GFRP-钢筋复合材料的制备及力学性能研究

李双营，赵建昌

(1. 兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070；2. 青海民族大学 土木与交通工程学院，西宁 810007)

纤维复合材与单个玻璃材料、碳纤维等材料相比存在偏离正效应现象，即碳纤维和玻璃纤维混合后的强度、弹性模量和力学性能会偏离单个纤维力学性能的现象[1].徐欢欢等[2]基于各种纤维的混杂比例对各种力学性能的影响规律进行了研究，对多种纤维复合材料各种力学模量的估算公式进行了修正，有一定的实用价值；曾金芳等[3]研究了碳纤维混杂复合材料纵向拉压性能.结果表明,该混杂复合材料体系的纵向拉伸强度均低于混合定律的预测值,表现出明显的混杂负复合材料体系的纵向拉伸强度均低于混合定律的预测值,表现出明显的混杂负效应.材料的拉压破坏模式发生改变,赵占超等[4]通过拉伸试验研究碳纤维和玻璃纤维间的黏结性能，根据其力学性能的试验结果分析了碳纤维和玻璃纤维的层间合理匹配形式；张博明等[5]介绍了混杂纤维复合材料的性能优势,分别对复合材料最佳性能和最佳成本时的纤维混杂比例的研究进展进行了综述；Xu等[6]在其发表的论文标题中第一次使用纤维层间界面黏结这一术语，标志着纤维复合材料在界面工程的研究领域进入了一个全新的阶段.田毅[7]通过复合材料力学性能分析，选择复合纤维的混杂方式，研究层间混杂复合材料的优化匹配及其力学性能(弹性模量、抗拉强度、延伸率)的数学表达式.本文根据混杂效应影响因子，制备不同体积比的GFRP-钢筋复合材料，开展复合材料的拉伸断裂试验，研究不同体积匹配比对混杂复合材料的强度、弹性模量、延伸率等的影响，进一步得到GFRP-钢筋混杂复合材料的优化体积比，为实际工程的研究提供理论支持.

1 GFRP-钢筋复合材料的制备

1.1 GFRP-钢筋复合材料的选取

根据规范[8]的要求：由碱含量少于1%的无碱玻璃纤维无捻粗纱、环氧树脂作为基体、固化剂、普通钢筋等材料通过成型固化工艺复合而成的筋材.

1.2 基体和固化剂的选择

固化剂采用环氧树脂蓝星化工WSR6101(E41)，环氧树脂室温固化剂蓝星化工593，配比WSR6101∶593=4∶1.

1.3 GFRP-钢筋复合材料的制备与热压工艺[9]

首先，玻璃纤维纱经过纱架进入树脂胶槽，浸润树脂后经过预成型模具挤去多余的树脂；其次，玻璃纤维径向均匀分布在预成型模具上，钢筋由中心位置塞入，使玻璃纤维均匀布置在钢筋周围；然后将附有玻璃纤维的钢筋进入缠绕工序，缠绕机头缠绕出螺纹后进入烘箱高温固化，固化完成后进入螺纹退缠绕工序，去除多余粗糙的缠绕线，露出明显螺纹，同时牵引机牵引玻璃纤维钢筋进入切割工序；最后卸料完成杆体生产，生产过程如图1所示.

图1 GFRP-钢筋复合材料的制备与热压工艺示意图Fig.1 Schematic diagram of preparation and hot pressing process of GFRP bar reinforced composites

为防止GFRP-钢筋复合材料受力时两端应力过大，导致筋体过早损坏构件，需在GFRP-钢筋复合材料两端安装无缝钢管：选择适用的钢管，长度约300～400 mm，钢管内径较玻璃钢筋材大2～4 mm，不宜过大，钢管内壁每隔20～30 mm刻上1～2 mm深螺纹，加大与玻璃纤维的粘结，25 mm以下玻璃纤维筋可采用壁厚>5 mm钢管，随着玻璃纤维筋直径变大，需适当增加钢管壁厚7～10 mm，防止夹断.具体的制作过程如下所示：步骤1选择合适的车好内螺纹钢管，一端用透明胶带密封；步骤2配制环氧树脂胶液，比例WSR6101∶593=4∶1，搅拌均匀；步骤3将搅拌均匀的树脂倒入钢管中，插入玻璃钢筋材(中空杆体需预先将内孔用树脂胶、混凝土砂浆填实)，放入墙角静置1～2 h或者用热风机辅助加热；玻璃钢筋材一端环氧树脂初步固化后，重复以上步骤，锚固玻璃钢筋材另外一端;温固化8～12 h以上，可以试验，如果希望减少等待时间，可适当加热，提高树脂固化效率，制作过程如图2所示.

