玻璃纖維增強筋在低溫環境中的拉伸性能研究

金清平，向亞男，高永紅

(武漢科技大學城市建設學院, 湖北 武漢 430065)

0 前言

GFRP筋具有輕質、高強、耐化學腐蝕、耐疲勞、抗電磁、阻燃等優點[1-4]，與鋼筋相比，GFRP筋在海洋環境和一定濕度環境下具有較好的耐久性拉伸性能保持率較高[5-6]，是較為理想的鋼筋替代品，成為近些年來持續研究的熱點，并逐漸應用于土木工程結構中。在橋梁結構、土釘支護等實際工程中，GFRP筋結構也經常會遭受低溫氣候的作用。目前國內外學者研究較多的是高溫對GFRP筋力學性能的影響，美國混凝土協會頒布的《關于FRP加筋混凝土結構的設計與施工規范》中總結了關于高溫對GFRP筋體及結構的影響，指出在溫度超過玻璃化轉化溫度(約65～120 ℃)時，材料的拉伸彈性模量會減小，而當溫度達到250 ℃時，GFRP的拉伸強度將減少超過20 %[7]。高永紅等[8]研究了GFRP 筋在20～180 ℃時的拉伸性能，研究表明極限拉伸強度、極限延伸率、彈性模量隨溫度的升高而下降; 直徑越大，極限拉伸強度、極限延伸率下降的幅度越大，而彈性模量下降的幅度差別不大。周繼凱等[9-10]研究得到GFRP 筋的力學性能對環境溫度敏感；并針對不同直徑的GFRP筋開展了力學性能研究，采用基于材料強度Weibull分布的最弱鏈理論分析其尺寸效應，結果表明，GFRP筋的極限拉伸強度、彈性模量和極限延伸率隨著直徑的增加而降低，而屈服應變變化規律則相反。低溫效應對GFRP筋性能的影響研究較少。在常溫至極低溫度下循環后GFRP筋的拉伸模量會下降，最高可降低至68 %[11]，而在多次凍融循環后，GFRP筋與混凝土的黏結性研究結果并不一致[12-15]。在設計計算中如何考慮低溫對GFRP筋及其結構產生的影響是工程應用需要解決的問題。

本文通過研究常見低溫環境下GFRP筋的拉伸性能，揭示了其變化規律，為GFRP筋在低溫中的拉伸性能評估提供了理論依據，并為實際工程中的應用提供了理論支撐。

1 實驗部分

1.1 主要原料

聚乙烯基GFRP筋，直徑分別為16、22 mm，深圳海川材料有限公司。

1.2 主要設備及儀器

數顯控溫低溫冰柜，HX-T-3000D2，東莞市昊昕儀器設備有限公司；

微機控電液伺服萬能試驗機，WAW-1000，濟南試金集團有限公司；

靜態電阻應變儀，BZ2205C，秦皇島北戴河蘭州科技有限公司。

1.3 樣品制備

如圖1所示，采用無縫鋼管內填充膨脹水泥的方式對GFRP筋端部進行錨固，上下2端錨固的長度均為200 mm，試樣凈長度為400 mm。

圖1 GFRP筋試樣Fig.1 Test sample of GFRP bars

1.4 性能測試與結構表征

拉伸性能按GB/T 13096—2008測試，采用位移加載控制方式，拉伸速率為2 mm/min；試驗選取直徑為16、22 mm的GFRP筋試樣，試驗溫度分別為-20、-10、0、10、20 ℃，共5種工況，將各GFRP筋試樣在對應的溫度環境中下靜置0.5 h后開始拉伸試驗；對直徑為16、22 mm的GFRP筋體在-20、0、20 ℃低溫時分別恒溫持續0.5、1、1.5、2、2.5 h后進行拉伸試驗，研究恒溫時間對GFRP筋拉伸性能的影響；將GFRP筋試樣放入數顯控溫低溫冰柜中，降溫到指定溫度后恒溫計時，恒溫時間保持0.5 h后進行拉伸試驗，期間采取保溫措施。

2 結果與討論

2.1 低溫下GFRP筋的拉伸性能

分別對直徑為16、22 mm的 GFRP筋在-20～20 ℃時的5種不同溫度下的拉伸性能進行測試，5種溫度下的試樣破壞形態較為相似。筋體在試驗中，當荷載超過50 %極限拉伸強度后，不定時發出清脆的響聲，即筋體在拉伸過程中的“初響”。接近極限拉伸強度時，筋體伴隨著“蹦”的一聲巨響而斷裂。筋體外表面發生明顯可見的剝離，呈較小范圍內的片狀開裂破壞。

