朱德舉，徐旭鋒，郭帥成，沈琰

（1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.綠色先進(jìn)土木工程材料及應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湖南大學(xué)），湖南 長(zhǎng)沙 410082）

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）因其高比強(qiáng)度、耐腐蝕、耐疲勞、易設(shè)計(jì)等優(yōu)異性能被廣泛運(yùn)用于航空航天、國(guó)防軍工、土木工程等領(lǐng)域[1-2].FRP 可通過(guò)粘貼、約束、修補(bǔ)等方式加固既有結(jié)構(gòu)[3-4]；替代鋼筋應(yīng)用于有防腐蝕和防電磁干擾等要求的特殊環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)[5]；可加工成型材、筋材、拉索等形式直接作為承載結(jié)構(gòu)[6]；與傳統(tǒng)材料進(jìn)行組合和混雜可提高結(jié)構(gòu)綜合性能等[7].根據(jù)纖維種類(lèi)的不同，目前常用的FRP 主要有碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）、芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（AFRP）、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）和玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（BFRP）.其中，CFRP 的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性突出，但是價(jià)格昂貴且脆性較高；AFRP 擁有良好的介電性和較高的斷裂韌性，但是熱穩(wěn)定性差，價(jià)格也較高；GFRP 的價(jià)格最低，應(yīng)用廣泛，但其力學(xué)性能較差，且不耐堿；而B(niǎo)FRP 是一種新型綠色環(huán)保材料，擁有良好的力學(xué)性能，且制造成本低，是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[8-9].

FRP 材料在服役周期中，可能會(huì)遇到高溫甚至是火災(zāi)等情況.FRP 的力學(xué)性能通常對(duì)溫度非常敏感，其劣化原因一般歸結(jié)為樹(shù)脂基體的性能退化：當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)樹(shù)脂玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg）時(shí)，樹(shù)脂發(fā)生軟化，不能高效地傳遞纖維之間的應(yīng)力，導(dǎo)致纖維和樹(shù)脂基體的協(xié)同作用能力下降；當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)樹(shù)脂的熱分解溫度（Td））時(shí)，樹(shù)脂會(huì)發(fā)生分解，纖維之間缺乏約束，F(xiàn)RP 的力學(xué)性能會(huì)急劇下降甚至失效[10].因此研究FRP 在高溫（火災(zāi)）下的力學(xué)性能以及高溫（火災(zāi)）后的殘余力學(xué)性能是FRP 材料推廣應(yīng)用以及災(zāi)后評(píng)估的重要指標(biāo)，也是提高FRP 結(jié)構(gòu)耐高溫性能的理論基礎(chǔ)[11].目前關(guān)于BFRP 材料的高溫后力學(xué)性能的研究較少，性能劣化機(jī)理也尚未完全明確.

Militky 等[12]研究了不同處理溫度（50～500 ℃）和處理時(shí)間（1～30 min）對(duì)玄武巖纖維的極限拉伸性能的影響.結(jié)果表明，玄武巖纖維加熱至300 ℃以上時(shí)，強(qiáng)度會(huì)降低；處理溫度越高，處理時(shí)間越長(zhǎng)，纖維強(qiáng)度退化越明顯.Sim 等[13]研究對(duì)比了玄武巖纖維、碳纖維和玻璃纖維的耐高溫性能.結(jié)果表明，3種纖維在200 ℃下保持2 h 后，強(qiáng)度沒(méi)有影響；在600 ℃下保持2 h 后，只有玄武巖纖維保持著體積完整性，并保留有90%的強(qiáng)度.

