程 濤(安徽建工集團(tuán)有限公司,安徽 合肥 230022)
纖維增強(qiáng)塑料筋力學(xué)特性研究
程 濤(安徽建工集團(tuán)有限公司,安徽 合肥 230022)
基于玻璃纖維增加塑料筋抗拉強(qiáng)度較大、抗剪切強(qiáng)度較低的特點(diǎn),采用特制裝置進(jìn)行筋材室內(nèi)抗拉試驗研究,分析直徑、材料組成、肋間距這三個因素對筋材力學(xué)特性的影響,獲得有益結(jié)論:GFRP筋材直徑增大能使得其極限荷載增大,但極限抗拉強(qiáng)度有所下降;纖維含量增加能提高筋材極限抗拉強(qiáng)度及彈性模量;肋間距增大將降低極限抗拉強(qiáng)度,增大應(yīng)變值,造成彈模逐漸增大;直徑對筋材極限抗拉強(qiáng)度影響最大,肋間距次之,材料組成最??;肋間距對筋材彈模影響最大,材料組成次之,直徑最小。
GFRP;抗拉強(qiáng)度;直徑;材料組成;肋間距
玻璃纖維增加塑料筋(GFRP筋材)的抗拉強(qiáng)度受玻璃纖維的力學(xué)性能、樹脂的強(qiáng)度、加工成型方式、筋材的直徑、筋材的肋間距、筋材組成等因素有關(guān),因此國內(nèi)各個廠家生產(chǎn)的 GFRP筋材的質(zhì)量的離散性較大,致使筋材的力學(xué)性能差異性明顯,而抗拉強(qiáng)度高是這種材料的最顯著特征,也是其廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中的重要因素之一。因此,有必要針對某些廠家生產(chǎn)的GFRP筋材的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行試驗研究,通過室內(nèi)試驗系統(tǒng)性研究材料成分、直徑、肋間距這三個因素對玻璃纖維樹脂錨桿抗拉強(qiáng)度的影響,獲得不同外觀幾何尺寸及材料構(gòu)成下的拉應(yīng)力變化規(guī)律,以便形成統(tǒng)一的材料參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),在滿足經(jīng)濟(jì)性及適用性的條件下,充分發(fā)揮GFRP筋材抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn),從而以規(guī)范形式來指導(dǎo)筋材的生產(chǎn)、工程施工及設(shè)計。
1.1 第一步:材料選取
本試驗中選取3種筋材直徑分別為:18mm(D1)、25mm(D2)、32mm(D3);三種不同肋間距分別為:10mm(L1)、20mm(L2)、30mm(L3);三種不同材料組成分別為:60%玻璃纖維含量與40%樹脂含量(G1)、65%玻璃纖維含量與 35%樹脂含量(G2)、70%玻璃纖維含量與30%樹脂含量(G3);則(D1L2G1)表示GFRP筋材屬性為:直徑18mm、肋間距20mm、60%玻璃纖維含量與 40%樹脂含量。每根 GFRP筋材長度均取為45cm。
1.2 第二步:材料處理
由于GFRP筋材抗拉強(qiáng)度一般非常高,而橫向抗壓強(qiáng)度及層間剪切強(qiáng)度很低。為使試件在中部破壞,將大直徑材料加工成小直徑啞鈴形狀試件,間接測定GFRP筋的抗拉強(qiáng)度。為防止試件端部被夾持部分在試驗過程發(fā)生局部破壞造成試件抖動,需使用玻璃纖維布和環(huán)氧樹脂進(jìn)行包裹,如圖1所示。
圖1 玻璃纖維增強(qiáng)筋端部夾持方式
1.3 第三步:拉伸試驗
