4.2　高溫后GFRP筋的拉伸性能

4.2.1　試驗概況

4.2.1.1　試驗目的

針對成型制備的GFRP筋進行高溫后拉伸試驗，筋材增強材料為無捻中堿玻璃纖維紗，基體樹脂采用不飽和聚酯樹脂（UP）和加入添加劑的改性不飽和聚酯樹脂（MUP），對應筋材分別記為GP筋和GMP筋，筋材中玻璃纖維體積含量約為70%，樹脂體積含量約為30%。添加劑為阻燃劑，阻燃劑為溴類化合物和銻的氧化物。試驗采用纖維繩纏繞的GFRP筋。試驗研究直徑、基體樹脂、溫度、恒溫時間和燒失量對GFRP筋高溫后拉伸性能的影響。GFRP筋拉伸試件詳細情況列于表4-1。GP筋取?10mm和?12mm兩種，GMP筋取?10mm，試驗溫度取為：室溫、100°C、150°C、200°C、250°C、300°C、350°C，共計7個工況。為了研究火災高溫持續時間對GFRP筋材料性能的影響，對于?10mm GP筋，在300°C時對恒溫0.5h、1.0h、1.5h、2.0h共4種工況下的GP筋進行了高溫后的試驗研究；為了保證試驗結果的可靠性，每種工況中保證有至少2個以上的試件，共計24組72根試件。

4.2.1.2　試驗方法

參考《玻璃纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》（GB/T 1447—2005）、《纖維增強塑料性能試驗方法總則》（GB/T 1446—2005）、《纖維增強塑料高低溫力學性能試驗準則》（GB/T 9979—2005）和美國ACI的《FRP筋加強混凝土設計和施工指南》所推薦的FRP筋抗拉試驗方法，采用大標距高溫拉力試驗機（包括高溫爐、溫控儀）和1000kN屏顯液壓伺服萬能試驗機（圖4-1），對GFRP筋進行室溫和高溫后拉伸性能測試。試驗參數主要內容如下。

①試驗環境：溫度20℃±2℃，相對濕度50%±5%。

②試件形狀及尺寸：如圖4-2所示。

③試件數量：每組試樣不少于2個。

④試樣固定后，爐溫升到目標值并恒溫30min。

⑤取出冷卻至室溫，放置一天，貼應變片。

⑥測量試件直徑，測量精確到0.01mm。

⑦安裝測量變形的電阻靜態應變儀，檢查并調整試樣及變形測量系統，使其處于正常工作狀態。

⑧加載速度為4mm/min；連續載至試樣破壞，記錄最大荷載值及試樣破壞型式，測量抗拉強度、拉伸彈性模量及應力-應變曲線等材料性能指標。

4.2.1.3　試件設計

在FRP筋試樣設計時，要確保試驗時試樣破斷面在測試應變的預定破壞區域，設計有效的錨固系統是試驗成功的關鍵。這樣才能使試樣在試驗過程中穩固地夾持在試驗機上下鉗口內，不致因鉗口施加的局部剪應力過大使GFRP筋端頭提前失效。為此，很多研究者曾嘗試過不同類型的錨固方法。如使用鋼管環箍黏結劑的方法，鋼管環箍膨脹水泥的方法。本文的前期試驗表明，鋼管環箍黏結劑的方法需要的錨固長度和鋼套管長度較小，本文采用此法。

在進行錨固系統設計時，錨固長度和鋼套管的尺寸是最重要的參數之一。本試驗的GFRP筋拉伸試件總長L=1200mm，兩端采用套管錨固，錨固長度L1=230mm。套管采用鍍鋅鐵管，外徑32mm，壁厚3mm，端部與錐形鑄鐵大小頭螺紋連接，錨固劑采用專用結構植筋膠。