Lu 等[10]研究了玄武巖纖維及BFRP 片材在高溫處理后的力學(xué)性能.結(jié)果表明，在200 ℃高溫環(huán)境中處理4 h 后，玄武巖纖維束和BFRP 的拉伸強(qiáng)度幾乎沒(méi)有下降，破壞模式與常溫的一致，但是離散性有所增大.朱德舉等[14]研究了BFRP 片材在低溫及高溫環(huán)境（-25～100 ℃）下的拉伸性能.結(jié)果表明，隨著溫度的升高或降低，其彈性模量、破壞應(yīng)力和沖擊韌性均有不同程度的減小，峰值應(yīng)變和最大應(yīng)變略微增加，而升溫對(duì)BFRP 拉伸強(qiáng)度的影響更加顯著.唐利等[15]研究了不同溫度（20～350 ℃）處理后BFRP 筋的力學(xué)性能以及破壞形態(tài).結(jié)果表明，BFRP 筋的抗壓、抗剪和抗拉承載能力均隨溫度的升高而降低，經(jīng)過(guò)350℃高溫處理后的BFRP 筋的抗壓、抗剪和抗拉強(qiáng)度下降了77.8%、58.5%和88.5%.Hamad 等[16]研究了不同處理溫度對(duì)鋼筋、BFRP 筋、CFRP 筋和GFRP 筋力學(xué)性能及與混凝土黏結(jié)性能的影響.結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)375 ℃的高溫處理后，鋼筋的耐高溫性能良好，強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化，而B(niǎo)FRP 筋、CFRP 筋和GFRP 筋的拉伸強(qiáng)度分別下降了87%、71%和91%，彈性模量分別下降了47%、53%和48%，且各FRP 筋與混凝土的黏結(jié)性能均下降了約20%.

本文以BFRP 筋和GFRP 筋為研究對(duì)象，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合熱重分析，揭示了BFRP 筋和GFRP 筋在高溫條件下的損傷演變規(guī)律，并利用兩參數(shù)Weibull 統(tǒng)計(jì)模型量化了不同處理溫度對(duì)BFRP筋和GFRP 筋拉伸強(qiáng)度的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用的BFRP 筋和GFRP 筋由拉擠成型工藝制得，樹(shù)脂基體的成分均為環(huán)氧樹(shù)脂.其中BFRP 筋的等效直徑為4.45 mm，GFRP 筋的等效直徑為4 mm.拉伸試驗(yàn)用試件依據(jù)美國(guó)規(guī)范ACI 440.3R-2012[17]制備，如圖1 所示，F(xiàn)RP 筋的測(cè)試區(qū)長(zhǎng)度為200 mm，錨固長(zhǎng)度為150 mm，鋼套筒外徑為25 mm，壁厚為3 mm，錨固介質(zhì)為JN-C3P 碳纖維浸漬膠，主要成分為環(huán)氧樹(shù)脂.

圖1 FRP 筋拉伸試件Fig.1 The tensile specimen of the FRP tendon

1.2 試驗(yàn)方法

FRP 筋拉伸試件采用MTS 環(huán)境箱進(jìn)行高溫處理，可控溫度范圍為-70～350 ℃.FRP 筋剪切試件采用電阻爐進(jìn)行高溫處理，最高可加熱至1 200 ℃.參考規(guī)范《纖維增強(qiáng)塑料高低溫力學(xué)性能試驗(yàn)準(zhǔn)則》（GB/T 9979—2005）[18]，控制升溫速率為10 ℃/min，并維持設(shè)定溫度30 min.本文設(shè)定了5 組拉伸試件預(yù)處理溫度，分別為室溫（20 ℃）、100 ℃、200 ℃、300℃和350 ℃，以及6 組剪切試件預(yù)處理溫度，分別為室溫（20 ℃）、100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃和500 ℃.FRP 筋拉伸試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)均在MTS C43.304 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖2 和圖3 所示.拉伸實(shí)驗(yàn)和剪切試驗(yàn)均采用位移加載，其加載速率分別為3 mm/min 和1 mm/min.采用Y100/20-N 型引伸計(jì)測(cè)量FRP 筋的拉伸應(yīng)變，標(biāo)距為100 mm，引伸計(jì)固定在FRP 筋測(cè)試區(qū)正中間.為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每種工況的有效試件數(shù)至少為5 個(gè).

