GFRP-鋼筋復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能研究

李雙營(yíng)，趙建昌

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 青海民族大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，西寧 810007)

纖維復(fù)合材與單個(gè)玻璃材料、碳纖維等材料相比存在偏離正效應(yīng)現(xiàn)象，即碳纖維和玻璃纖維混合后的強(qiáng)度、彈性模量和力學(xué)性能會(huì)偏離單個(gè)纖維力學(xué)性能的現(xiàn)象[1].徐歡歡等[2]基于各種纖維的混雜比例對(duì)各種力學(xué)性能的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，對(duì)多種纖維復(fù)合材料各種力學(xué)模量的估算公式進(jìn)行了修正，有一定的實(shí)用價(jià)值；曾金芳等[3]研究了碳纖維混雜復(fù)合材料縱向拉壓性能.結(jié)果表明,該混雜復(fù)合材料體系的縱向拉伸強(qiáng)度均低于混合定律的預(yù)測(cè)值,表現(xiàn)出明顯的混雜負(fù)復(fù)合材料體系的縱向拉伸強(qiáng)度均低于混合定律的預(yù)測(cè)值,表現(xiàn)出明顯的混雜負(fù)效應(yīng).材料的拉壓破壞模式發(fā)生改變,趙占超等[4]通過(guò)拉伸試驗(yàn)研究碳纖維和玻璃纖維間的黏結(jié)性能，根據(jù)其力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果分析了碳纖維和玻璃纖維的層間合理匹配形式；張博明等[5]介紹了混雜纖維復(fù)合材料的性能優(yōu)勢(shì),分別對(duì)復(fù)合材料最佳性能和最佳成本時(shí)的纖維混雜比例的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述；Xu等[6]在其發(fā)表的論文標(biāo)題中第一次使用纖維層間界面黏結(jié)這一術(shù)語(yǔ)，標(biāo)志著纖維復(fù)合材料在界面工程的研究領(lǐng)域進(jìn)入了一個(gè)全新的階段.田毅[7]通過(guò)復(fù)合材料力學(xué)性能分析，選擇復(fù)合纖維的混雜方式，研究層間混雜復(fù)合材料的優(yōu)化匹配及其力學(xué)性能(彈性模量、抗拉強(qiáng)度、延伸率)的數(shù)學(xué)表達(dá)式.本文根據(jù)混雜效應(yīng)影響因子，制備不同體積比的GFRP-鋼筋復(fù)合材料，開(kāi)展復(fù)合材料的拉伸斷裂試驗(yàn)，研究不同體積匹配比對(duì)混雜復(fù)合材料的強(qiáng)度、彈性模量、延伸率等的影響，進(jìn)一步得到GFRP-鋼筋混雜復(fù)合材料的優(yōu)化體積比，為實(shí)際工程的研究提供理論支持.

1 GFRP-鋼筋復(fù)合材料的制備

1.1 GFRP-鋼筋復(fù)合材料的選取

根據(jù)規(guī)范[8]的要求：由堿含量少于1%的無(wú)堿玻璃纖維無(wú)捻粗紗、環(huán)氧樹(shù)脂作為基體、固化劑、普通鋼筋等材料通過(guò)成型固化工藝復(fù)合而成的筋材.

1.2 基體和固化劑的選擇

固化劑采用環(huán)氧樹(shù)脂藍(lán)星化工WSR6101(E41)，環(huán)氧樹(shù)脂室溫固化劑藍(lán)星化工593，配比WSR6101∶593=4∶1.