图2 GFRP-钢筋复合材料锚具的安装过程Fig.2 Installation process of rebar composite anchorage

2 实验方案

2.1 实验设计[10]

将GFRP-钢筋复合材料做成700 mm的试拉件，其中标距L0=300 mm，夹芯钢筋(里面是钢筋，外面是玻璃纤维筋)，用套管锚固试拉件的两端，如图3所示，套管用无缝钢管制作而成，两端的锚固长度分别为200 mm，钢管内径比试样筋材杆件的直径大4 mm，壁厚3 mm，钢管与纤维之间的锚固用固化剂粘结而成[11].本实验的GFRP-钢筋复合材料按照体积比(先称钢筋的质量，再称制作好的GFRP-钢筋复合材料的质量，然后换算成体积)设计了8种，如表1所列，每种5根，共40根，表示为G1S0,G2S7,G3S6,G4S5,G5S4,G1S0,G6S3,G7S2,G0S1,其意义为：如G3S6表示体积比为0.324∶0.676，其比值约等于3比6.

图3 GFRP筋(GFRP夹芯筋)的尺寸图Fig.3 size diagram of GFRP rebars (GFRP cored rebars)

表1 GFRP-钢筋复合材料的体积比Tab.1 Volume ratio of GFRP-reinforced composites

2.2 试验方法

拉伸性能试验采用上海华龙仪器有限公司的DN150的电子万能试验机，加载步骤按照规范[12]中进行，先对试拉件进行5 mm/min位移控制预加载，当达到屈服强度的20%～30%时，预加载结束，卸载到荷载为零时再以5 mm/min位移控制正式加载，直到试拉件破坏，观察应力应变曲线的变化规律，记录破坏荷载、抗拉强度和弹性模量等指标，不计出现滑筋、端头拉断等现象试验结果.

材料的动弹性模量采用NM-4B型非金属超声波检测分析仪测定，材料的动弹性模量与超声波声速具有如下理论关系：

(1)

其中:E为材料的弹性模量；ρ为材料的密度；υ为材料的Poission比；V为材料的超声波速度.

3 试验数据分析

3.1 GFRP-钢筋复合材料受拉断裂过程与现象[13]

单一玻璃纤维(玻璃纤维和钢筋的体积比为1∶0)受拉时，随着荷载的增加，位移增大，当荷载达到极限荷载的80%时，纤维筋中部变细，有微小的裂缝出现，荷载和位移图接近直线，继续增加荷载裂纹迅速发展，接近破坏时发出强烈的爆破声，最终单一玻璃纤维筋破坏，从出现裂纹到破坏，释放能量，破坏时应力应变曲线有下降的趋向，属于脆性破坏.单一钢筋(玻璃纤维和钢筋的体积比为0∶1)受拉时起初随着荷载的增加，应力应变线性变化，当应力达到屈服强度时，随着荷载的增加，应力保持不变，应变增加，出现屈服阶段，荷载继续增加，进入塑性阶段，位移增加的速度大于荷载增加的速度，此时钢筋中部变细，出现明显的裂纹，当荷载继续增加时，钢筋拉断，随即破坏，在钢筋出现裂纹到破坏，经历的时间较长，释放大量的能量，属于延性破坏.

3.2 结果分析

通过对GFRP-钢筋复合材料单轴拉伸试验，可以得到G1S0、G2S7、G3S6、G4S5、G5S4、G6S3、G7S2、G0S1复合材料极限应力、弹性模量以及断裂伸长率，如表2所列，以及GFRP-钢筋复合材料单轴拉伸的应力应变曲线图，如图4所示.

表2 GFRP-钢筋复合材料单轴拉伸试验结果Tab.2 Uniaxial tensile test results of 2gfrp-reinforced composites

图4 GFRP-钢筋复合材料单轴拉伸应力应变曲线Fig.4 Uniaxial tensile stress-strain curve of reinforced composite

由表2可以看出GFRP-钢筋复合材料随着玻璃纤维体积的增加，极限拉应力增加，断裂伸长率减小，弹性模量也在减小；G2S7极限应力达到398.67 MPa，是G0S1极限应力的94.86%，断裂伸长率为8.25%，而G3S6的极限拉应力是752.54 MPa，是G0S1极限拉应力的98.17%，接近于纯钢筋的极限应力，外围包裹着玻璃纤维在盐湖地区阻止了卤水的腐蚀，由应力应图形也可以看出，GFRP-钢筋复合材料当体积比为1∶2时，出现明显的屈服阶段，是延性破坏，更进一步证实了玻璃纤维和钢筋的临界体积比是1∶2时，更符合盐湖腐蚀地区的特点.

通过对不同体积比的GFRP-钢筋复合材料受拉可以得到，当玻璃纤维和钢筋的体积比为0.218∶0.782时，由于纤维体积较小，随着荷载的增加，应变小的玻璃纤维首先出现裂缝退出工作，荷载主要由钢筋承担，特别在盐湖腐蚀地区，玻璃纤维出现裂缝对钢筋的腐蚀会造成一定的影响；当玻璃纤维和钢筋的体积比为0.736∶0.264时，由于纤维体积较大，钢筋体积较小，当荷载增加时，随着荷载的增加表现出来的性质和单一玻璃纤维受拉时表现出的性质相似，属于脆性破坏(一次破坏)，当玻璃纤维和钢筋的体积比大致为0.324∶0.676时，玻璃纤维起到一定的保护作用，特别是在盐湖腐蚀地区，钢筋不会受卤水的腐蚀，同时还具有钢筋的特性，应力应变曲线有明显的屈服阶段，属于延性破坏.