圖2 FRP 筋拉伸試驗(yàn)裝置Fig.2 Tensile testing setup of FRP tendons

圖3 FRP 筋剪切試驗(yàn)裝置及示意圖Fig.3 Shear testing setup of FRP tendons and schematic diagram

采用熱重分析儀對(duì)FRP 筋進(jìn)行熱分解特性分析，儀器型號(hào)為T(mén)hermo Plus EVO2 系列TGDTA8122.測(cè)試過(guò)程中，先將FRP 筋研磨成粉末狀，稱(chēng)取樣品初始質(zhì)量為10.0 mg，控制升溫速率為10℃/min，升溫范圍為20～700 ℃，氮?dú)猸h(huán)境，氣體流速為30 mL/min.

2 結(jié)果與討論

2.1 試件破壞模式

在常溫條件下，BFRP 筋表面和破壞后內(nèi)部纖維的顏色為淺灰褐色，而GFRP 筋為白色.隨著處理溫度的升高，BFRP 筋表面顏色由淺灰褐色到深褐色再變化為炭黑色，GFRP 筋表面顏色由白色到焦黃色再轉(zhuǎn)變?yōu)樘亢谏鳥(niǎo)FRP 筋和GFRP 筋破壞后的內(nèi)部纖維顏色也由淺變深，但其表面顏色變化更為明顯.經(jīng)過(guò)300 ℃以上高溫處理后的FRP 筋的表面形態(tài)也發(fā)生變化，由于部分樹(shù)脂發(fā)生分解，因此其表面會(huì)產(chǎn)生明顯的坑蝕和裂紋，橫截面積也有所增大.

不同高溫處理后的BFRP 筋和GFRP 筋拉伸破壞模式如圖4 所示，均為在FRP 筋測(cè)試區(qū)范圍內(nèi)發(fā)生傘狀斷裂，而且隨著處理溫度的升高，F(xiàn)RP 筋破壞后的纖維束更加分散，且BFRP 筋的纖維絲更分散.

圖4 不同高溫處理后FRP 筋的拉伸破壞模式Fig.4 Tensile failure modes of FRP tendons treated by different elevated temperatures

不同高溫處理后FRP 筋的剪切破壞模式如圖5所示.FRP 筋的剪切破壞模式主要有3 種：I）2 個(gè)剪切面均部分破壞；Ⅱ）1 個(gè)剪切面完全破壞，另一個(gè)剪切面部分破壞；Ⅲ）2 個(gè)剪切面均完全破壞.為了保證數(shù)據(jù)的合理可靠，本研究選擇第三種破壞模式的試件作為有效測(cè)試.在常溫條件下，F(xiàn)RP 筋剪切面斷口都比較齊整，且有比較明顯的壓痕.隨著處理溫度的升高，F(xiàn)RP 筋的斷口越來(lái)越粗糙，壓痕越來(lái)越深，且處理溫度高于300 ℃時(shí)，纖維束會(huì)發(fā)生剝離.

圖5 不同高溫處理后FRP 筋的剪切破壞模式Fig.5 Shear failure modes of FRP tendons treated by different elevated temperatures

2.2 處理溫度對(duì)FRP 筋拉伸性能的影響

圖6 所示為不同溫度處理后BFRP 筋和GFRP筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn).觀(guān)察圖6（a）可發(fā)現(xiàn)，BFRP 筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)相似度較高，其應(yīng)力和應(yīng)變均呈線(xiàn)彈性增長(zhǎng)關(guān)系且各曲線(xiàn)斜率相近.不同溫度處理后GFRP 筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)規(guī)律與BFRP 筋相似，但溫度對(duì)其峰值應(yīng)力和應(yīng)變的影響較小.

圖6 不同溫度處理后BFRP 筋和GFRP 筋的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.6 Tensile stress-strain curves of BFRP and GFRP tendons treated by different temperatures

依據(jù)ACI 440.3R-2012 對(duì)不同溫度處理后的BFRP 和GFRP 筋的拉伸性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如下：

式中：fu為拉伸強(qiáng)度；Fu為拉伸試驗(yàn)的極限荷載；A 為橫截面積；E 為彈性模量；F50為極限荷載的50%；F20為極限荷載的20%；ε50為當(dāng)荷載等于F50時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；ε20為當(dāng)荷載等于F20時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；εu為BFRP 筋的極限應(yīng)變，為理想中彈性材料的最大破壞應(yīng)變；U 為韌性；σ 為應(yīng)力；εm為最大破壞應(yīng)變，由實(shí)際試驗(yàn)測(cè)得.