應(yīng)變片沿GFRP錨桿上下對稱粘貼,平均取值,在工作區(qū)的中部及距中點(diǎn)兩側(cè)各 100mm共選3個斷面,打磨區(qū)域滿足應(yīng)變片的最小占用面積,每根桿體共貼片6個,用排線將電阻應(yīng)變片導(dǎo)線引出,施工連續(xù)外荷載時每隔2kN讀取應(yīng)變值,直到試件破壞。
GFRP筋材在受到抗拉力而產(chǎn)生破壞形式主要有:①試件端部夾持部位局部被夾斷,試件滑移出夾頭;②試件從變截面處脫層,小直徑部分直接從大直徑部分中抽出,使大直徑部分成為一個空心圓筒,呈現(xiàn)“層剪”破壞狀態(tài);③試件端部在夾具內(nèi)滑脫,未達(dá)到其極限強(qiáng)度而破壞;④試件樹脂拉裂,纖維束部分拉斷,整個桿體發(fā)生片狀劈裂。其中前三種破壞形式均為無效破壞,只有最后一種破壞形式能真實(shí)反映構(gòu)件抗拉強(qiáng)度。
GFRP筋材拉伸性能指標(biāo) 表1
試件在加載過程中,當(dāng)加載到極限荷載的20%~30%時,會聽到試件損傷發(fā)出微小的脆響,一直持續(xù),當(dāng)加載到極限荷載的約 60%~70%時,可聽到纖維剝離樹脂和部分纖維絲斷裂的聲音,隨著荷載施加,響聲隨之增大而漸密,最后突然發(fā)出很大斷裂聲,試件發(fā)生突然破壞。試驗后觀察發(fā)現(xiàn):桿體表面有白斑狀裂紋,有一明顯斷面破壞面,整個試件在較大范圍內(nèi)發(fā)生片狀撕裂,且有小部分纖維絲未發(fā)生斷裂,但已失去承載能力。
3.1 直徑對筋材抗拉強(qiáng)度的影響
一般,GFRP筋材極限承載力隨直徑增加而逐漸增強(qiáng),但極限抗拉強(qiáng)度則表現(xiàn)出不同變化趨勢,這是由于小直徑筋材表面微裂紋尺寸和數(shù)量較少,應(yīng)力集中現(xiàn)象相對較弱,使得纖維具有較高強(qiáng)度。圖2為三種不同直徑GFRP筋材極限抗拉強(qiáng)度值。
圖2 GFRP筋材極限抗拉強(qiáng)度隨直徑變化關(guān)系
由圖2可知,隨著試件直徑的增大,雖然其極限荷載增大,但是極限抗拉強(qiáng)度有所下降。其原因為:GFRP筋為復(fù)合材料,其材料組分、加工工藝等因素均不相同,生產(chǎn)過程中玻璃纖維先被張拉到一定應(yīng)力水平,然后在模具內(nèi)浸澤樹脂,當(dāng)樹脂凝結(jié)到一定強(qiáng)度后壓?;蛐D(zhuǎn)桿體,制作表面螺紋形狀。首先,連續(xù)玻璃纖維中存在斷絲缺陷,其次,外表螺紋加工會使得潛表層纖維受到損傷而產(chǎn)生斷絲、彎曲或褶皺,后者影響更為重要,造成筋材表面和內(nèi)部分布著較多微裂縫、刻痕等,且截面尺寸越大材料富含缺陷越多,且淺表層缺陷多于深層部位。造成較大直徑GFRP筋這些缺陷也相對明顯,自然其抗拉強(qiáng)度相對較低。
3.2 材料組成對筋材抗拉強(qiáng)度影響
為研究材料組成對筋材力學(xué)性能的影響,試驗時分別采用不同廠家生產(chǎn)的GFRP筋材,其材料成分分別即為G1、G2、G3,其試驗結(jié)果見表2。
不同材料組成下GFRP筋材力學(xué)性能 表2
由表2可知,隨著筋材中纖維含量增加,樹脂含量減小,筋材極限抗拉強(qiáng)度逐漸增大,彈性模量逐漸增大,而筋材伸長率逐漸減小。當(dāng)纖維含量由 60%增加到 75%時,筋材極限抗拉強(qiáng)度增加了 35%,彈性模量增加了35%左右,兩者增加幅度均較大;而伸長率則減小了近60%,減小幅度非常明顯。說明材料組成對這3個指標(biāo)影響較大,特別是材料伸長率。這是由于玻璃纖維抗拉強(qiáng)度較高,而延性較低;而樹脂抗拉強(qiáng)度相對較低,而延性相對較大,造成玻璃纖維含量較高的GFRP筋材抗拉強(qiáng)度較大,伸長率較低。因此,生產(chǎn)廠家可通過增加纖維含量來提高筋材的極限抗拉強(qiáng)度,而利用增加環(huán)氧樹脂的含量來增強(qiáng)GFRP筋材的延性,而控制一個合適的纖維與樹脂含量比例,在滿足筋材極限抗拉強(qiáng)度的前提下兼顧材料的伸長率。但GFRP筋材抗拉強(qiáng)度不僅由纖維含量所控制,同時也受纖維本身力學(xué)性能、筋材生產(chǎn)工藝等各因素所影響,是一個離散型很高的力學(xué)性能指標(biāo)。