当GFRP-钢筋复合材料的体积比接近与0.324∶0.676

4 GFRP-钢筋复合材料的临界体积比预估结果

以GFRP-钢筋复合材料体积比为横坐标，纵坐标为强度，将试验所测应力和本文理论推导公式预估模型推导值对比曲线如图5所示.可见，实验值和理论值基本一致.抗拉强度曲线在临界体积比处出现最小值，是GFRP-钢筋复合材料的破坏机制所决定的.在本试验中，G3S6(Vc=1∶2)拉伸试验的应力-应变曲线显示，出现明显的屈服阶段，是延性破坏.

图5 实验数据与理论预估数据的对比Fig.5 Comparison between experimental data and theoretical prediction data

5 GFRP-钢筋复合材料的临界体积比预估模型[14]

由于玻璃纤维筋的断裂应变较低，在拉伸过程中，先承受荷载而破坏，如果钢筋含量较小，则玻璃纤维破坏的同时钢筋也随之破坏，属于一次破坏；如果钢筋含量较大,玻璃纤维断裂后，钢筋继续承受荷载，直到破坏，属于两次破坏.材料在一次破坏和两次破坏之间存在临界体积比，本文通过实验和理论推导临界体积比的范围，为工程实际提供数据基础.

推导GFRP-钢筋复合材料临界体积比预估模型有如下假设[9]：

1) 在受拉过程中GFRP-钢筋复合材料的应变是等值增加的.

GFRP-钢筋复合材料屈服之前，界面的应变基本是等值增加的，屈服之后到达到极限强度，应变分布偏离直线关系，试验表明构件的破坏总是发生在一定长度范围内，此时的平均应变仍是符合等值增加.

2) 环氧树脂和固化剂所形成的黏结材料对纤维浸润性好，GFRP-钢筋复合材料界面完好.

由于环氧分子中具有羟基、醚基和环氧基等极性基团，这些极性基团与增强材料表面浸润性好[9]，受拉破坏是由GFRP-钢筋复合材料拉断导致的，而不是由于GFRP和钢筋黏结破坏引起的.

3) GFRP-钢筋复合材料最佳体积比的应力应变由上升段、水平段、上升段三部分组成.

实际上GFRP-钢筋复合材料的应力应变关系与复合材料的形状(螺纹筋还是圆筋)、材料的强度、轴压的偏心程度等因素有关，准确描述比较复杂，而GFRP-钢筋复合材料最佳体积比的应力应变由上升段、水平段、上升段三部分组成必然存在一定的误差，但能满足工程设计所要求的精度.

为方便计算将GFRP-钢筋复合材料看成是横截面为1的筋，玻璃纤维、钢筋、环氧树脂的GFRP-钢筋复合材料的体积为υ，质量为m；GFRP-钢筋复合材料中玻璃纤维GFRP、钢筋、环氧树脂的体积分别为υg,υs,υm；质量分别为mg,ms,mm；密度分别为ρg,ρs,ρm；体积比分别为λg,λs,λs；应力分别为σg,σs,σm；弹性模量分别为Eg,Es,Em；GFRP-钢筋复合材料的强度预估模型为[15]

F=λgσg+λsσs+λmσm.

(2)

F为试件受拉时的拉伸荷载，单位N.

λg+λs+λm=1.

(3)

在拉升过程中，GFRP、钢筋、环氧树脂等位移变形，应变都为ε

所以：

σg=Egε,σs=Esε,σm=Emε.

(4)

当拉伸荷载F增加到玻璃纤维极限荷载Ff时，

σg=σgf,ε=εgf.

(5)

由公式(2)、(4)、(5)整理得：

(6)

玻璃纤维断裂后，钢筋继续承载，当荷载F达到钢筋极限抗拉强度Ff时有：

F=Ff,σs=σsf,ε=εsf.

(7)

同理可得：

(8)

将式(8)代入式(6)得：

(9)

由式(8)得：

(10)

由式(9)得：

(11)

(12)

公式讨论：

(13)

(14)

(15)

6 结论

1) 与南京锋晖复合有限公司合作使用玻璃纤维、钢筋、环氧树脂材料制备了GFRP-钢筋复合材料，对不同体积比的玻璃纤维和钢筋的复合材料进行试验测定，通过比较，当玻璃纤维和钢筋的体积比接近于1∶2时，GFRP-钢筋复合材料具有屈服强度，是延性破坏，同时外延有玻璃纤维在盐湖腐蚀地区起到一定的保护作用.

2) 理论推导出GFRP-钢筋复合材料的临界体积比预估模型，根据模型得到玻璃纤维、钢筋的临界体积比接近1∶2，这与实验中应力应变曲线的数据是相符的.