玄武巖纖維網(wǎng)格拉伸性能試驗研究

江佳斐 豆香香 隋 凱

(同濟大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所,上海 200092)

0 引 言

玄武巖纖維(BFRP)是以玄武巖礦石為原料,經(jīng)過一系列工藝過程生產(chǎn)出的絲狀產(chǎn)品,具有力學(xué)強度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐溫、隔音、電絕緣等優(yōu)異性能,是一種低成本、高性能的新型優(yōu)質(zhì)增強材料[1-3]。玄武巖纖維網(wǎng)格以玄武巖纖維為原料,編織成網(wǎng)格狀,再經(jīng)過表面涂覆處理、烘干成型[4]。玄武巖纖維網(wǎng)格作為建筑加固用材具有廣泛的應(yīng)用前景,其抗拉強度、彈性模量等基本力學(xué)性能與測定時試樣的形狀、加載速度等有關(guān),目前,國內(nèi)外對纖維網(wǎng)格作為結(jié)構(gòu)加固用材基本力學(xué)性能的試驗方法尚無統(tǒng)一的規(guī)范[4-8],適用于纖維復(fù)合材料測試的國內(nèi)外規(guī)范中對應(yīng)應(yīng)變速率各不相同(表1),依據(jù)其建議的試件尺寸和加載速度,對應(yīng)的應(yīng)變速率范圍為1.96×10-4～8.33×10-3s-1。一般認(rèn)為,應(yīng)變速率小于10-4s-1屬于低應(yīng)變速率(屬靜態(tài)加載),10-4～102s-1屬于中等應(yīng)變速率(屬準(zhǔn)動態(tài)加載),大于102s-1屬于高應(yīng)變速率(屬動態(tài)加載)[9]。上述規(guī)范所限定的應(yīng)變速率范圍為準(zhǔn)動態(tài)加載,為地震作用下的應(yīng)變速率范圍。大量研究結(jié)果表明,加載速度對復(fù)合材料的力學(xué)參數(shù)影響很大,是影響試驗結(jié)果的重要因素[10-15]。在已有研究報道中,文獻[10]指出塑料土工格柵的拉伸強度和拉伸模量隨加載速度的降低而降低,且與加載速度的自然對數(shù)函數(shù)線性相關(guān),峰值應(yīng)變隨加載速度的增加而增加;文獻[11]和[14]指出對同一種網(wǎng)格,加載速度越大,極限拉伸強度越大,同一種材料在不同的加載速度下可能會出現(xiàn)合格與不合格兩種截然不同的結(jié)果;文獻[15]指出纖維復(fù)合板材的泊松比對加載速度不敏感,但彈性模量和極限強度隨著加載速度的增加而增加。玄武巖纖維網(wǎng)格作為加筋材料,拉伸性能指標(biāo)的測試技術(shù)及測試結(jié)果的準(zhǔn)確性是影響工程安全使用的重要因素。針對建筑結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)的受力情況(屬靜態(tài)加載范圍)與目前規(guī)范建議的應(yīng)變速率范圍的不同,本文在靜態(tài)加載與準(zhǔn)動態(tài)加載范圍內(nèi),對3種不同規(guī)格型號的玄武巖纖維網(wǎng)格材料在不同應(yīng)變速率下的基本力學(xué)性能進行了試驗研究,并分析了纖維網(wǎng)格的表觀特征、纖維束初始波狀彎曲、纖維束面積、網(wǎng)格尺寸、浸漬程度對玄武巖纖維網(wǎng)格基本抗拉力學(xué)性能的影響及原因,為該材料作為建筑加固用材的基本力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料生產(chǎn)提供參考。

表1我國現(xiàn)行的復(fù)合材料拉伸性能測試標(biāo)準(zhǔn)(規(guī)程)

