BFRP和GFRP筋剪切性能的温度效应

蔡启明，陆春华，*，延永东，张菊连

（1.江苏大学土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013；2.上海宏信建筑科技有限公司，上海 201800）

纤维增强复合材料（FRP）在工程应用中经常会面临高温环境作用［1］，而高温后FRP筋的性能退化会给结构的后续服役埋下安全隐患，甚至引发结构破坏［2-3］.为此，国内外学者对此开展了一定的研究.但相关研究［3-6］多以FRP筋拉伸性能为分析对象，关于其高温剪切性能的研究相对较少.FRP筋作为一种各项异性材料，一方面其横向性能远远弱于纵向性能，故剪切性能往往决定其使用寿命［7］；另一方面剪切性能作为材料的基本力学性能，可揭示高温下纤维与树脂间的工作机理，从而可对FRP筋进行较全面的性能评价［8-9］.因此，有必要进一步对FRP筋剪切性能的温度效应展开研究.

目前，对FRP筋剪切性能的相关研究［9-12］均采用“先环境作用后加载测试”的方法.该方法虽然不能完全反映高温下FRP筋剪切性能的退化规律，但考虑到试验的易操作性，同时也能为高温后FRP筋剪切性能的损伤评估提供有效参考.基于上述试验方法，本文以筋材直径d、温度T以及恒温时长为参数，研究了高温后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）筋剪切性能的退化特性，并利用扫描电子显微镜（SEM）观测了其微观结构，分析试件高温后剪切性能的损伤机理，最后提出了BFRP、GFRP筋随温度变化的剪切强度预测计算模型，以期为FRP混凝土结构的抗火设计提供一定的理论依据.

1 试验

1.1 原材料

选取直径为12、16 mm的BFRP、GFRP筋，分别记为B12、B16、G12、G16，其基体均为双酚A型环氧树脂，纤维体积分数φ均为64%，其力学性能见表1.采用差示扫描量热法（DSC）测试了2类筋材的玻璃化转变温度Tg，由于采用相同的基体材料，两者的Tg相差不大，其均值为111.3℃.

表1 BFRP、GFRP筋的力学性能Table 1 Mechanical properties of BFRP and GFRP bars

1.2 试验方法

1.2.1 高温试验

取T=20、70、120、170、220、270、350、420、500℃，共9种工况，在某炉业公司生产的高温试验箱内进行高温试验，达到设定温度后恒温处理0.5 h.由于BFRP、GFRP筋的基体热分解温度Td一般在300℃左右［4-5］，故其使用温度建议不超过300℃［3］.因此，为满足工程应用要求，同时又能观测到明显的试验效果，进而有效地评价FRP筋的高温剪切性能，对270℃的高温试验，增设恒温时长1.0、3.0、6.0 h，用 于 考 察 恒 温 时 长 对BFRP、GFRP筋剪切性能的影响.

1.2.2 短梁剪切试验

用UTM 5305型电子万能试验机进行短梁剪切试验.为避免剪切试验中的弯曲效应，移动设备底部支座，调节其跨径比为5，加载头作用于试件的跨中位置.短梁剪切试验示意图见图1.每组工况3个试件，结果取平均值.

图1 短梁剪切试验示意图Fig.1 Schematic diagram of short-beam shear test

1.2.3 SEM分析

用S-3400N型扫描电子显微镜评估经20、120、350℃温度作用后BFRP、GFRP筋的微观结构及完整性，分析FRP筋性能退化的“短板效应”.

2 结果与分析

2.1 试件外观与破坏形态

BFRP、GFRP筋的高温试验中，筋材外观与温度息息相关，不同温度下试件的表观变化见图2.由图2可见：室温条件下，GFRP筋呈浅黄色，BFRP筋呈亮黑色；当温度升至350℃时，树脂基体发生碳化反应，试件全身呈炭黑色，其横截面均呈龟裂状；当温度上升至500℃时，树脂基体基本热解消失，2类试件的纤维丝呈松散状.

