4.2　高温后GFRP筋的拉伸性能

4.2.1　试验概况

4.2.1.1　试验目的

针对成型制备的GFRP筋进行高温后拉伸试验，筋材增强材料为无捻中碱玻璃纤维纱，基体树脂采用不饱和聚酯树脂（UP）和加入添加剂的改性不饱和聚酯树脂（MUP），对应筋材分别记为GP筋和GMP筋，筋材中玻璃纤维体积含量约为70%，树脂体积含量约为30%。添加剂为阻燃剂，阻燃剂为溴类化合物和锑的氧化物。试验采用纤维绳缠绕的GFRP筋。试验研究直径、基体树脂、温度、恒温时间和烧失量对GFRP筋高温后拉伸性能的影响。GFRP筋拉伸试件详细情况列于表4-1。GP筋取ϕ10mm和ϕ12mm两种，GMP筋取ϕ10mm，试验温度取为：室温、100°C、150°C、200°C、250°C、300°C、350°C，共计7个工况。为了研究火灾高温持续时间对GFRP筋材料性能的影响，对于ϕ10mm GP筋，在300°C时对恒温0.5h、1.0h、1.5h、2.0h共4种工况下的GP筋进行了高温后的试验研究；为了保证试验结果的可靠性，每种工况中保证有至少2个以上的试件，共计24组72根试件。

4.2.1.2　试验方法

参考《玻璃纤维增强塑料拉伸性能试验方法》（GB/T 1447—2005）、《纤维增强塑料性能试验方法总则》（GB/T 1446—2005）、《纤维增强塑料高低温力学性能试验准则》（GB/T 9979—2005）和美国ACI的《FRP筋加强混凝土设计和施工指南》所推荐的FRP筋抗拉试验方法，采用大标距高温拉力试验机（包括高温炉、温控仪）和1000kN屏显液压伺服万能试验机（图4-1），对GFRP筋进行室温和高温后拉伸性能测试。试验参数主要内容如下。

①试验环境：温度20℃±2℃，相对湿度50%±5%。

②试件形状及尺寸：如图4-2所示。

③试件数量：每组试样不少于2个。

④试样固定后，炉温升到目标值并恒温30min。

⑤取出冷却至室温，放置一天，贴应变片。

⑥测量试件直径，测量精确到0.01mm。

⑦安装测量变形的电阻静态应变仪，检查并调整试样及变形测量系统，使其处于正常工作状态。

⑧加载速度为4mm/min；连续载至试样破坏，记录最大荷载值及试样破坏型式，测量抗拉强度、拉伸弹性模量及应力-应变曲线等材料性能指标。

4.2.1.3　试件设计

在FRP筋试样设计时，要确保试验时试样破断面在测试应变的预定破坏区域，设计有效的锚固系统是试验成功的关键。这样才能使试样在试验过程中稳固地夹持在试验机上下钳口内，不致因钳口施加的局部剪应力过大使GFRP筋端头提前失效。为此，很多研究者曾尝试过不同类型的锚固方法。如使用钢管环箍黏结剂的方法，钢管环箍膨胀水泥的方法。本文的前期试验表明，钢管环箍黏结剂的方法需要的锚固长度和钢套管长度较小，本文采用此法。

在进行锚固系统设计时，锚固长度和钢套管的尺寸是最重要的参数之一。本试验的GFRP筋拉伸试件总长L=1200mm，两端采用套管锚固，锚固长度L1=230mm。套管采用镀锌铁管，外径32mm，壁厚3mm，端部与锥形铸铁大小头螺纹连接，锚固剂采用专用结构植筋胶。

另外确保FRP筋试样在钢套管内锚固时的垂直居中也是至关重要的。垂直居中可借助特制的木质框架（图4-3）来实现。木框有三层水平撑，每层撑均有两排经过精心机加工出的孔洞，称为定位孔。上两层撑用于固定FRP筋，下层撑用于固定锚固钢套管。为便于装卸FRP筋并实现批量制作试件，上两层撑均由中间板和两边侧板三部分组成，中间板固定，两边侧板可活动，每排孔由固定的中间板和活动侧板上的半圆孔组成。试件制作时，将结构植筋胶配好灌入套管内，充满整个套管；再将充满结构植筋胶的钢套管置于下层定位孔内；随后将截取的GFRP筋试件一端旋入套管内，使其充分黏结；试件上部正好位于木框上部两层FRP筋定位孔内，将活动侧板和固定的中间板夹紧时，FRP筋正好垂直位于钢套管中部，钢套管底部先用透明胶带粘贴密封，防止结构胶从下部流出；待锚固用结构植筋胶完全硬化后，从木框中取出试样，倒置过来用同样的方法锚固GFRP筋试件的另一端；完全固化后进行试验。

