纤维增强塑料筋力学特性研究

程 涛（安徽建工集团有限公司，安徽 合肥 230022）

纤维增强塑料筋力学特性研究

程 涛（安徽建工集团有限公司，安徽 合肥 230022）

基于玻璃纤维增加塑料筋抗拉强度较大、抗剪切强度较低的特点，采用特制装置进行筋材室内抗拉试验研究，分析直径、材料组成、肋间距这三个因素对筋材力学特性的影响，获得有益结论：GFRP筋材直径增大能使得其极限荷载增大，但极限抗拉强度有所下降；纤维含量增加能提高筋材极限抗拉强度及弹性模量；肋间距增大将降低极限抗拉强度，增大应变值，造成弹模逐渐增大；直径对筋材极限抗拉强度影响最大，肋间距次之，材料组成最小；肋间距对筋材弹模影响最大，材料组成次之，直径最小。

GFRP；抗拉强度；直径；材料组成；肋间距

玻璃纤维增加塑料筋（GFRP筋材）的抗拉强度受玻璃纤维的力学性能、树脂的强度、加工成型方式、筋材的直径、筋材的肋间距、筋材组成等因素有关，因此国内各个厂家生产的 GFRP筋材的质量的离散性较大，致使筋材的力学性能差异性明显，而抗拉强度高是这种材料的最显著特征，也是其广泛应用于工程实际中的重要因素之一。因此，有必要针对某些厂家生产的GFRP筋材的抗拉强度进行试验研究，通过室内试验系统性研究材料成分、直径、肋间距这三个因素对玻璃纤维树脂锚杆抗拉强度的影响，获得不同外观几何尺寸及材料构成下的拉应力变化规律，以便形成统一的材料参数标准，在满足经济性及适用性的条件下，充分发挥GFRP筋材抗拉强度高的特点，从而以规范形式来指导筋材的生产、工程施工及设计。

1 试验方法

1.1 第一步：材料选取

本试验中选取3种筋材直径分别为：18mm（D1）、25mm（D2）、32mm（D3）；三种不同肋间距分别为：10mm（L1）、20mm（L2）、30mm（L3）；三种不同材料组成分别为：60%玻璃纤维含量与40%树脂含量（G1）、65%玻璃纤维含量与 35%树脂含量（G2）、70%玻璃纤维含量与30%树脂含量（G3）；则（D1L2G1）表示GFRP筋材属性为：直径18mm、肋间距20mm、60%玻璃纤维含量与 40%树脂含量。每根 GFRP筋材长度均取为45cm。

1.2 第二步：材料处理

由于GFRP筋材抗拉强度一般非常高，而横向抗压强度及层间剪切强度很低。为使试件在中部破坏，将大直径材料加工成小直径哑铃形状试件，间接测定GFRP筋的抗拉强度。为防止试件端部被夹持部分在试验过程发生局部破坏造成试件抖动，需使用玻璃纤维布和环氧树脂进行包裹，如图1所示。

图1 玻璃纤维增强筋端部夹持方式

1.3 第三步：拉伸试验

应变片沿GFRP锚杆上下对称粘贴，平均取值，在工作区的中部及距中点两侧各 100mm共选3个断面，打磨区域满足应变片的最小占用面积，每根杆体共贴片6个，用排线将电阻应变片导线引出，施工连续外荷载时每隔2kN读取应变值，直到试件破坏。

2 试验结果

GFRP筋材在受到抗拉力而产生破坏形式主要有：①试件端部夹持部位局部被夹断，试件滑移出夹头；②试件从变截面处脱层，小直径部分直接从大直径部分中抽出，使大直径部分成为一个空心圆筒，呈现“层剪”破坏状态；③试件端部在夹具内滑脱，未达到其极限强度而破坏；④试件树脂拉裂，纤维束部分拉断，整个杆体发生片状劈裂。其中前三种破坏形式均为无效破坏，只有最后一种破坏形式能真实反映构件抗拉强度。

GFRP筋材拉伸性能指标 表1

试件在加载过程中，当加载到极限荷载的20%～30%时，会听到试件损伤发出微小的脆响，一直持续，当加载到极限荷载的约 60%～70%时，可听到纤维剥离树脂和部分纤维丝断裂的声音，随着荷载施加，响声随之增大而渐密，最后突然发出很大断裂声，试件发生突然破坏。试验后观察发现：杆体表面有白斑状裂纹，有一明显断面破坏面，整个试件在较大范围内发生片状撕裂，且有小部分纤维丝未发生断裂，但已失去承载能力。

3 数据分析

3.1 直径对筋材抗拉强度的影响

一般，GFRP筋材极限承载力随直径增加而逐渐增强，但极限抗拉强度则表现出不同变化趋势，这是由于小直径筋材表面微裂纹尺寸和数量较少，应力集中现象相对较弱，使得纤维具有较高强度。图2为三种不同直径GFRP筋材极限抗拉强度值。

