不同直徑GFRP和BFRP筋高溫后受剪與受壓性能*

謝青海,孫成建,肖建莊,趙李榮

(1.江蘇海洋大學 土木與港海工程學院,江蘇 連云港 222005; 2.同濟大學 土木工程學院,上海 200092; 3.江蘇省海洋工程基礎設施智能建造工程研究中心,江蘇 連云港 222005)

0 引言

近年來,纖維增強復合材料(fiber reinforced polymer,簡稱FRP)在工程中得到廣泛應用,其中GFRP和BFRP筋因在電磁場中絕緣、不導電、絕熱性好,故常被應用于防電磁干擾的特殊環境混凝土結構中[1-3]。FRP筋應用到混凝土結構中需要應對很多挑戰,高溫作用就是其中之一[4]。研究表明,FRP筋樹脂基體在玻璃態轉化溫度Tg時會軟化,當溫度超過Tg后,彈性模量因其分子結構變化而顯著降低[5]。當溫度繼續升高時,超過樹脂分解溫度Td后,樹脂會發生熱分解,纖維則彼此分離,導致FRP筋力學性能急劇降低直至喪失[6]。

國內外學者持續研究FRP筋高溫力學性能。Ashrafi等[6]、Wang等[7]和Hajiloo等[8]研究了高溫中玻璃纖維增強復合材料(GFRP)筋抗拉性能退化規律。結果表明,當溫度為350～450 ℃時,由于樹脂發生熱分解,GFRP筋抗拉強度顯著下降50%～70%。Najafabadi等[9]在Ashrafi等[6]的基礎上,將GFRP筋埋入混凝土套筒中,發現包覆混凝土可減少GFRP筋約20%的抗拉強度損失。

為更全面地了解FRP筋高溫力學性能,朱德舉等[10]通過雙剪試驗研究了小直徑(<5 mm)GFRP筋和玄武巖纖維增強復合材料(BFRP)筋不同高溫后抗剪性能,發現筋材剪切強度隨著溫度升高均呈先上升后下降趨勢。而蔡啟明等[11]通過短梁剪切試驗發現,直徑為12和16 mm的GFRP筋和BFRP筋的剪切強度均隨溫度升高呈現下降趨勢。唐利等[12]則通過高溫后沖切試驗方式,發現直徑為8 mm的BFRP筋抗剪強度隨溫度升高而降低。

已有文獻對FRP筋高溫受拉性能研究較為充分。但由于FRP筋為各向異性材料,高溫后抗剪和抗壓強度退化情況仍需深入研究,以便對不同直徑FRP筋高溫力學性能有更全面的認識[11]。本研究通過高溫后雙剪試驗和抗壓試驗,研究不同直徑GFRP筋和BFRP筋高溫后的破壞模式和力學性能退化情況;進一步基于Weibull模型對GFRP筋和BFRP筋高溫后剪切和抗壓強度進行統計分析,量化高溫力學性能的變異性。

1 試驗材料及分組

選用帶肋GFRP筋和BFRP筋,基體為環氧樹脂。以直徑16 mm筋材為例,其尺寸及形貌示意圖見圖1。試驗溫度分別取室溫(20 ℃),50,200,250,300,350,400 ℃。剪切試驗取直徑為6,10和16 mm的BFRP和GFRP筋,抗壓試驗取直徑為10和16 mm的BFRP和GFRP筋,試件基本信息見表1。剪切試驗試件長度為300 mm,抗壓試驗試件長度取為直徑的2倍。

2 試驗方法及裝置

2.1 高溫試驗

基于《纖維增強塑料高低溫力學性能試驗準則》(GB/T 9979—2005)要求,并綜合朱徳舉等[10]和蔡啟明等[11]采用的高溫試驗方法,以確保FRP筋內外達到一致溫度。在高溫試驗中,升溫速率采用5 ℃/min,達到設定溫度后恒溫2 h,之后FRP筋在高溫爐里冷卻至常溫,升溫曲線如圖2所示。通過稱量所有試件在高溫前后的質量,計算不同直徑FRP筋經歷高溫后的燒失量。