图2 不同温度下试件的表观变化Fig.2 Apparent changes of specimens under different temperatures

剪切试验中，经不同温度作用后的BFRP、GFRP筋的受力变形过程基本相同：室温条件下，伴随着加载的进行，树脂剥落和纤维丝断裂的“噼啪”声逐渐增大和密集，最终试件形成水平剪切破坏；350℃高温后，纤维丝断裂的声音减少，但最终破坏模式与室温下相同.G16筋在20、350℃下的剪切破坏形态见图3.由图3可见，20、350℃下，G16筋均从端口断面形成水平裂缝后逐步导致试件破坏，由此可见，温度的变化并没有改变筋材的剪切破坏模式，该结论与文献［10-12］相同.

图3 G16筋在20、350℃下的剪切破坏形态Fig.3 Shear failure modes of G16 bar at 20 and 350℃

2.2 剪切载荷-位移曲线

不同温度下B16和G16筋的剪切载荷-位移曲线见图4.由图4可见：B16和G16筋的剪切载荷-位移曲线整体变化趋势基本类似，均在加载前期呈线性变化，中期出现弯曲现象，直至加载到峰值，出现剪切破坏；随着温度的升高，初始线性段斜率减小，这是因为高温作用使筋材的刚度下降，即使在较小力的作用下，其也会产生较大的位移；根据剪切载荷-位移曲线涵盖的面积可知，2类FRP筋的剪切韧性随着温度的升高逐渐降低；350℃达到了树脂基体的热分解温度Td，此时B16和G16筋的剪切性能均有较大幅度的退化，且G16筋的退化程度更严重.

图4 不同温度下B16和G16筋的剪切载荷-位移曲线Fig.4 Shear load-displacement curves of B16 and G16 bars under different temperatures

2.3 剪切强度

根 据ASTM D4475-02（2016）《Standard test method for apparent horizontal shear strength of pultruded reinforced plastic rods by the short-beam method》，FRP筋的剪切强度τ为：

式中：P为试件破坏时的最大荷载，N.

不同温度下BFRP和GFRP筋的剪切强度及其退化率η见表2.由表2可见：随着温度的升高，小直径FRP筋的剪切强度退化速率略快，尤其是BFRP筋，这是因为试件的高温受损过程为由表及里，而直径与界面降解率成反比.在Mouritz［13］的研究中也表明FRP材料受温度作用会逐渐分化为焦炭层和完整层，而焦炭层在直径小的筋材内占比更高，同时降解界面占比越高，剪切性能的衰减就更加明显.

由表2还可见，相同温度作用后，G16的剪切强度退化率除170、270℃外均高于B16.这一方面应是玄武岩纤维的导热系数小，具有屏蔽热辐射的特性［14］，故受温度作用时，玄武岩纤维可以更好地保护试件内部树脂；另一方面，玄武岩纤维中存在着Fe2O3和FeO化合物，而玻璃纤维中所没有Fe元素，这使得玄武岩纤维的热稳定性略优于玻璃纤维［15-16］.

表2 不同温度下BFRP和GFRP筋的剪切强度及其退化率Table 2 Shearing strength and its degradation rate of BFRP and GFRP bars after different temperatures treatment

根据温度将FRP筋的剪切强度退化过程初步分为3个阶段：（1）当温度低于120℃时，树脂基体呈玻璃态，筋材的剪切性能稳定，B16的剪切强度相较于室温仅退化了2.01%，G16的退化幅度为6.56%；（2）当温度为120～270℃时，由于超过树脂基体的玻璃化转变温度（Tg＝111.3℃），聚合物由玻璃态向黏弹态转变，BFRP和GFRP筋剪切强度的降低幅度增大；（3）当温度高于270℃时，筋材表面的树脂发生氧化分解反应，内部树脂处于缺氧状态而发生碳化反应，从而使纤维/树脂界面剥离［17］，BFRP和GFRP筋的剪切强度均急剧减小.

