高温后玄武岩和玻璃纤维增强复合材料筋的力学性能

朱德举，徐旭锋，郭帅成，沈琰

（1.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2.绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室（湖南大学），湖南 长沙 410082）

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）因其高比强度、耐腐蚀、耐疲劳、易设计等优异性能被广泛运用于航空航天、国防军工、土木工程等领域[1-2].FRP 可通过粘贴、约束、修补等方式加固既有结构[3-4]；替代钢筋应用于有防腐蚀和防电磁干扰等要求的特殊环境混凝土结构[5]；可加工成型材、筋材、拉索等形式直接作为承载结构[6]；与传统材料进行组合和混杂可提高结构综合性能等[7].根据纤维种类的不同，目前常用的FRP 主要有碳纤维增强复合材料（CFRP）、芳纶纤维增强复合材料（AFRP）、玻璃纤维增强复合材料（GFRP）和玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）.其中，CFRP 的力学性能和化学稳定性突出，但是价格昂贵且脆性较高；AFRP 拥有良好的介电性和较高的断裂韧性，但是热稳定性差，价格也较高；GFRP 的价格最低，应用广泛，但其力学性能较差，且不耐碱；而BFRP 是一种新型绿色环保材料，拥有良好的力学性能，且制造成本低，是近年来的研究热点[8-9].

FRP 材料在服役周期中，可能会遇到高温甚至是火灾等情况.FRP 的力学性能通常对温度非常敏感，其劣化原因一般归结为树脂基体的性能退化：当环境温度超过树脂玻璃转化温度（Tg）时，树脂发生软化，不能高效地传递纤维之间的应力，导致纤维和树脂基体的协同作用能力下降；当环境温度超过树脂的热分解温度（Td））时，树脂会发生分解，纤维之间缺乏约束，FRP 的力学性能会急剧下降甚至失效[10].因此研究FRP 在高温（火灾）下的力学性能以及高温（火灾）后的残余力学性能是FRP 材料推广应用以及灾后评估的重要指标，也是提高FRP 结构耐高温性能的理论基础[11].目前关于BFRP 材料的高温后力学性能的研究较少，性能劣化机理也尚未完全明确.

Militky 等[12]研究了不同处理温度（50～500 ℃）和处理时间（1～30 min）对玄武岩纤维的极限拉伸性能的影响.结果表明，玄武岩纤维加热至300 ℃以上时，强度会降低；处理温度越高，处理时间越长，纤维强度退化越明显.Sim 等[13]研究对比了玄武岩纤维、碳纤维和玻璃纤维的耐高温性能.结果表明，3种纤维在200 ℃下保持2 h 后，强度没有影响；在600 ℃下保持2 h 后，只有玄武岩纤维保持着体积完整性，并保留有90%的强度.

Lu 等[10]研究了玄武岩纤维及BFRP 片材在高温处理后的力学性能.结果表明，在200 ℃高温环境中处理4 h 后，玄武岩纤维束和BFRP 的拉伸强度几乎没有下降，破坏模式与常温的一致，但是离散性有所增大.朱德举等[14]研究了BFRP 片材在低温及高温环境（-25～100 ℃）下的拉伸性能.结果表明，随着温度的升高或降低，其弹性模量、破坏应力和冲击韧性均有不同程度的减小，峰值应变和最大应变略微增加，而升温对BFRP 拉伸强度的影响更加显著.唐利等[15]研究了不同温度（20～350 ℃）处理后BFRP 筋的力学性能以及破坏形态.结果表明，BFRP 筋的抗压、抗剪和抗拉承载能力均随温度的升高而降低，经过350℃高温处理后的BFRP 筋的抗压、抗剪和抗拉强度下降了77.8%、58.5%和88.5%.Hamad 等[16]研究了不同处理温度对钢筋、BFRP 筋、CFRP 筋和GFRP 筋力学性能及与混凝土黏结性能的影响.结果表明，经过375 ℃的高温处理后，钢筋的耐高温性能良好，强度几乎没有变化，而BFRP 筋、CFRP 筋和GFRP 筋的拉伸强度分别下降了87%、71%和91%，弹性模量分别下降了47%、53%和48%，且各FRP 筋与混凝土的黏结性能均下降了约20%.

本文以BFRP 筋和GFRP 筋为研究对象，在试验研究的基础上，结合热重分析，揭示了BFRP 筋和GFRP 筋在高温条件下的损伤演变规律，并利用两参数Weibull 统计模型量化了不同处理温度对BFRP筋和GFRP 筋拉伸强度的影响规律.

