摘要
对温度作用后的玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）筋和玻璃纤维增强复合材料（GFRP）筋进行了短梁剪切试验，研究了高温后筋材的剪切性能，并提出了温度作用后BFRP、GFRP筋剪切强度的预测计算模型.结果表明：BFRP、GFRP筋的剪切强度均随着温度的升高而逐渐降低；直径为12 mm的BFRP、GFRP筋的剪切强度退化速率比直径为16 mm的更快；270 ℃高温下，筋材的剪切强度保留率均随着恒温时间的延长呈下降趋势，但BFRP筋的退化速率明显低于GFRP筋；BFRP、GFRP筋剪切强度的退化都主要源于纤维与树脂基体交联度的降低及基体的热降解；与GFRP筋相比，BFRP筋具有更优的耐高温性能.
纤维增强复合材料（FRP）在工程应用中经常会面临高温环境作
目前，对FRP筋剪切性能的相关研
选取直径为12、16 mm的BFRP、GFRP筋，分别记为B12、B16、G12、G16，其基体均为双酚A型环氧树脂，纤维体积分数φ均为64%，其力学性能见
取T=20、70、120、170、220、270、350、420、500 ℃，共9种工况，在某炉业公司生产的高温试验箱内进行高温试验，达到设定温度后恒温处理0.5 h.由于BFRP、GFRP筋的基体热分解温度Td一般在300 ℃左
用UTM5305型电子万能试验机进行短梁剪切试验.为避免剪切试验中的弯曲效应，移动设备底部支座，调节其跨径比为5，加载头作用于试件的跨中位置.短梁剪切试验示意图见
图1 短梁剪切试验示意图
Fig.1 Schematic diagram of short‑beam shear test
BFRP、GFRP筋的高温试验中，筋材外观与温度息息相关，不同温度下试件的表观变化见
图2 不同温度下试件的表观变化
Fig.2 Apparent changes of specimens under different temperatures
剪切试验中，经不同温度作用后的BFRP、GFRP筋的受力变形过程基本相同：室温条件下，伴随着加载的进行，树脂剥落和纤维丝断裂的“噼啪”声逐渐增大和密集，最终试件形成水平剪切破坏；350 ℃高温后，纤维丝断裂的声音减少，但最终破坏模式与室温下相同.G16筋在20、350 ℃下的剪切破坏形态见
图3 G16筋在20、350 ℃下的剪切破坏形态
Fig.3 Shear failure modes of G16 bar at 20 and 350 ℃
不同温度下B16和G16筋的剪切载荷-位移曲线见
图4 不同温度下B16和G16筋的剪切载荷-位移曲线
Fig.4 Shear load‑displacement curves of B16 and G16 bars under different temperatures
根据ASTM D4475‑02（2016）《Standard test method for apparent horizontal shear strength of pultruded reinforced plastic rods by the short‑beam method》，FRP筋的剪切强度τ为：
| （1） |
式中： P为试件破坏时的最大荷载，N.
不同温度下BFRP和GFRP筋的剪切强度及其退化率η见
由
根据温度将FRP筋的剪切强度退化过程初步分为3个阶段：（1）当温度低于120 ℃时，树脂基体呈玻璃态，筋材的剪切性能稳定，B16的剪切强度相较于室温仅退化了2.01%，G16的退化幅度为6.56%；（2）当温度为120~270 ℃时，由于超过树脂基体的玻璃化转变温度（Tg＝111.3 ℃），聚合物由玻璃态向黏弹态转变，BFRP和GFRP筋剪切强度的降低幅度增大；（3）当温度高于270 ℃时，筋材表面的树脂发生氧化分解反应，内部树脂处于缺氧状态而发生碳化反应，从而使纤维/树脂界面剥
270 ℃、不同恒温时间下BFRP和GFRP筋剪切强度保留率见
图5 不同恒温时间下BFRP和GFRP筋剪切强度保留率（270 ℃）
Fig.5 Shear strength retention rate of BFRP and GFRP bars under different constant temperature time （270 ℃）
不同温度下BFRP和GFRP筋的SEM照片见
图6 不同温度下B16和G16筋的SEM照片
Fig.6 SEM images of B16 and G16 bars under different temperatures
温度作用后FRP筋的剪切强度τT为：
| （2） |
式中：τ20为20 ℃作用后FRP筋的剪切强度.
参照文献［
| （3） |
式中：a、b、c为回归参数，可由试验结果得到.
用
图7 BFRP和GFRP筋剪切强度保留率与温度的关系曲线
Fig.7 Relation curves between temperature and shear strength retention of BFRP and GFRP Bars
（1）高温作用会改变玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）、玻璃纤维增强复合材料（GFRP）筋的外观，当作用温度达350 ℃时，BFRP、GFRP筋均呈炭黑色；但在20~420 ℃温度区间内，温度作用未改变其剪切破坏模式.
（2）相同温度作用后，直径12 mm的BFRP、GFRP筋剪切性能退化速率高于直径16 mm的筋材.此外，在270 ℃下，BFRP、GFRP筋的剪切性能均随恒温时间的延长而逐渐降低，且BFRP筋整体上表现出比GFRP筋更优的耐高温性能.
