雙向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸試驗(yàn)研究

顧文虎

(淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001)

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的受力性能，但當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)、港口工程等侵蝕性或暴露環(huán)境時(shí)，由于鋼筋的銹蝕會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐銹蝕、電磁絕緣性好等特點(diǎn)，用其代替鋼筋是解決鋼筋銹蝕引起混凝土損傷和破壞的有效途徑之一，因此，纖維材料被廣泛用于結(jié)構(gòu)加固工程。FRP材料形式主要為筋材、片材、型材等，其中片材和筋材在結(jié)構(gòu)加固和修復(fù)中應(yīng)用最多[1-3]。

在研究纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固工程時(shí)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能是研究的基礎(chǔ)，而拉伸性能是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中極為重要的一項(xiàng)。一般的生產(chǎn)廠商只提供纖維原絲的材料力學(xué)性能，很少提供編織后的纖維布的力學(xué)性能，因此，對(duì)用于編織的纖維布的力學(xué)性能研究是很有必要的。目前，針對(duì)編織纖維布的研究主要涉及編織復(fù)合材料宏觀復(fù)合材料彈性模量和強(qiáng)度分析。T. Ikawa等研究了編織復(fù)合材料的彈性性能，給出編織復(fù)合材料彈性模量的上、下極限解。Huang提出既可以計(jì)算復(fù)合材料彈性模量，又可以計(jì)算其強(qiáng)度的橋模型。盧子興等研究了編織復(fù)合材料的力學(xué)性能，分析了編織角和纖維體積含量對(duì)編織復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。本文針對(duì)雙向編織纖維布進(jìn)行了單軸拉伸試驗(yàn)，研究其力學(xué)性能[4-6]。

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料的選擇及編織方法

試驗(yàn)用芳綸纖維材料為杜邦公司生產(chǎn)的Kevlar29和Kevlar49，碳纖維材料為日本東麗公司生產(chǎn)的T300，雙向編織纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由宜興恒立航天科技有限公司提供生產(chǎn)加工的。各種纖維材料的主要性能參數(shù)見表1。

表1 纖維材料的性能參數(shù)

表2 試件編號(hào)及尺寸一覽表

注：混雜種類編織增強(qiáng)復(fù)合材料各種組成部分含量按照體積進(jìn)行計(jì)算

試驗(yàn)采用的雙向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是將連續(xù)的纖維通過雙向編織形成的增強(qiáng)復(fù)合材料，其分為經(jīng)向和緯向，兩組紗線呈90°相互交織在一起，每個(gè)方向都是由若干的纖維束組成的。

1.2 試件設(shè)計(jì)制作

試驗(yàn)的雙向編織纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要包括單一種類編織和混雜種類編織兩種情況(圖1)。試件尺寸及參數(shù)見圖2和表2，拉伸試驗(yàn)分為6組，每組采用10根試件。

(a)單一種類編織 (b)混雜種類編織

圖2 試件形狀及尺寸

1.3 試驗(yàn)方法及設(shè)備

由于纖維布是一種典型的各向異性材料，其橫向強(qiáng)度遠(yuǎn)小于縱向強(qiáng)度，為了保證錨具具有可靠的錨固性能，本課題組選擇了參考預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨具的形式[7]對(duì)雙向編織纖維增布進(jìn)行錨固。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該錨具錨固效果比較好，能滿足本試驗(yàn)研究的要求。加載采用位移控制單調(diào)加載的方式。根據(jù)《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》[8]，加載速率：2mm/min，記錄數(shù)據(jù)。在荷載作用下的荷載-位移變化過程，得到應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。試件加載過程中纖維束隨著荷載的不斷增加逐次發(fā)生斷裂，當(dāng)荷載達(dá)到一定程度后不能繼續(xù)增加，即認(rèn)為該荷載值為極限荷載。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖4為拉伸試驗(yàn)試件破壞形態(tài)圖。從試件破壞形態(tài)分析，可以分為六種情況。

2.1 整體斷裂破壞

雙向纖維復(fù)合材料拉伸過程達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，試件某個(gè)截面發(fā)生“頸縮”，該“頸縮”現(xiàn)象是由經(jīng)向纖維束在軸心拉力作用下相互擠壓而形成的，從而呈現(xiàn)出“偽塑形”特征，該種破壞形式為脆性斷裂破壞。具體的試件破壞形式如圖3(a)所示。

2.2 分種類斷裂

發(fā)生該破壞主要是混雜種類編織纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，試件在拉伸試驗(yàn)過程中，極限拉應(yīng)變較低的碳纖維纖維束先發(fā)生斷裂破壞，然后極限拉應(yīng)變較高的芳綸纖維束發(fā)生拉斷破壞，其破壞現(xiàn)象比較明顯。具體的試件破壞形態(tài)如圖3(b)所示。

2.3 分層斷裂

本次試驗(yàn)的雙向編織纖維增強(qiáng)復(fù)合材料經(jīng)向和緯向采用平紋編織的方式，采取疊合的方式組合在一起。當(dāng)試件拉力達(dá)到一定程度后，其中一層纖維材料先發(fā)生斷裂破壞，隨著荷載的不斷增加，另外一層的纖維編織帶筋也發(fā)生拉斷破壞，分層斷裂的一個(gè)明顯特點(diǎn)就是纖維復(fù)合材料的斷裂缺口比較齊平，不會(huì)發(fā)生“頸縮”現(xiàn)象。這主要是由于試件拉伸試驗(yàn)時(shí)，試件在錨具中的受力不均勻?qū)е碌?。具體的試件破壞形態(tài)如圖3(c)所示。

