高温下GFRP筋力学性能的试验研究

高温下 GFRP 筋极限强度和弹性模量试验结果 Results of ultimate strength and elastic modulus of GFRP bars at elevated temperature
极限强度 / MPa 1 017． 1 1 005． 3 1 018． 0 951． 6 997． 5 996． 0 948． 1 726． 8 873． 8 856． 1 898． 0 794． 0 756． 6 795． 9 755． 4 弹性模量 / GPa 52． 7 53． 9 51． 7 — 50． 3 50． 2 49． 1 50． 4 — — 50． 6 50． 8 44． 7 49． 9 47． 6 温度 / ℃ 200 200 200 250 250 250 300 300 300 350 350 400 400 450 500 极限强度 / MPa 780． 9 769． 6 769． 8 754． 2 704． 8 753． 0 761． 6 756． 6 700． 7 710． 1 758． 6 738． 1 608． 4 483． 2 334． 9 弹性模量 / GPa 34． 4 42． 2 47． 0 37． 0 34． 7 42． 7 29． 9 — — — — — — — —
温度 / ℃ 10 10 10 60 60 60 80 100 100 100 100 120 150 150 150
第 39 卷
置 10 cm 区段的伸长量． 为防止温度过高影响引伸 FRP 复合材料实验室另 计的测量精度和使用寿命，
［6 ］ 引伸计接长杆与 GFRP 加工了引伸计的接长杆 ， 筋通过耐高温弹簧固定， 并从加热炉侧壁上预留的
不同温度下 GFRP 筋的拉伸破坏模式
Failure modes of GFRP rebars at different temperatures
Fra Baidu bibliotek
Variation of elastic modulus versus different temperatures
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GFRP 材料的热分析试验
GFRP 筋的基体材料环氧树脂是典型的高分子
构件颜色变为深褐色， 破坏模式也由常温 解温度后， 下的纤维成束破坏变为单丝的破坏． 不同温度下试 为了更好地观察 件的拉伸 破 坏 模 式 如 图 5 所 示， GFRP 筋的破坏形态， 试件在残余应力约为极限荷 载的 70% 时停止加载， 未将试件完全拉断．
图5 Fig． 5 图3 Fig． 3 弹性模量随温度的衰减规律
收稿日期： 2011-07-01 * 基金项目： 英国皇家协会国际合作项目（ 2007 / R1IJP） ； 亚热带建筑科学国家重点实验室开放基金资助项目（ 2009KB20 ） ）， mail： hit_wangxiaolu@ 163． com 作者简介： 王晓璐（ 1982女， 博士生， 主要从事 FRP 混凝土结构防火及力学性能研究 ． E 通讯作者： 查晓雄（ 1968）， FRP 混凝土性能研究． Email： zhaxx@ hit． edu． cn 男， 教授， 博士生导师， 主要从事钢混凝土、
2
2． 1
GFRP 筋的高温力学性能
极限强度和弹性模量随温度的变化
GFRP 筋高温拉伸试验结果如表 1 所示． GFRP
筋的极限强度和弹性模量随温度的升高而逐渐减 小， 且 GFRP 筋的高温力学性能受树脂的玻璃化温 度、 纤维丝的软化温度影响显著． 试验中， 由于树脂 在高 温 下 发 生 软 化 甚 至 分 解， 因 此 300℃ 以 上 的 GFRP 筋弹性模量未测出．
1
GFRP 筋的高温拉伸试验概况
本试验对直径 8 mm 的 GFRP 筋进行了 10 ～ 500 ℃ 区间 13 种不同温度下的拉伸试验， 获得 GFRP 筋的极限 强度和弹性模量随温度的衰减规律． 拉伸试件总数 为 30 根．
1． 1
拉伸试件的加工