圖2 升溫曲線Fig.2 Heating curve

另外參考規范《玻璃纖維增強塑料樹脂含量測試方法》(GB/T 2577—2005),對FRP筋的樹脂含量進行測試。同樣基于高溫前后質量差異,計算得到不同直徑FRP筋的樹脂含量。

2.2 剪切試驗

參考規范《土木工程用玻璃纖維增強筋》(JG/T 406—2013),采用雙剪測試裝置(見圖3)。采用位移加載方式,加載速率為2 mm/min。每種溫度試件數量為6個,試件長度為300 mm。

圖3 FRP筋剪切試驗設備Fig.3 Shear test equipment for FRP bars

剪切強度計算公式為

fv=P/2A。

(1)

式中:fv為FRP筋剪切強度,MPa;P為最大破壞荷載,N;A為FRP筋橫截面積,mm2。

2.3 抗壓試驗

目前尚無FRP筋受壓試驗統一標準,參考文獻[12],FRP筋試件長度取為直徑的2倍。裝置如圖4所示,采用位移加載方式,加載速率為1 mm/min。每種溫度試件數量為6個。取直徑16 mm的FRP筋測試高溫后的受壓彈性模量。

圖4 FRP筋抗壓試驗設備Fig.4 Compression test equipment for FRP bars

3 試驗結果與分析

3.1 燒失量

不同高溫后的GFRP筋和BFRP筋燒失量見圖5。當溫度達到150 ℃時,已經超過玻璃態轉化溫度Tg,環氧樹脂開始軟化,燒失量無明顯變化。當溫度超過300 ℃時,環氧樹脂開始快速分解,燒失量隨溫度升高而急劇增加。當溫度為350 ℃時,GFRP筋平均燒失量為6.72%,BFRP筋平均燒失量為8.14%;當溫度達到400 ℃時,兩種FRP筋的燒失量快速增加到15%到20%;BFRP筋的燒失量比GFRP筋略高。

圖5 不同溫度后FRP筋燒失量Fig.5 Ignition loss of FRP bars after different temperatures

不同直徑的GFRP筋和BFRP筋樹脂含量如圖6所示。GFRP筋樹脂平均含量約為19.71%,BFRP筋樹脂平均含量約為21.52%。對比圖5和圖6可以發現,400 ℃時大部分樹脂已分解。

圖6 不同直徑FRP筋樹脂含量Fig.6 Resin content of FRP bars of different diameters

3.2 高溫后試件破壞模式

3.2.1 受剪破壞模式 GFRP筋和BFRP筋高溫

后受剪破壞模式見圖7。以BFRP筋為例,其在室溫(20 ℃)和150,200和250 ℃高溫后,FRP筋受剪處出現裂縫,并且裂縫長度隨著溫度的升高而延伸;當在300 ℃高溫后,FRP筋受剪處的纖維束與樹脂發生剝離。在不同高溫后,FRP筋受剪破壞模式可分為5種:① 受剪處兩端均未斷裂;② 受剪處一端斷裂;③ 受剪處兩端斷裂;④ 受剪處纖維束呈松散狀;⑤ 受剪處纖維絲呈蓬松狀。隨著溫度的升高,受剪處的形狀越來越不規則,破壞越來越嚴重。GFRP筋破壞模式與BFRP筋類似,如圖7f所示。

a 20 ℃

b 200 ℃

c 300 ℃

d 350 ℃

e 400 ℃

f GFRP筋圖7 不同溫度后FRP筋受剪破壞模式Fig.7 Shear failure mode of FRP bars after different temperatures

從圖7f中也可以明顯看出GFRP筋樹脂炭化過程:隨著溫度升高,GFRP筋顏色由淺綠色逐漸轉變成淺褐色、深褐色、炭黑色。而BFRP筋表面顏色隨溫度變化不明顯,最后轉變為炭黑色。

3.2.2 受壓破壞模式 不同高溫后GFRP筋和BFRP筋的受壓破壞模式見圖8。FRP筋受壓破壞模式可分為3種:① 端部破壞;② 劈裂破壞;③ 剝離破壞。隨著溫度的升高,FRP筋破壞時縱向裂縫逐漸變寬,承壓面裂紋逐漸增寬。BFRP筋破壞模式與GFRP筋類似,如圖8b所示。

b BFRP筋圖8 不同溫度后FRP筋受壓破壞模式Fig.8 Compression failure mode of FRP bars after different temperatures