Table 1 Current test standards (codes) for the tensile properties of FRP

注:表中應(yīng)變速率為試驗機加載速度/試樣計量長度,實際操作過程中由于加載速度包含機械位移在內(nèi)會造成實際應(yīng)變率小于表中值

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料與試件樣式

本試驗采用的玄武巖纖維網(wǎng)格由江蘇綠材谷新材料科技發(fā)展有限公司提供,為編織網(wǎng)格,網(wǎng)格所采用的纖維絲均為同種玄武巖纖維絲,依據(jù)網(wǎng)格網(wǎng)孔中心距大小,分為5 mm×5 mm、10 mm×10 mm、25 mm×25 mm三種型號,試驗前對3種型號的玄武巖纖維網(wǎng)格纖維束采用電鏡掃描(SEM)技術(shù),觀察樹脂浸漬程度,并依據(jù)放大后的圖像計算單根纖維束的橫截面面積,掃描結(jié)果見圖1。玄武巖纖維網(wǎng)格主要技術(shù)規(guī)格見表2。由掃描結(jié)果可知,3種型號的纖維束截面均呈扁平狀形態(tài),纖維絲均呈圓柱狀;對比3種型號的纖維束浸漬效果,B組浸漬效果最好,A組其次,C組纖維束外表面部位樹脂浸漬效果較好,內(nèi)部樹脂浸漬效果較差以至于核心部位出現(xiàn)中空現(xiàn)象,即C組浸漬效果最差。

單向受拉試樣采用單層玄武巖纖維網(wǎng)格片材,試驗試件長220 mm、寬40 mm,由一個標(biāo)距段、兩個過渡段和兩個夾持段組成,試樣示意圖見圖2。其中,夾持段兩側(cè)采用環(huán)氧樹脂AB膠黏貼40 mm×40 mm的鋼板進行加固,為儀器加載頭夾持區(qū)域;過渡段兩側(cè)采用環(huán)氧樹脂AB膠各黏貼1層玄武巖纖維布進行加固,纖維布延伸至夾持段,增設(shè)過渡段目的為避免纖維束在夾持段邊緣發(fā)生斷裂。

1.2 加載制度及試驗分組

試驗在同濟大學(xué)工程結(jié)構(gòu)耐久性試驗室進行,采用WDW050kN申力萬能試驗機,采樣頻率為2 Hz;采用專門定制的引申計采集標(biāo)距段變形,標(biāo)距段長度為80 mm,加載裝置見圖3。試驗采用位移控制加載方式,為實現(xiàn)應(yīng)變速率在靜態(tài)加載與準(zhǔn)動態(tài)加載的范圍,將加載速度設(shè)為3.30×10-3mm/s、1.67×10-2mm/s、3.33×10-2mm/s。材料的實際應(yīng)變速率通過引申計計算獲得,見表3。試驗前施加預(yù)緊力,將試件拉直。試驗試件共分為9組,試驗分組詳見表3。

圖1 玄武巖緯向纖維束電鏡掃描圖Fig.1 SEM image of basalt fibre bundle

表2玄武巖纖維網(wǎng)格的主要技術(shù)規(guī)格

Table 2 Main index of the basalt fibre grid in test

注:①采用電鏡掃描3種型號單纖維束橫截面,然后通過對應(yīng)圖片面積和比例尺計算得到纖維束截面面積

圖2 受拉試樣示意圖Fig.2 Tensile test specimen

圖3 加載裝置圖Fig.3 Loading equipment diagram

2 結(jié)果與討論

試驗以試件承載力出現(xiàn)明顯波動時為試件破壞,由圖4和圖6可知,A組和B組纖維網(wǎng)格應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為剛度增長階段和剛度穩(wěn)定階段,E為剛度穩(wěn)定階段測得的彈性模量,此時σ1、ε1為剛度增長階段結(jié)束點對應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變,σ2、ε2為剛度穩(wěn)定階段結(jié)束點對應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變,即為極限應(yīng)力和極限應(yīng)變;C組纖維網(wǎng)格應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為剛度穩(wěn)定階段和剛度退化段,E為剛度穩(wěn)定階段測得的彈性模量,σ2、ε2為剛度穩(wěn)定階段結(jié)束點對應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變,即為極限應(yīng)力和極限應(yīng)變。試驗所得玄武巖纖維網(wǎng)格基本力學(xué)參數(shù)見表3,表中結(jié)果為有效試件試驗結(jié)果的平均值,每組有效試件為5個。