1.3 GFRP-鋼筋復(fù)合材料的制備與熱壓工藝[9]

首先，玻璃纖維紗經(jīng)過(guò)紗架進(jìn)入樹(shù)脂膠槽，浸潤(rùn)樹(shù)脂后經(jīng)過(guò)預(yù)成型模具擠去多余的樹(shù)脂；其次，玻璃纖維徑向均勻分布在預(yù)成型模具上，鋼筋由中心位置塞入，使玻璃纖維均勻布置在鋼筋周圍；然后將附有玻璃纖維的鋼筋進(jìn)入纏繞工序，纏繞機(jī)頭纏繞出螺紋后進(jìn)入烘箱高溫固化，固化完成后進(jìn)入螺紋退纏繞工序，去除多余粗糙的纏繞線，露出明顯螺紋，同時(shí)牽引機(jī)牽引玻璃纖維鋼筋進(jìn)入切割工序；最后卸料完成桿體生產(chǎn)，生產(chǎn)過(guò)程如圖1所示.

圖1 GFRP-鋼筋復(fù)合材料的制備與熱壓工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of preparation and hot pressing process of GFRP bar reinforced composites

為防止GFRP-鋼筋復(fù)合材料受力時(shí)兩端應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致筋體過(guò)早損壞構(gòu)件，需在GFRP-鋼筋復(fù)合材料兩端安裝無(wú)縫鋼管：選擇適用的鋼管，長(zhǎng)度約300～400 mm，鋼管內(nèi)徑較玻璃鋼筋材大2～4 mm，不宜過(guò)大，鋼管內(nèi)壁每隔20～30 mm刻上1～2 mm深螺紋，加大與玻璃纖維的粘結(jié)，25 mm以下玻璃纖維筋可采用壁厚>5 mm鋼管，隨著玻璃纖維筋直徑變大，需適當(dāng)增加鋼管壁厚7～10 mm，防止夾斷.具體的制作過(guò)程如下所示：步驟1選擇合適的車好內(nèi)螺紋鋼管，一端用透明膠帶密封；步驟2配制環(huán)氧樹(shù)脂膠液，比例WSR6101∶593=4∶1，攪拌均勻；步驟3將攪拌均勻的樹(shù)脂倒入鋼管中，插入玻璃鋼筋材(中空桿體需預(yù)先將內(nèi)孔用樹(shù)脂膠、混凝土砂漿填實(shí))，放入墻角靜置1～2 h或者用熱風(fēng)機(jī)輔助加熱；玻璃鋼筋材一端環(huán)氧樹(shù)脂初步固化后，重復(fù)以上步驟，錨固玻璃鋼筋材另外一端;溫固化8～12 h以上，可以試驗(yàn)，如果希望減少等待時(shí)間，可適當(dāng)加熱，提高樹(shù)脂固化效率，制作過(guò)程如圖2所示.

圖2 GFRP-鋼筋復(fù)合材料錨具的安裝過(guò)程Fig.2 Installation process of rebar composite anchorage

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[10]

將GFRP-鋼筋復(fù)合材料做成700 mm的試?yán)渲袠?biāo)距L0=300 mm，夾芯鋼筋(里面是鋼筋，外面是玻璃纖維筋)，用套管錨固試?yán)膬啥耍鐖D3所示，套管用無(wú)縫鋼管制作而成，兩端的錨固長(zhǎng)度分別為200 mm，鋼管內(nèi)徑比試樣筋材桿件的直徑大4 mm，壁厚3 mm，鋼管與纖維之間的錨固用固化劑粘結(jié)而成[11].本實(shí)驗(yàn)的GFRP-鋼筋復(fù)合材料按照體積比(先稱鋼筋的質(zhì)量，再稱制作好的GFRP-鋼筋復(fù)合材料的質(zhì)量，然后換算成體積)設(shè)計(jì)了8種，如表1所列，每種5根，共40根，表示為G1S0,G2S7,G3S6,G4S5,G5S4,G1S0,G6S3,G7S2,G0S1,其意義為：如G3S6表示體積比為0.324∶0.676，其比值約等于3比6.

