高温下GFRP筋力学性能的试验研究*

王晓璐 査晓雄

(哈尔滨工业大学深圳研究生院，广东深圳518055)

纤维增强复合材料(FRP)以其轻质高强、耐腐蚀性好、电磁绝缘等特点，已在桥梁工程、室内停车场等工程中得到了应用［1］.然而高温下FRP力学性能的恶化却成为工程应用中的隐患，阻碍了FRP筋在建筑领域的大范围推广.FRP筋是由连续的纤维材料通过树脂粘结而成，高温下树脂受热软化分解引发粘结作用的减弱甚至丧失，同时作为主要受力材料的纤维丝在高温下发生软化或氧化，导致FRP筋的力学性能在高温下显著下降.目前国内外对于FRP筋高温力学性能的研究并不充分，主要体现在高温力学试验数据少且离散性大、温度测试区域间隔大、强度随温度的折减公式仅通过现有试验数据的简单拟合而缺乏统一性与通用性［2-4］.本试验以工程中较为常用的GFRP筋为研究对象，对GFRP筋在高温下的力学性能进行了测试，得到高温下GFRP筋的极限强度和弹性模量随温度的衰减规律，并结合材料的热性能分析试验，提出了GFRP筋在高温下的拉伸本构模型，该本构模型可推广应用至其他类型的纤维和树脂材料中，从而为FRP筋混凝土结构的高温性能研究提供了基础.

1 GFRP筋的高温拉伸试验概况

本试验对直径8mm的GFRP筋进行了10～500℃区间13种不同温度下的拉伸试验，获得GFRP筋的极限强度和弹性模量随温度的衰减规律.拉伸试件总数为30根.

1.1 拉伸试件的加工

试验所用的GFRP筋由中山浦美复合材料有限公司生产，基体材料为环氧树脂，纤维质量率为70%，筋表面经喷砂处理后高温固化成型.试验中为防止拉力机夹具引起GFRP筋端部发生剪切破坏，采用无缝钢管内添膨胀水泥的方式对GFRP筋端部进行锚固，上下两端锚固长度为140 mm，试件净长度为320mm，满足ACI 440.1R-06中关于拉伸试件净长度l0≥40d(d为FRP筋直径)的规定［5］.

1.2 试验装置和设备

GFRP筋的高温拉伸试验使用万能试验机对试件进行拉伸，使用电加热炉进行升温.加热设备由6根石英加热管组成，炉内温度使用两支K型热电偶监控.试验中使用位移引伸计测量GFRP筋中间位置10 cm区段的伸长量.为防止温度过高影响引伸计的测量精度和使用寿命，FRP复合材料实验室另加工了引伸计的接长杆［6］，引伸计接长杆与GFRP筋通过耐高温弹簧固定，并从加热炉侧壁上预留的1.5cm宽的纵向通长空隙中穿过.试验设备如图1所示.

图1 试验设备图Fig.1 Test equipment

1.3 高温拉伸试验过程

进行高温拉伸试验前先连接好位移引伸计与接长杆，用耐高温弹簧将接长杆固定于GFRP筋的中部，同时在试件中部绑扎两根K型热电偶，并使用铝箔纸将试件包裹以使GFRP筋表面受热均匀.随后，将绑扎好引伸计的试件从加热炉的上下端口和侧壁缝隙中穿入，用万能试验机将试件端部夹紧.准备工作完成后电加热炉开始升温，待炉内温度达到目标温度后恒温40min，开始进行拉伸试验.拉伸试验采用位移控制的方式，加载速率为2 mm/min，试验中采集试验机的拉力值和位移引伸计伸长量，换算得到GFRP筋在高温下的应力-应变曲线.

2 GFRP筋的高温力学性能

2.1 极限强度和弹性模量随温度的变化

GFRP筋高温拉伸试验结果如表1所示.GFRP筋的极限强度和弹性模量随温度的升高而逐渐减小，且GFRP筋的高温力学性能受树脂的玻璃化温度、纤维丝的软化温度影响显著.试验中，由于树脂在高温下发生软化甚至分解，因此300℃以上的GFRP筋弹性模量未测出.