圖4 典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Typical stress-strain behavior

2.1 破壞形態(tài)

在試驗過程中,發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維網(wǎng)格在達(dá)到50%的極限荷載時發(fā)出斷斷續(xù)續(xù)的纖維絲拉斷聲,隨著荷載增加,拉斷聲愈來愈密集,部分試件出現(xiàn)纖維束外表面斷裂并伴隨著清脆的繃斷聲,隨后,試件達(dá)到極限荷載,發(fā)生脆性破壞。試件破壞后繼續(xù)加載,發(fā)現(xiàn)在較短的時間內(nèi),纖維束依次發(fā)生斷裂并伴隨著清脆的繃斷聲,各緯向纖維束的破壞順序具有隨機性,最先破壞位置多數(shù)發(fā)生在經(jīng)向與緯向纖維束交節(jié)點處,經(jīng)分析是受拉時節(jié)點處應(yīng)力集中,導(dǎo)致纖維束在節(jié)點處最先發(fā)生破壞。從纖維束的破壞模式看,主要分切口式(圖5(a)、圖5(b))和散開狀(圖5(c)、圖5(d))。當(dāng)纖維束浸漬效果較好,纖維絲協(xié)同工作性能好,纖維束易發(fā)生切口式破壞;當(dāng)纖維束浸漬程度不足時,纖維束內(nèi)外部纖維絲協(xié)同受力性能差,外部纖維絲受力大于內(nèi)部纖維絲,纖維束易發(fā)生散開狀破壞,且這種現(xiàn)象隨著纖維束面積增加而表現(xiàn)的更加明顯。圖5(e)-圖5(g)為3種型號的玄武巖纖維網(wǎng)格破壞位置處的電鏡掃描圖。從纖維單絲破壞模式看,有纖維絲與基體間脫粘現(xiàn)象(圖5(f))和纖維絲斷裂(圖5(e)、圖5(g))。

表3玄武巖纖維網(wǎng)格力學(xué)參數(shù)

Table 3 Tensile properties of basalt fibre grid

注:①編號為字母-數(shù)字,其中字母代表網(wǎng)格尺寸,同表2;②應(yīng)變速率為試件破壞前,標(biāo)距段的引申計實測應(yīng)變與時間的比值;③Fmax為A組和B組剛度穩(wěn)定段結(jié)束時的荷載,為C組剛度退化段結(jié)束時的荷載。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖6可知,A組和B組纖維網(wǎng)格應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為剛度增長階段和剛度穩(wěn)定階段。主要原因是網(wǎng)格中的玄武巖纖維束存在波浪狀彎曲現(xiàn)象,見圖7,文獻[16]也指出由于機織物紗線的彎曲形狀,使得其初始彈性模量明顯較低,當(dāng)所有纖維束均被拉直時進入剛度穩(wěn)定階段;所以,在受拉初期纖維束的變形由纖維束從波浪狀彎曲狀態(tài)逐漸拉直的變形和纖維束微段受拉產(chǎn)生的變形兩部分組成;相較于A組和B組,C組纖維束較硬挺,初始彎曲程度較小,沒有明顯的剛度增長階段,但存在剛度退化階段,主要原因是C組單束纖維面積遠(yuǎn)大于A組和B組(約為10倍),且纖維束環(huán)氧樹脂浸漬效果差,發(fā)生纖維與樹脂剝離破壞,造成宏觀應(yīng)力-應(yīng)變的退化現(xiàn)象。

圖5 玄武巖纖維網(wǎng)格破壞形態(tài)Fig.5 Failure patterns of basalt fibre grid

圖6 試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain behavior of specimens

