基于宏细观多尺度的GFRP杆体损伤路径试验研究

陈智，郑立斐，柳子通，谢小明，李小青

(1．华中科技大学土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074; 2．湖北江陵县公路管理局，湖北 荆州 434100)

基于宏细观多尺度的GFRP杆体损伤路径试验研究

陈智1，郑立斐1，柳子通1，谢小明2，李小青1

(1．华中科技大学土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074; 2．湖北江陵县公路管理局，湖北 荆州 434100)

采用宏细观相结合的多尺度力学试验对玻璃纤维增强塑料(GFRP)杆体的损伤路径进行研究，选取不饱和聚酯基和聚乙烯基的杆体进行试验，通过不同形式的拉伸试验并结合电镜扫描技术获取GFRP杆体的拉伸强度及破坏历程。试验结果得出:裂缝宽度观测，循环荷载拉伸试验下的性能表现以及初始状态与80%破坏荷载下杆体的SEM图多尺度说明聚乙烯基杆体的基体与纤维之间复合效应优于不饱和聚酯基杆体;在同一应力水平下，不饱和聚酯基杆体渐进损伤程度高于聚乙烯基杆体;聚乙烯基杆体裂纹扩展的临界应力在破坏荷载的80%左右，而不饱和聚酯基杆体为破坏荷载的60%左右，聚乙烯基杆体有更好的断裂韧性。

GFRP;多尺度力学试验;损伤路径;循环荷载

玻璃纤维增强塑料复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastic，简称GFRP)因其具有轻质高强、抵抗腐蚀环境和节能环保等优点，被认为是最具有潜力来代替钢筋用作锚杆、土钉的新型材料［1］。由于玻璃纤维复合材料是一种多相材料，其力学性能和失效机制与纤维、基体以及其界面的性能、组分配比以及宏观尺寸等因素密切相关，研究学者对GFRP研究目前依然处于规律性研究阶段［2，3］，对GFRP性能参数多是通过宏观力学试验获取，但是试验所得数据离散程度较高，而且不能考虑细观结构的影响，给实际应用带来较多不便，使得材料难以大量推广应用［4］。研究GFRP杆体在受力过程中微观的破坏机理，以及与宏观结构力学响应的关联，可以为复合材料设计与优化及GFRP材料的工程应用提供更多理论指导［5］。

基于宏细观结合的渐进损伤分析方法研究是复合材料力学性能分析的一个全新并且极为活跃的领域。GFRP杆体在受力过程中组分材料会发生损伤破坏，从细观角度来分析杆体受力是一个渐进损伤的过程［6］。

张博明［7］提出改进的通用单胞模型，在保证求解精度的基础上，建立宏细观一体化的力学预测模型，并且通过更细的子胞划分来考虑复合材料的微观结构，分析细观特征对复合材料宏观性能的影响。

王艳飞［8］总结当前纤维增强复合材料的损伤行为及强度预测模型，对基于纤维断裂损伤的模型、纤维束模型、基于断裂力学的模型、基于连续损伤力学的模型以及数值离散化的连续力学模型的优缺点进行评价。

现阶段大部分学者对复合材料的渐进损伤分析停留在理论分析以及有限元数值模拟的基础上［9］，这对不同基体以及不同组分配比的复合材料而言，不能够完全解释其失效路径和破坏前兆。本文选取不同基体以及不同直径的GFRP杆体进行拉伸试验，采用多尺度分析手段观察杆体破坏的过程，为GFRP杆体渐进损伤分析提供更为可靠的依据。

1 试验材料及方案

1．1 GFRP杆体基本性能

试验选取两种常用类型GFRP杆体，不饱和聚酯基玻璃纤维杆和聚乙烯基玻璃纤维杆，不饱和聚酯基和乙烯基分别为热塑性和热固性基体材料。杆体材料采用拉挤一次成型制作，玻璃纤维直径28～30 μm。因土木工程中直径20 mm和25 mm的钢筋使用较普遍，为此，本文特选取20 mm和25 mm的两种不同直径杆体材料进行试验分析。玻璃纤维的体积分数通过GB/T 2577-2005《玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法》［10］试验测得，两种杆体体积分数范围分别为67%～69%和65%～68%，如表1所示。