图2 GFRP筋材极限抗拉强度随直径变化关系

由图2可知，随着试件直径的增大，虽然其极限荷载增大，但是极限抗拉强度有所下降。其原因为：GFRP筋为复合材料，其材料组分、加工工艺等因素均不相同，生产过程中玻璃纤维先被张拉到一定应力水平，然后在模具内浸泽树脂，当树脂凝结到一定强度后压模或旋转杆体，制作表面螺纹形状。首先，连续玻璃纤维中存在断丝缺陷，其次，外表螺纹加工会使得潜表层纤维受到损伤而产生断丝、弯曲或褶皱，后者影响更为重要，造成筋材表面和内部分布着较多微裂缝、刻痕等，且截面尺寸越大材料富含缺陷越多，且浅表层缺陷多于深层部位。造成较大直径GFRP筋这些缺陷也相对明显，自然其抗拉强度相对较低。

3.2 材料组成对筋材抗拉强度影响

为研究材料组成对筋材力学性能的影响，试验时分别采用不同厂家生产的GFRP筋材，其材料成分分别即为G1、G2、G3，其试验结果见表2。

不同材料组成下GFRP筋材力学性能 表2

由表2可知，随着筋材中纤维含量增加，树脂含量减小，筋材极限抗拉强度逐渐增大，弹性模量逐渐增大，而筋材伸长率逐渐减小。当纤维含量由 60%增加到 75%时，筋材极限抗拉强度增加了 35%，弹性模量增加了35%左右，两者增加幅度均较大；而伸长率则减小了近60%，减小幅度非常明显。说明材料组成对这3个指标影响较大，特别是材料伸长率。这是由于玻璃纤维抗拉强度较高，而延性较低；而树脂抗拉强度相对较低，而延性相对较大，造成玻璃纤维含量较高的GFRP筋材抗拉强度较大，伸长率较低。因此，生产厂家可通过增加纤维含量来提高筋材的极限抗拉强度，而利用增加环氧树脂的含量来增强GFRP筋材的延性，而控制一个合适的纤维与树脂含量比例，在满足筋材极限抗拉强度的前提下兼顾材料的伸长率。但GFRP筋材抗拉强度不仅由纤维含量所控制，同时也受纤维本身力学性能、筋材生产工艺等各因素所影响，是一个离散型很高的力学性能指标。

3.3 肋间距对筋材抗拉强度影响

为研究肋间距变化对筋材力学性能影响，试验时分别选取肋间距分别为10mm、20mm、30mm的玻璃纤维筋进行拉拨试验研究，玻璃纤维筋其它尺寸分别为：直径18mm；玻璃纤维含量70%、树脂含量30%。表3为不同肋间距时的玻璃纤维筋抗拉强度值。

不同肋间距下GFRP筋材力学性能 表3

由表3可知，随着GFRP筋材肋间距增大，其极限抗拉强度逐渐减小，而应变值逐渐增大，造成GFRP筋材的弹性模量逐渐增大。分析认为：筋材抗拉破坏时，包裹玻璃纤维树脂首先产生开裂，随着拉应力增加，裂缝逐渐扩展、深入，并最终形成贯穿的裂缝，并局部出现剥离、脱落，其局部受力面积逐渐减小，拉力由玻璃纤维与树脂共同承担逐渐转变成玻璃纤维独自承担，同时因树脂包裹作用逐渐减弱，玻璃纤维抗拉承载力逐渐减小，造成整个GFRP筋材抗拉强度达到极值后迅速减小、快速破坏的试验现象。因此肋间距减小势必增加筋材承受抗拉横截面面积，致使破坏时裂缝开展、深入出现滞后现象，有效阻碍裂缝贯通及发展，使得破坏时 GFRP筋极限抗拉强度增大。同时肋间距减小使得裂缝达到相同开展深度所需应变量增大，使得树脂与玻璃纤维受力更加均匀，破坏时两者相对位移较小，树脂包裹作用得到增强，使得破坏时筋材应变值也相应减小。因此，肋间距增加能够有效增加筋材极限抗拉强度，减小材料弹性模量。当然，肋间距减小会大幅增加筋材中树脂含量，造成单位长度筋材造价提高，不利于控制出厂价格。因此，选择合适肋间距，设置肋合理布置方式，从而为GFRP筋材设计、施工及生产工艺提供技术支撑。

4 结 论

本文基于室内试验研究直径、肋间距、材料组成这三因素对 GFRP筋材力学性能影响，得出如下结论。

①GFRP筋材直径增大，虽其极限荷载增大，但极限抗拉强度有所下降；纤维含量增加能提高筋材的极限抗拉强度及弹性模量；肋间距增大将降低极限抗拉强度，增大应变值，造成筋材弹模逐渐增大。

②直径、肋间距、材料组成均影响GFRP筋材的力学特性。直径对GFRP筋材极限抗拉强度的影响最大，肋间距次之，材料组成最小；肋间距对GFRP筋材弹模的影响最大，材料组成次之，直径最小。

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［4］JG/T 406-2013，土木工程用玻璃纤维增强筋［S］.

TU431

A

1007-7359（2016）02-0197-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.069

项目名称：住房城乡建设部科学技术计划项目（建科〔2015〕91号）。

程涛（1983—），男，安徽桐城人，毕业于河海大学，工程师，主要从事基坑工程方面的研究工作。