3.3 高溫后FRP筋剪切性能退化分析

3.3.1 高溫后FRP筋剪切荷載—位移曲線 高溫后FRP筋剪切荷載—位移曲線見圖9。當溫度不超過300 ℃時,樹脂分解較少,FRP筋中的纖維和樹脂基體共同抵抗剪力;隨著荷載增加,內部裂紋開展,FRP筋中的纖維和樹脂基體共同承受荷載的能力被削弱,剪切變形主要由樹脂基體承擔,荷載增長較慢;隨著樹脂基體的承擔剪切變形達到極限,剪應力重新分配,剪切變形主要由纖維承擔,荷載增長速度明顯加快,直至纖維被剪斷,最終FRP筋呈脆性破壞[10]。當溫度達到350 ℃時,大量樹脂發生不可逆分解,嚴重降低了纖維和樹脂基體的共同作用。隨著位移增加,荷載增長緩慢,峰值荷載對應的位移明顯增加。經歷400 ℃高溫后,FRP筋樹脂與纖維的粘結基本喪失(如圖7e所示),峰值荷載迅速降低。直徑16 mm的GFRP筋由于纖維全部散落,未能測得400 ℃后的剪切強度?？傮w而言,FRP筋破壞時的峰值荷載與對應位移隨著FRP筋直徑變大而增加。

a GFRP筋(直徑6 mm)

b GFRP筋(直徑10 mm)

c GFRP筋(直徑16 mm)

d BFRP筋(直徑6 mm)

e BFRP筋(直徑10 mm)

f BFRP筋(直徑16 mm)圖9 高溫后FRP筋剪切荷載—位移曲線Fig.9 Shear load—displacement curves of heated FRP bars

3.3.2 高溫后FRP筋相對剪切強度 高溫后FRP筋相對剪切強度見圖10?？梢园l現,隨著溫度升高,FRP筋剪切強度總體呈先升高后下降趨勢。

b BFRP筋

c GFRP筋與BFRP筋對比圖10 高溫后FRP筋相對剪切強度Fig.10 Relative shear strength of heated FRP bars

如圖10a所示,GFRP筋剪切強度在300 ℃及之前,高于常溫值,之后則迅速降低。350,400 ℃高溫后,直徑越大的GFRP筋,相對剪切強度越小。結合圖10a與圖5可以發現,GFRP筋燒失量在300 ℃之前較小,在300 ℃之后迅速增加,與GFRP筋的剪切強度變化規律吻合。這主要由于當溫度低于300 ℃時,樹脂從固態到玻璃態,冷卻至室溫后樹脂再從玻璃態轉變為固態的過程增加了GFRP筋的硬度,使得GFRP筋剪切強度有所升高;當溫度高于300 ℃時,樹脂基體發生不可逆分解,是導致剪切強度退化的重要原因[10-11]。

圖10a也對比了其他試驗結果?？梢钥闯?本文GFRP筋高溫后剪切強度退化規律與付亞男[13]試驗結果較為接近。朱德舉等[10]試驗結果表明,4 mm GFRP筋在300 ℃后剪切強度即有約20%退化,同時300 ℃之后的退化程度與本文相比較緩。Robert等[14]測試了GFRP筋高溫時的剪切強度,結果顯示,GFRP筋剪切強度在溫度為100 ℃時即下降超過10%,在300 ℃時則下降約75%,退化程度顯著高于圖10a中高溫冷卻后的結果,這說明GFRP筋在高溫冷卻后剪切強度有明顯恢復。

與GFRP筋類似,如圖10b所示,BFRP筋的剪切強度在300 ℃之后有明顯下降,并且直徑越大退化越顯著。強度退化原因與GFRP筋類似。直徑為6 mm的BFRP筋在本文試驗溫度內,相對剪切強度均高于其他直徑的BFRP筋,且在350 ℃及之前,高于朱德舉等[10]關于4.45 mm BFRP筋相對剪切強度的試驗結果。唐利等[12]基于沖壓式試驗、蔡啟明等[11]通過短梁試驗測得BFRP筋高溫后的剪切強度,其退化程度比本文和朱德舉等[10]的結果均更嚴重。

