不同表面类型GFRP筋拉伸与剪切性能试验研究

谢 芳 杨红梅 梁 敏 王贵祥 裘海文

(1.绍兴文理学院 土木工程学院, 浙江 绍兴 312000; 2.浙江勤业建工集团有限公司, 浙江 绍兴 312000)

新材料的开发为结构工程的创新和发展提供了更多的可能[1].作为一种新材料，玻璃纤维增强聚合物(Glass Fiber Reinforced Polymer，简称GFRP)，具有明显的优势，如较高的拉伸强度，电绝缘性，耐腐蚀性和良好的可塑性等[2-7].近年来，GFRP被视为可以部分或完全替代钢筋的新型材料.Xie等[8-10]对GFRP管进行试验研究，表明GFRP管具有良好的工作性能.但目前GFRP筋种类繁多，其力学性能受不同纤维体积掺量与基体树脂的配比及制造工艺等因素影响较大，使得不同批次的GFRP材料的差异较大，在一定程度上限制了GFRP材料在结构工程中的应用，国内外学者为此对GFRP筋的力学性能开展了大量的研究.

Micelli[11]在对FRP筋的力学性能进行研究时发现，FRP筋横向与纵向的弹性模量相差较大，属于典型的各向异性材料.

周继凯等[12]等对不同直径GFRP筋进行拉伸性能研究时发现，随着直径增大，GFRP筋抗拉强度、弹性模量和延伸率逐渐降低.金清平等[13]结合试验研究分析了FRP筋直径及外界温度对其抗拉强度的影响规律.Mo等[14]为了分析GFRP筋在拉伸过程中应力沿着筋体表面的分布规律，使用表面粘贴了应变片的方法对其进行试验.李国维等[15]发现加载速率会对大直径GFRP筋拉伸性能产生影响，并且抗拉强度随着加载速率增大而增大.武军等[16]发现：极限抗拉强度和极限拉应变受尺寸效应影响较大，而弹性模量受尺寸效应影响不明显.高丹盈等[17]对GFRP筋开展剪切试验时发现：FRP筋抗剪强度随着直径的增大而降低.

综合国内外学者对GFRP筋的研究可知，GFRP筋力学性能受多种因素影响，且与钢筋存在本质区别.在实际工程结构中，GFRP筋在承受拉力的同时也伴随着剪力的存在.鉴此，本文对不同直径、不同表面类型的GFRP筋进行拉伸性能和剪切性能试验研究，为GFRP筋力学性能研究提供有效的试验参考，为GFRP代替钢筋投入工程应用的可行性提供依据.

1 试验概述

1.1 试验材料

试验所用GFRP筋材料由浙江新纳复合材料有限公司生产提供，三种表面类型分别为光圆、螺纹和喷砂， 如图1所示. GFRP筋直径为8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm.筋材的增强材料为玻璃纤维，基体树脂采用的是环氧树脂，其中玻璃纤维体积分数为80%，环氧树脂体积分数为20%.

(a)光圆筋

1.2 试件制作

按照JG/T 406-2013《土木工程用玻璃纤维增强筋》规定[18]，GFRP筋拉伸试件长度包括两端的锚固长度和中间的有效长度，其中测试区的有效长度要大于100 mm或者40倍玻璃纤维筋的直径，并保证试件不能在两端锚固区破坏或者从锚固端部滑出.此次拉伸试件总长为1 000 mm，中间段的有效长度为400 mm，两端用长度为300 mm的无缝钢管锚固.为了保证拉伸试件锚固端的粘结强度大于GFRP筋本身的抗拉强度，本次拉伸试验锚固端的加固粘结剂采用膨胀水泥和自来水，按照水∶膨胀水泥=1∶3重量比进行搅拌配合，并放入烘箱养护.拉伸筋材示意图及实物图分别如图2(a)和图2(b)所示.

(a)GFRP筋拉伸示意图

按照GB/T 1450.2—2005《纤维增强塑料冲压式剪切强度试验方法》[19]，将GFRP筋体截成300 mm长的试样，其剪切试样如图2(c)所示.

1.3 试验设备及加载方案

1.3.1 拉伸性能测试

采用微机控制电液伺服万能试验机进行GFRP筋材拉伸性能试验，如图3所示.结合初始标距为200 mm的引伸计采集相应数据，得到不同表面类型、不同直径的GFRP筋抗拉强度、极限应变和弹性模量.加载方式均采用位移控制加载，速率为5mm/min，直至GFRP筋拉断，试验结束.

图3 试样加载图

1.3.2 剪切性能测试

采用配以压式剪切器的微机控制电液伺服万能试验机对每种类型的5个试样进行剪切试验.将GFRP筋杆体截成300 mm长的试件，并将其放入剪切测试装置中，测试装置如图4所示.加载方式采用位移控制，加载速率为2 mm/min，直至GFRP筋剪断，试验结束.剪切试件的受力图如图5所示.