另外確保FRP筋試樣在鋼套管內錨固時的垂直居中也是至關重要的。垂直居中可借助特制的木質框架（圖4-3）來實現。木框有三層水平撐，每層撐均有兩排經過精心機加工出的孔洞，稱為定位孔。上兩層撐用于固定FRP筋，下層撐用于固定錨固鋼套管。為便于裝卸FRP筋并實現批量制作試件，上兩層撐均由中間板和兩邊側板三部分組成，中間板固定，兩邊側板可活動，每排孔由固定的中間板和活動側板上的半圓孔組成。試件制作時，將結構植筋膠配好灌入套管內，充滿整個套管；再將充滿結構植筋膠的鋼套管置于下層定位孔內；隨后將截取的GFRP筋試件一端旋入套管內，使其充分黏結；試件上部正好位于木框上部兩層FRP筋定位孔內，將活動側板和固定的中間板夾緊時，FRP筋正好垂直位于鋼套管中部，鋼套管底部先用透明膠帶粘貼密封，防止結構膠從下部流出；待錨固用結構植筋膠完全硬化后，從木框中取出試樣，倒置過來用同樣的方法錨固GFRP筋試件的另一端；完全固化后進行試驗。

4.2.1.4　升降溫方式

通過自動控溫電爐（圖4-4）上的溫控儀控制升溫過程，當升到目標溫度后電爐可以自動保持溫度的恒定，誤差一般在±3℃以內，溫度值可以在控制儀表上實時顯示。試驗所用的自動控溫電爐的爐膛尺寸為300mm×80mm×350mm，爐膛里安裝了三個熱電偶，爐膛中部有100mm的均溫帶，溫控儀上與三個熱電偶對應的有三個溫區：上溫區、中溫區、下溫區。升溫過程中下溫區的溫度在三個溫區中是最低的，到達目標溫度大約10min后三個溫區溫度基本平衡。在升溫過程中記錄下每分鐘升高的溫度，并作出試驗各個溫度的升溫曲線，如圖4-5所示。

由圖4-5可知，在不同的溫度下升溫速率是不同的。在溫度較低時升溫速率較大，且100℃、150℃、200℃時溫升曲線接近直線，溫度高于200℃后溫升曲線呈現二次拋物線。同樣也說明了溫度較高時升溫速率較小。升溫段與ASTM給出的溫升曲線是有區別的，且本試驗沒有測下降段的溫升曲線。圖4-5給出的溫升曲線表明溫升速率低于20℃/min是滿足國家標準的。

4.2.1.5　數據量測和加載制度

本試驗主要量測4方面的內容：溫度、荷載、與荷載相對應的應變和試件的燒失量，通過荷載可以計算出試件的應力和強度，通過應變可以計算出試件的彈性模量。應變是通過在試件上貼應變片，通過靜態應變儀、計算機采集信息，同時試驗機可以自動記錄整個試件的位移。溫度通過溫控儀實時顯示出來。燒失量通過電子秤在高溫前的質量減去冷卻至室溫時的質量算得。

當溫度升至目標溫度并恒溫30min鐘后，冷卻至室溫，然后開始加載試驗。試驗時加載由位移控制，加載速度為4mm/min，至試件斷裂破壞，荷載由液壓伺服試驗機通過計算機實時顯示和自動記錄。

4.2.2　試驗現象

4.2.2.1　表觀特征

GP筋的自然顏色為白色，GMP筋的自然顏色為黑色；當GP筋受熱后，在100℃時試件表面的顏色幾乎沒有什么改變，仍然呈白色；在150℃時，高溫試驗段的GP筋表面為很淺的黃色；200℃、250℃、300℃三種溫度時高溫試驗段的顏色逐漸加深，由焦黃色→褐色→接近炭黑色；350℃時GP筋高溫試驗段的表面顏色已經完全呈炭黑色（圖4-6）。

然而，GMP筋常溫時的顏色呈黑色，高溫后顏色沒有改變，還是呈現黑色，因此單從顏色很難判斷GMP筋經歷了多高的溫度以及是否炭化（圖4-7）。

GP筋試件表面顏色的變化是因為黏結膠體的炭化引起的。從表面顏色的變化可以看出試件隨溫度的變化過程：在溫度低于150℃時，黏結膠體沒有炭化，所以GP筋材表面的顏色沒有發生變化；在150℃時黏結膠體開始輕微炭化，并且隨溫度的升高，炭化逐步加劇，所以隨溫度的升高，GP筋的顏色逐漸加深；在300℃時GP筋的黏結膠體已經炭化很嚴重，所以高于此溫度后試件都呈現炭黑色。

