约束条件下CFRP筋单轴抗压性能试验

陈爽，关纪文，梁淑嘉，陈红梅

(1.桂林理工大学 广西建筑新能源与节能重点实验室，广西 桂林 541004；2.桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004)

纤维增强复合材料(FRP)筋具有密度小、抗拉强度高、耐腐蚀性强等优良性能[1-7].研究表明，FRP筋不需要考虑因钢筋锈蚀引起的耐久性问题，故相较于钢筋，FRP筋更适合作为侵蚀性环境(酸雨地区、沿海和海岛等)下服役结构的增强筋[1-3].目前，对FRP筋的应用主要集中在发挥抗拉性能方面，往往忽略其抗压性能[4-6].在实际工程应用中，结构构件常处于复杂应力状态，不可避免地承受压应力，且碳纤维增强复合材料(CFRP)抗压性能的优劣会直接影响受压构件的承载力水平[7-8].

一些学者对CFRP筋的抗压性能进行研究.龚永智等[9]发现长细比较大的CFRP筋试件的受压弯曲程度越明显，且容易发生失稳破坏.张新越等[10]发现CFRP筋的破坏一般是横向变形过大而无法继续承受荷载所致，且当约束条件较弱时，试件端部会提前破坏，测得的抗压强度偏低.文献[11-13]研究表明CFRP筋在未加约束或约束作用不明显的情况下，往往导致筋材发生整体失稳或端部压碎，实测值与真实值偏差较大，试验效果不佳.为了保证筋材试件的稳定性，本文对约束条件下的CFRP筋进行单轴抗压性能试验，分析筋材长细比、直径对抗压性能的影响.

1 试验方案

1.1 试件的设计与制作

采用直径为8，10，12 mm的CFRP筋(浙江省海宁市安捷复合材料有限责任公司)，每种直径均设计30，45，60等3种长细比，并根据长细比设置不同的受压长度.为了减小试验误差，保证试验数据的可靠性，以相同直径和受压长度的试件为一组，分为1～9组，每组有3个完全相同的试件(相关参数取平均值).

表1 试件的参数

试件两端采用抗压强度高、刚度大的碳钢套帽加以约束，并在碳钢套帽与CFRP筋之间的空余部分灌入环氧树脂进行固定[14].定制碳钢套帽的尺寸图，如图1所示.图1中：R为CFRP筋半径.CFRP筋压缩试件，如图2所示.两端碳钢套帽固定好后，在筋材中部两侧对称粘贴规格为3 mm×2 mm(长×宽)的电阻应变片，试件的应变值取两侧的平均值.

(a)剖面图 (b)俯视图

1.2 试验加载装置与加载方案

采用500 t微机控制电液伺服万能试验机进行加载，加载数据由试验机数据采集系统自动采集，试件的应变由DH3816N型静态应变分析系统采集.采用正位单调静力加载，全过程按位移控制，加载速率为2 mm·min-1，从零开始加载，直至试件完全破坏，荷载的施加需连续、平稳.

2 试验现象及破坏形态

2.1 试验现象

在加载初期，试件会发出微小的碎裂声，这是因为加压板与碳钢套帽完全接触后，会对筋材进行垂直对中调整，试件两端的部分环氧树脂发生碎裂[15].当接近极限荷载时，试件不断发出碎裂的声响.最后，伴随着一声脆响，试件达到极限承载力，发生破坏.整个过程中，CFRP筋始终不发生屈服，属于典型的脆性破坏.

2.2 破坏形态分析

试验中，CFRP筋出现剪切破坏、劈裂破坏、压碎破坏、屈曲破坏等4种破坏形态，如图3～6所示.

图3 剪切破坏形态图 图4 劈裂破坏形态图

1)剪切破坏.剪切破坏主要发生在直径为10 mm的试件中，其破坏面与试件纵轴线大致呈45°，通常会完全断裂且伴随明显的相对滑动，筋材上的白色螺旋缠绕纤维线发生崩断[15].剪切破坏测得的极限承载力适中，试件部分抗压性能得到发挥.

2)劈裂破坏.在轴向压力作用下，试件由于泊松效应发生侧向开裂，当横向拉应变超过自身的极限拉应变时，会发生劈裂破坏，又称横向开裂破坏.劈裂破坏主要发生在直径为12 mm的试件中，主要出现在试件端部及沿纵轴方向.筋材往往未完全被压坏就已经达到极限承载力，因此，其抗压性能未得到充分发挥.

3)压碎破坏.压碎破坏发生在直径为8 mm的试件中，压碎破坏的程度十分彻底，筋材纤维往往直接被压成碎屑，甚至粉末，且完全观察不到裂缝沿轴向延伸的痕迹[15].压碎破坏测得的极限承载力较高，筋材抗压性能得到充分利用.

4)屈曲破坏.受压长度大的试件容易发生屈曲破坏，用肉眼便可以观察到破坏一侧的纤维发生弯折变形，致使荷载作用线发生偏移.屈曲破坏测得的筋材极限承载力极低，对其抗压性能利用率也极低.