4.2.1.4　升降温方式

通过自动控温电炉（图4-4）上的温控仪控制升温过程，当升到目标温度后电炉可以自动保持温度的恒定，误差一般在±3℃以内，温度值可以在控制仪表上实时显示。试验所用的自动控温电炉的炉膛尺寸为300mm×80mm×350mm，炉膛里安装了三个热电偶，炉膛中部有100mm的均温带，温控仪上与三个热电偶对应的有三个温区：上温区、中温区、下温区。升温过程中下温区的温度在三个温区中是最低的，到达目标温度大约10min后三个温区温度基本平衡。在升温过程中记录下每分钟升高的温度，并作出试验各个温度的升温曲线，如图4-5所示。

由图4-5可知，在不同的温度下升温速率是不同的。在温度较低时升温速率较大，且100℃、150℃、200℃时温升曲线接近直线，温度高于200℃后温升曲线呈现二次抛物线。同样也说明了温度较高时升温速率较小。升温段与ASTM给出的温升曲线是有区别的，且本试验没有测下降段的温升曲线。图4-5给出的温升曲线表明温升速率低于20℃/min是满足国家标准的。

4.2.1.5　数据量测和加载制度

本试验主要量测4方面的内容：温度、荷载、与荷载相对应的应变和试件的烧失量，通过荷载可以计算出试件的应力和强度，通过应变可以计算出试件的弹性模量。应变是通过在试件上贴应变片，通过静态应变仪、计算机采集信息，同时试验机可以自动记录整个试件的位移。温度通过温控仪实时显示出来。烧失量通过电子秤在高温前的质量减去冷却至室温时的质量算得。

当温度升至目标温度并恒温30min钟后，冷却至室温，然后开始加载试验。试验时加载由位移控制，加载速度为4mm/min，至试件断裂破坏，荷载由液压伺服试验机通过计算机实时显示和自动记录。

4.2.2　试验现象

4.2.2.1　表观特征

GP筋的自然颜色为白色，GMP筋的自然颜色为黑色；当GP筋受热后，在100℃时试件表面的颜色几乎没有什么改变，仍然呈白色；在150℃时，高温试验段的GP筋表面为很浅的黄色；200℃、250℃、300℃三种温度时高温试验段的颜色逐渐加深，由焦黄色→褐色→接近炭黑色；350℃时GP筋高温试验段的表面颜色已经完全呈炭黑色（图4-6）。

然而，GMP筋常温时的颜色呈黑色，高温后颜色没有改变，还是呈现黑色，因此单从颜色很难判断GMP筋经历了多高的温度以及是否炭化（图4-7）。

GP筋试件表面颜色的变化是因为黏结胶体的炭化引起的。从表面颜色的变化可以看出试件随温度的变化过程：在温度低于150℃时，黏结胶体没有炭化，所以GP筋材表面的颜色没有发生变化；在150℃时黏结胶体开始轻微炭化，并且随温度的升高，炭化逐步加剧，所以随温度的升高，GP筋的颜色逐渐加深；在300℃时GP筋的黏结胶体已经炭化很严重，所以高于此温度后试件都呈现炭黑色。

试验中发现，加热过程中，聚合物逐渐热解，试验温度越高，电炉口烟气越大，说明聚合物热解量越大。当试验温度高于300℃时，炉口的烟雾多且持续的时间长，高温试验段的GP筋开始明显变软，说明从300℃开始GP筋的热分解和炭化已经非常严重，此时筋的黏结胶体已经基本失去对玻璃纤维丝的黏结作用；350℃时高温试验段的GP筋已经变得非常柔软，能像纤维绳一样弯曲，说明此时GP筋的黏结胶体已经几乎完全分解和炭化，刚度几乎丧失殆尽，且很容易折断。说明此时GP筋的纤维丝由于高温的作用也已经变得不稳定。350℃时的烧失量一般在3g左右。

4.2.2.2　破坏形态

GP筋试件的典型破坏形态如图4-8所示。试件常温下的破坏形态和高温后的破坏形态有明显的差异，且有明显的阶段性。常温下，试件首先在中部薄弱面引发裂缝源，当荷载达到破坏荷载的30%～50%时，试件开始发出“噼啪”响声，应为纤维剥离树脂的声音，随着荷载的继续增大，纤维开始逐渐断裂，响声不断加大且更加密集，达到极限荷载时伴随着巨大的响声，试件成条束状爆裂破坏。在GFRP筋接近破坏时，可以明显看到表面部分纤维束也逐渐被拉断，随着断裂纤维束的增多，GFRP筋中部突然发生“爆裂式”破坏，破坏部位纤维呈发散状，同时飞散出许多细小纤维，此时试验结束，试件呈现明显的脆性破坏特征。