表1 高温下GFRP筋极限强度和弹性模量试验结果Table 1 Results of ultimate strength and elastic modulus of GFRP bars at elevated temperature

试验测得的GFRP筋极限强度随温度的衰减趋势如图2所示.由试验结果可知，GFRP筋在高温下极限强度的变化可分为以下4个阶段:(1)10～80℃，该温度区段内GFRP筋抗拉强度受温度的影响较小，80℃时极限强度仅较常温降低了6%;(2)80～120℃，该温度区段内环氧树脂发生了软化，树脂的软化不仅使自身强度降低，同时也减弱了对玻璃纤维丝的粘结作用，导致GFRP筋整体强度下降，120℃时的极限强度较常温时下降了22%;(3)120～400℃，该温度区段树脂完全软化甚至分解，对玻璃纤维丝的粘结作用几乎完全丧失，而此时耐火性能较强的玻璃纤维尚未发生软化，故GFRP筋的极限强度在该温度区段趋于恒定;(4)400～500℃，玻璃纤维丝在该温度区段发生软化，力学性能迅速恶化，导致GFRP筋极限强度随温度迅速下降，500℃时GFRP筋的强度仅为常温下的33%.

图2 极限强度随温度的衰减规律Fig.2 Variation of ultimate strength versus different temperatures

GFRP筋弹性模量随温度的衰减曲线如图3所示.GFRP筋弹性模量在120℃前受温度的影响较小，一旦超过120℃，试件的弹性模量随温度的升高迅速折减，接近线性变化.由图中试验数据的分布情况可以看出，数据的离散性在树脂完全软化(温度高于120℃)后变大，在树脂分解(温度高于300℃)后未能测出弹性模量.故本试验使用的在GFRP筋上绑扎位移引伸计来测量伸长量的方法在高温环境中的可应用性降低.

图3 弹性模量随温度的衰减规律Fig.3 Variation of elastic modulus versus different temperatures

GFRP筋在不同温度下的应力-应变关系曲线如图4所示.可见，常温和高温下GFRP筋的拉伸本构关系基本呈线性变化，其本构模型可由极限强度与弹性模量两个参数确定.

图4 不同温度下的应力-应变关系曲线Fig.4 Stress-strain relationship curves at different temperatures

2.2 GFRP筋的高温拉伸试验现象

GFRP筋在不同温度下的破坏模式略有不同，当温度低于环氧树脂的玻璃化转变温度时，试件的破坏模式与常温相近，GFRP筋在产生多条纵向劈裂裂纹后，纤维束被拉断，试件呈成束纤维放射状的破坏.当温度处于树脂的软化区段时，由于树脂逐渐丧失了对纤维丝的胶粘作用，试件在破坏时玻璃纤维呈细丝状.随着温度的升高，环氧树脂发生氧化，颜色由黄绿色逐渐变为黄褐色，破坏时GFRP筋中部的纤维变得蓬松发散.待温度达到树脂的氧化分解温度后，构件颜色变为深褐色，破坏模式也由常温下的纤维成束破坏变为单丝的破坏.不同温度下试件的拉伸破坏模式如图5所示，为了更好地观察GFRP筋的破坏形态，试件在残余应力约为极限荷载的70%时停止加载，未将试件完全拉断.

图5 不同温度下GFRP筋的拉伸破坏模式Fig.5 Failure modes of GFRP rebars at different temperatures

3 GFRP材料的热分析试验

GFRP筋的基体材料环氧树脂是典型的高分子热固性材料，其分子交联受温度影响显著，从而引起物理性能的急剧变化.GFRP筋在高温下的力学性能与其热性能密切相关，因此，有必要对GFRP筋的热性能进行进一步研究.