试验所用的 GFRP 筋由中山浦美复合材料有限 公司 生 产， 基 体 材 料 为 环 氧 树 脂， 纤维质量率为 70% ， 筋表面经喷砂处理后高温固化成型 ． 试验中为 防止拉力机夹具引起 GFRP 筋端部发生剪切破坏， 采用无缝钢管内添膨胀水泥的方式对 GFRP 筋端部 进行锚固， 上下两端锚固长度为 140 mm， 试件净长 320 mm ， ACI 440. 1R-06 满足 中关于拉伸试件 度为 ［5 ］ 净长度 l0 ≥40 d（ d 为 FRP 筋直径） 的规定 ．
图 2 极限强度随温度的衰减规律 Fig． 2 Variation of ultimate strength versus different temperatures
第9 期
王晓璐 等： 高温下 GFRP 筋力学性能的试验研究
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GFRP 筋弹性模量随温度的衰减曲线如图 3 所 示． GFRP 筋弹性模量在 120 ℃ 前受温度的影响较 一旦超过 120 ℃ ， 试件的弹性模量随温度的升高 小， 迅速折减， 接近线性变化． 由图中试验数据的分布情 况可以看出， 数据的离散性在树脂完全软化 （ 温度 高于 120 ℃ ） 后变大， 在树脂分解（ 温度高于 300 ℃ ） 后未能测出弹性模量． 故本试验使用的在 GFRP 筋 上绑扎位移引伸计来测量伸长量的方法在高温环境 中的可应用性降低．
GFRP 筋在不同温度下的应力 － 应变关系曲线 如图 4 所示． 可见， 常温和高温下 GFRP 筋的拉伸本 构关系基本呈线性变化， 其本构模型可由极限强度 与弹性模量两个参数确定．
其分子交联受温度影响显著， 从而引起 热固性材料， 物理性能的急剧变化． GFRP 筋在高温下的力学性 能与其热性能密切相关， 因此， 有必要对 GFRP 筋的 热性能进行进一步研究． 热分析试验使用 NETZSCH 公司生产的 STA449F3 TGDSC 同步热分析仪对材料进行热分析． 差示扫 描量热仪（ DSC ） 可测试 GFRP 材料的吸热、 放热， 以 判断分子的相变温度； 热重分析仪 （ TGA ） 测量样品 质量变化， 以判断 GFRP 的热分解温度． 试验的升温 速率为 10℃ / min， 气氛为氮气， 最高测试温度为 500℃． 经测试， 本试验所用玻璃纤维 / 环氧树脂复合材 T 为温 料的 TG / DSC 测试结果如图 6 所示． 图中， q 为热流量， m 为剩余质量． DDSC 为 DSC 曲线 度， DTG 为 TG 曲线随时间的一 随时间 t 的一阶导数， 阶导数． 由 DSC / DDSC 曲 线 可 以 看 出， 材 料 在 75 ～ 115 ℃ 之间的热流曲线有明显的变化， 出现了放热 该温度下 GFRP 筋的基体材料环氧树脂发生了 峰， DDSC 曲线的峰值点对 化学交联反应， 产生了相变， 应的树脂玻璃化温度为 94. 7 ℃ ． 由 TG / DTG 曲线可 GFRP 材料在 325 ～ 475 ℃ 之间质量显著下降， 知， 该 DTG 曲线的峰值点 温度下环氧树脂发生了热分解， 500 ℃ 时 GFRP 筋的 对应的热分解温度为 392. 0 ℃ ，
第 39 卷 第 9 期 2011 年 9 月
华南理工大学学报（ 自然科学版） Journal of South China University of Technology （ Natural Science Edition）
Vol． 39 No． 9 September 2011
565X（ 2011 ） 09-0075-07 文章编号： 1000-
1． 2
试验装置和设备
GFRP 筋的高温拉伸试验使用万能试验机对试 使用电加热炉进行升温． 加热设备由 6 件进行拉伸， 根石英加热管组成， 炉内温度使用两支 K 型热电偶 监控 ． 试验中使用位移引伸计测量 GFRP 筋中间位
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华 南 理 工 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版） 表1 Table 1
* 高温下 GFRP 筋力学性能的试验研究 王晓璐 査晓雄

（ 哈尔滨工业大学 深圳研究生院，广东 深圳 518055 ）