本文GFRP筋與BFRP筋相對剪切強度對比如圖10c所示?？梢园l現,除了直徑為6 mm的BFRP筋在200,300,350 ℃相對剪切強度較高外,其他相同直徑的GFRP筋與BFRP筋高溫后的剪切強度退化規律基本相同,在300～400 ℃高溫作用后,相對剪切強度隨溫度升高而直線下降。直徑為10 mm的FRP筋相對剪切強度在350 ℃為75%左右,到400 ℃則迅速降到32%;直徑為16 mm的FRP筋則從50%迅速降到30%。這表明直徑增加引起的相對剪切強度退化程度,顯著低于高溫作用。

此外,在300 ℃后,直徑越大的筋材,剪切強度損失越多。結合圖5中燒失量數據與圖7中筋材高溫后形貌,可以看出,樹脂的炭化顯著降低了內部纖維與樹脂的共同作用,內部纖維間的空隙增多,達到峰值荷載的剪切變形則較大[10]。而直徑越大的筋材,在剪切變形作用下,更多的纖維過早退出,引起剪切強度退化更多。

3.3.3 高溫后FRP筋剪切強度變異性 Weibull分布常用于FRP筋強度變異性描述[10,15]。兩參數Weibull分布函數的基本形式為

(2)

式中:f(x|α,β)為累積失效概率;x為FRP筋強度;α為尺度參數;β為形狀參數。

高溫后FRP筋剪切強度Weibull分布曲線見圖11。當溫度小于300 ℃時,其剪切強度的分布集中于150～250 MPa,當溫度高于300 ℃時,對應的Weibull分布曲線處于低強度區。與試驗結果對比可以發現,Weibull模型可以較好地描述剪切強度概率分布。

a GFRP筋(直徑6 mm)

b GFRP筋(直徑10 mm)

c GFRP筋(直徑16 mm)

e BFRP筋(直徑10 mm)

f BFRP筋(直徑16 mm)圖11 高溫后FRP筋剪切強度Weibull分布累積失效概率曲線Fig.11 Cumulative failure probability of shear strength of heated FRP bars based on Weibull distribution

3.3.4 高溫后FRP筋相對剪切強度回歸分析 通過對高溫后FRP筋相對剪切強度進行回歸分析,得到FRP筋相對剪切強度隨溫度變化計算公式?；谟欣矸质絒16]得到FRP筋相對剪切強度擬合公式(3),FRP筋相對剪切強度與擬合曲線對比如圖12所示,可以發現,擬合公式與試驗結果吻合較好。

圖12 高溫后FRP筋相對剪切強度擬合曲線Fig.12 Fitting curve of relative shear strength of FRP bars after high temperatures

(3)

式中:T為溫度,℃;d為FRP筋直徑,mm;fs0為常溫時抗剪強度,MPa;fs,T為高溫T后抗剪強度,MPa。

3.4 高溫后FRP筋抗壓性能退化分析

3.4.1 高溫后FRP筋受壓應力—應變曲線 高溫后16 mm直徑FRP筋受壓應力—應變曲線見圖13?？梢园l現,FRP筋受壓應力—應變曲線為斜直線,各曲線斜率相近,破壞時FRP筋突然斷裂,屬于線彈性材料,無屈服平臺?；趹Α獞兦€,計算得到高溫后FRP筋受壓彈性模量,如圖14所示。在室溫時,測得GFRP筋和BFRP筋平均受壓彈性模量分別為42.65 GPa和63.99 GPa。在150,200,250和300 ℃高溫后,FRP筋的彈性模量均無明顯變化。由于350 ℃高溫后筋材已經嚴重受損,無法貼應變片,因而未測得相應彈性模量。

a GFRP筋

圖14 高溫后FRP筋受壓彈性模量Fig.14 Compressive elastic modulus of heated FRP bars

(4)