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本试验采用的BFRP 筋和GFRP 筋由拉挤成型工艺制得，树脂基体的成分均为环氧树脂.其中BFRP 筋的等效直径为4.45 mm，GFRP 筋的等效直径为4 mm.拉伸试验用试件依据美国规范ACI 440.3R-2012[17]制备，如图1 所示，FRP 筋的测试区长度为200 mm，锚固长度为150 mm，钢套筒外径为25 mm，壁厚为3 mm，锚固介质为JN-C3P 碳纤维浸渍胶，主要成分为环氧树脂.

图1 FRP 筋拉伸试件Fig.1 The tensile specimen of the FRP tendon

1.2 试验方法

FRP 筋拉伸试件采用MTS 环境箱进行高温处理，可控温度范围为-70～350 ℃.FRP 筋剪切试件采用电阻炉进行高温处理，最高可加热至1 200 ℃.参考规范《纤维增强塑料高低温力学性能试验准则》（GB/T 9979—2005）[18]，控制升温速率为10 ℃/min，并维持设定温度30 min.本文设定了5 组拉伸试件预处理温度，分别为室温（20 ℃）、100 ℃、200 ℃、300℃和350 ℃，以及6 组剪切试件预处理温度，分别为室温（20 ℃）、100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃和500 ℃.FRP 筋拉伸试验和剪切试验均在MTS C43.304 型电子万能试验机上进行，如图2 和图3 所示.拉伸实验和剪切试验均采用位移加载，其加载速率分别为3 mm/min 和1 mm/min.采用Y100/20-N 型引伸计测量FRP 筋的拉伸应变，标距为100 mm，引伸计固定在FRP 筋测试区正中间.为了保证试验结果的可靠性，每种工况的有效试件数至少为5 个.

图2 FRP 筋拉伸试验装置Fig.2 Tensile testing setup of FRP tendons

图3 FRP 筋剪切试验装置及示意图Fig.3 Shear testing setup of FRP tendons and schematic diagram

采用热重分析仪对FRP 筋进行热分解特性分析，仪器型号为Thermo Plus EVO2 系列TGDTA8122.测试过程中，先将FRP 筋研磨成粉末状，称取样品初始质量为10.0 mg，控制升温速率为10℃/min，升温范围为20～700 ℃，氮气环境，气体流速为30 mL/min.

2 结果与讨论

2.1 试件破坏模式

在常温条件下，BFRP 筋表面和破坏后内部纤维的颜色为浅灰褐色，而GFRP 筋为白色.随着处理温度的升高，BFRP 筋表面颜色由浅灰褐色到深褐色再变化为炭黑色，GFRP 筋表面颜色由白色到焦黄色再转变为炭黑色，而BFRP 筋和GFRP 筋破坏后的内部纤维颜色也由浅变深，但其表面颜色变化更为明显.经过300 ℃以上高温处理后的FRP 筋的表面形态也发生变化，由于部分树脂发生分解，因此其表面会产生明显的坑蚀和裂纹，横截面积也有所增大.

不同高温处理后的BFRP 筋和GFRP 筋拉伸破坏模式如图4 所示，均为在FRP 筋测试区范围内发生伞状断裂，而且随着处理温度的升高，FRP 筋破坏后的纤维束更加分散，且BFRP 筋的纤维丝更分散.

图4 不同高温处理后FRP 筋的拉伸破坏模式Fig.4 Tensile failure modes of FRP tendons treated by different elevated temperatures

不同高温处理后FRP 筋的剪切破坏模式如图5所示.FRP 筋的剪切破坏模式主要有3 种：I）2 个剪切面均部分破坏；Ⅱ）1 个剪切面完全破坏，另一个剪切面部分破坏；Ⅲ）2 个剪切面均完全破坏.为了保证数据的合理可靠，本研究选择第三种破坏模式的试件作为有效测试.在常温条件下，FRP 筋剪切面断口都比较齐整，且有比较明显的压痕.随着处理温度的升高，FRP 筋的断口越来越粗糙，压痕越来越深，且处理温度高于300 ℃时，纤维束会发生剥离.

图5 不同高温处理后FRP 筋的剪切破坏模式Fig.5 Shear failure modes of FRP tendons treated by different elevated temperatures

2.2 处理温度对FRP 筋拉伸性能的影响

图6 所示为不同温度处理后BFRP 筋和GFRP筋的应力-应变曲线.观察图6（a）可发现，BFRP 筋的应力-应变曲线相似度较高，其应力和应变均呈线弹性增长关系且各曲线斜率相近.不同温度处理后GFRP 筋的应力-应变曲线规律与BFRP 筋相似，但温度对其峰值应力和应变的影响较小.