表1 GFRP杆物理参数

1．2 试验方案

在万能试验机上对GFRP杆体进行拉伸试验，杆体两端用镀锌铁管包裹，套管与螺纹杆体之间采用膨胀水泥填充，解决杆体在试验机夹具夹持受力的情况下容易在铁管壁上产生滑移的问题。拉伸试验过程参照GB/T 13096-2008的试验方法(本标准修改采用ASTM D3916-02《拉挤玻璃纤维增强塑料杆拉伸性能标准试验方法》)［11］，采用位移控制加载速度，加载速率为2 mm/min。

进行表观裂纹发展观察时，杆体表面未进行处理，通过持续加载直到杆体破坏。进行拉伸试验时，为了准确计算GFRP的弹性模量，在杆体表面粘贴应变片，通过应变测试仪获得应力–应变关系。

通过电镜扫描(SEM)观察分析试样在不同荷载下细观变化。在表观特性观察的过程中，采用ZBL-F101裂缝宽度观测仪对杆体中产生的裂缝进行观测，观测裂缝大小以及发展趋势。

2 试验过程及表观特征观察

对G1杆进行拉伸试验，采用裂缝宽度观测仪对杆体裂纹发展进行观测，如图1所示。

图1 聚酯基GFRP筋裂纹宽度观测及杆体破坏形态

试验中观测发现:(1)初次加载至约78．5 kN时出现响声，至96～106 kN时，杆体中部范围出现裂纹;至117 kN杆件表面裂纹数量明显增多;至124．5 kN时，测得有明显裂纹处的裂纹宽度为0．2 mm，长度大约几个mm，如图1(a)。(2)加载至129．5 kN时，听到响声频率增大，裂纹数量变多，随着荷载的增大，杆端裂纹逐渐贯穿全杆;加载至187 kN时，测得之前裂纹宽度未变，杆体表面绝大多数的裂纹宽度为0．2 mm左右，荷载至190 kN时杆件破坏，如图1(b)。

对G3杆进行拉伸试验，试验过程观察同G1杆，如图2所示。

图2 聚乙烯基GFRP筋裂纹宽度观测及杆体破坏形态

试验中观测发现:(1)初次加载至153．5 kN时听到有响声，至163 kN左右时，杆体中部范围出现裂纹;至175 kN时测得裂纹宽度为0．15 mm，如图2(a)。(2)继续加载至193 kN，期间杆体内部断裂响声频率逐渐增大，杆体中间出现一条贯穿的纵向裂缝;至195．2 kN时，杆体荷载达到最大值，杆体中间出现破裂并伴随着内外层之间的剥离，随后强度值急剧下降，如图2(b)。

对G2、G4两种杆体进行试验，当荷载施加到一定程度，同G1、G3杆类似出现轻微响声，可能包括纤维断裂或者纤维与基体脱粘，但是不同基体的杆体出现响声的先后区别较大，G2杆体出现响声要明显早于G4杆体，说明G2杆体对材料缺陷更加敏感;继续加载后，杆体响声频率增大并且杆体上出现裂纹，裂纹大部分优先出现在两端套筒至1/4拉伸段杆体范围。再继续加载后，听到频繁的响声并且响声变大，裂纹数量变多，杆端裂纹逐渐向杆体中间发展;再继续加载直至破坏。

3 拉伸试验结果分析

3．1 单次拉伸试验

通过拉伸试验获得4种杆体的强度参数，如表2所示。

表2 杆体拉伸性能试验结果

不饱和聚酯基杆体与聚乙烯基杆体抗拉强度相差不大，但后者弹性模量要偏大一些。两种基体材料杆体的抗拉强度均随着直径的增大而变小;在相同直径的情况下，聚乙烯基杆体虽然纤维体积比要略小于不饱和聚酯基杆体，但是抗拉强度前者要偏大一些。

图3 4种杆体应力–应变曲线

从图3所示试验结果可以看出:

(1)4种杆件在拉伸前期均表现线弹性特征，总体趋势为直线形式，最大应变为18000～19000 με，其中G1、G2杆的弹性模量要略低于G3、G4杆。G1杆的应力–应变曲线在应变值到9000 με之后表现出不规则，此时应力值为360 MPa (约为60%Fm);以此为拐点，杆体的弹性模量有所降低，破坏时最终强度值为605 MPa。这与拉伸过程观察中荷载达到50%Fm之后，杆体出现断裂响声后判定杆体自身发生损伤相吻合。