試驗中發現，加熱過程中，聚合物逐漸熱解，試驗溫度越高，電爐口煙氣越大，說明聚合物熱解量越大。當試驗溫度高于300℃時，爐口的煙霧多且持續的時間長，高溫試驗段的GP筋開始明顯變軟，說明從300℃開始GP筋的熱分解和炭化已經非常嚴重，此時筋的黏結膠體已經基本失去對玻璃纖維絲的黏結作用；350℃時高溫試驗段的GP筋已經變得非常柔軟，能像纖維繩一樣彎曲，說明此時GP筋的黏結膠體已經幾乎完全分解和炭化，剛度幾乎喪失殆盡，且很容易折斷。說明此時GP筋的纖維絲由于高溫的作用也已經變得不穩定。350℃時的燒失量一般在3g左右。

4.2.2.2　破壞形態

GP筋試件的典型破壞形態如圖4-8所示。試件常溫下的破壞形態和高溫后的破壞形態有明顯的差異，且有明顯的階段性。常溫下，試件首先在中部薄弱面引發裂縫源，當荷載達到破壞荷載的30%～50%時，試件開始發出“噼啪”響聲，應為纖維剝離樹脂的聲音，隨著荷載的繼續增大，纖維開始逐漸斷裂，響聲不斷加大且更加密集，達到極限荷載時伴隨著巨大的響聲，試件成條束狀爆裂破壞。在GFRP筋接近破壞時，可以明顯看到表面部分纖維束也逐漸被拉斷，隨著斷裂纖維束的增多，GFRP筋中部突然發生“爆裂式”破壞，破壞部位纖維呈發散狀，同時飛散出許多細小纖維，此時試驗結束，試件呈現明顯的脆性破壞特征。

100℃、150℃、200℃高溫后的試驗現象和破壞形態與常溫下相似，臨近破壞前的響聲減弱，但破壞時的聲音卻仍然很大，伴隨著“啪”的一聲爆響，試件突然破壞；破壞處仍為發散狀，說明玻璃纖維絲之間在溫度降至室溫后又恢復了部分黏結性能，可以協同受力。溫度升至250°C、300°C時，斷口處的GP筋顏色從白色逐漸變為焦黃色，但在250°C時仍然較淺；隨著溫度的升高，破壞處夾雜的絮狀物逐漸增多，當試驗溫度為300°C時，破壞處的條狀物已經明顯減少，稍顯蓬松的絮狀物增加。這些現象說明，GP筋的黏結膠體由外至內逐漸玻璃化、分解，降低了對玻璃纖維絲的黏結作用，玻璃纖維絲協同工作的能力下降。斷口處顏色呈褐色，夾雜少許絮狀物，說明黏結膠體在降溫后黏結性能有所恢復，但由于黏結膠體此時的熱分解和炭化已較以前嚴重，玻璃纖維絲之間的黏結性能很大一部分不能恢復。溫度升高至350℃后，破斷處為蓬松的絮狀物，說明溫度高于350℃時黏結膠體已經完全炭化，降溫后膠體的黏結性能將不能恢復。

為了研究恒溫時間長短對GP筋材試件的影響，對300°C時不同受火時間的GP筋材高溫后的力學性能進行了試驗研究。試驗過程中發現，GP筋高溫試驗段外部玻璃纖維絲呈黑色，并且隨恒溫時間的增加，GP筋試件破斷處的蓬松扇子絮狀物逐漸增加。恒溫90min時從圖4-9上已經很容易看到很多毛茸茸的絮狀物，由外及內逐漸變淺，內部為淺黃色，具有明顯的層次感，此時外部顏色已經很深，呈炭黑色；恒溫120min時GP筋破斷處的絮狀物明顯較以前多，但仍是外部顏色深，向內變淺，很有層次感，此時內外的顏色已經很接近，說明此時GP筋高溫段的熱分解和炭化已經很嚴重。從這些現象可以看出：在300℃（恒溫120min）GP筋中的黏結膠體已經大部分喪失了黏結能力，但外層纖維的炭化程度較重。

