用玻璃纖維布和環氧樹脂進行包裹，如圖1所示。

圖1 玻璃纖維增強筋端部夾持方式

1.3 第三步：拉伸試驗

應變片沿GFRP錨桿上下對稱粘貼，平均取值，在工作區的中部及距中點兩側各 100mm共選3個斷面，打磨區域滿足應變片的最小占用面積，每根桿體共貼片6個，用排線將電阻應變片導線引出，施工連續外荷載時每隔2kN讀取應變值，直到試件破壞。

2 試驗結果

GFRP筋材在受到抗拉力而產生破壞形式主要有：①試件端部夾持部位局部被夾斷，試件滑移出夾頭；②試件從變截面處脫層，小直徑部分直接從大直徑部分中抽出，使大直徑部分成為一個空心圓筒，呈現“層剪”破壞狀態；③試件端部在夾具內滑脫，未達到其極限強度而破壞；④試件樹脂拉裂，纖維束部分拉斷，整個桿體發生片狀劈裂。其中前三種破壞形式均為無效破壞，只有最后一種破壞形式能真實反映構件抗拉強度。

GFRP筋材拉伸性能指標 表1

試件在加載過程中，當加載到極限荷載的20%～30%時，會聽到試件損傷發出微小的脆響，一直持續，當加載到極限荷載的約 60%～70%時，可聽到纖維剝離樹脂和部分纖維絲斷裂的聲音，隨著荷載施加，響聲隨之增大而漸密，最后突然發出很大斷裂聲，試件發生突然破壞。試驗后觀察發現：桿體表面有白斑狀裂紋，有一明顯斷面破壞面，整個試件在較大范圍內發生片狀撕裂，且有小部分纖維絲未發生斷裂，但已失去承載能力。

3 數據分析

3.1 直徑對筋材抗拉強度的影響

一般，GFRP筋材極限承載力隨直徑增加而逐漸增強，但極限抗拉強度則表現出不同變化趨勢，這是由于小直徑筋材表面微裂紋尺寸和數量較少，應力集中現象相對較弱，使得纖維具有較高強度。圖2為三種不同直徑GFRP筋材極限抗拉強度值。

圖2 GFRP筋材極限抗拉強度隨直徑變化關系

由圖2可知，隨著試件直徑的增大，雖然其極限荷載增大，但是極限抗拉強度有所下降。其原因為：GFRP筋為復合材料，其材料組分、加工工藝等因素均不相同，生產過程中玻璃纖維先被張拉到一定應力水平，然后在模具內浸澤樹脂，當樹脂凝結到一定強度后壓模或旋轉桿體，制作表面螺紋形狀。首先，連續玻璃纖維中存在斷絲缺陷，其次，外表螺紋加工會使得潛表層纖維受到損傷而產生斷絲、彎曲或褶皺，后者影響更為重要，造成筋材表面和內部分布著較多微裂縫、刻痕等，且截面尺寸越大材料富含缺陷越多，且淺表層缺陷多于深層部位。造成較大直徑GFRP筋這些缺陷也相對明顯，自然其抗拉強度相對較低。

3.2 材料組成對筋材抗拉強度影響

為研究材料組成對筋材力學性能的影響，試驗時分別采用不同廠家生產的GFRP筋材，其材料成分分別即為G1、G2、G3，其試驗結果見表2。

不同材料組成下GFRP筋材力學性能 表2

由表2可知，隨著筋材中纖維含量增加，樹脂含量減小，筋材極限抗拉強度逐漸增大，彈性模量逐漸增大，而筋材伸長率逐漸減小。當纖維含量由 60%增加到 75%時，筋材極限抗拉強度增加了 35%，彈性模量增加了35%左右，兩者增加幅度均較大；而伸長率則減小了近60%，減小幅度非常明顯。說明材料組成對這3個指標影響較大，特別是材料伸長率。這是由于玻璃纖維抗拉強度較高，而延性較低；而樹脂抗拉強度相對較低，而延性相對較大，造成玻璃纖維含量較高的GFRP筋材抗拉強度較大，伸長率較低。因此，生產廠家可通過增加纖維含量來提高筋材的極限抗拉強度，而利用增加環氧樹脂的含量來增強GFRP筋材的延性，而控制一個合適的纖維與樹脂含量比例，在滿足筋材極限抗拉強度的前提下兼顧材料的伸長率。但GFRP筋材抗拉強度不僅由纖維含量所控制，同時也受纖維本身力學性能、筋材生產工藝等各因素所影響，是一個離散型很高的力學性能指標。