热分析试验使用NETZSCH公司生产的STA449F3 TG-DSC同步热分析仪对材料进行热分析.差示扫描量热仪(DSC)可测试GFRP材料的吸热、放热，以判断分子的相变温度;热重分析仪(TGA)测量样品质量变化，以判断GFRP的热分解温度.试验的升温速率为10℃/min，气氛为氮气，最高测试温度为500℃.

经测试，本试验所用玻璃纤维/环氧树脂复合材料的TG/DSC测试结果如图6所示.图中，T为温度，q为热流量，m为剩余质量.DDSC为DSC曲线随时间t的一阶导数，DTG为TG曲线随时间的一阶导数.

由 DSC/DDSC曲线可以看出，材料在75～115℃之间的热流曲线有明显的变化，出现了放热峰，该温度下GFRP筋的基体材料环氧树脂发生了化学交联反应，产生了相变，DDSC曲线的峰值点对应的树脂玻璃化温度为94.7℃.由TG/DTG曲线可知，GFRP材料在325～475℃之间质量显著下降，该温度下环氧树脂发生了热分解，DTG曲线的峰值点对应的热分解温度为392.0℃，500℃时GFRP筋的质量损失约为常温时的12%(GFRP筋纤维质量率约为70%).

图6 玻璃纤维/环氧树脂的TG/DSC曲线Fig.6 TG/DSC curves of glass fiber/epoxy

4 GFRP筋高温下的拉伸本构模型

GFRP筋在常温和高温下的应力-应变曲线均接近线性变化，高温下的拉伸本构模型可由极限强度和弹性模量确定.

4.1 极限强度随温度变化的折减公式

由GFRP筋极限强度随温度的衰减规律可知，衰减曲线主要分为4个温度区域，共由4个温度点控制，即室内环境温度、树脂玻璃化起始温度与终止温度、纤维丝软化温度.根据试验结果对极限强度随温度的衰减规律进行分析与拟合，最终构造GFRP筋极限强度随温度的折减公式，形式如下:

式中:fu，T为温度 T 时 GFRP 筋的极限强度;fu，T0为常温下GFRP筋的极限强度;Kf为高温下GFRP筋强度的折减系数;T0为室内环境温度，可取值为常量20℃;Tg1为树脂玻璃化起始温度;Tg2为树脂玻璃化终止温度;Ts为纤维丝软化温度.

由GFRP筋极限强度的高温折减公式可知，高温力学性能的下降主要由Tg1、Tg2和Ts3个参数决定.树脂的软化温度可根据材料热性能试验测得，玻璃纤维的软化温度可根据纤维丝高温下的拉伸试验得到.根据Dimitrienko［7］的试验结果，玻璃纤维丝在温度较低时的热稳定性较好，350℃时强度仅下降5%，425℃时强度降低10%，随后强度随温度下降明显.因此，可取425℃为玻璃纤维丝的软化温度，即Ts=425℃.

对于本次GFRP筋高温拉伸试验，Tg1=75℃，Tg2=115℃，Ts=425℃，强度折减系数Kf可表示为如下形式:

使用式(3)计算的GFRP筋强度折减系数与试验实测数据的对比如图7所示，可见，高温下强度折减的理论公式计算结果与试验结果吻合较好.

图7 高温下强度折减系数的计算结果与试验结果的对比Fig.7 Comparison of strength reduction coefficients between the results of analytical model and test at elevated temperature

4.2 拉伸模量随温度变化的折减公式

根据GFRP筋高温拉伸试验的测试结果，GFRP筋弹性模量随温度的衰减规律可表述为式(4)、(5)所示的分段线性函数形式.在温度达到树脂玻璃化终止温度时，GFRP筋弹性模量退化了5%，随后树脂软化完全，弹性模量近似按线性折减.

式中:KE为GFRP筋弹性模量随温度的折减系数;ET、ET0分别为温度T、常温时GFRP筋的弹性模量.

对于本试验，Tg2=115℃，Ts=425℃，弹性模量折减公式的形式如式(6)所示，计算的GFRP筋弹性模量折减系数与实测数据的对比如图8所示.可见，分段函数与实验数据吻合较好.由于试验中未测出300℃后GFRP筋的弹性模量，高温下的折减系数近似认为是按直线延伸.