（3）BFRP、GFRP筋的剪切强度随温度的升高逐渐降低；结合SEM分析，强度衰减的主要原因是树脂基体随温度升高发生分解反应，且纤维/基体间协同工作能力逐渐降低.故后续相关研究及应用中，可考虑将耐高温树脂作为基体材料，以改善纤维增强复合材料（FRP）筋的高温剪切性能.
（4）基于试验结果进行了回归分析，提出了20~420 ℃温度范围内BFRP、GFRP筋剪切强度的预测计算模型，其理论值与试验结果总体趋势吻合较好.
参考文献
李杉， 任慧韬， 黄承逵， 等. 温度与碱溶液作用下FRP片材耐久性研究［J］， 建筑材料学报， 2010， 13（1）：94‑99. [百度学术]
LI Shan， REN Huitao， HUANG Chengkui， et al. Combined effects of temperature and alkaline solution on durability of FRP sheets［J］. Journal of Building Materials， 2010， 13（1）：94‑99. （in Chinese） [百度学术]
薛伟辰， 付凯， 秦珩. 预制夹芯保温墙体FRP连接件抗拉强度加速老化试验研究［J］. 建筑材料学报， 2014， 17（3）：420‑424. [百度学术]
XUE Weichen， FU Kai， QIN Heng. Accelerated aging tests of tensile strength of FRP connectors in precast concrete sandwich wall panels［J］. Journal of Building Materials， 2014， 17（3）：420‑424. （in Chinese） [百度学术]
李趁趁， 王英来， 赵军， 等. 高温后FRP筋纵向拉伸性能［J］. 建筑材料学报， 2014， 17（6）：1076‑1081. [百度学术]
LI Chenchen， WANG Yinglai， ZHAO Jun， et al. Longitudinal tensile properties of FRP bars after high temperature［J］. Journal of Building Materials， 2014， 17（6）：1076‑1081. （in Chinese） [百度学术]
ROBERT M， BENMOKRANE B. Behavior of GFRP reinforcing bars subjected to extreme temperatures［J］. Journal of Composites for Construction， 2010， 14（4）：353‑360. [百度学术]
WANG Y C， WONG P M H， KODUR V. An experimental study of the mechanical properties of fibre reinforced polymer （FRP） and steel reinforcing bars at elevated temperatures［J］. Composite Structures， 2007， 80（1）：131‑140. [百度学术]
CHEN Y， DAVALOS J F， RAY I. Durability prediction for GFRP reinforcing bars using short‑term data of accelerated aging tests［J］. Journal of Composites for Construction， 2006， 10（4）：279‑286. [百度学术]
郝文峰， 郭广平， 陈新文， 等. 基于数字图像相关方法的复合材料层间剪切性能研究［J］. 玻璃钢/复合材料， 2016（1）：29‑32. [百度学术]
HAO Wenfeng， GUO Guangping， CHEN Xinwen， et al. Characterization of interlaminate shear properties for composite materials using digital image correlation［J］. Fiber Reinforced Plastics/Composites， 2016（1）：29‑32. （in Chinese） [百度学术]
高丹盈， 李士会， 朱海堂， 等. 玻璃纤维增强聚合物筋压缩和剪切性能试验研究［J］. 玻璃钢/复合材料， 2009（3）：28‑32. [百度学术]
GAO Danying， LI Shihui， ZHU Haitang， et al. Experimental research on basic mechanical properties of GFRP bars［J］. Fiber Reinforced Plastics/Composites， 2009（3）：28‑32. （in Chinese） [百度学术]
SAWPAN M A. Shear properties and durability of GFRP reinforcement bar aged in seawater［J］. Polymer Testing， 2019， 75：312‑320. [百度学术]
CHEN Y， DAVALOS J F， RAY I， et al. Accelerated aging tests for evaluations of durability performance of FRP reinforcing bars for concrete structures［J］. Composite Structures， 2007， 78（1）：101‑111. [百度学术]
WANG Z K， ZHAO X L， XIAN G J， et al. Durability study on interlaminar shear behaviour of basalt‑， glass‑ and carbon‑fibre reinforced polymer （B/G/CFRP） bars in seawater sea sand concrete environment［J］. Construction and Building Materials， 2017， 156：985‑1004. [百度学术]
SAWPAN M A， MAMUN A A， HOLDSWORTH P G. Long term durability of pultruded polymer composite rebar in concrete environment［J］. Materials and Design， 2014， 57：616‑624. [百度学术]
MOURITZ A P. Post‑fire flexural properties of fibre‑reinforced polyester， epoxy and phenolic composites［J］. Journal of Materials Science， 2002， 37（7）：1377‑1386. [百度学术]
吴敬宇. 玄武岩纤维复合筋高温性能研究［D］. 北京：中国地震局工程力学研究所， 2011. [百度学术]
WU Jingyu. Study on high temperature performance of basat fiber reinforced polymer bars［D］. Beijing：Engineering Mechanics Institute of China Earthquake Administration， 2011. （in Chinese） [百度学术]
WANG M C， ZHANG Z G， LI Y B， et al. Chemical durability and mechanical properties of alkali‑proof basalt fiber and its reinforced epoxy composites［J］. Journal of Reinforced Plastics and Composites， 2008， 27（4）：393‑407. [百度学术]
SIM J， PARK C， MOON D Y. Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures［J］. Composites Part B：Engineering， 2005， 36（6/7）：504‑512. [百度学术]