其中未經(jīng)過(guò)任何處理的BFRP 筋和GFRP 筋的拉伸強(qiáng)度分別為1 240.1 MPa 和1 214.8 MPa，彈性模量分別為48.57 GPa 和52.20 GPa，極限應(yīng)變分別為0.025 6 mm/mm 和0.023 3 mm/mm，韌性分別為15.86 J/m3和14.18 J/m3.將不同溫度處理后BFRP 筋和GFRP 筋拉伸性能參數(shù)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸一化比較，如圖7 所示.隨著溫度的升高，BFRP 筋的拉伸強(qiáng)度下降趨勢(shì)明顯，經(jīng)過(guò)100 ℃，200 ℃，300 ℃和350℃處理后的BFRP 筋強(qiáng)度分別下降了0.99%，8.61%，22.97%和46.49%.BFRP 筋的極限應(yīng)變和韌性則呈現(xiàn)先略微上升后下降的趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)100 ℃處理后的BFRP 筋極限應(yīng)變和韌性分別提高了2.58%和1.59%；而經(jīng)過(guò)350 ℃處理后的BFRP 筋極限應(yīng)變和韌性分別降低了49.59%和72.90%.對(duì)于GFRP 筋而言，隨著溫度的升高，拉伸強(qiáng)度、極限應(yīng)變和韌性均先提高后下降，并在200 ℃時(shí)達(dá)到最大值.和常溫條件相比，經(jīng)過(guò)200 ℃處理后的GFRP 筋的拉伸強(qiáng)度、極限應(yīng)變和韌性分別提高了2.82%、4.72%和7.26%，經(jīng)過(guò)350 ℃處理后的GFRP 筋的拉伸強(qiáng)度、極限應(yīng)變和韌性分別降低了18.26%、14.59%和29.91%.而溫度對(duì)BFRP 筋和GFRP 筋的彈性模量均沒(méi)有明顯影響.

圖7 溫度對(duì)BFRP 筋和GFRP 筋拉伸性能的影響Fig.7 Effect of temperature on tensile properties of BFRP and GFRP tendons

2.3 Weibull 分析

由于材料的固有缺陷和破壞過(guò)程等具有一定的隨機(jī)性，因此其強(qiáng)度都會(huì)有一定的離散性.Weibull模型是由瑞典工程師Weibull 提出的“鏈?zhǔn)健备怕史植己瘮?shù)：由若干個(gè)相互獨(dú)立的元件串聯(lián)而成的鏈條，其強(qiáng)度取決于最薄弱元件的強(qiáng)度[19].Weibull 強(qiáng)度理論與FRP 材料拉伸失效模式具有很強(qiáng)的相似性，因此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者采用兩參數(shù)Weibull 統(tǒng)計(jì)模型來(lái)描述FRP 材料拉伸性能的隨機(jī)性[20].兩參數(shù)Weibull分布函數(shù)的基本形式如下：

式中：σ 為FRP 筋拉伸強(qiáng)度；P（σ）為累計(jì)失效概率；η 為尺度參數(shù)；β 為形狀參數(shù).

圖8 所示為不同溫度處理后BFRP 筋和GFRP筋拉伸強(qiáng)度的累積失效概率曲線(xiàn)，并采用Weibull 和正態(tài)（Gauss）分布2 種概率函數(shù)分別對(duì)其進(jìn)行擬合.可以發(fā)現(xiàn)，采用Weibull 分布的擬合相關(guān)性要高于Gauss 分布.由圖8（a）可知，隨著處理溫度的增加，Weibull 分布曲線(xiàn)向BFRP 筋的低強(qiáng)度區(qū)偏移，且曲線(xiàn)斜率的減小與測(cè)試結(jié)果離散性增加相一致.對(duì)于GFRP 筋而言，當(dāng)處理溫度小于300 ℃時(shí)，其拉伸強(qiáng)度的分布集中于1 100～1 300 MPa，但曲線(xiàn)斜率隨著處理溫度的增大而減小，當(dāng)處理溫度為350 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的Weibull 分布曲線(xiàn)處于低強(qiáng)度區(qū).