3.3 肋間距對筋材抗拉強度影響

為研究肋間距變化對筋材力學性能影響，試驗時分別選取肋間距分別為10mm、20mm、30mm的玻璃纖維筋進行拉撥試驗研究，玻璃纖維筋其它尺寸分別為：直徑18mm；玻璃纖維含量70%、樹脂含量30%。表3為不同肋間距時的玻璃纖維筋抗拉強度值。

不同肋間距下GFRP筋材力學性能 表3

由表3可知，隨著GFRP筋材肋間距增大，其極限抗拉強度逐漸減小，而應變值逐漸增大，造成GFRP筋材的彈性模量逐漸增大。分析認為：筋材抗拉破壞時，包裹玻璃纖維樹脂首先產生開裂，隨著拉應力增加，裂縫逐漸擴展、深入，并最終形成貫穿的裂縫，并局部出現剝離、脫落，其局部受力面積逐漸減小，拉力由玻璃纖維與樹脂共同承擔逐漸轉變成玻璃纖維獨自承擔，同時因樹脂包裹作用逐漸減弱，玻璃纖維抗拉承載力逐漸減小，造成整個GFRP筋材抗拉強度達到極值后迅速減小、快速破壞的試驗現象。因此肋間距減小勢必增加筋材承受抗拉橫截面面積，致使破壞時裂縫開展、深入出現滯后現象，有效阻礙裂縫貫通及發展，使得破壞時 GFRP筋極限抗拉強度增大。同時肋間距減小使得裂縫達到相同開展深度所需應變量增大，使得樹脂與玻璃纖維受力更加均勻，破壞時兩者相對位移較小，樹脂包裹作用得到增強，使得破壞時筋材應變值也相應減小。因此，肋間距增加能夠有效增加筋材極限抗拉強度，減小材料彈性模量。當然，肋間距減小會大幅增加筋材中樹脂含量，造成單位長度筋材造價提高，不利于控制出廠價格。因此，選擇合適肋間距，設置肋合理布置方式，從而為GFRP筋材設計、施工及生產工藝提供技術支撐。

4 結 論

本文基于室內試驗研究直徑、肋間距、材料組成這三因素對 GFRP筋材力學性能影響，得出如下結論。

①GFRP筋材直徑增大，雖其極限荷載增大，但極限抗拉強度有所下降；纖維含量增加能提高筋材的極限抗拉強度及彈性模量；肋間距增大將降低極限抗拉強度，增大應變值，造成筋材彈模逐漸增大。

②直徑、肋間距、材料組成均影響GFRP筋材的力學特性。直徑對GFRP筋材極限抗拉強度的影響最大，肋間距次之，材料組成最小；肋間距對GFRP筋材彈模的影響最大，材料組成次之，直徑最小。

［1］程良奎.巖土錨固的現狀與發展［J］.土木工程學報，2001，34（3）：7-12.

［2］于清.FRP的特點及其在土木工程中的應用［J］.哈爾濱建筑大學學報，2000，33（6）：26-30.

［3］Julio F，Davalos，Yi Chen，et al.Effect of FRP bar degradation on interface bond with high strength concrete ［J］.Cement and Concrete Composites，2008，30：722-730.

［4］JG/T 406-2013，土木工程用玻璃纖維增強筋［S］.

TU431

A

1007-7359（2016）02-0197-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.069

項目名稱：住房城鄉建設部科學技術計劃項目（建科〔2015〕91號）。

程濤（1983—），男，安徽桐城人，畢業于河海大學，工程師，主要從事基坑工程方面的研究工作。