為克服纖維束初始波浪狀彎曲對材料彈性參數(shù)測量的影響,試驗中通常采用拉伸試驗前施加預(yù)緊力的方法。文獻[4]指出試樣在最終加緊前,應(yīng)在試件上施加2.0±0.2 N/tex的預(yù)張力,文獻[17]則指出應(yīng)施加2.0±0.2 cN/tex的預(yù)張力,兩者相差102倍。本次試驗,以20 N作為初始預(yù)緊力。從應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn),A組和B組仍存在初始彎曲問題。以剛度穩(wěn)定階段的起始應(yīng)力可獲得各試件為克服初始波浪狀彎曲所需施加的預(yù)應(yīng)力,則應(yīng)施加預(yù)應(yīng)力在極限應(yīng)力的6.08%～14.39%之間,各組應(yīng)施加應(yīng)力平均值及變異系數(shù)見圖8。所需施加預(yù)應(yīng)力范圍較大的主要原因是纖維束的初始彎曲程度差異較大,初始彎曲程度的差異性將給通過彈性參數(shù)預(yù)測網(wǎng)格在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力狀態(tài)造成誤差。

圖7 A組單根纖維束圖Fig.7 Basalt fibre bundle of group A

2.3 彈性模量、破壞強度與應(yīng)變

應(yīng)變速率從3.33×10-5s-1增加到3.33×10-4s-1時,對比3種型號的玄武巖纖維網(wǎng)格拉伸試驗結(jié)果,由圖9(a)可知,3種型號的網(wǎng)格的彈性模量在26～34 GPa之間,其中A組彈性模隨應(yīng)變速率的增加呈現(xiàn)增長趨勢,呈現(xiàn)的正相關(guān)性;B組彈性模量出現(xiàn)先降低后增長的趨勢,最大彈性模量與最小彈性模量相差11.29%;C組彈性模量整體小于A組和B組,并在應(yīng)變速率從3.33×105s-1增加到1×10-4s-1時,出現(xiàn)增長趨勢,最大彈性模量與最小彈性模量相差7.02%。B組和C組的彈性模量與應(yīng)變速率的相關(guān)性規(guī)律不明顯。

由圖9(b)可知,3種型號的網(wǎng)格應(yīng)力σ2均大于490 MPa,其中,A組和B組應(yīng)力呈先降低后增加的趨勢,C組應(yīng)力出現(xiàn)先增加后降低的趨勢。

由圖9(c)可知,3種型號的網(wǎng)格ε2均大于1.8%,小于2.5%;從試驗結(jié)果看,3種型號網(wǎng)格ε2變化比較平穩(wěn),A組網(wǎng)格ε2變化了7.39%,B組網(wǎng)格ε2變化了0.91%,C組網(wǎng)格ε2變化了2.25%。C組網(wǎng)格ε2明顯大于A組和B組,且3種型號的網(wǎng)格ε2與應(yīng)變速率無明顯的相關(guān)性。

3種型號的網(wǎng)格雖然均為玄武巖纖維網(wǎng)格,但其材料屬性與應(yīng)變速率相關(guān)性存在明顯的差異性,其原因是材料屬性受纖維束面積、網(wǎng)格尺寸、樹脂浸漬程度等因素的影響。

2.4 纖維束面積、網(wǎng)格尺寸、樹脂浸漬程度的影響

從A組到C組,網(wǎng)格尺寸逐漸增大。B組纖維束面積最小,C組最大。在相同應(yīng)變速率下,B組纖維束破壞時纖維網(wǎng)格錯位較大,緯向纖維束與經(jīng)向纖維束基本發(fā)生分離,大部分纖維束發(fā)生斷裂現(xiàn)象,其破壞劇烈程度大于A組和C組,彈性模量及應(yīng)力σ2隨應(yīng)變速率變化波動較大。A組和C組纖維束破壞時網(wǎng)格相對初始狀態(tài)基本無錯位,緯向纖維束與經(jīng)向纖維束未發(fā)生分離;A組纖維束存在切口式和散開狀破壞,而C組纖維束僅為散開狀破壞;破壞劇烈程度上,A組和C組破壞劇烈程度在試驗設(shè)定的應(yīng)變速率范圍內(nèi)差異性不大,C組比A組緩和。由此可知,纖維束面積增大和纖維束間距變小均能提高非受力向纖維束對受力向纖維束的約束作用,降低纖維網(wǎng)格斷裂時的破壞劇烈程度與應(yīng)變速率的相關(guān)性。