由圖2(a)可知，在-20～20 ℃內，2種直徑GFRP筋的極限拉伸強度的變化規律相似。可以看出，隨著溫度的降低，GFRP筋的極限拉伸強度逐漸增大，拉伸強度的增長速度趨于加快，以0 ℃為分界點，從0～20 ℃，筋體的極限拉伸強度變化較小，變化幅度為1 %左右，在這個溫度范圍內，GFRP筋的極限拉伸強度相對穩定。從-20～0 ℃，筋體的極限拉伸強度變化相對較快。整體上看，從20 ℃降溫至-20 ℃時，直徑為16、22 mm的 GFRP筋的極限拉伸強度分別增加了7.85 %和8.68 %，仍然處于較小的變化范圍。

由圖2(b)可知，在-20～0 ℃內，對直徑為16 mm的 GFRP筋體，其拉伸模量在測試溫度范圍內呈現較小變化值范圍的隨機性變化，變化幅度為±2.5 %，可認為這個溫度區間對拉伸模量的影響較小。對直徑為22 mm的 GFRP筋體，從0～20 ℃，拉伸模量隨溫度的降低基本沒有變化，從-20～0 ℃，拉伸模量快速提高，變化幅度達12.2 %。

直徑/mm：●—16 ▲—22(a)極限拉伸強度 (b)拉伸模量圖2 不同溫度下GFRP筋的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of GFRP bars at different temperature

在-20～20 ℃溫度區間內，GFRP筋的極限應變整體變化不大。隨著溫度的降低，以20 ℃極限應變值為參照，直徑為16、22 mm的 GFRP筋體的極限應變變化幅度小，波動分別保持在2.13 %和1.39 %以內。

2.2 恒溫時間對GFRP筋拉伸性能的影響

為研究低溫環境下恒溫時間對GFRP筋的影響，忽略直徑尺寸效應問題，以直徑為22 mm的GFRP筋為研究對象，分別研究了在-20、0、20 ℃時不同恒溫時間(0.5、1、1.5、2、2.5 h)下GFRP筋在低溫環境下的拉伸性能。從圖3(a)可以看出， 恒溫1.5 h以內GFRP筋的極限拉伸強度較為穩定，整體上基本沒有變化，在1.5～2.5 h內，極限拉伸強度呈下降趨勢，下降幅度較小，在2.5 %以內。整體而言，持續的加熱作用對筋體的極限拉伸強度影響不大。由圖3(b)可知，當筋體處于-20、0 ℃環境中0.5～1 h的恒溫時間內，拉伸模量減小，但后者的變化幅度更大；20 ℃中0.5～1 h的恒溫時間內，拉伸模量基本沒有變化。GFRP筋在各種溫度環境中，恒溫時間持續1 h后，拉伸模量基本處于穩定狀態，最大變化幅度也在3 %以內。由圖2、3可知，在某一溫度下恒溫1 h后，GFRP筋的拉伸性能基本趨于穩定，恒溫時間對GFRP筋的拉伸性能影響不顯著。

溫度/℃:■—-20 ●—0 ▲—20(a)極限拉伸強度 (b)拉伸模量圖3 不同恒溫時間下GFRP筋的拉伸性能Fig.3 Tensile properties of GFRP bars being kept for different time at constant temperature

3 結論

(1)GFRP筋的極限拉伸強度隨著溫度的降低呈現出增大的趨勢，從20 ℃下降至0 ℃時，筋體的極限拉伸強度變化幅度約為1 %，變化較小，在應用中可以忽略；從0 ℃下降至-20 ℃時，筋體的極限拉伸強度的變化幅度達到7 %～8 %，變化較為明顯，需要考慮降溫中極限拉伸強度的變化；

(2)GFRP筋的拉伸模量與筋體的尺寸有一定關系，在-20～20 ℃區間內，直徑為16 mm的GFRP筋的拉伸模量表現出較穩定的狀態；直徑為22 mm的GFRP筋從20 ℃降溫至0 ℃時，筋體的拉伸模量較為穩定，而從0 ℃降溫至-20 ℃時，筋體的拉伸模量呈快速增大的趨勢；

(3)GFRP筋在持續恒溫1 h后，拉伸性能表現出較穩定的狀態，在-20～20 ℃區間內，更長的恒溫時間對GFRP筋的拉伸性能影響不顯著。

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