玻璃纤维筋抗压力学性能试验

纤维增强复合材料（FRP）筋是以纤维作为增强材料，树脂为基体材料，经拉挤成型和必要的表面处理而形成的新型复合材料，具有密度小、抗拉强度高、耐腐蚀性强等优良性能。研究表明，FRP筋可有效解决因钢筋锈蚀引起的耐久性问题，比钢筋更适合用作侵蚀性环境下服役结构的增强筋[1]。目前FRP筋主要发挥其抗拉性能应用于桥梁、码头结构中，而忽略了对其抗压性能的应用。由于实际工程中结构构件往往处于复杂应力状态，不可避免会承受压应力，因此国内学者对FRP筋的抗压性能开展了研究。张新越等[2]通过试验表明受压状态下GFRP筋是纤维与树脂分别弯曲发生破坏。周继凯等[3]通过控制筋材的受压柔度进行受压性能研究，指出长细比较大的GFRP筋受压弯曲越大，越易发生失稳破坏，导致试验结果与真实值偏差增大。本文在已有文献基础上，对直径10 mm的GFRP筋进行抗压性能研究，按GB 1446~1451—83《纤维增强塑料性能试验方法》截取三种长度的杆件，分析长细比对筋材抗压性能的影响，并结合已有的FRP筋抗压强度理论，对GFRP筋抗压性能提出结论与建议。1、试验方案1.1 试件设计与制作本试验选用直径为10 mm的GFRP筋，截取6，9，11 cm三种受压长度分析筋材长细比对其压缩性能的影响。试件分组见表1。为减小试验误差，保证试验数据可靠，以同直径、同计算长度的试件为1组，每组3个，共9个试件。为保证试件的整体稳定性并避免因端部被局部压碎而影响试验效果，使用碳钢套帽固定试件两端，并灌注环氧树脂填充空余部分以起固定作用[4]。碳钢套帽实物图及定制规格尺寸如图1所示。表1 试件参数注：长细比λ=4l/d。图1 定制碳钢套帽尺寸示意及实物图（a）套帽尺寸；（b）套帽外观1.2 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，试件的压应变由DH3816N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，从零开始加载到试件完全破坏，荷载施加要求连续、平稳。2、试验现象及破坏形态2.1 试验现象由于加载初始阶段材料密度分布不均匀，导致曲线出现应力重分布现象；加压板与碳钢套帽完全接触后对筋材进行垂直对中调整，致使在试件受压过程中发出微小的开裂声；接近极限荷载时，试件连续发出碎裂声响，最后伴随着脆响声达到极限承载力而破坏。2.2 破坏形态分析本试验中GFRP筋破坏并无任何征兆，纤维突然断裂，无屈服阶段，破坏形式为脆性破坏。其主要破坏过程有压碎破坏、劈裂破坏和屈曲破坏（图2）。（a）

（b）

（c）图2 GFRP破坏形态（a）压碎破坏；（b）劈裂破坏；（c）屈曲破坏形2.2.1 压碎破坏压碎破坏发生于短杆试件，可分为整体压碎破坏与局部压碎破坏。前者发生于受压长度小的试件；而受压长度大的试件多为端部局部压碎。压碎破坏破坏程度十分彻底，筋材纤维直接被压成碎屑甚至粉末，且无法观察到裂缝沿轴向延伸的痕迹，故此破坏形态测出的极限承载力较高，筋材抗压性能得到充分利用。2.2.2 劈裂破坏劈裂破坏是由于泊松效应使试件发生侧向开裂，劈裂破坏主要分布在试件端部沿纵轴方向。试件往往未完全被压坏即已达到了极限承载力，故所测的极限承载力偏低，其抗压性能未得到充分发挥。2.2.3 屈曲破坏屈曲破坏发生于长细比较大的试件，一般用肉眼便可观察到其破坏一侧的纤维发生弯折变形，原因在于试件破坏一侧的纤维发生明显屈曲变形，致使荷载作用线发生偏移。该破坏形态测出的筋材极限承载力极低，对其抗压性能利用率极低[5-6]。3、结果分析3.1 试验结果汇总根据表2计算的平均值，不同受压长度下试件的应力–应变曲线如图3所示。表2 直径10 mm的GFRP筋压缩试验结果图3 各试件受压应力–应变曲线由图3可知，GFRP筋在加载过程中的应力–应变始终保持线弹性增长，其曲线为一条平滑的直线。随加载进行，各试件的曲线逐渐分离，其中试件G10-9的极限压应变和极限应力最高，试件G10-6的极限应变和极限应力最小，而对试件G10-11主要发生剪切破坏，其抗压强度利用率高于屈曲失稳破坏，故极限压应变值较高，试件的极限应变值随长细比增大而增大。3.2 长细比影响3.2.1 对筋材抗压强度的影响分析图4可知，GFRP筋抗压强度随长细比增加而减少。当长细比为2.4时发生整体压碎破坏，测得的抗压强度较高，达450.19 MPa；当长细比增加到3.6时，试件端部发生劈裂破坏，导致胶体与纤维开裂分离，抗压强度减小了16.06%；当长细比继续增大，到4.4时试件发生屈曲失稳，且试件两端套帽的约束作用逐渐减弱，故其抗压强度在长细比为3.6的基础上减小24.06%，后者比前者的减幅提高了8%。可知GFRP筋的抗压强度在随长细比增大而减少的同时，其抗压强度变化率[5]降低的幅度却有所提高。其原因是随长细比增大，试件端部钢套帽的约束作用减弱，导致受压过程中试件屈曲、偏移，试件承压能力降低。图4 GFRP筋抗压强度随长细比的变化3.2.2 对筋材极限压应变的影响如图5所示，GFRP筋极限压应变与长细比呈负相关关系。长细比为2.4的试件因受压长度较小，其破坏形式主要为压碎破坏，试件承压能力最高；长细比为3.6时易在树脂和纤维间发生横向开裂破坏，其极限压应变比长细比为2.4时减少12.65%。长细比为4.4的试件在长细比为3.6的基础上极限压应变继续降低了17.73%，破坏后试件的弯曲变形显而易见。由此可知后者比前者减少幅度增加5.08%，减幅较稳定。图5 GFRP筋极限压应变随长细比的变化3.2.3 对筋材压缩弹性模量的影响由图6可知，同种直径的试件，其压缩弹性模量随长细比的增加逐渐减小，变化幅度较平缓。经分析可知，试件在长细比为3.6时较长细比为2.4时压缩弹性模量降低了8.12%，在长细比为4.4时较前者压缩弹性模量降低了7.63%，减少幅度降低了0.49%。图6 GFRP筋压缩弹性模量随长细比的变化4、结论本研究通过对3组共9个GFRP筋试件进行抗压性能试验，观察试件的破坏形态，绘制不同受压长度筋材的应力–应变曲线，分析研究直径、长细比的变化对筋材抗压强度、极限压应变及压缩弹性模量的影响，得出主要结论如下。（1）在GFRP筋试验过程中，出现压碎破坏、劈裂破坏、屈曲破坏3种破坏形态。（2）GFRP筋的应力–应变曲线在加载过程中始终保持线弹性增长，全试验过程未发生筋材屈服，属典型的脆性破坏。当受压长度为6 cm和9 c