圖8 不同溫度處理后BFRP 筋和GFRP 筋拉伸強(qiáng)度的Weibull 和Gauss 分布累積失效概率曲線(xiàn)Fig.8 The Weibull and Gauss cumulative failure probability of tensile strengths of BFRP and GFRP tendons treated by different temperatures

表1 總結(jié)了BFRP 筋在不同溫度處理后拉伸強(qiáng)度的Weibull 參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)：隨著處理溫度的增加，Weibull 尺度參數(shù)η 和形狀參數(shù)β 均減小，說(shuō)明BFRP 筋的強(qiáng)度降低，離散性增大.GFRP 筋的尺度參數(shù)η 隨著溫度的升高先增大后減小，而形狀參數(shù)β 持續(xù)減小.對(duì)比BFRP 筋和GFRP 筋的Weibull 參數(shù)變化，在常溫條件下，兩者的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)相近，隨著溫度的升高，BFRP 筋的尺度參數(shù)小于GFRP 筋，且差異明顯變大，兩者的形狀參數(shù)均下降明顯但差異較小.這表明高溫處理會(huì)顯著增加FRP筋拉伸強(qiáng)度的離散性，且BFRP 筋的高溫后拉伸性能比GFRP 筋差.這主要是由2 種FRP 筋的樹(shù)脂基體的差異造成的，且BFRP的熱發(fā)射率高于GFRP，在相同的輻射熱流中，BFRP 筋的升溫更快，吸收的熱量更多[21].

表1 不同溫度處理后BFRP 筋和GFRP 筋拉伸強(qiáng)度Weibull 參數(shù)Tab.1 Weibull parameters for tensile strength of BFRP and GFRP tendons treated by different temperatures

2.4 處理溫度對(duì)FRP 筋剪切性能的影響

圖9（a）（b）為不同溫度處理后BFRP 筋和GFRP筋剪切試驗(yàn)典型的荷載-位移曲線(xiàn).可以觀(guān)察到FRP筋的剪切破壞過(guò)程中有明顯的“臺(tái)階”現(xiàn)象.當(dāng)處理溫度低于300 ℃時(shí)，F(xiàn)RP 筋的剪切荷載-位移曲線(xiàn)變化基本一致，可分解為“3 個(gè)階段”，如圖9（c）所示[22].第一階段：加載初期，纖維與樹(shù)脂基體協(xié)同抵抗剪切力；第二階段：隨著荷載的增加，F(xiàn)RP 筋的整體協(xié)同受力能力變?nèi)?，剪切變形主要發(fā)生在樹(shù)脂基體內(nèi)，該階段的材料變形量約為總變形的1/5，荷載增長(zhǎng)速度非常慢；第三階段：隨著樹(shù)脂基體的變形達(dá)到極限，剪應(yīng)力重新分配，剪切變形主要發(fā)生在纖維.不同F(xiàn)RP 筋對(duì)應(yīng)的3 個(gè)階段長(zhǎng)度有些差異，可以發(fā)現(xiàn)BFRP 筋的第一階段的變形量約為總變形的1/4，而GFRP 筋約為1/3；BFRP 筋的第二階段的變形量約為總變形的1/5，而GFRP 筋約為1/3；GFRP 筋的第三階段荷載增加速度明顯加快，且最終呈脆性破壞.

圖9 不同高溫處理后BFRP 筋和GFRP 筋的剪切荷載-位移曲線(xiàn)Fig.9 Shear load-displacement curves of BFRP and GFRP tendons treated by different elevated temperatures

對(duì)于BFRP 筋和GFRP 筋而言，當(dāng)處理溫度高于300 ℃時(shí)，其剪切荷載-位移曲線(xiàn)會(huì)由于樹(shù)脂基的劣化和界面的損傷發(fā)生較大變化，曲線(xiàn)的第一階段特征消失，而第二階段拉長(zhǎng).