3.4.2 高溫后FRP筋相對抗壓強度 高溫后FRP筋相對抗壓強度見圖15。從圖15a中可以看出,GFRP筋抗壓強度退化也可分為兩段:300 ℃之前略有增加并緩慢下降,或者持續緩慢下降,而300 ℃之后迅速降低。結合圖5中的高溫燒失量分析,可以認為在300 ℃之前,樹脂分解較少,冷卻后性能得以恢復,由于樹脂與纖維之間熱膨脹系數等熱工性能差異導致纖維與樹脂之間的界面性能有所降低[10],抗壓強度退化不多;而在350和400 ℃高溫后,大量樹脂不可逆分解,造成GFRP筋抗壓強度快速下降。直徑為10 mm GFRP筋在350和400 ℃后分別降低了78.01%和98.17%,而直徑為16 mm FRP筋分別降低了85.87%和99.58%。400 ℃高溫后,抗壓強度可以認為完全喪失。

a GFRP筋

c 不同直徑FRP筋擬合圖15 高溫后FRP筋相對抗壓強度Fig.15 Relative compressive strength of FRP bars after high temperatures

如圖15a所示,Alajarmeh等[17]研究了常溫至140 ℃時不同長徑比(l/d=4)的GFRP筋高溫抗壓強度,發現在溫度超過100 ℃時,GFRP筋抗壓強度退化已經超過50%。通過對比本文高溫冷卻后的結果,可以發現GFRP筋抗壓強度在高溫冷卻后有顯著恢復。BFRP筋高溫后抗壓強度退化,如圖15b所示,以300 ℃為界限,退化規律與GFRP筋類似。唐利等[12]的研究結果得到的高溫后抗壓強度退化規律與本文相似,在350 ℃高溫后,抗壓強度損失約80%。

圖15a和b同時對比了朱德舉等[10]關于GFRP筋和BFRP筋高溫后抗拉強度試驗結果,可以發現抗拉強度在350 ℃退化較少。在其他溫度退化規律與抗壓強度類似。

GFRP筋與BFRP筋高溫后抗壓強度退化規律對比如圖15c所示?？梢园l現,經歷相同溫度后,GFRP筋相對殘余抗壓強度略高于BFRP筋。在300～400 ℃高溫作用后,相對抗壓強度隨溫度升高而迅速下降。直徑為10 mm的FRP筋相對抗壓強度在300 ℃為95%～105%,到350 ℃則迅速降到20%～25%;直徑為16 mm的FRP筋則從65%～80%迅速降到約10%～15%;到400 ℃均基本完全損失強度。這表明溫度升高引起的相對抗壓強度退化程度,顯著高于直徑增加。

直徑越大,GFRP筋和BFRP筋高溫后的抗壓強度退化均越顯著。由于FRP筋中纖維方向與受力方向相同,纖維對抗壓強度貢獻較小,抗壓強度主要由樹脂提供。在高溫作用后,樹脂逐漸分解炭化,內部結構開始變得松散[11]。同時FRP筋直徑越大,內部初始缺陷越多,當溫度升高時,內部順著纖維方向的裂紋也越多。受壓時,這些裂紋進一步擴展,因而直徑更大的FRP筋強度退化更多。

3.4.3 高溫后FRP筋相對抗壓強度回歸分析 FRP筋相對抗壓強度擬合曲線如圖15c所示,對應的擬合公式如式(4)所示,可以看出,公式與試驗結果吻合較好。

4 結語

(1) 高溫會導致GFRP筋和BFRP筋形貌發生顯著變化。當溫度高于300 ℃時,FRP筋燒失量明顯增大,FRP筋中的樹脂基體發生不可逆分解,樹脂與纖維的共同作用迅速減弱,造成受剪與受壓性能顯著退化。高溫引起的強度退化,比直徑引起的強度退化更為顯著。

(2) 隨著溫度升高,GFRP筋和BFRP筋剪切強度均先增加后減小。當溫度高于300 ℃時,剪切強度迅速下降,且直徑越大強度退化越多。

(3) 經歷相同溫度后,直徑越大的FRP筋抗壓強度損失越多。BFRP筋高溫后的受壓彈性模量高于GFRP筋,兩者彈性模量在300 ℃之前近似保持不變。GFRP筋和BFRP筋高溫后抗壓強度比剪切強度退化更嚴重,且變異性更高。

(4) 基于Weibull分布模型,建立了FRP筋高溫后剪切強度和抗壓強度概率模型,能較好反映其變異性。同時本文給出了FRP筋高溫后剪切和抗壓強度計算公式,與試驗值吻合較好,可供相關分析與設計參考。