摘 要： 为了研究高温下纤维增强复合材料 （ FRP） 筋的力学性能， 对直径为 8 mm 的玻璃 纤维增强复合材料（ GFRP） 筋进行了高温下的拉伸试验， 获得了 10 ～ 500 ℃ 范围内随着温 度升高 GFRP 筋的极限强度和弹性模量的衰减趋势； 并结合材料 TG / DSC 热学试验结果 提出了 GFRP 筋在高温下的拉伸本构模型． 该三参数拉伸本构模型以纤维和树脂的热学 性能为基础， 可简化为由树脂玻璃化温度和纤维丝软化 / 氧化温度控制的二参数模型． 经 ， 验证 该二参数模型与文中及相关文献中的 FRP 筋的高温拉伸试验结果相吻合， 具有较 强的通用性， 可推广应用于其他树脂材料和纤维类型的 FRP 筋中． 关键词： 玻璃纤维增强复合材料； 筋； 高温； 拉伸试验； 热化学分析； 本构模型 + doi： 10． 3969 / j． issn． 1000565X． 2011． 09． 013 中图分类号： TU377． 9 1 纤维增强复合材料 （ FRP ） 以其轻质高强、 耐腐 电磁绝缘等特点， 已在桥梁工程、 室内停车 蚀性好、 ［1 ］ 场等工程中得到了应用 ． 然而高温下 FRP 力学性 阻碍了 FRP 筋 能的恶化却成为工程应用中的隐患， 在建筑领域的大范围推广． FRP 筋是由连续的纤维 高温下树脂受热软化分解 材料通过树脂粘结而成， 引发粘结作用的减弱甚至丧失， 同时作为主要受力 导致 FRP 材料的纤维丝在高温下发生软化或氧化 ， 筋的力学性能在高温下显著下降． 目前国内外对于 FRP 筋高温力学性能的研究并不充分， 主要体现在 、 高温力学试验数据少且离散性大 温度测试区域间 强度随温度的折减公式仅通过现有试验数据 隔大、 ［2-4 ］ ． 本试验以 的简单拟合而缺乏统一性与通用性 对 GFRP 工程中较为常用的 GFRP 筋为研究对象， 筋在高温 下 的 力 学 性 能 进 行 了 测 试， 得到高温下 GFRP 筋的极限强度和弹性模量随温度的衰 减 规 律， 并结合材料的热性能分析试验， 提出了 GFRP 筋 在高温下的拉伸本构模型， 该本构模型可推广应用 从而为 FRP 筋混 至其他类型的纤维和树脂材料中， 凝土结构的高温性能研究提供了基础 ．
1. 5 cm 宽的纵向通长空隙中穿过． 试验设备如图 1 所示．
图1 Fig． 1
试验设备图 Test equipment
1—GFRP 筋； 2—筋端部锚固； 3—引伸计； 4—引伸计接长杆； 5 —炉壁； 6 —加热管； 7 —热电偶； 8 —拉力机夹头
1． 3
高温拉伸试验过程
进行高温拉伸试验前先连接好位移引伸计与接 用耐高温弹簧将接长杆固定于 GFRP 筋的中 长杆， 部， 同时在试件中部绑扎两根 K 型热电偶， 并使用 铝箔纸将试件包裹以使 GFRP 筋表面受热均匀． 随 后， 将绑扎好引伸计的试件从加热炉的上下端口和 侧壁缝隙中穿入， 用万能试验机将试件端部夹紧． 准 备工作完成后电加热炉开始升温， 待炉内温度达到 开始进行拉伸试验． 拉伸试 目标温度后恒温 40 min， 验采用位移控制的方式， 加载速率为 2 mm / min， 试 换 验中采集试验机的拉力值和位移引伸计伸长量 ， GFRP － ． 算得到 筋在高温下的应力 应变曲线
试验测得的 GFRP 筋极限强度随温度的衰减趋 GFRP 筋在高温下 势如图 2 所示． 由试验结果可知， 极限 强 度 的 变 化 可 分 为 以 下 4 个 阶 段： （ 1 ） 10 ～ 80 ℃ ， 该温度区段内 GFRP 筋抗拉强度受温度的影 80 ℃ 时极限强度仅较常温降低了 6% ； （ 2 ） 响较小， 80 ～ 120 ℃ ， 该温度区段内环氧树脂发生了软化， 树 脂的软化不仅使自身强度降低， 同时也减弱了对玻 璃纤维丝的粘结作用， 导致 GFRP 筋整体强度下降， 120 ℃ 时 的 极 限 强 度 较 常 温 时 下 降 了 22% ； （ 3 ） 120 ～ 400 ℃ ， 该温度区段树脂完全软化甚至分 解， 对玻璃纤维丝的粘结作用几乎完全丧失 ， 而此时 耐火性能较强的玻璃纤维尚未发生软化， 故 GFRP 筋的极限强度在该温度区段趋于恒 定； （ 4 ） 400 ～ 500 ℃ ， 玻璃纤维丝在该温度区段发生软化， 力学性 能迅速恶化， 导致 GFRP 筋极限强度随温度迅速下 ， 500 ℃ GFRP 降 时 筋的强度仅为常温下的 33% ．