图6 不同温度处理后BFRP 筋和GFRP 筋的拉伸应力-应变曲线Fig.6 Tensile stress-strain curves of BFRP and GFRP tendons treated by different temperatures

依据ACI 440.3R-2012 对不同温度处理后的BFRP 和GFRP 筋的拉伸性能参数进行计算，如下：

式中：fu为拉伸强度；Fu为拉伸试验的极限荷载；A 为横截面积；E 为弹性模量；F50为极限荷载的50%；F20为极限荷载的20%；ε50为当荷载等于F50时所对应的应变；ε20为当荷载等于F20时所对应的应变；εu为BFRP 筋的极限应变，为理想中弹性材料的最大破坏应变；U 为韧性；σ 为应力；εm为最大破坏应变，由实际试验测得.

其中未经过任何处理的BFRP 筋和GFRP 筋的拉伸强度分别为1 240.1 MPa 和1 214.8 MPa，弹性模量分别为48.57 GPa 和52.20 GPa，极限应变分别为0.025 6 mm/mm 和0.023 3 mm/mm，韧性分别为15.86 J/m3和14.18 J/m3.将不同温度处理后BFRP 筋和GFRP 筋拉伸性能参数的计算结果进行归一化比较，如图7 所示.随着温度的升高，BFRP 筋的拉伸强度下降趋势明显，经过100 ℃，200 ℃，300 ℃和350℃处理后的BFRP 筋强度分别下降了0.99%，8.61%，22.97%和46.49%.BFRP 筋的极限应变和韧性则呈现先略微上升后下降的趋势，经过100 ℃处理后的BFRP 筋极限应变和韧性分别提高了2.58%和1.59%；而经过350 ℃处理后的BFRP 筋极限应变和韧性分别降低了49.59%和72.90%.对于GFRP 筋而言，随着温度的升高，拉伸强度、极限应变和韧性均先提高后下降，并在200 ℃时达到最大值.和常温条件相比，经过200 ℃处理后的GFRP 筋的拉伸强度、极限应变和韧性分别提高了2.82%、4.72%和7.26%，经过350 ℃处理后的GFRP 筋的拉伸强度、极限应变和韧性分别降低了18.26%、14.59%和29.91%.而温度对BFRP 筋和GFRP 筋的弹性模量均没有明显影响.

图7 温度对BFRP 筋和GFRP 筋拉伸性能的影响Fig.7 Effect of temperature on tensile properties of BFRP and GFRP tendons

2.3 Weibull 分析

由于材料的固有缺陷和破坏过程等具有一定的随机性，因此其强度都会有一定的离散性.Weibull模型是由瑞典工程师Weibull 提出的“链式”概率分布函数：由若干个相互独立的元件串联而成的链条，其强度取决于最薄弱元件的强度[19].Weibull 强度理论与FRP 材料拉伸失效模式具有很强的相似性，因此国内外许多学者采用两参数Weibull 统计模型来描述FRP 材料拉伸性能的随机性[20].两参数Weibull分布函数的基本形式如下：

式中：σ 为FRP 筋拉伸强度；P（σ）为累计失效概率；η 为尺度参数；β 为形状参数.

图8 所示为不同温度处理后BFRP 筋和GFRP筋拉伸强度的累积失效概率曲线，并采用Weibull 和正态（Gauss）分布2 种概率函数分别对其进行拟合.可以发现，采用Weibull 分布的拟合相关性要高于Gauss 分布.由图8（a）可知，随着处理温度的增加，Weibull 分布曲线向BFRP 筋的低强度区偏移，且曲线斜率的减小与测试结果离散性增加相一致.对于GFRP 筋而言，当处理温度小于300 ℃时，其拉伸强度的分布集中于1 100～1 300 MPa，但曲线斜率随着处理温度的增大而减小，当处理温度为350 ℃时，对应的Weibull 分布曲线处于低强度区.