2.4 恒温时长对剪切性能的影响

270℃、不同恒温时间下BFRP和GFRP筋剪切强度保留率γT见图5.由图5可见：BFRP和GFRP筋的剪切强度保留率均随恒温时间的延长逐渐降低，且BFRP筋降低的幅度明显小于GFRP筋；相同恒温时间下，BFRP筋的剪切强度保留率均高于GFRP筋.由此可见，BFRP筋的耐高温性能要明显优于GFRP筋.

图5 不同恒温时间下BFRP和GFRP筋剪切强度保留率（270℃）Fig.5 Shear strength retention rate of BFRP and GFRP bars under different constant temperature time（270℃）

2.5 微观结构

不同温度下BFRP和GFRP筋的SEM照片见图6.由图6可见：20℃时，BFRP、GFRP筋中纤维丝排列紧密有序，纤维和基体的浸润性较好；120℃时，由于刚达到树脂基体的玻璃化转变温度（111.3℃），BFRP、GFRP筋的纤维丝仅表现为轻微的松散；B16在350℃温度作用后，部分纤维表面光滑，附着的树脂基体减少，说明两者的交联度降低，黏结力下降；G16中纤维的脱黏现象十分严重，树脂基体已很难传递纤维间的应力；在整个观测过程中，纤维表面未见明显损伤，说明在试验温度范围内，FRP筋的剪切性能退化主要是由树脂基体的热降解所造成.基于此，后续研究可考虑将耐高温树脂与纤维丝复合形成FRP筋，进而改善其高温剪切性能.

图6 不同温度下B16和G16筋的SEM照片Fig.6 SEM images of B16 and G16 bars under different temperatures

2.6 温度作用后FRP筋剪切性能退化分析

温度作用后FRP筋的剪切强度τT为：

式中：τ20为20℃作用后FRP筋的剪切强度.

参照文献［18］，FRP筋的剪切强度保留率γT与温度T的关系可由双曲正切函数表示：

式中：a、b、c为回归参数，可由试验结果得到.

用式（3）对试验值进行回归分析，得到了回归参数a、b和c的建议值，同时出于安全考虑，初步提出了BFRP和GFRP筋在关键温度节点对应的剪切强度保留率γT的建议值，结果见表3，其他作用温度条件下的γT可采取线性插值法获取.根据γT的建议值，可得到FRP筋剪切强度随高温作用后的建议退化曲线.BFRP和GFRP筋剪切强度保留率与温度的关系曲线见图7.由图7可见：预测结果可以较好地描述BFRP和GFRP筋的剪切强度随温度升高的退化过程；所得到的建议退化曲线能在描述FRP筋材剪切强度退化规律的同时，具有一定的安全保障，可用于相关工程问题的应用分析.

表3 剪切强度计算公式中的回归参数及关键温度节点的γT建议值Table 3 Regression parameters in shear strength calculation formula and recommendedγT for critical temperature

图7 BFRP和GFRP筋剪切强度保留率与温度的关系曲线Fig.7 Relation curves between temperature and shear strength retention of BFRP and GFRP Bars

3 结论

（1）高温作用会改变玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）、玻璃纤维增强复合材料（GFRP）筋的外观，当作用温度达350℃时，BFRP、GFRP筋均呈炭黑色；但在20～420℃温度区间内，温度作用未改变其剪切破坏模式.

（2）相同温度作用后，直径12 mm的BFRP、GFRP筋剪切性能退化速率高于直径16 mm的筋材.此外，在270℃下，BFRP、GFRP筋的剪切性能均随恒温时间的延长而逐渐降低，且BFRP筋整体上表现出比GFRP筋更优的耐高温性能.

（3）BFRP、GFRP筋的剪切强度随温度的升高逐渐降低；结合SEM分析，强度衰减的主要原因是树脂基体随温度升高发生分解反应，且纤维/基体间协同工作能力逐渐降低.故后续相关研究及应用中，可考虑将耐高温树脂作为基体材料，以改善纤维增强复合材料（FRP）筋的高温剪切性能.

（4）基于试验结果进行了回归分析，提出了20～420℃温度范围内BFRP、GFRP筋剪切强度的预测计算模型，其理论值与试验结果总体趋势吻合较好.