依據(jù)ACI 440.3R-2012 計(jì)算了不同處理溫度后的2 種FRP 筋的剪切性能參數(shù)，其中未經(jīng)過(guò)處理的BFRP 筋和GFRP 筋的剪切強(qiáng)度分別為169.1 MPa和247.7 MPa，最大剪切變形分別為2.37 mm（0.53 d）和2.67 mm（0.67 d）.將不同處理溫度后BFRP 筋和GFRP 筋剪切性能參數(shù)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸一化比較，如圖10 所示.可以發(fā)現(xiàn)隨著處理溫度的升高，BFRP 筋和GFRP 筋的剪切強(qiáng)度均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)100 ℃，200 ℃和300 ℃處理后的BFRP 筋剪切強(qiáng)度分別提高了11.17%、12.65%和12.00%，而經(jīng)過(guò)400 ℃和500 ℃處理后的BFRP 筋剪切強(qiáng)度比常溫條件下分別下降了45.89%和65.46%.對(duì)于GFRP 筋而言，當(dāng)溫度為200 ℃時(shí)，其剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值，且經(jīng)過(guò)400 ℃和500 ℃處理后其剪切強(qiáng)度比常溫條件下分別下降了41.71%和76.42%.這是由于當(dāng)溫度低于300 ℃時(shí)，樹(shù)脂從固態(tài)到玻璃態(tài)，再?gòu)牟ＡB(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程增加了FRP 筋的硬度，從而使FRP 筋的剪切強(qiáng)度提高.而FRP 筋在400 ℃以上的高溫環(huán)境中樹(shù)脂會(huì)發(fā)生分解，筋體喪失結(jié)構(gòu)完整性，導(dǎo)致玄武巖纖維單獨(dú)抵抗剪應(yīng)力，因而FRP筋的剪切強(qiáng)度大幅度下降.

圖10 高溫對(duì)BFRP 筋和GFRP 筋剪切性能的影響Fig.10 Effect of elevated temperatures on shear properties of BFRP and GFRP tendons

BFRP 筋和GFRP 筋的最大剪切變形均隨著處理溫度的升高呈先升后降的趨勢(shì)，并在400 ℃時(shí)達(dá)到最大值.這是因?yàn)殡S著溫度的升高，改性和分解的樹(shù)脂增多，經(jīng)過(guò)冷卻處理后，復(fù)合材料的致密性受到影響，內(nèi)部纖維間的空隙增多，從圖9（a）可觀(guān)察到隨著處理溫度的升高，剪切荷載-位移曲線(xiàn)的第二階段有所拉長(zhǎng)，最終導(dǎo)致最大剪切變形增大.

2.5 熱性能分析

BFRP 筋和GFRP 筋的熱失重（TG）曲線(xiàn)及其微商熱重（DTG）曲線(xiàn)如圖11 所示.TG 曲線(xiàn)給出了質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度的關(guān)系，能夠表征BFRP 筋在氮?dú)鈿夥罩械臒岱纸獬潭?，DTG 曲線(xiàn)表征BFRP 筋失重速率的快慢.

圖11 BFRP 筋和GFRP 筋的TG 及DTG 曲線(xiàn)Fig.11 TG and DTG curves of BFRP and GFRP tendons

FRP 筋的熱分解主要分為2 個(gè)階段：Ⅰ）環(huán)氧樹(shù)脂快速熱分解階段；Ⅱ）殘?zhí)季徛纸怆A段[23].在氮?dú)鈿夥罩校珺FRP 筋的熱分解第一階段發(fā)生在266.2～418.1 ℃內(nèi)，失重率為10.13%，占總失重率（14.41%）的70.30%；GFRP 筋的熱分解第一階段的起始溫度低于BFRP 筋的起始溫度，發(fā)生在232.8～390.5 ℃內(nèi)，失重率為12.84%，占總失重率（20.48%）的62.60%.在第一階段溫度區(qū)間內(nèi)，樹(shù)脂的含量迅速減小.這解釋了300～400 ℃后BFRP 筋和GFRP 筋的拉伸和剪切強(qiáng)度快速降低，且GFRP 筋第一階段較低起始溫度與其抗剪強(qiáng)度的降低趨勢(shì)相一致.