图8 不同温度处理后BFRP 筋和GFRP 筋拉伸强度的Weibull 和Gauss 分布累积失效概率曲线Fig.8 The Weibull and Gauss cumulative failure probability of tensile strengths of BFRP and GFRP tendons treated by different temperatures

表1 总结了BFRP 筋在不同温度处理后拉伸强度的Weibull 参数，可以发现：随着处理温度的增加，Weibull 尺度参数η 和形状参数β 均减小，说明BFRP 筋的强度降低，离散性增大.GFRP 筋的尺度参数η 随着温度的升高先增大后减小，而形状参数β 持续减小.对比BFRP 筋和GFRP 筋的Weibull 参数变化，在常温条件下，两者的尺度参数和形状参数相近，随着温度的升高，BFRP 筋的尺度参数小于GFRP 筋，且差异明显变大，两者的形状参数均下降明显但差异较小.这表明高温处理会显著增加FRP筋拉伸强度的离散性，且BFRP 筋的高温后拉伸性能比GFRP 筋差.这主要是由2 种FRP 筋的树脂基体的差异造成的，且BFRP的热发射率高于GFRP，在相同的辐射热流中，BFRP 筋的升温更快，吸收的热量更多[21].

表1 不同温度处理后BFRP 筋和GFRP 筋拉伸强度Weibull 参数Tab.1 Weibull parameters for tensile strength of BFRP and GFRP tendons treated by different temperatures

2.4 处理温度对FRP 筋剪切性能的影响

图9（a）（b）为不同温度处理后BFRP 筋和GFRP筋剪切试验典型的荷载-位移曲线.可以观察到FRP筋的剪切破坏过程中有明显的“台阶”现象.当处理温度低于300 ℃时，FRP 筋的剪切荷载-位移曲线变化基本一致，可分解为“3 个阶段”，如图9（c）所示[22].第一阶段：加载初期，纤维与树脂基体协同抵抗剪切力；第二阶段：随着荷载的增加，FRP 筋的整体协同受力能力变弱，剪切变形主要发生在树脂基体内，该阶段的材料变形量约为总变形的1/5，荷载增长速度非常慢；第三阶段：随着树脂基体的变形达到极限，剪应力重新分配，剪切变形主要发生在纤维.不同FRP 筋对应的3 个阶段长度有些差异，可以发现BFRP 筋的第一阶段的变形量约为总变形的1/4，而GFRP 筋约为1/3；BFRP 筋的第二阶段的变形量约为总变形的1/5，而GFRP 筋约为1/3；GFRP 筋的第三阶段荷载增加速度明显加快，且最终呈脆性破坏.

图9 不同高温处理后BFRP 筋和GFRP 筋的剪切荷载-位移曲线Fig.9 Shear load-displacement curves of BFRP and GFRP tendons treated by different elevated temperatures

对于BFRP 筋和GFRP 筋而言，当处理温度高于300 ℃时，其剪切荷载-位移曲线会由于树脂基的劣化和界面的损伤发生较大变化，曲线的第一阶段特征消失，而第二阶段拉长.

依据ACI 440.3R-2012 计算了不同处理温度后的2 种FRP 筋的剪切性能参数，其中未经过处理的BFRP 筋和GFRP 筋的剪切强度分别为169.1 MPa和247.7 MPa，最大剪切变形分别为2.37 mm（0.53 d）和2.67 mm（0.67 d）.将不同处理温度后BFRP 筋和GFRP 筋剪切性能参数的计算结果进行归一化比较，如图10 所示.可以发现随着处理温度的升高，BFRP 筋和GFRP 筋的剪切强度均呈现先升高后下降的趋势，经过100 ℃，200 ℃和300 ℃处理后的BFRP 筋剪切强度分别提高了11.17%、12.65%和12.00%，而经过400 ℃和500 ℃处理后的BFRP 筋剪切强度比常温条件下分别下降了45.89%和65.46%.对于GFRP 筋而言，当温度为200 ℃时，其剪切强度达到最大值，且经过400 ℃和500 ℃处理后其剪切强度比常温条件下分别下降了41.71%和76.42%.这是由于当温度低于300 ℃时，树脂从固态到玻璃态，再从玻璃态转变为固态的过程增加了FRP 筋的硬度，从而使FRP 筋的剪切强度提高.而FRP 筋在400 ℃以上的高温环境中树脂会发生分解，筋体丧失结构完整性，导致玄武岩纤维单独抵抗剪应力，因而FRP筋的剪切强度大幅度下降.

图10 高温对BFRP 筋和GFRP 筋剪切性能的影响Fig.10 Effect of elevated temperatures on shear properties of BFRP and GFRP tendons

BFRP 筋和GFRP 筋的最大剪切变形均随着处理温度的升高呈先升后降的趋势，并在400 ℃时达到最大值.这是因为随着温度的升高，改性和分解的树脂增多，经过冷却处理后，复合材料的致密性受到影响，内部纤维间的空隙增多，从图9（a）可观察到随着处理温度的升高，剪切荷载-位移曲线的第二阶段有所拉长，最终导致最大剪切变形增大.