圖3 GFRP筋(GFRP夾芯筋)的尺寸圖Fig.3 size diagram of GFRP rebars (GFRP cored rebars)

表1 GFRP-鋼筋復(fù)合材料的體積比Tab.1 Volume ratio of GFRP-reinforced composites

2.2 試驗(yàn)方法

拉伸性能試驗(yàn)采用上海華龍儀器有限公司的DN150的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載步驟按照規(guī)范[12]中進(jìn)行，先對(duì)試?yán)M(jìn)行5 mm/min位移控制預(yù)加載，當(dāng)達(dá)到屈服強(qiáng)度的20%～30%時(shí)，預(yù)加載結(jié)束，卸載到荷載為零時(shí)再以5 mm/min位移控制正式加載，直到試?yán)茐模^察應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化規(guī)律，記錄破壞荷載、抗拉強(qiáng)度和彈性模量等指標(biāo)，不計(jì)出現(xiàn)滑筋、端頭拉斷等現(xiàn)象試驗(yàn)結(jié)果.

材料的動(dòng)彈性模量采用NM-4B型非金屬超聲波檢測(cè)分析儀測(cè)定，材料的動(dòng)彈性模量與超聲波聲速具有如下理論關(guān)系：

(1)

其中:E為材料的彈性模量；ρ為材料的密度；υ為材料的Poission比；V為材料的超聲波速度.

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 GFRP-鋼筋復(fù)合材料受拉斷裂過(guò)程與現(xiàn)象[13]

單一玻璃纖維(玻璃纖維和鋼筋的體積比為1∶0)受拉時(shí)，隨著荷載的增加，位移增大，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的80%時(shí)，纖維筋中部變細(xì)，有微小的裂縫出現(xiàn)，荷載和位移圖接近直線，繼續(xù)增加荷載裂紋迅速發(fā)展，接近破壞時(shí)發(fā)出強(qiáng)烈的爆破聲，最終單一玻璃纖維筋破壞，從出現(xiàn)裂紋到破壞，釋放能量，破壞時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線有下降的趨向，屬于脆性破壞.單一鋼筋(玻璃纖維和鋼筋的體積比為0∶1)受拉時(shí)起初隨著荷載的增加，應(yīng)力應(yīng)變線性變化，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，隨著荷載的增加，應(yīng)力保持不變，應(yīng)變?cè)黾樱霈F(xiàn)屈服階段，荷載繼續(xù)增加，進(jìn)入塑性階段，位移增加的速度大于荷載增加的速度，此時(shí)鋼筋中部變細(xì)，出現(xiàn)明顯的裂紋，當(dāng)荷載繼續(xù)增加時(shí)，鋼筋拉斷，隨即破壞，在鋼筋出現(xiàn)裂紋到破壞，經(jīng)歷的時(shí)間較長(zhǎng)，釋放大量的能量，屬于延性破壞.

3.2 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)GFRP-鋼筋復(fù)合材料單軸拉伸試驗(yàn)，可以得到G1S0、G2S7、G3S6、G4S5、G5S4、G6S3、G7S2、G0S1復(fù)合材料極限應(yīng)力、彈性模量以及斷裂伸長(zhǎng)率，如表2所列，以及GFRP-鋼筋復(fù)合材料單軸拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，如圖4所示.

表2 GFRP-鋼筋復(fù)合材料單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Uniaxial tensile test results of 2gfrp-reinforced composites

圖4 GFRP-鋼筋復(fù)合材料單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Uniaxial tensile stress-strain curve of reinforced composite

由表2可以看出GFRP-鋼筋復(fù)合材料隨著玻璃纖維體積的增加，極限拉應(yīng)力增加，斷裂伸長(zhǎng)率減小，彈性模量也在減小；G2S7極限應(yīng)力達(dá)到398.67 MPa，是G0S1極限應(yīng)力的94.86%，斷裂伸長(zhǎng)率為8.25%，而G3S6的極限拉應(yīng)力是752.54 MPa，是G0S1極限拉應(yīng)力的98.17%，接近于純鋼筋的極限應(yīng)力，外圍包裹著玻璃纖維在鹽湖地區(qū)阻止了鹵水的腐蝕，由應(yīng)力應(yīng)圖形也可以看出，GFRP-鋼筋復(fù)合材料當(dāng)體積比為1∶2時(shí)，出現(xiàn)明顯的屈服階段，是延性破壞，更進(jìn)一步證實(shí)了玻璃纖維和鋼筋的臨界體積比是1∶2時(shí)，更符合鹽湖腐蝕地區(qū)的特點(diǎn).