2.4 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

根據(jù)拉伸試驗(yàn)全過程檢測(cè)結(jié)果，繪制出每組試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。

AF-K29-1、AF-K29-2、AF-K49-1和AF-K49-2四組試件單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線基本呈線性，試件破壞沒有明顯預(yù)兆，呈脆性破壞；HAA-1和HAC-1兩組試件單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線存在應(yīng)力“突變”現(xiàn)象，這是由于碳纖維材料發(fā)生突然斷裂造成的，但“突變”現(xiàn)象不明顯，最后發(fā)生脆性破壞。具體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示。

2.5 抗拉強(qiáng)度

根據(jù)每組試件的拉伸試驗(yàn)結(jié)果，采取數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方式計(jì)算出每組試件的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、標(biāo)準(zhǔn)差等數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 拉伸試驗(yàn)裝置圖

表3 試件抗拉強(qiáng)度

根據(jù)每組試件的抗拉強(qiáng)度結(jié)果分析，采取不同纖維材料、不同截面尺寸的纖維布其抗拉強(qiáng)度也是不同的。雙向編織纖維布的抗拉強(qiáng)度的影響因素主要包括纖維材料的種類、纖維復(fù)合材料的截面尺寸、纖維復(fù)合材料中纖維束的緊密程度等。從試件的抗拉強(qiáng)度與纖維原絲的抗拉強(qiáng)度相比較：雙向編織纖維布的抗拉強(qiáng)度一般為纖維原絲的抗拉強(qiáng)度30%左右，遠(yuǎn)小于纖維原絲的抗拉強(qiáng)度。

2.6 彈性模量及伸長(zhǎng)率

根據(jù)纖維布的拉伸試驗(yàn)結(jié)果，單一種類編織纖維布應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線基本呈線彈性，通過計(jì)算可以得到雙向編織纖維布的彈性模量。雙向編織纖維布的極限伸長(zhǎng)率很難直接測(cè)得，當(dāng)纖維布受拉破壞時(shí)，很難直接測(cè)出纖維布的長(zhǎng)度變化量。根據(jù)纖維布的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，可以計(jì)算出其極限拉應(yīng)變。

表4 單一種類編織纖維復(fù)合材料彈性模量及極限伸長(zhǎng)率

從表4可以看出，單一種類編織纖維布的彈性模量要明顯小于纖維原絲的彈性模量，其為纖維原絲彈性模量的20%～30%左右；纖維布的極限拉應(yīng)變要大于纖維原絲的極限拉應(yīng)變。這與雙向編織纖維布中纖維原絲的變形有一定的關(guān)系，當(dāng)雙向編織纖維布處于自然狀態(tài)下，纖維復(fù)合材料中徑向纖維原絲處于彎曲狀態(tài)，當(dāng)纖維布受到拉力作用時(shí)，徑向纖維束的變形包含兩個(gè)過程：纖維束從彎曲狀態(tài)到拉直狀態(tài)的過程；纖維束本身的拉伸變形過程。

3 結(jié)論

雙向編織纖維布在單調(diào)拉伸試驗(yàn)過程中呈“偽塑形”特征，出現(xiàn)局部“頸縮”現(xiàn)象，但根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，復(fù)合材料拉伸破壞呈脆性破壞。由于纖維布在單軸拉伸過程中，纖維束之間會(huì)發(fā)生相互擠壓現(xiàn)象，從而在纖維復(fù)合材料的某個(gè)截面形成“頸縮”現(xiàn)象。

纖維原絲材料抗拉強(qiáng)度不可作為雙向編織纖維布的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值用于工程結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)。雙向編織纖維布的抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于纖維原絲的抗拉強(qiáng)度，因此，在將雙向編織纖維布用于加固工程時(shí)，需要測(cè)定其抗拉強(qiáng)度，不能使用纖維原絲的抗拉強(qiáng)度代替纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度。

本次單軸拉伸試驗(yàn)參考了預(yù)應(yīng)力鋼絞線的錨具原理設(shè)計(jì)了專門錨具進(jìn)行錨固處理。

參考文獻(xiàn)：

[1] D. Kachlakeva, D. McCurry, Behavior of full-scale reinforced concrete beams retrofitted for shear andflexural with FRP laminates[J]. Composites: Part B (engineering)2000(31): 445-452.

[2] B. Tighiouart, B. Benmokrane. Investigation of bond in concrete member with fiber reinforced polymer (FRP) bars[J].Construction and Building Materials,1998(12):453-462.

[3] S. Frederick, E. Joseph. Saliba, et al. Expermiental study of CFRP-prestressed high-strength concrete bridge beams[J].Composite Structures, 2000(49):191-200.

[4] T. ikawa, M. matsushima, Y. hayashi, et al. Experimental confirmation of theory of elastic moduls of fabric composites[J].Composite Materials, 1985(19):443-458

[5] Z. huang. The mechanical properties of composites reinforced with woven and braid fabrice[J]. Composites Science and Technology[J].2000(60).479-498

[6] 盧子興. 纖維復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能的研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),1999,16(3).129-134

[7] 吳志剛. 自鎖型預(yù)應(yīng)力錨索試驗(yàn)研究及設(shè)計(jì)[D].北京:鐵道科學(xué)研究院,2006.

[8] 曹月喬,張國(guó)良,王菲菲.纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇的研究進(jìn)展[J].淮陰工學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，23(1)：46-51.