GMP筋在溫度低于300℃時的破壞型式和室溫時的破壞型式相同（圖4-10～圖4-14）；當溫度達到300℃時，破斷處的GMP筋有部分纖維被拉毛（圖4-15）；溫度達到350℃時破斷處也為蓬松的絮狀物（圖4-16）。說明：

①溫度高于350℃時黏結膠體已經完全炭化，降溫后膠體的黏結性能將不能恢復；

②加入阻燃劑對GMP筋高溫性能影響不是非常明顯，溫度低于300℃時破斷處的纖維被拉毛的情況較GP筋相同溫度少些，但當溫度高于350℃時阻燃劑的加入對GMP筋的抗高溫性能沒有明顯的改善。

4.2.3　影響因素分析

采用貼應變片的方法量測GFRP筋的應變，只能量測60%～80%極限荷載對應的應變。彈性模量一般取為10%～50%極限荷載對應應變時的彈性模量。如圖4-17所示是GFRP筋室溫和高溫后的應力-應變曲線。從圖中可以看出：室溫與高溫后的應力-應變曲線相似，直至試件破壞前，這些試件的應力-應變曲線基本是呈理想的線彈性，由于應變片只能測得60%～70%極限荷載對應的應變，所以沒有下降段。

GFRP筋極限抗拉強度和彈性模量以及極限應變的計算方法參照文獻中采用的計算公式。

GFRP筋抗拉強度計算公式為

　　（4-1）

式中　σb——GFRP筋實測抗拉強度，MPa；

Pb——GFRP筋實測最大破壞荷載，N；

d——GFRP筋實測直徑，mm。

高溫后GFRP筋的殘余極限抗拉強度采用與常溫下相同的方法。

GFRP筋拉伸彈性模量計算公式為

　　（4-2）

　　（4-3）

式中　E——GFRP筋拉伸彈性模量，MPa；

l——GFRP筋測試區原始長度；

d——GFRP筋實測直徑，mm；

Δε——與ΔP對應的應變增量；

ΔP——荷載-變形曲線初始直線段（10% Pb～50%Pb）的荷載增量，N。

高溫后GFRP筋的殘余彈性模量采用與常溫下相同的方法。

極限應變通過極限抗拉強度和彈性模量由下式求得。

　　（4-4）

各因素對GFRP筋力學性能的影響如下。

4.2.3.1　溫度

溫度對GFRP筋試件極限抗拉強度、平均彈性模量和平均極限應變的影響如圖4-18～圖4-23和表4-2所示。?10mm GP筋極限抗拉強度在溫度低于200℃時呈現增加的趨勢，在200℃時達最大值，比常溫時增加了18.85%，隨后開始逐漸降低，?10mm GP筋350℃時極限抗拉強度比常溫時降低了5.19%；?10mm GMP筋極限抗拉強度在100℃時達最大值，比常溫時增加了9.91%，隨后開始逐漸降低，?10mm GMP筋350℃時極限抗拉強度比常溫時降低了37.35%；?12mm GP筋350℃時極限抗拉強度比室溫時降低了26.16%，由于GFRP筋材離散性較大，溫度對它影響的規律性不明顯，并且在試驗溫度范圍內極限抗拉強度有所波動。?10mm GP筋彈性模量溫度低于200℃時呈現增加的趨勢，200℃時達最大值，比常溫時增加了27.63%，隨后隨溫度升高逐漸下降，350℃時比常溫時降低了20.29%；?10mm GMP筋彈性模量在溫度低于300℃時和常溫相差不多，350℃時彈性模量急劇降低，比常溫時降低了21.4%；?12mm GP筋彈性模量先降低，隨后又有所增加，350℃時比常溫時降低了22.44%。?10mm GP筋的極限應變先隨溫度升高而降低，100℃時降至整個試驗溫度范圍的最低點，隨后開始逐漸增大，350℃時達最大值，比常溫時增加了36.66%；?10mm GMP筋極限應變先隨溫度升高小幅增大，100℃時達最大值，隨后逐漸降低，300℃時降至最小值，比常溫時降低了38.33%；?12mm GP筋的極限應變溫度低于300℃時和常溫相差不多，350℃時極限應變急劇降低，比常溫時降低了44.12%。350℃高溫后GFRP筋極限抗拉強度維持在室溫時的80%以上，但是由于到達此溫度時GFRP筋已經變得極為柔軟，剛度很小，彈性模量不足常溫時的70%，所以即使高室溫后極限強度有所恢復，建議GFRP筋的耐高溫極限仍然不能高于300℃。