2.5 热性能分析

BFRP 筋和GFRP 筋的热失重（TG）曲线及其微商热重（DTG）曲线如图11 所示.TG 曲线给出了质量分数和温度的关系，能够表征BFRP 筋在氮气气氛中的热分解程度，DTG 曲线表征BFRP 筋失重速率的快慢.

图11 BFRP 筋和GFRP 筋的TG 及DTG 曲线Fig.11 TG and DTG curves of BFRP and GFRP tendons

FRP 筋的热分解主要分为2 个阶段：Ⅰ）环氧树脂快速热分解阶段；Ⅱ）残碳缓慢分解阶段[23].在氮气气氛中，BFRP 筋的热分解第一阶段发生在266.2～418.1 ℃内，失重率为10.13%，占总失重率（14.41%）的70.30%；GFRP 筋的热分解第一阶段的起始温度低于BFRP 筋的起始温度，发生在232.8～390.5 ℃内，失重率为12.84%，占总失重率（20.48%）的62.60%.在第一阶段温度区间内，树脂的含量迅速减小.这解释了300～400 ℃后BFRP 筋和GFRP 筋的拉伸和剪切强度快速降低，且GFRP 筋第一阶段较低起始温度与其抗剪强度的降低趋势相一致.

固态物质的热分解动力学依据Arrhenius 方程描述，其基本形式如下：

式中：α 为转化率；T 为温度；A 为指前因子；β 为升温速率；E 为活化能；R 为理想气体常数；f（α）为动力学机理函数的微分形式.

利用Coats-Redfern 积分法对BFRP 筋的热分解动力学参数进行计算[24].表2 为不同反应级数下BFRP 筋和GFRP 筋的热分解动力学拟合结果及参数.可以发现，在10 ℃/min 的升温速率下，BFRP 筋和GFRP 筋在氮气环境下第一阶段的热分解过程在反应级数n=1 时拟合程度最高，说明该阶段为一级反应模式，其中BFRP 筋的活化能为89.35 kJ/mol，而GFRP 筋的活化能为68.21 kJ/mol，低于BFRP 筋的活化能，说明GFRP 筋更容易发生热分解反应.

表2 BFRP 筋和GFRP 筋的热解动力学拟合参数Tab.2 Fitted pyrolysis kinetic parameters of the BFRP and GFRP tendons

当处理温度低于100 ℃时，待FRP 筋冷却至常温后，树脂会重新从玻璃态转变为固态，FRP 表面硬度会略有增加，纤维与树脂仍保持良好的完整性.而当温度为100～300 ℃时，虽然树脂未发生分解，纤维和树脂之间的界面性能会有所降低，这是由于纤维和树脂之间热膨胀系数等热工性能差异导致，同时FRP 筋的力学性能会下降，但影响较小.而当处理温度高于300 ℃时，树脂发生不可逆转的热分解，FRP筋的力学性能损失显著，并且处理温度越高，力学性能损失越大.

3 结论

1）高温环境（350 ℃）会导致玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）筋和玻璃纤维增强复合材料（GFRP）筋表面和内部的颜色和形貌发生明显变化；随着温度的升高，BFRP 筋的拉伸强度降低，极限应变和韧性均先略微上升后下降，而弹性模量变化不明显.经过350 ℃处理后的BFRP 筋和GFRP 筋的拉伸强度分别降低了46.49%和29.91%.

2）Weibull 模型能很好地描述BFRP 筋和GFRP筋的拉伸强度随处理温度的变化规律，当处理温度低于350 ℃时，随着处理温度的升高，BFRP 筋的拉伸强度降低，离散性增大，而GFRP 筋的拉伸强度先升高后降低，离散性同样增大.与GFRP 筋相比，BFRP 筋的高温后拉伸性能较差.

3）FRP 筋的剪切强度和最大剪切变形随着处理温度的升高呈先增大后减小的趋势.500 ℃处理后的BFRP 筋和GFRP 筋的剪切强度分别下降了65.46%和76.42%.与GFRP 筋相比，BFRP 筋的高温后剪切性能较好.

4）FRP 筋的热分解过程存在2 个阶段，且反应模式不同，第一阶段为环氧树脂快速热分解，转化为相应碳质残余物和一部分气体，第二阶段为碳质残余物缓慢分解.GFRP 筋的热分解活化能低于BFRP筋的活化能，更容易发生热分解反应.