3.3 肋間距對筋材抗拉強(qiáng)度影響
為研究肋間距變化對筋材力學(xué)性能影響,試驗時分別選取肋間距分別為10mm、20mm、30mm的玻璃纖維筋進(jìn)行拉撥試驗研究,玻璃纖維筋其它尺寸分別為:直徑18mm;玻璃纖維含量70%、樹脂含量30%。表3為不同肋間距時的玻璃纖維筋抗拉強(qiáng)度值。
不同肋間距下GFRP筋材力學(xué)性能 表3
由表3可知,隨著GFRP筋材肋間距增大,其極限抗拉強(qiáng)度逐漸減小,而應(yīng)變值逐漸增大,造成GFRP筋材的彈性模量逐漸增大。分析認(rèn)為:筋材抗拉破壞時,包裹玻璃纖維樹脂首先產(chǎn)生開裂,隨著拉應(yīng)力增加,裂縫逐漸擴(kuò)展、深入,并最終形成貫穿的裂縫,并局部出現(xiàn)剝離、脫落,其局部受力面積逐漸減小,拉力由玻璃纖維與樹脂共同承擔(dān)逐漸轉(zhuǎn)變成玻璃纖維獨(dú)自承擔(dān),同時因樹脂包裹作用逐漸減弱,玻璃纖維抗拉承載力逐漸減小,造成整個GFRP筋材抗拉強(qiáng)度達(dá)到極值后迅速減小、快速破壞的試驗現(xiàn)象。因此肋間距減小勢必增加筋材承受抗拉橫截面面積,致使破壞時裂縫開展、深入出現(xiàn)滯后現(xiàn)象,有效阻礙裂縫貫通及發(fā)展,使得破壞時 GFRP筋極限抗拉強(qiáng)度增大。同時肋間距減小使得裂縫達(dá)到相同開展深度所需應(yīng)變量增大,使得樹脂與玻璃纖維受力更加均勻,破壞時兩者相對位移較小,樹脂包裹作用得到增強(qiáng),使得破壞時筋材應(yīng)變值也相應(yīng)減小。因此,肋間距增加能夠有效增加筋材極限抗拉強(qiáng)度,減小材料彈性模量。當(dāng)然,肋間距減小會大幅增加筋材中樹脂含量,造成單位長度筋材造價提高,不利于控制出廠價格。因此,選擇合適肋間距,設(shè)置肋合理布置方式,從而為GFRP筋材設(shè)計、施工及生產(chǎn)工藝提供技術(shù)支撐。
本文基于室內(nèi)試驗研究直徑、肋間距、材料組成這三因素對 GFRP筋材力學(xué)性能影響,得出如下結(jié)論。
①GFRP筋材直徑增大,雖其極限荷載增大,但極限抗拉強(qiáng)度有所下降;纖維含量增加能提高筋材的極限抗拉強(qiáng)度及彈性模量;肋間距增大將降低極限抗拉強(qiáng)度,增大應(yīng)變值,造成筋材彈模逐漸增大。
②直徑、肋間距、材料組成均影響GFRP筋材的力學(xué)特性。直徑對GFRP筋材極限抗拉強(qiáng)度的影響最大,肋間距次之,材料組成最??;肋間距對GFRP筋材彈模的影響最大,材料組成次之,直徑最小。
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TU431
A
1007-7359(2016)02-0197-03
10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.069
項目名稱:住房城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計劃項目(建科〔2015〕91號)。
程濤(1983—),男,安徽桐城人,畢業(yè)于河海大學(xué),工程師,主要從事基坑工程方面的研究工作。