固態(tài)物質(zhì)的熱分解動(dòng)力學(xué)依據(jù)Arrhenius 方程描述，其基本形式如下：

式中：α 為轉(zhuǎn)化率；T 為溫度；A 為指前因子；β 為升溫速率；E 為活化能；R 為理想氣體常數(shù)；f（α）為動(dòng)力學(xué)機(jī)理函數(shù)的微分形式.

利用Coats-Redfern 積分法對(duì)BFRP 筋的熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算[24].表2 為不同反應(yīng)級(jí)數(shù)下BFRP 筋和GFRP 筋的熱分解動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果及參數(shù).可以發(fā)現(xiàn)，在10 ℃/min 的升溫速率下，BFRP 筋和GFRP 筋在氮?dú)猸h(huán)境下第一階段的熱分解過(guò)程在反應(yīng)級(jí)數(shù)n=1 時(shí)擬合程度最高，說(shuō)明該階段為一級(jí)反應(yīng)模式，其中BFRP 筋的活化能為89.35 kJ/mol，而GFRP 筋的活化能為68.21 kJ/mol，低于BFRP 筋的活化能，說(shuō)明GFRP 筋更容易發(fā)生熱分解反應(yīng).

表2 BFRP 筋和GFRP 筋的熱解動(dòng)力學(xué)擬合參數(shù)Tab.2 Fitted pyrolysis kinetic parameters of the BFRP and GFRP tendons

當(dāng)處理溫度低于100 ℃時(shí)，待FRP 筋冷卻至常溫后，樹(shù)脂會(huì)重新從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，F(xiàn)RP 表面硬度會(huì)略有增加，纖維與樹(shù)脂仍保持良好的完整性.而當(dāng)溫度為100～300 ℃時(shí)，雖然樹(shù)脂未發(fā)生分解，纖維和樹(shù)脂之間的界面性能會(huì)有所降低，這是由于纖維和樹(shù)脂之間熱膨脹系數(shù)等熱工性能差異導(dǎo)致，同時(shí)FRP 筋的力學(xué)性能會(huì)下降，但影響較小.而當(dāng)處理溫度高于300 ℃時(shí)，樹(shù)脂發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的熱分解，F(xiàn)RP筋的力學(xué)性能損失顯著，并且處理溫度越高，力學(xué)性能損失越大.

3 結(jié)論

1）高溫環(huán)境（350 ℃）會(huì)導(dǎo)致玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（BFRP）筋和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）筋表面和內(nèi)部的顏色和形貌發(fā)生明顯變化；隨著溫度的升高，BFRP 筋的拉伸強(qiáng)度降低，極限應(yīng)變和韌性均先略微上升后下降，而彈性模量變化不明顯.經(jīng)過(guò)350 ℃處理后的BFRP 筋和GFRP 筋的拉伸強(qiáng)度分別降低了46.49%和29.91%.

2）Weibull 模型能很好地描述BFRP 筋和GFRP筋的拉伸強(qiáng)度隨處理溫度的變化規(guī)律，當(dāng)處理溫度低于350 ℃時(shí)，隨著處理溫度的升高，BFRP 筋的拉伸強(qiáng)度降低，離散性增大，而GFRP 筋的拉伸強(qiáng)度先升高后降低，離散性同樣增大.與GFRP 筋相比，BFRP 筋的高溫后拉伸性能較差.

3）FRP 筋的剪切強(qiáng)度和最大剪切變形隨著處理溫度的升高呈先增大后減小的趨勢(shì).500 ℃處理后的BFRP 筋和GFRP 筋的剪切強(qiáng)度分別下降了65.46%和76.42%.與GFRP 筋相比，BFRP 筋的高溫后剪切性能較好.

4）FRP 筋的熱分解過(guò)程存在2 個(gè)階段，且反應(yīng)模式不同，第一階段為環(huán)氧樹(shù)脂快速熱分解，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)碳質(zhì)殘余物和一部分氣體，第二階段為碳質(zhì)殘余物緩慢分解.GFRP 筋的熱分解活化能低于BFRP筋的活化能，更容易發(fā)生熱分解反應(yīng).