(a)实物图

图5 剪切试样受力图

2 GFRP筋的拉伸性能

2.1 拉伸破坏形态

2.1.1 GFRP筋断裂破坏

该破坏形态为GFRP筋拉伸试验的典型破坏形态.加载前期，荷载随着位移平缓增大，如图6所示；当荷载达到极限荷载的40%～60%时，树脂开始剥离纤维而发出清脆撕裂声； 此后， 纤维剥离树脂的响声逐渐增大，在撕裂的位置可以清晰地看到白斑状裂纹出现.接近极限荷载时，撕裂声响增大且加密，纤维由外向内持续发生断裂，伴随一声巨响，试件呈现“爆炸式”破坏，同时飞散出细小纤维，如图7所示.

图6 典型试件荷载—位移曲线

(a)光圆筋

2.1.2 GFRP筋端部拉脱破坏

该破坏形态为GFRP筋拉伸试验的非典型破坏形态.由于GFRP筋端部锚固强度不足，使得GFRP筋在极限拉伸破坏前，筋体从套管中滑出，此时，筋材本身未发生断裂，该破坏模型为无效破坏.在本次试验中，仅直径10 mm光圆类的两个GFRP筋试件发生此类破坏，如图8所示.

图8 GFRP筋端部拉脱破坏

2.1.3 锚固钢套管拉断破坏

该破坏模型为GFRP筋拉伸试验的非典型破坏，为无效破坏，仅为GFRP筋拉伸试验的设计提供参考.锚固套管在GFRP筋达到极限荷载前被拉断，而筋材本身无明显断裂现象，如图9所示，表明了GFRP筋抗拉强度大于钢套管的抗拉强度.

图9 锚固钢套管拉断

2.2 拉伸性能参数

2.2.1 拉伸应力-应变曲线

GFRP筋从加载至完全破坏的过程中，拉伸应力-应变曲线始终呈一次线性分布，到达极限应力时突然失去承载能力；与钢筋在受力呈现明显的屈服平台而具有延性破坏的受力特征不同，GFRP筋呈现典型的脆性破坏，如图10所示.在工程结构中，既要发挥GFRP筋较高的拉伸性能，又要对其没有屈服平台的本构特性加以关注.

图10 GFRP筋与钢筋的应力-应变曲线

2.2.2 极限拉应力

GFRP筋极限拉应力(抗拉强度)按公式(1)计算，为

(1)

式中，fu为GFRP筋极限抗拉强度(MPa)；Fu为GFRP筋峰值荷载(N)；A为GFRP筋截面面积(mm2).

2.2.3 极限拉应变

极限拉应变按公式(2)计算，为

(2)

式中，εu为GFRP筋极限拉应变(%)；E为GFRP筋拉伸弹性模量(GPa)；Fu和A的含义与公式(1)相同.

2.2.4 拉伸弹性模量

GFRP筋拉伸弹性模量按公式(3)计算[20]，为

(3)

式中：E为GFRP筋拉伸弹性模量，单位为GPa；A为GFRP筋横截面面积(mm2)；F1、ε1分别为试样所受荷载为极限荷载50%的荷载值及其对应的应变(N和无量纲)；F2、ε2分别为试样所受荷载为极限荷载20%的荷载值及其对应的应变(N和无量纲).

2.3 直径及表面类型对GFRP筋拉伸性能的影响

2.3.1 对抗拉强度的影响

将试验得到的GFRP筋抗拉强度与钢筋的抗拉强度受直径影响的关系曲线进行比较.如图11所示，钢筋的抗拉强度参考混凝土结构设计原理[21]绘制，表现了光圆HPB300和螺纹HRB400钢筋的受拉屈服强度和极限强度.

图11 GFRP筋与钢筋抗拉强度的比较

由分析可知：GFRP筋的抗拉强度均大于钢筋屈服强度和极限抗拉强度；GFRP筋抗拉强度受其直径的影响较显著，而钢筋的屈服和极限抗拉强度不受其直径影响；GFRP筋抗拉强度伴随着直径的增大而减小；GFRP筋抗拉强受其表面类型度的影响显著.

对于光圆类GFRP筋，当直径由8 mm增大到16 mm时，抗拉强度由1 332.13 MPa降低至1 137.46 MPa，降低了14.61%；对于喷砂类GFRP筋，当直径由8 mm增大到16 mm时，抗拉强度降低了17.90%；对于螺纹类GFRP筋，当直径由8 mm增大到16 mm时，抗拉强度降低了15.40%.

表面类型不同的GFRP筋抗拉强度显著不同.GFRP筋抗拉强度根据表面类型由大到小依次为光圆>喷砂>螺纹；当GFRP筋直径为14 mm时，三种类型的抗拉强度分别为1 290.32 MPa、1 156.26 MPa、1 037.56 MPa，光圆抗拉强度分别是喷砂和螺纹的1.12倍和1.24倍，而喷砂是螺纹的1.11倍.

2.3.2 对极限拉应变的影响

将试验得到的GFRP筋极限拉应变与钢筋的极限拉应变受其直径影响的关系曲线进行比较，如图12所示.钢筋的极限拉应变参照混凝土结构设计原理[21]绘制，表现了钢筋的受拉屈服应变和极限应变.