從表4-2中可以看出：GFRP筋的極限荷載、極限抗拉強度、平均拉伸彈性模量和極限應變在溫度較高時比常溫低。造成GFRP筋強度、彈性模量和極限應變降低的主要原因有3方面：①黏結膠體隨溫度的升高逐漸玻璃化、炭化和熱分解，導致對抗拉強度的貢獻逐漸減小乃至喪失；②黏結膠體黏結作用的降低導致GFRP筋纖維絲協同受力的能力下降，最終導致GFRP筋性能的劣化；③玻璃纖維絲本身的強度和性能隨溫度的升高逐漸劣化。其中彈性模量的下降幅度不大，這是因為影響GFRP筋彈性模量的主要原因是其中的玻璃纖維絲，在試驗溫度范圍內對玻璃纖維絲彈性模量的影響不大。

4.2.3.2　基體樹脂

基體樹脂對GFRP筋試件極限抗拉強度、彈性模量和極限應變的影響如圖4-18～圖4-20和表4-2所示。由圖4-18可知，室溫試驗時相同直徑的GMP筋試件比GP筋的極限抗拉強度有所降低，降低幅度為70.71%；350℃高溫后試驗時相同直徑的GMP筋比GP筋的極限抗拉強度降低了50.30%；說明基體樹脂里加入抗阻燃劑降低了GFRP筋試件的極限抗拉強度。但是GMP筋的彈性模量比相同直徑的GP筋的彈性模量有所提高，室溫試驗時GMP筋的彈性模量比相同直徑的GP筋的彈性模量提高了8.75%。由圖4-20也可以知，350℃高溫后GMP筋的極限應變比室溫時降低了24.29%；室溫時GMP筋的極限應變比相同直徑的GP筋的極限應變降低了26.65%；350℃高溫后GMP筋的極限應變比相同直徑的GP筋的極限應變降低了6.28%。

注：試件編號中G表示玻璃纖維；P表示不飽和聚酯樹脂；MP表示改性不飽和聚酯樹脂。

4.2.3.3　直徑

實測直徑對GFRP筋抗拉強度的影響如圖4-21所示。從圖中數據可以看出，隨直徑的增大，GP筋的抗拉強度逐漸增大，室溫試驗時?12mm GP筋比?10mm GP筋的極限抗拉強度增加了63.16%，350℃高溫后?12mm GP筋比?10mm GP筋的極限抗拉強度增加了27.07%。分析造成這一結果的原因可能是：GFRP螺紋筋在制備時是通過纏繞纖維繩形成表面凸肋，小直徑GFRP筋形成的凸肋較明顯，筋表面彎曲纖維較多，減少了承載纖維的數量，從而導致強度降低；而對于大直徑GFRP筋，GFRP筋肋的影響有所降低。

如圖4-22所示為直徑對拉伸彈性模量的影響規律。由圖4-22及表4-2中的數據可知，隨著直徑的增大，拉伸彈性模量呈增大的趨勢，室溫試驗時?12mm GP筋試件比?10mm GP筋的彈性模量逐漸增加了7.9%，350℃高溫后試驗時?12mm GP筋比?10mm GP筋的彈性模量增加了5.1%。