(2)当荷载达到50%～60%Fm时，不饱和聚酯基杆体G1、G2开始有初始损伤;对聚乙烯基杆体G3、G4而言，当荷载达到80%Fm左右时有初始损伤。G1与G2杆以及G3与G4杆的应力–应变曲线分别有类似的变化规律，说明直径对杆体拉伸破坏过程影响较小，基体对杆体拉伸破坏过程影响较大。

(3)G2杆同G1杆的拉伸过程类似，从初始直线阶段可以看出G2杆弹性模量要大于G1杆，破坏时最终强度值为573 MPa。从G3、G4杆的应力–应变曲线中可以看出，应变值为13000 με附近出现拐点，此时两杆件应力值分别为505 MPa (约为81%Fm)和476 MPa(约为79%Fm);之后曲线上升趋势变缓，达到破坏时最终强度值为621 MPa和601 MPa。

3．2 循环加载路径下拉伸试验

为了更进一步了解不同基体对杆体在受力损伤过程中的影响，改变拉伸试验的加载路径，采用循环加载方式进行对比分析。

对直径25 mm的G2、G4杆进行拉伸试验，以单次拉伸试验破坏荷载为标准，定义Fm-G2为573 kN，Fm-G4为601 kN。选取10%Fm，30% Fm，50%Fm，80%Fm，90%Fm作为循环加载试验的节点，加载的步骤为，路径1:加载至30%Fm;路径2:卸载至10%Fm，再加载至50%Fm;路径3:卸载至30%Fm，再加载至80%Fm;路径4:卸载至50%Fm，再加载至90%Fm;路径5:卸载至10% Fm，再加载至破坏。

G2、G4杆在循环加载路径下试验分别由5段应力应变曲线组成，如图4、5所示。

图4 G2杆在循环加载路径下应力–应变曲线

图5 G4杆在循环加载路径下应力–应变曲线

从图4试验结果可以看出:

(1)G2杆经过循环加载的应力–应变曲线与单次拉伸的曲线有所不同。经过加载路径1、2、3时，荷载达到80%Fm前，三条曲线几乎为连续形式，表明在荷载从30%Fm卸载至10%Fm以及荷载从50%Fm卸载至30%Fm时未产生明显残余应变。

(2)进行路径4时(荷载从80%Fm卸载至50%Fm)，荷载为50%Fm的应变值要大于路径3加载时的应变值，并且加载过程中，该曲线整体低于路径3的曲线。

(3)进行路径5时(荷载从90%Fm卸载至10%Fm)，可以明显观察到路径5曲线要低于其他曲线，卸载之后的残余应变显著增大，在加载过程中，曲线有靠拢曲线4的趋势，最终加载至253 kN(90%Fm)时破坏，应变为0．0189。

从图5试验结果可以看出:

(1)G4杆经过循环加载的应力–应变曲线与单次拉伸的曲线相似。与G2杆不同的是，直到进行加载路径4时，荷载达到90%Fm前，四条曲线几乎为连续形式，后一段加载曲线与前一段曲线部分重合，并且曲线的斜率基本相同，表明在荷载从30%Fm卸载至10%Fm，荷载从50%Fm卸载至30%Fm以及荷载从80%Fm卸载至50%Fm时未产生明显残余应变。进行路径4时，G4杆与G2杆不同的是曲线未出现明显下移的现象。

(2)进行路径5时(荷载从90%Fm卸载至10%Fm)，G4杆出现卸载之后产生的残余应变，但残余应变值要小于G2杆，在加载过程中，曲线有与之前加载路径靠拢的趋势，最终加载至272．7 kN(92．4%Fm)时破坏，应变为0．0178。

4 电镜扫描(SEM)分析

为了更进一步了解GFRP杆体拉伸破坏过程，选取G2、G4杆体分别进行无加载和加载至其80%破坏荷载时2种状态，取杆体中部纵向切片进行电镜扫描从细观层面上观察纤维与基体的变化，如图6、图7所示。