图12 GFRP筋与钢筋拉伸应变

钢筋的极限应变基本不受其直径的影响，光圆HPB300和螺纹HRB400钢筋极限应变分别约为10.00%和7.50%.而由分析可知，GFRP筋的极限应变随着直径及表面类型的变化微小，稳定在2.0%～2.5%之间.

2.3.3 对拉伸弹性模量的影响

试验得到的GFRP筋拉伸弹性模量随着直径及表面类型的变化很小，基本稳定在45 GPa～60 GPa之间，C40混凝土弹性模量为32.50 GPa.可见，GFRP筋的弹性模量与混凝土的弹性模量比较接近.光圆HPB300和螺纹HRB400钢筋的弹性模量约为本次试验的GFRP筋拉伸弹性模量的4～5倍.

图13 GFRP筋与钢筋弹性模量的比较

3 GFRP筋的剪切性能

3.1 剪切破坏形态

在加载初期，荷载-位移呈现平滑的曲线，如图14所示，在此阶段GFRP筋表面基本无明显破环特征；随着荷载渐渐增大，开始发出纤维断裂的“噼啪”声；随着荷载继续加大，声音逐渐增大且愈加密集；当试件破坏时，伴随着纤维断裂发出清脆的响声.GFRP筋试样的破坏现状为整体缓慢切断，且都有不同程度的挤压变形，如图15所示.

图14 典型试件荷载-位移曲线

(a)光圆筋

3.2 剪切强度

GFRP筋抗剪强度参照规范[19]计算，如公式(4)

(4)

式中：τu为GFRP筋抗剪强度(MPa)；Fs为GFRP筋剪切破坏时最大荷载(N)；A为GFRP筋截面积(mm2)；d为GFRP筋直径(mm).

由图16可知,(a)GFRP筋抗剪强度受不同表面类型的影响明显；三种类型GFRP筋的抗剪强度由大到小依次为喷砂>光圆>螺纹；当直径为16 mm时，三种不同表面类型的抗剪强度分别为207.89 MPa、179.14 MPa、159.20 MPa；喷砂抗剪强度分别是光圆和螺纹的1.16倍和1.31倍，而光圆是螺纹的1.13倍；

图16 三种表面类型的GFRP筋抗剪强度与其直径的关系曲线

(b)与钢筋抗剪强度不受直径影响相比，GFRP筋的抗剪强度受直径影响显著；直径在10 mm～16 mm范围内，GFRP筋抗剪强度随着直径的增大逐渐变小；对于喷砂类GFRP筋，其抗剪强度值由222.86 MPa降低至207.89 MPa，降低了6.72%；光圆及螺纹抗剪强度分别降低了12.94%、12.39%，表明GFRP筋直径对抗剪强度具有显著影响.

3.3 剪切强度与拉伸强度比较

三种不同类型GFRP筋的抗拉强度和抗剪强度范围分别在991.34 MPa～1 332.13 MPa 和143.86 MPa～222.86 MPa之间，两者相差较大，且抗剪强度仅约为抗拉强度的17%，如图17所示，求证了GFRP筋为各向异性材料.

图17 GFRP筋拉伸强度与剪切强度的关系曲线

综上，GFRP筋的拉伸本构曲线没有明显的屈服平台；GFRP筋抗拉强度、剪切强度受表面类型和直径影响显著，其剪切强度明显小于拉伸强度，GFRP筋弹性模量、极限应变受其影响较小；与此同时，钢筋拉伸和剪切性能基本不受其类型和直径的影响，GFRP筋与钢筋在材性上具有较明显的区别.如表1所示，为GFRP筋的拉伸和剪切性能相关参数与钢筋的相关力学性能参数.

表1 GFRP筋拉伸、剪切性能参数与钢筋性能参数

4 结论

本文对不同直径和不同表面类型的GFRP筋进行拉伸和剪切性能试验研究，结论如下：

(1)GFRP筋典型的拉伸破坏模式呈GFRP筋爆炸式的断裂破坏.GFRP典型的剪切破坏模式为GFRP筋体的挤压破坏；

(2)GFRP筋拉伸应力-应变曲线呈直线分布，没有屈服平台；其拉伸弹性模量和极限拉伸应变分别稳定在45 MPa～60 MPa和2.01%～2.25%之间；

(3)GFRP筋试件的抗拉强度范围在991.34 MPa～1332.13 MPa之间，抗剪强度在143.86 MPa～222.86 MPa之间，抗剪强度仅约为抗拉强度的17%；

(4)直径对GFRP筋抗拉和抗剪强度影响明显；直径由8 mm增大至16 mm时，试件平均抗拉强度约降低15%；抗剪强度降低约10%；

(5)不同表面类型对GFRP筋抗拉和抗剪强度同样产生明显影响；对于拉伸强度光圆类GFRP筋大于喷砂类大于螺纹类，而对于剪切强度喷砂大于光圆大于螺纹；

(6)相同类型GFRP筋呈现的抗拉强度优于其抗剪强度，GFRP筋材料为典型的各项异性材料，在工程应用中应该予以重视.