玻璃纤维增强筋在低温环境中的拉伸性能研究

金清平，向亚男，高永红

(武汉科技大学城市建设学院, 湖北 武汉 430065)

0 前言

GFRP筋具有轻质、高强、耐化学腐蚀、耐疲劳、抗电磁、阻燃等优点[1-4]，与钢筋相比，GFRP筋在海洋环境和一定湿度环境下具有较好的耐久性拉伸性能保持率较高[5-6]，是较为理想的钢筋替代品，成为近些年来持续研究的热点，并逐渐应用于土木工程结构中。在桥梁结构、土钉支护等实际工程中，GFRP筋结构也经常会遭受低温气候的作用。目前国内外学者研究较多的是高温对GFRP筋力学性能的影响，美国混凝土协会颁布的《关于FRP加筋混凝土结构的设计与施工规范》中总结了关于高温对GFRP筋体及结构的影响，指出在温度超过玻璃化转化温度(约65～120 ℃)时，材料的拉伸弹性模量会减小，而当温度达到250 ℃时，GFRP的拉伸强度将减少超过20 %[7]。高永红等[8]研究了GFRP 筋在20～180 ℃时的拉伸性能，研究表明极限拉伸强度、极限延伸率、弹性模量随温度的升高而下降; 直径越大，极限拉伸强度、极限延伸率下降的幅度越大，而弹性模量下降的幅度差别不大。周继凯等[9-10]研究得到GFRP 筋的力学性能对环境温度敏感；并针对不同直径的GFRP筋开展了力学性能研究，采用基于材料强度Weibull分布的最弱链理论分析其尺寸效应，结果表明，GFRP筋的极限拉伸强度、弹性模量和极限延伸率随着直径的增加而降低，而屈服应变变化规律则相反。低温效应对GFRP筋性能的影响研究较少。在常温至极低温度下循环后GFRP筋的拉伸模量会下降，最高可降低至68 %[11]，而在多次冻融循环后，GFRP筋与混凝土的黏结性研究结果并不一致[12-15]。在设计计算中如何考虑低温对GFRP筋及其结构产生的影响是工程应用需要解决的问题。

本文通过研究常见低温环境下GFRP筋的拉伸性能，揭示了其变化规律，为GFRP筋在低温中的拉伸性能评估提供了理论依据，并为实际工程中的应用提供了理论支撑。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚乙烯基GFRP筋，直径分别为16、22 mm，深圳海川材料有限公司。

1.2 主要设备及仪器

数显控温低温冰柜，HX-T-3000D2，东莞市昊昕仪器设备有限公司；

微机控电液伺服万能试验机，WAW-1000，济南试金集团有限公司；

静态电阻应变仪，BZ2205C，秦皇岛北戴河兰州科技有限公司。

1.3 样品制备

如图1所示，采用无缝钢管内填充膨胀水泥的方式对GFRP筋端部进行锚固，上下2端锚固的长度均为200 mm，试样净长度为400 mm。

图1 GFRP筋试样Fig.1 Test sample of GFRP bars

1.4 性能测试与结构表征

拉伸性能按GB/T 13096—2008测试，采用位移加载控制方式，拉伸速率为2 mm/min；试验选取直径为16、22 mm的GFRP筋试样，试验温度分别为-20、-10、0、10、20 ℃，共5种工况，将各GFRP筋试样在对应的温度环境中下静置0.5 h后开始拉伸试验；对直径为16、22 mm的GFRP筋体在-20、0、20 ℃低温时分别恒温持续0.5、1、1.5、2、2.5 h后进行拉伸试验，研究恒温时间对GFRP筋拉伸性能的影响；将GFRP筋试样放入数显控温低温冰柜中，降温到指定温度后恒温计时，恒温时间保持0.5 h后进行拉伸试验，期间采取保温措施。

2 结果与讨论

2.1 低温下GFRP筋的拉伸性能

分别对直径为16、22 mm的 GFRP筋在-20～20 ℃时的5种不同温度下的拉伸性能进行测试，5种温度下的试样破坏形态较为相似。筋体在试验中，当荷载超过50 %极限拉伸强度后，不定时发出清脆的响声，即筋体在拉伸过程中的“初响”。接近极限拉伸强度时，筋体伴随着“蹦”的一声巨响而断裂。筋体外表面发生明显可见的剥离，呈较小范围内的片状开裂破坏。