100℃、150℃、200℃高温后的试验现象和破坏形态与常温下相似，临近破坏前的响声减弱，但破坏时的声音却仍然很大，伴随着“啪”的一声爆响，试件突然破坏；破坏处仍为发散状，说明玻璃纤维丝之间在温度降至室温后又恢复了部分黏结性能，可以协同受力。温度升至250°C、300°C时，断口处的GP筋颜色从白色逐渐变为焦黄色，但在250°C时仍然较浅；随着温度的升高，破坏处夹杂的絮状物逐渐增多，当试验温度为300°C时，破坏处的条状物已经明显减少，稍显蓬松的絮状物增加。这些现象说明，GP筋的黏结胶体由外至内逐渐玻璃化、分解，降低了对玻璃纤维丝的黏结作用，玻璃纤维丝协同工作的能力下降。断口处颜色呈褐色，夹杂少许絮状物，说明黏结胶体在降温后黏结性能有所恢复，但由于黏结胶体此时的热分解和炭化已较以前严重，玻璃纤维丝之间的黏结性能很大一部分不能恢复。温度升高至350℃后，破断处为蓬松的絮状物，说明温度高于350℃时黏结胶体已经完全炭化，降温后胶体的黏结性能将不能恢复。

为了研究恒温时间长短对GP筋材试件的影响，对300°C时不同受火时间的GP筋材高温后的力学性能进行了试验研究。试验过程中发现，GP筋高温试验段外部玻璃纤维丝呈黑色，并且随恒温时间的增加，GP筋试件破断处的蓬松扇子絮状物逐渐增加。恒温90min时从图4-9上已经很容易看到很多毛茸茸的絮状物，由外及内逐渐变浅，内部为浅黄色，具有明显的层次感，此时外部颜色已经很深，呈炭黑色；恒温120min时GP筋破断处的絮状物明显较以前多，但仍是外部颜色深，向内变浅，很有层次感，此时内外的颜色已经很接近，说明此时GP筋高温段的热分解和炭化已经很严重。从这些现象可以看出：在300℃（恒温120min）GP筋中的黏结胶体已经大部分丧失了黏结能力，但外层纤维的炭化程度较重。

GMP筋在温度低于300℃时的破坏型式和室温时的破坏型式相同（图4-10～图4-14）；当温度达到300℃时，破断处的GMP筋有部分纤维被拉毛（图4-15）；温度达到350℃时破断处也为蓬松的絮状物（图4-16）。说明：

①温度高于350℃时黏结胶体已经完全炭化，降温后胶体的黏结性能将不能恢复；

②加入阻燃剂对GMP筋高温性能影响不是非常明显，温度低于300℃时破断处的纤维被拉毛的情况较GP筋相同温度少些，但当温度高于350℃时阻燃剂的加入对GMP筋的抗高温性能没有明显的改善。

4.2.3　影响因素分析

采用贴应变片的方法量测GFRP筋的应变，只能量测60%～80%极限荷载对应的应变。弹性模量一般取为10%～50%极限荷载对应应变时的弹性模量。如图4-17所示是GFRP筋室温和高温后的应力-应变曲线。从图中可以看出：室温与高温后的应力-应变曲线相似，直至试件破坏前，这些试件的应力-应变曲线基本是呈理想的线弹性，由于应变片只能测得60%～70%极限荷载对应的应变，所以没有下降段。