通過(guò)對(duì)不同體積比的GFRP-鋼筋復(fù)合材料受拉可以得到，當(dāng)玻璃纖維和鋼筋的體積比為0.218∶0.782時(shí)，由于纖維體積較小，隨著荷載的增加，應(yīng)變小的玻璃纖維首先出現(xiàn)裂縫退出工作，荷載主要由鋼筋承擔(dān)，特別在鹽湖腐蝕地區(qū)，玻璃纖維出現(xiàn)裂縫對(duì)鋼筋的腐蝕會(huì)造成一定的影響；當(dāng)玻璃纖維和鋼筋的體積比為0.736∶0.264時(shí)，由于纖維體積較大，鋼筋體積較小，當(dāng)荷載增加時(shí)，隨著荷載的增加表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)和單一玻璃纖維受拉時(shí)表現(xiàn)出的性質(zhì)相似，屬于脆性破壞(一次破壞)，當(dāng)玻璃纖維和鋼筋的體積比大致為0.324∶0.676時(shí)，玻璃纖維起到一定的保護(hù)作用，特別是在鹽湖腐蝕地區(qū)，鋼筋不會(huì)受鹵水的腐蝕，同時(shí)還具有鋼筋的特性，應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯的屈服階段，屬于延性破壞.

當(dāng)GFRP-鋼筋復(fù)合材料的體積比接近與0.324∶0.676

4 GFRP-鋼筋復(fù)合材料的臨界體積比預(yù)估結(jié)果

以GFRP-鋼筋復(fù)合材料體積比為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為強(qiáng)度，將試驗(yàn)所測(cè)應(yīng)力和本文理論推導(dǎo)公式預(yù)估模型推導(dǎo)值對(duì)比曲線如圖5所示.可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)值和理論值基本一致.抗拉強(qiáng)度曲線在臨界體積比處出現(xiàn)最小值，是GFRP-鋼筋復(fù)合材料的破壞機(jī)制所決定的.在本試驗(yàn)中，G3S6(Vc=1∶2)拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示，出現(xiàn)明顯的屈服階段，是延性破壞.

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論預(yù)估數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.5 Comparison between experimental data and theoretical prediction data

5 GFRP-鋼筋復(fù)合材料的臨界體積比預(yù)估模型[14]

由于玻璃纖維筋的斷裂應(yīng)變較低，在拉伸過(guò)程中，先承受荷載而破壞，如果鋼筋含量較小，則玻璃纖維破壞的同時(shí)鋼筋也隨之破壞，屬于一次破壞；如果鋼筋含量較大,玻璃纖維斷裂后，鋼筋繼續(xù)承受荷載，直到破壞，屬于兩次破壞.材料在一次破壞和兩次破壞之間存在臨界體積比，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)臨界體積比的范圍，為工程實(shí)際提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

推導(dǎo)GFRP-鋼筋復(fù)合材料臨界體積比預(yù)估模型有如下假設(shè)[9]：

1) 在受拉過(guò)程中GFRP-鋼筋復(fù)合材料的應(yīng)變是等值增加的.

GFRP-鋼筋復(fù)合材料屈服之前，界面的應(yīng)變基本是等值增加的，屈服之后到達(dá)到極限強(qiáng)度，應(yīng)變分布偏離直線關(guān)系，試驗(yàn)表明構(gòu)件的破壞總是發(fā)生在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)，此時(shí)的平均應(yīng)變?nèi)允欠系戎翟黾?