借助電鏡掃描圖像分析各型號纖維束的樹脂浸漬程度。C組樹脂浸漬效果差,纖維束內(nèi)部存在中空現(xiàn)象(圖1(c)),內(nèi)外部纖維絲受力不均勻,發(fā)生散開狀破壞,同時內(nèi)外部纖維絲之間相互滑動導(dǎo)致應(yīng)變ε2較大;A組和B組樹脂浸漬效果比C組均勻(圖1(a)、圖1(b)),單根纖維束內(nèi)外纖維絲受力較均勻,在破壞過程中纖維束主要為切口式破壞,同時,纖維絲之間未發(fā)生滑動,所以A組和B組纖維網(wǎng)格應(yīng)變ε2小于C組。因此,樹脂浸漬程度效果影響纖維束內(nèi)外部纖維絲協(xié)同工作性能,進而影響玄武巖纖維網(wǎng)格的破壞模式與峰值應(yīng)變[18-19]。

B組和A組的彈性模量明顯大于C組,且B組的彈性模量大于A組,由此可知,纖維網(wǎng)格彈性模量受纖維束浸漬程度和纖維束面積的共同影響,且隨著纖維束面積增大和浸漬效果降低而降低。

3 結(jié) 論

(1) 玄武巖纖維網(wǎng)格在單軸受拉時纖維束依次發(fā)生破壞,各緯向纖維束的破壞順序具有隨機性,破壞位置多數(shù)發(fā)生在經(jīng)向與緯向纖維束交節(jié)點處,破壞形態(tài)主要分為切口式和散開狀兩種破壞模式,破壞時纖維絲出現(xiàn)脫黏和斷裂兩種破壞模式。

(2) 對較柔軟纖維束(A組和B組),受纖維編織工藝影響,試驗試件纖維束存在初始彎曲,應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)剛度逐漸增長的初始階段和應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系的剛度穩(wěn)定階段。以剛度穩(wěn)定階段的起始應(yīng)力作為克服初始波浪狀彎曲所需施加的預(yù)應(yīng)力,則應(yīng)施加預(yù)應(yīng)力在極限應(yīng)力的6.08%～14.39%之間。

(3) 單束纖維截面面積和網(wǎng)格尺寸大小影響纖維束受力向斷裂破壞程度,截面面積增大或減小網(wǎng)格尺寸可降低纖維脆性破壞的劇烈程度。在采用同種樹脂和纖維的前提下,樹脂浸漬程度影響纖維與樹脂的協(xié)同工作性能,直接反映在纖維網(wǎng)格復(fù)合材料的應(yīng)變ε2、彈性模量和破壞模式上。

(4)不同網(wǎng)格的速率相關(guān)性并不相同,從本次試驗三組規(guī)格的試驗結(jié)果可知,纖維網(wǎng)格復(fù)合材料極限應(yīng)變受應(yīng)變速率影響較小,彈性模量及峰值應(yīng)力在0.3×10-4～1×10-4s-1區(qū)間變化幅度較大,規(guī)律并不統(tǒng)一,在1×10-4～3×10-4s-1區(qū)間變化趨勢較平穩(wěn),呈現(xiàn)略微增長的趨勢。因此,建議材性測試的應(yīng)變率區(qū)間設(shè)定在1×10-4～3×10-4s-1區(qū)間。

玄武巖纖維具有強度高、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕以及性價比高等眾多優(yōu)點,但影響纖維網(wǎng)格材料力學(xué)性能的因素較多,在產(chǎn)品規(guī)格要求,加工工藝控制及試驗方法的差異性將引起產(chǎn)品力學(xué)性能差異,將影響產(chǎn)品的設(shè)計和利用效率。其在我國作為建筑加固用材依舊處于初期,尤其在玄武巖網(wǎng)格方面,國內(nèi)研究甚少。對玄武巖纖維網(wǎng)格作為建筑加固用材需要進行更深入的研究。

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