GFRP筋极限抗拉强度和弹性模量以及极限应变的计算方法参照文献中采用的计算公式。

GFRP筋抗拉强度计算公式为

　　（4-1）

式中　σb——GFRP筋实测抗拉强度，MPa；

Pb——GFRP筋实测最大破坏荷载，N；

d——GFRP筋实测直径，mm。

高温后GFRP筋的残余极限抗拉强度采用与常温下相同的方法。

GFRP筋拉伸弹性模量计算公式为

　　（4-2）

　　（4-3）

式中　E——GFRP筋拉伸弹性模量，MPa；

l——GFRP筋测试区原始长度；

d——GFRP筋实测直径，mm；

Δε——与ΔP对应的应变增量；

ΔP——荷载-变形曲线初始直线段（10% Pb～50%Pb）的荷载增量，N。

高温后GFRP筋的残余弹性模量采用与常温下相同的方法。

极限应变通过极限抗拉强度和弹性模量由下式求得。

　　（4-4）

各因素对GFRP筋力学性能的影响如下。

4.2.3.1　温度

温度对GFRP筋试件极限抗拉强度、平均弹性模量和平均极限应变的影响如图4-18～图4-23和表4-2所示。ϕ10mm GP筋极限抗拉强度在温度低于200℃时呈现增加的趋势，在200℃时达最大值，比常温时增加了18.85%，随后开始逐渐降低，ϕ10mm GP筋350℃时极限抗拉强度比常温时降低了5.19%；ϕ10mm GMP筋极限抗拉强度在100℃时达最大值，比常温时增加了9.91%，随后开始逐渐降低，ϕ10mm GMP筋350℃时极限抗拉强度比常温时降低了37.35%；ϕ12mm GP筋350℃时极限抗拉强度比室温时降低了26.16%，由于GFRP筋材离散性较大，温度对它影响的规律性不明显，并且在试验温度范围内极限抗拉强度有所波动。ϕ10mm GP筋弹性模量温度低于200℃时呈现增加的趋势，200℃时达最大值，比常温时增加了27.63%，随后随温度升高逐渐下降，350℃时比常温时降低了20.29%；ϕ10mm GMP筋弹性模量在温度低于300℃时和常温相差不多，350℃时弹性模量急剧降低，比常温时降低了21.4%；ϕ12mm GP筋弹性模量先降低，随后又有所增加，350℃时比常温时降低了22.44%。ϕ10mm GP筋的极限应变先随温度升高而降低，100℃时降至整个试验温度范围的最低点，随后开始逐渐增大，350℃时达最大值，比常温时增加了36.66%；ϕ10mm GMP筋极限应变先随温度升高小幅增大，100℃时达最大值，随后逐渐降低，300℃时降至最小值，比常温时降低了38.33%；ϕ12mm GP筋的极限应变温度低于300℃时和常温相差不多，350℃时极限应变急剧降低，比常温时降低了44.12%。350℃高温后GFRP筋极限抗拉强度维持在室温时的80%以上，但是由于到达此温度时GFRP筋已经变得极为柔软，刚度很小，弹性模量不足常温时的70%，所以即使高室温后极限强度有所恢复，建议GFRP筋的耐高温极限仍然不能高于300℃。

从表4-2中可以看出：GFRP筋的极限荷载、极限抗拉强度、平均拉伸弹性模量和极限应变在温度较高时比常温低。造成GFRP筋强度、弹性模量和极限应变降低的主要原因有3方面：①黏结胶体随温度的升高逐渐玻璃化、炭化和热分解，导致对抗拉强度的贡献逐渐减小乃至丧失；②黏结胶体黏结作用的降低导致GFRP筋纤维丝协同受力的能力下降，最终导致GFRP筋性能的劣化；③玻璃纤维丝本身的强度和性能随温度的升高逐渐劣化。其中弹性模量的下降幅度不大，这是因为影响GFRP筋弹性模量的主要原因是其中的玻璃纤维丝，在试验温度范围内对玻璃纤维丝弹性模量的影响不大。

4.2.3.2　基体树脂

基体树脂对GFRP筋试件极限抗拉强度、弹性模量和极限应变的影响如图4-18～图4-20和表4-2所示。由图4-18可知，室温试验时相同直径的GMP筋试件比GP筋的极限抗拉强度有所降低，降低幅度为70.71%；350℃高温后试验时相同直径的GMP筋比GP筋的极限抗拉强度降低了50.30%；说明基体树脂里加入抗阻燃剂降低了GFRP筋试件的极限抗拉强度。但是GMP筋的弹性模量比相同直径的GP筋的弹性模量有所提高，室温试验时GMP筋的弹性模量比相同直径的GP筋的弹性模量提高了8.75%。由图4-20也可以知，350℃高温后GMP筋的极限应变比室温时降低了24.29%；室温时GMP筋的极限应变比相同直径的GP筋的极限应变降低了26.65%；350℃高温后GMP筋的极限应变比相同直径的GP筋的极限应变降低了6.28%。

注：试件编号中G表示玻璃纤维；P表示不饱和聚酯树脂；MP表示改性不饱和聚酯树脂。

4.2.3.3　直径

实测直径对GFRP筋抗拉强度的影响如图4-21所示。从图中数据可以看出，随直径的增大，GP筋的抗拉强度逐渐增大，室温试验时ϕ12mm GP筋比ϕ10mm GP筋的极限抗拉强度增加了63.16%，350℃高温后ϕ12mm GP筋比ϕ10mm GP筋的极限抗拉强度增加了27.07%。分析造成这一结果的原因可能是：GFRP螺纹筋在制备时是通过缠绕纤维绳形成表面凸肋，小直径GFRP筋形成的凸肋较明显，筋表面弯曲纤维较多，减少了承载纤维的数量，从而导致强度降低；而对于大直径GFRP筋，GFRP筋肋的影响有所降低。