图5 压碎破坏形态图 图6 屈曲破坏形态图

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

表2 CFRP筋抗压性能试验结果

3.2 应力-应变曲线

受压应力-应变(σ-ε)曲线，如图7所示.由图7可知：CFRP筋为典型的脆性材料，其应力-应变曲线始终保持线弹性增长；直径为8，10 mm试件的极限应变随着长细比的增大而减小；直径为8 mm的试件长细比为30，45时，发生完全压碎破坏，所测的极限应变高达4 300 ×10-6，当长细比增加至60时，试件曲线的斜率最大，加载过程中应变始终小于前两种长细比的应变，且由于发生屈曲失稳，未达到极限强度就提前发生破坏，故极限应变偏小；直径为10 mm的试件主要发生剪切破坏，尽管长细比为30时的曲线斜率偏大，但最终测得的极限应变均较为接近；直径为12 mm的试件主要发生劈裂破坏，3种长细比下曲线的斜率相近，极限应变相差甚微.

(a)d=8 mm (b)d=10 mm (c)d=12 mm

3.3 长细比的影响

3.3.1 抗压强度 抗压强度的变化情况，如图8所示.由图8可得以下3个结论.

图8 抗压强度的变化情况 图9 极限应变的变化情况

1)各试件的抗压强度均随着长细比的增大而减小；当长细比为30，45时，直径为8 mm的试件发生压碎破坏，抗压强度较高，最大抗压强度可达465.10 MPa；当长细比继续增大到60，直径为8 mm的试件发生屈曲失稳，且两端碳钢套帽对筋材的约束作用逐渐减弱，故其第2段曲线下降斜率增加明显，减幅较第1段增加了8.13%，直径为8 mm的试件最终的抗压强度低于直径为10，12 mm的试件.

2)直径为10 mm的试件曲线下降斜率明显，累计减幅达40.12%，主要原因是试件发生剪切破坏，且剪切面与试件纵轴线往往保持呈45°发生破坏，而长细比的增加使试件由原来的整体剪切破坏转变为端部剪切破坏，导致试件中部筋材的抗压性能未得到充分发挥.

3)直径为12 mm的试件两段曲线下降斜率大致相同，累计减幅仅为22.79%，减幅最小.试件主要发生劈裂破坏，尽管长细比的增大使外部胶体容易发生劈裂受损，但由于直径较大，当接近破坏时，筋材内部纤维发生应力重分布，仍可以承担一定的压应力[16].因此，当长细比增加到60时，直径为12 mm的试件的抗压强度最大.

3.3.2 极限应变 极限应变的变化情况，如图9所示.由图9可知：各试件的极限应变均随长细比的增加逐渐减小；直径为12 mm的试件曲线下降斜率最平缓，极限应变累计减幅仅为10.53%；而直径为8，10 mm的试件累计减幅分别达到20.09%，30.38%，其中，直径为8 mm的试件第2次减幅较第1次减小了10.03%，直径为10 mm的试件第2次减幅较第1次增加了5.08%.

3.3.3 抗压弹性模量 抗压弹性模量的变化情况，如图10所示.由图10可知：各试件的抗压弹性模量均随着长细比的增加逐渐减小；当长细比为30时，直径为12 mm的试件的抗压弹性模量最大，可达70.48 GPa，当长细比分别增加到45，60时，直径为12 mm的试件抗压弹性模量分别累计降低26.40%，29.11%，但其抗压弹性模量始终大于直径为8，10 mm的试件；直径为8 mm的试件由于直径小、稳定性不佳，故曲线下降斜率明显，总减幅最大已达52.07%；直径为10 mm的试件曲线斜率平缓，两次减幅大致相同，均保持在8.00%左右，总减幅仅为15.75%.

图10 抗压弹性模量的变化情况

3.4 直径的影响

直径变化的影响，如图11所示.由图11(a)可知：当长细比分别为30，45时，试件的抗压强度随直径的增大而降低；当长细比为60时，试件的抗压强度反而随着直径的增大而增大.因此，筋材的抗压强度随着直径变化未表现出明显的规律性，这种现象往往取决于筋材的破坏形态.

(a)抗压强度 (b)极限应变 (c)抗压弹性模量

由图11(b)可知：极限应变随着直径的增大而显著减小，这是因为随着直径的增大，外部缠绕的约束纤维丝对内部纤维的约束作用越小，且内部纤维分布的不均匀性增加，导致极限应变明显降低[16].

由图11(c)可知：试件的抗压弹性模量随着直径的变化未表现出明显的规律性；当长细比为30时，抗压弹性模量先下降后上升；当长细比分别为45，60时，抗压弹性模量始终保持上升趋势，且斜率增大.这与筋材本身的制作质量、两端碳钢套帽的约束效果及几何中心是否对中有关[16].

4 结论

1)碳钢套帽的约束能够有效避免CFRP筋端部发生局部破坏，可较准确地反映筋材单轴受压时的破坏形态，即剪切破坏、劈裂破坏、压碎破坏和屈曲破坏.当发生压碎破坏时，CFRP筋的抗压性能得以充分发挥，测得的抗压强度较高.

2)CFRP筋为典型的脆性材料，加载过程未出现屈服平台，筋材应力-应变曲线保持线弹性增长.

3)CFRP筋单轴抗压强度随长细比的增大而减小，其减幅取决于筋材的破坏形态.其中，直径为12 mm的试件在接近破坏时发生内力重分布，其抗压强度的减幅最小.同样，对极限应变、抗压弹性模量的影响规律相似.

4)CFRP筋的极限应变随着直径的增大而显著减小，而直径的增大对试件抗压强度、抗压弹性模量影响甚微.