如圖4-23所示為直徑對極限應變的影響規律。由圖4-23及表4-3中的數據可知，隨著直徑的增加，室溫試驗時GFRP筋試件的極限應變有少量增加，即直徑大的GFRP筋試件的延伸性能好些；然而350℃高溫后試驗時?12mm GP筋比?10mm GP筋的極限應變由于自身的原因隨直徑的增大有所降低。

4.2.3.4　恒溫時間

為了研究恒溫時間對GFRP筋試件材性的影響，300℃時進行了恒溫30min、60min、90min、120min四個不同恒溫時間的試驗，試驗結果見表4-3。從圖4-24～圖4-26可以看出，GFRP筋的極限抗拉強度在恒溫60min時達最大值，90min、120min時比60min時有所降低；隨恒溫時間的增加，拉伸彈性模量逐漸增大；平均極限應變隨恒溫時間的增加小幅度減小。造成這一結果的原因是隨恒溫時間的增加，GFRP筋試件炭化、分解越來越嚴重，所以極限應變隨恒溫時間的增加降低。

4.2.3.5　燒失量對GFRP筋拉伸性能的影響

由圖4-27知：?10mm GP筋溫度低于200℃時，燒失量為1g；當溫度升高至250～300℃時，燒失量增加到2g；當溫度升高至350℃時，燒失量增至5g。說明隨著溫度的升高，燒失量越來越大，并且溫度高于200℃后，直徑大的燒失量增加更快。當溫度升至350℃時，?12mm GP筋高溫后高溫試驗段的GFRP筋試件燒失量達6g。隨著燒失量的增加，GFRP筋試件的拉伸性能隨之變化。如圖4-28所示是燒失量對極限抗拉強度的影響，說明隨著燒失量的增加，極限抗拉強度呈降低的趨勢。如圖4-29所示是燒失量對拉伸彈性模量的影響，表明隨著燒失量的增加，彈性模量降低。圖4-28和圖4-29表明隨著溫度升高，高溫試驗段的性能逐漸劣化。

4.2.4　高溫后GFRP筋的各項力學性能指標計算公式

根據試驗結果，經回歸分析，得到高溫后GFRP筋極限抗拉強度、彈性模量和極限應變的變化模型。

（1）極限抗拉強度

　　（4-5）

式中　，ffu——經歷溫度T后GFRP筋的極限抗拉強度和常溫時的極限抗拉強度。

（2）彈性模量

　　（4-6）

式中　，Ef——經歷溫度T后GFRP筋的彈性模量和常溫時的彈性模量。

（3）極限應變

　　（4-7）

式中　，εf——經歷溫度T后GFRP筋的極限應變和常溫時的極限應變。

上述三個公式的力學計算模型的變化規律如圖4-30～圖4-32所示。

根據相關文獻，高溫后GFRP筋的抗拉強度總體分布一般呈正態分布；偏于安全起見，其抗拉強度的標準值取保證率p的下分位值，即取抗拉強度總體分布的平均值減去標準正態分布時保證率對應的區間點k乘以標準差σf，即

　　（4-8）

式中，當k=1.645時，保證率為95%；當k=2.0時，保證率為97.73%；當k=3.0時，保證率為99.87%。

由于GFRP筋具有明顯的各向異性和很大的離散性，GFRP筋的抗拉力學指標的標準值取保證率p為99.87%的下分位值，如下所示。

抗拉強度標準值為

　　（4-9）

對應的極限應變標準值為

　　（4-10）

式中　，——經溫度T后試件極限強度，極限應變的平均值；

，——經溫度T后試件極限強度，極限應變的標準差。

以上得出的力學參數是理論值，實際中GFRP筋的抗拉強度、蠕變強度和疲勞強度隨所處環境的不同而有所降低。這時，設計中所實用的力學指標要進行折減。

抗拉強度設計值為

　　（4-11）

設計值極限應變為

　　（4-12）

式中　C——工作環境系數，綜合考慮火災高溫的影響工作環境系數取為0.6。