2) 環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑所形成的黏結(jié)材料對(duì)纖維浸潤(rùn)性好，GFRP-鋼筋復(fù)合材料界面完好.

由于環(huán)氧分子中具有羥基、醚基和環(huán)氧基等極性基團(tuán)，這些極性基團(tuán)與增強(qiáng)材料表面浸潤(rùn)性好[9]，受拉破壞是由GFRP-鋼筋復(fù)合材料拉斷導(dǎo)致的，而不是由于GFRP和鋼筋黏結(jié)破壞引起的.

3) GFRP-鋼筋復(fù)合材料最佳體積比的應(yīng)力應(yīng)變由上升段、水平段、上升段三部分組成.

實(shí)際上GFRP-鋼筋復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與復(fù)合材料的形狀(螺紋筋還是圓筋)、材料的強(qiáng)度、軸壓的偏心程度等因素有關(guān)，準(zhǔn)確描述比較復(fù)雜，而GFRP-鋼筋復(fù)合材料最佳體積比的應(yīng)力應(yīng)變由上升段、水平段、上升段三部分組成必然存在一定的誤差，但能滿足工程設(shè)計(jì)所要求的精度.

為方便計(jì)算將GFRP-鋼筋復(fù)合材料看成是橫截面為1的筋，玻璃纖維、鋼筋、環(huán)氧樹(shù)脂的GFRP-鋼筋復(fù)合材料的體積為υ，質(zhì)量為m；GFRP-鋼筋復(fù)合材料中玻璃纖維GFRP、鋼筋、環(huán)氧樹(shù)脂的體積分別為υg,υs,υm；質(zhì)量分別為mg,ms,mm；密度分別為ρg,ρs,ρm；體積比分別為λg,λs,λs；應(yīng)力分別為σg,σs,σm；彈性模量分別為Eg,Es,Em；GFRP-鋼筋復(fù)合材料的強(qiáng)度預(yù)估模型為[15]

F=λgσg+λsσs+λmσm.

(2)

F為試件受拉時(shí)的拉伸荷載，單位N.

λg+λs+λm=1.

(3)

在拉升過(guò)程中，GFRP、鋼筋、環(huán)氧樹(shù)脂等位移變形，應(yīng)變都為ε

所以：

σg=Egε,σs=Esε,σm=Emε.

(4)

當(dāng)拉伸荷載F增加到玻璃纖維極限荷載Ff時(shí)，

σg=σgf,ε=εgf.

(5)

由公式(2)、(4)、(5)整理得：

(6)

玻璃纖維斷裂后，鋼筋繼續(xù)承載，當(dāng)荷載F達(dá)到鋼筋極限抗拉強(qiáng)度Ff時(shí)有：

F=Ff,σs=σsf,ε=εsf.

(7)

同理可得：

(8)

將式(8)代入式(6)得：

(9)

由式(8)得：

(10)

由式(9)得：

(11)

(12)

公式討論：

(13)

(14)

(15)

6 結(jié)論

1) 與南京鋒暉復(fù)合有限公司合作使用玻璃纖維、鋼筋、環(huán)氧樹(shù)脂材料制備了GFRP-鋼筋復(fù)合材料，對(duì)不同體積比的玻璃纖維和鋼筋的復(fù)合材料進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，通過(guò)比較，當(dāng)玻璃纖維和鋼筋的體積比接近于1∶2時(shí)，GFRP-鋼筋復(fù)合材料具有屈服強(qiáng)度，是延性破壞，同時(shí)外延有玻璃纖維在鹽湖腐蝕地區(qū)起到一定的保護(hù)作用.

2) 理論推導(dǎo)出GFRP-鋼筋復(fù)合材料的臨界體積比預(yù)估模型，根據(jù)模型得到玻璃纖維、鋼筋的臨界體積比接近1∶2，這與實(shí)驗(yàn)中應(yīng)力應(yīng)變曲線的數(shù)據(jù)是相符的.