由图2(a)可知，在-20～20 ℃内，2种直径GFRP筋的极限拉伸强度的变化规律相似。可以看出，随着温度的降低，GFRP筋的极限拉伸强度逐渐增大，拉伸强度的增长速度趋于加快，以0 ℃为分界点，从0～20 ℃，筋体的极限拉伸强度变化较小，变化幅度为1 %左右，在这个温度范围内，GFRP筋的极限拉伸强度相对稳定。从-20～0 ℃，筋体的极限拉伸强度变化相对较快。整体上看，从20 ℃降温至-20 ℃时，直径为16、22 mm的 GFRP筋的极限拉伸强度分别增加了7.85 %和8.68 %，仍然处于较小的变化范围。

由图2(b)可知，在-20～0 ℃内，对直径为16 mm的 GFRP筋体，其拉伸模量在测试温度范围内呈现较小变化值范围的随机性变化，变化幅度为±2.5 %，可认为这个温度区间对拉伸模量的影响较小。对直径为22 mm的 GFRP筋体，从0～20 ℃，拉伸模量随温度的降低基本没有变化，从-20～0 ℃，拉伸模量快速提高，变化幅度达12.2 %。

直径/mm：●—16 ▲—22(a)极限拉伸强度 (b)拉伸模量图2 不同温度下GFRP筋的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of GFRP bars at different temperature

在-20～20 ℃温度区间内，GFRP筋的极限应变整体变化不大。随着温度的降低，以20 ℃极限应变值为参照，直径为16、22 mm的 GFRP筋体的极限应变变化幅度小，波动分别保持在2.13 %和1.39 %以内。

2.2 恒温时间对GFRP筋拉伸性能的影响

为研究低温环境下恒温时间对GFRP筋的影响，忽略直径尺寸效应问题，以直径为22 mm的GFRP筋为研究对象，分别研究了在-20、0、20 ℃时不同恒温时间(0.5、1、1.5、2、2.5 h)下GFRP筋在低温环境下的拉伸性能。从图3(a)可以看出， 恒温1.5 h以内GFRP筋的极限拉伸强度较为稳定，整体上基本没有变化，在1.5～2.5 h内，极限拉伸强度呈下降趋势，下降幅度较小，在2.5 %以内。整体而言，持续的加热作用对筋体的极限拉伸强度影响不大。由图3(b)可知，当筋体处于-20、0 ℃环境中0.5～1 h的恒温时间内，拉伸模量减小，但后者的变化幅度更大；20 ℃中0.5～1 h的恒温时间内，拉伸模量基本没有变化。GFRP筋在各种温度环境中，恒温时间持续1 h后，拉伸模量基本处于稳定状态，最大变化幅度也在3 %以内。由图2、3可知，在某一温度下恒温1 h后，GFRP筋的拉伸性能基本趋于稳定，恒温时间对GFRP筋的拉伸性能影响不显著。

温度/℃:■—-20 ●—0 ▲—20(a)极限拉伸强度 (b)拉伸模量图3 不同恒温时间下GFRP筋的拉伸性能Fig.3 Tensile properties of GFRP bars being kept for different time at constant temperature

3 结论

(1)GFRP筋的极限拉伸强度随着温度的降低呈现出增大的趋势，从20 ℃下降至0 ℃时，筋体的极限拉伸强度变化幅度约为1 %，变化较小，在应用中可以忽略；从0 ℃下降至-20 ℃时，筋体的极限拉伸强度的变化幅度达到7 %～8 %，变化较为明显，需要考虑降温中极限拉伸强度的变化；

(2)GFRP筋的拉伸模量与筋体的尺寸有一定关系，在-20～20 ℃区间内，直径为16 mm的GFRP筋的拉伸模量表现出较稳定的状态；直径为22 mm的GFRP筋从20 ℃降温至0 ℃时，筋体的拉伸模量较为稳定，而从0 ℃降温至-20 ℃时，筋体的拉伸模量呈快速增大的趋势；

(3)GFRP筋在持续恒温1 h后，拉伸性能表现出较稳定的状态，在-20～20 ℃区间内，更长的恒温时间对GFRP筋的拉伸性能影响不显著。

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