如图4-22所示为直径对拉伸弹性模量的影响规律。由图4-22及表4-2中的数据可知，随着直径的增大，拉伸弹性模量呈增大的趋势，室温试验时ϕ12mm GP筋试件比ϕ10mm GP筋的弹性模量逐渐增加了7.9%，350℃高温后试验时ϕ12mm GP筋比ϕ10mm GP筋的弹性模量增加了5.1%。

如图4-23所示为直径对极限应变的影响规律。由图4-23及表4-3中的数据可知，随着直径的增加，室温试验时GFRP筋试件的极限应变有少量增加，即直径大的GFRP筋试件的延伸性能好些；然而350℃高温后试验时ϕ12mm GP筋比ϕ10mm GP筋的极限应变由于自身的原因随直径的增大有所降低。

4.2.3.4　恒温时间

为了研究恒温时间对GFRP筋试件材性的影响，300℃时进行了恒温30min、60min、90min、120min四个不同恒温时间的试验，试验结果见表4-3。从图4-24～图4-26可以看出，GFRP筋的极限抗拉强度在恒温60min时达最大值，90min、120min时比60min时有所降低；随恒温时间的增加，拉伸弹性模量逐渐增大；平均极限应变随恒温时间的增加小幅度减小。造成这一结果的原因是随恒温时间的增加，GFRP筋试件炭化、分解越来越严重，所以极限应变随恒温时间的增加降低。

4.2.3.5　烧失量对GFRP筋拉伸性能的影响

由图4-27知：ϕ10mm GP筋温度低于200℃时，烧失量为1g；当温度升高至250～300℃时，烧失量增加到2g；当温度升高至350℃时，烧失量增至5g。说明随着温度的升高，烧失量越来越大，并且温度高于200℃后，直径大的烧失量增加更快。当温度升至350℃时，ϕ12mm GP筋高温后高温试验段的GFRP筋试件烧失量达6g。随着烧失量的增加，GFRP筋试件的拉伸性能随之变化。如图4-28所示是烧失量对极限抗拉强度的影响，说明随着烧失量的增加，极限抗拉强度呈降低的趋势。如图4-29所示是烧失量对拉伸弹性模量的影响，表明随着烧失量的增加，弹性模量降低。图4-28和图4-29表明随着温度升高，高温试验段的性能逐渐劣化。

4.2.4　高温后GFRP筋的各项力学性能指标计算公式

根据试验结果，经回归分析，得到高温后GFRP筋极限抗拉强度、弹性模量和极限应变的变化模型。

（1）极限抗拉强度

　　（4-5）

式中　，ffu——经历温度T后GFRP筋的极限抗拉强度和常温时的极限抗拉强度。

（2）弹性模量

　　（4-6）

式中　，Ef——经历温度T后GFRP筋的弹性模量和常温时的弹性模量。

（3）极限应变

　　（4-7）

式中　，εf——经历温度T后GFRP筋的极限应变和常温时的极限应变。

上述三个公式的力学计算模型的变化规律如图4-30～图4-32所示。

根据相关文献，高温后GFRP筋的抗拉强度总体分布一般呈正态分布；偏于安全起见，其抗拉强度的标准值取保证率p的下分位值，即取抗拉强度总体分布的平均值减去标准正态分布时保证率对应的区间点k乘以标准差σf，即

　　（4-8）

式中，当k=1.645时，保证率为95%；当k=2.0时，保证率为97.73%；当k=3.0时，保证率为99.87%。

由于GFRP筋具有明显的各向异性和很大的离散性，GFRP筋的抗拉力学指标的标准值取保证率p为99.87%的下分位值，如下所示。

抗拉强度标准值为

　　（4-9）

对应的极限应变标准值为

　　（4-10）

式中　，——经温度T后试件极限强度，极限应变的平均值；

，——经温度T后试件极限强度，极限应变的标准差。

以上得出的力学参数是理论值，实际中GFRP筋的抗拉强度、蠕变强度和疲劳强度随所处环境的不同而有所降低。这时，设计中所实用的力学指标要进行折减。

抗拉强度设计值为

　　（4-11）

设计值极限应变为

　　（4-12）

式中　C——工作环境系数，综合考虑火灾高温的影响工作环境系数取为0.6。