图6 G2杆纵向切片的SEM

图7 G4杆纵向切片的SEM

从图6所示试验结果可以看出:G2杆原始状态时，除去获取切片时造成的损伤外，基体与纤维之间粘结情况良好;当荷载加至80%Fm时，基体自身破坏严重与纤维脱粘，并且纤维也出现大量断裂。这与拉伸试验时观察到荷载加载至80%之后，杆体出现断裂响声频繁一致，说明G2杆体在受力达到80%之后将是带有损伤的工作。

从图7所示试验结果可以看出:G4杆体无荷载时，与G2杆体类似;当荷载加至80%Fm时，与G2杆体不同的是，虽然某些区域的纤维存在断裂，基体与纤维还保持着不同程度的连接。

5 结论

本文对4种杆体进行损伤路径试验研究，探讨GFRP材料用作工程材料的物理力学特性，本文试验结果得出以下结论:

(1)结合拉伸破坏试验中裂缝观察结果可以看出，聚乙烯基杆体抵抗裂纹扩展的能力要强于不饱和聚酯基杆体;当裂纹尺寸一定时，聚乙烯基杆体裂纹扩展的临界应力为80%左右的破坏荷载，而不饱和聚酯基杆体为60%左右的破坏荷载，聚乙烯基杆体有更好的断裂韧性。

(2)拉伸试验过程的观察结果与数据结果相互印证。聚乙烯基杆体的基体与纤维之间复合效应要优于不饱和聚酯基杆体，在同一应力水平下，不饱和聚酯基杆体渐进损伤程度要高于聚乙烯基杆体。由于GFRP杆体不是完全弹性材料，在较大荷载作用下，杆体均出现不同程度的残余应变。循环加载试验中更加验证以上结论，相对于聚乙烯基杆体而言，不饱和聚酯基杆体中纤维与基体的复合效应要明显差一些，在受力过程中一旦损伤发生之后，损伤的累积效果则会愈加明显。

(3)从细观尺度观测结果可以看出聚乙烯基杆体基体与纤维粘结效果更好，受拉过程中应力传递效果优于不饱和聚酯基杆体，因此拉伸荷载为70%～80%Fm时才发生断裂的响声。

(4)采用SEM和裂缝宽度观测并结合宏观力学试验的多尺度试验方法可以相互验证复合材料的力学性能规律，为渐进损伤分析方法提供试验基础数据。

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［11］GB/T 13096-2008，拉挤玻璃纤维增强塑料杆力学性能试验方法［S］．

Damage Path Research of GFRP Bars on Macro-meso Multi-scale

CHEN Zhi1，ZHENG Li-fei1，LIU Zi-tong1，XIE Xiao-ming2，LI Xiao-qing1
(1．School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China; 2．Highway Administration Bureau of Jiangling Country of Hubei Province，Jingzhou 434100，China)

The tensile damage path of Glass Fiber Reinforced Plastic bars were researched by macro-meso multi-scale mechanical test．Unsaturated polyester and vinylester bars were tested to acquire their tensile strength and damage process through different forms of tensile tests and scanning electron microscopy(SEM)．The results revealed that vinylester bar has a better compound effect between fiber and matrix than unsaturated polyester bar by multi-scale description combined with crack width observation，performance under cyclic loading tensile test and SEM images of bar section with the initial state and 80%damage load．The progressive damage level of unsaturated polyester bar higher than vinylester rod at the same stress level．The vinylester bar reaches the crack propagation critical stress at 80%failure load，while unsaturated polyester bar is only about 60%failure load，vinylester bar presents better fracture toughness．

GFRP;multi-scale mechanical test;damage path;cyclic loading

TB332

A

2095-0985(2015)03-0022-05

2015-03-03

2015-04-14

陈智(1988-)，男，湖北黄冈人，博士研究生，研究方向为岩土工程及复合材料(Email:chenzhi1988420@126．com)

李小青(1965-)，男，湖北黄冈人，教授，博士，研究方向为岩土工程(Email:Lixiaoqing108@163．com)

国家自然科学基金(51278391)

收稿日期:2015-05-11修回日期:2015-06-09

作者简介:王铁成(1950-)，男，河北安平人，教授，博士，研究方向为工程结构设计理论及应用(Email:wangtiecheng@eyou．com)

通讯作者:赵海龙(1981-)，男，黑龙江齐市人，讲师，博士，研究方向为工程结构设计理论及应用(Email:dzf_910103@126．com)