图8 高温弹性模量折减系数计算结果与试验结果的对比Fig.8 Comparison of elastic modulus reduction coefficients between the results of analytical model and test at elevated temperature

4.3 模型的简化

文中提出的GFRP筋力学性能的折减公式不仅可适用于本试验中的GFRP材料，对于其他树脂材料和纤维类型的FRP筋，亦可根据材料的热性能，将Tg1、Tg2、Ts代入折减公式，计算不同FRP筋在高温下的强度和模量的折减.由于环氧树脂的玻璃软化过程发生在一定的温度区间，该区间需要精确的材料热性能试验才可获得，而通常情况下树脂生产厂家仅提供材料玻璃化温度的转变点，考虑到FRP筋高温力学性能折减公式的实际应用，可将计算公式进行简化，使用环氧树脂的玻璃化温度Tg代替上下限值Tg1、Tg2，即将高温折减公式中的3个参数简化为两个参数，由环氧树脂的玻璃化温度Tg和纤维丝的软化温度Ts控制.简化后的公式如式(7)、(8)所示.经验证，公式误差较小.

5 拉伸本构模型与试验结果的对比

将本研究提出的GFRP筋高温力学性能折减模型与国内外实验结果进行了对比［4，7-16］，对比结果如图9所示.由国内外试验结果可知，GFRP筋高温力学性能的衰减趋势在各组试验中大体相同，公式计算结果与试验结果的吻合性相对较好.由于各厂家生产的FRP筋所用的纤维和树脂种类繁多，性能各有差异，因此，精确的FRP筋的高温本构模型必须建立在树脂和纤维材料的热性能基础上，而不能用简单的回归公式给出.

图9 GFRP筋高温力学折减系数计算结果与国内外试验结果的对比Fig.9 Comparison of GFRP rebar＇s mechanical reduction coefficients at elevated temperature between analytical model and test results from other researchers＇

本研究提出的基于材料热性能的GFRP筋高温力学性能折减公式不仅可应用于本试验所用材料，该公式还可推广应用于其他纤维和树脂材料的FRP筋中.公式与国内外碳纤维(CFRP)筋的试验结果对比如图10所示.碳纤维丝在有氧环境下易发生高温氧化而降低力学性能，根据碳纤维丝的TGA热重分析实验结果［17］，近似将质量损失率为5%时对应的温度作为碳纤维丝的氧化温度，Ts=520℃.

图10 CFRP筋高温力学折减系数计算结果与国内外试验结果的对比Fig.10 Comparison of CFRP rebar＇s mechanical reduction coefficients at elevated temperature between analytical model and test results from other researchers＇

6 结论

通过对GFRP筋高温力学性能的试验研究得到了GFRP筋的极限强度和弹性模量随温度的衰减规律，并结合材料热分析试验提出了GFRP筋在高温下的拉伸本构关系模型，主要结论如下:

(1)GFRP的极限强度随温度的升高而衰减，衰减幅度与所处的温度区间有关.GFRP筋强度的下降在树脂玻璃化的温度区段及纤维丝软化后的温度区段最为明显.

(2)GFRP筋的弹性模量在树脂软化前受温度的影响较小，一旦树脂完全软化，GFRP筋的弹性模量随温度的升高迅速折减，接近线性变化.

(3)高温下GFRP筋的应力-应变关系基本呈线性变化.GFRP筋的高温破坏模式由常温的纤维成束破坏变为单丝的破坏，颜色由青黄色逐渐变为棕褐色.

(4)基于材料的热性能试验，提出了三参数的GFRP筋高温本构模型，模型可简化为由树脂玻璃化温度和纤维丝软化温度控制的二参数模型.经验证，折减模型所得结果与试验数据吻合较好.

(5)本研究提出的高温下GFRP筋拉伸本构模型可推广应用于其他纤维类型和树脂材料的FRP筋中，经与试验结果比较可知，该模型具有较好的合理性与通用性.

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