復(fù)合式預(yù)應(yīng)力碳纖維板抗沖擊性能的試驗(yàn)研究

區(qū)錫祥 ,朱萬(wàn)旭 ,龐忠華

（1.柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545006；2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004；3.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

碳纖維板材具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕特性，被廣泛應(yīng)用于民用各領(lǐng)域。隨著預(yù)應(yīng)力碳纖維板技術(shù)研究各方面的日趨成熟，薛偉辰[1]等人對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固構(gòu)件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論研究、彭暉[2、3]、尚守平[4、5]等人對(duì)被加固構(gòu)件的受彎、疲勞、長(zhǎng)期徐變性能及加固系統(tǒng)的應(yīng)力損失進(jìn)行了試驗(yàn)研究，應(yīng)用碳纖維板加固后構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度明顯提高；尚守平[6]、陳小英[7]和朱萬(wàn)旭[8]對(duì)碳纖維板與混凝土的黏結(jié)性能、錨具錨固性能進(jìn)行有限元分析及性能試驗(yàn)；國(guó)內(nèi)外使用碳纖維板加固補(bǔ)強(qiáng)普通鋼筋混凝土橋梁的工程日益增多，但在推廣應(yīng)用的同時(shí)，也暴露了一些缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)為，雖然預(yù)應(yīng)力碳纖維板強(qiáng)度高，但碳纖維板是各向異性材料，抗橫向沖擊性能差，運(yùn)輸和施工過(guò)程中難免發(fā)生磕碰損傷。隱蔽式的損傷可能會(huì)導(dǎo)致張拉過(guò)程中突然斷裂，工程應(yīng)用中曾發(fā)生過(guò)這種現(xiàn)象。更加危險(xiǎn)的是，有損傷的碳纖維板在張拉過(guò)程中并沒(méi)有發(fā)生斷裂，而是在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，在各種荷載和環(huán)境的耦合作用下?lián)p傷累積擴(kuò)大，造成碳纖維板突然斷裂，從而導(dǎo)致補(bǔ)強(qiáng)梁可能存在的安全隱患。因此，研究碳纖維復(fù)合材料沖擊損傷的問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)以工程加固常用規(guī)格寬50 mm、厚3 mm的碳纖維板為對(duì)象，研發(fā)沖擊試驗(yàn)裝置對(duì)其進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，并在纖維板沖擊受損后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。分析不同高度的沖擊損傷對(duì)碳纖維板承載性能的影響，對(duì)比在碳纖維板中加入高強(qiáng)鋼絲后，復(fù)合的碳纖維板抗沖擊性能的變化，以更好地保障采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固施工的工程安全。

1 試驗(yàn)裝置

根據(jù)試驗(yàn)用碳纖維板尺寸，設(shè)計(jì)了專用沖擊裝置，由基座、支柱、導(dǎo)軌和落錘等組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，實(shí)物照片如圖2所示?；ㄟ^(guò)地腳螺栓與地面固定以保證裝置穩(wěn)定；基座和兩個(gè)支柱組成裝置的框架系統(tǒng)，導(dǎo)軌是兩根光滑實(shí)心圓柱體，落錘與導(dǎo)軌之間為間隙配合，安裝過(guò)程要求保證支柱、導(dǎo)軌的平行度和它們與基座的垂直度，以保證落錘下落過(guò)程為自由落體沖擊。落錘的V形碰撞底面做半徑為R1mm的倒圓弧處理，以保證落下后與基座對(duì)心碰撞，工作時(shí)以人工方式將落錘提升至設(shè)定高度，釋放后使其自由落體，沖擊試驗(yàn)板。

圖1 沖擊裝置示意圖

圖2 沖擊裝置實(shí)物

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)共用8根截面尺寸均為50 mm×3 mm的碳纖維板，其中4根為純碳纖維板（CFRP），分別編號(hào)為 CFRP-0、CFRP-1、CFRP-2、CFRP-3；另外 4 根為加入15根直徑為1 mm高強(qiáng)鋼絲的碳纖維板（SCFRP），高強(qiáng)鋼絲的體積摻量為7.85%，分別編號(hào)為SCFRP-0、SCFRP-1、SCFRP-2、SCFRP-3.

2.1 沖擊試驗(yàn)

為選擇一個(gè)合適的試驗(yàn)沖擊高度，先對(duì)兩類碳纖維板進(jìn)行了一系列落錘高度的嘗試性沖擊試驗(yàn)，落錘高度則在0.1 m~2 m范圍每隔0.1 m取一個(gè)高度值。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)落錘高度達(dá)到1.4 m時(shí)，純碳纖維板直接被沖斷；當(dāng)落錘高度達(dá)到1.7 m時(shí)耦合鋼絲碳纖維板也被直接被沖斷。在對(duì)比了不同高度的沖擊對(duì)碳纖維板的損傷情況后，考慮落錘高度在0.5 m時(shí)，碳纖維板強(qiáng)度按標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度計(jì)算還剩余70%左右，處于工程安全的臨界狀態(tài)，因此選擇落錘高度為0.5 m進(jìn)行抗沖擊性能對(duì)比試驗(yàn)。

編號(hào)為CFRP-0和SCFRP-0的碳纖維板作為對(duì)照不做沖擊，將其余碳纖維板依次放置于沖擊裝置的底部位置，調(diào)整使其中部的位置置于落錘底部，將落錘提升0.5 m后無(wú)初速度釋放，使其沿導(dǎo)向桿做自由落體。落錘質(zhì)量為10.48 kg，質(zhì)心高度為88.89 mm，故沖擊能量為Q=mgh=61.72 J.落錘在碳纖維板表面產(chǎn)生沖擊傷痕，所有碳板均沿其沖擊傷痕方向均勻做5個(gè)測(cè)點(diǎn)，用精度為0.01的游標(biāo)卡尺對(duì)產(chǎn)生的沖擊傷痕點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得其數(shù)據(jù)。

2.2 沖擊后碳纖維板張拉

將沖擊后的碳纖維板張拉安裝成錨具組件，兩端通過(guò)張拉桿與水平反力架連接，一端為固定，另一端為張拉端加載。安裝錨具組件時(shí)保證試件的軸線與拉伸裝置的軸線一致，通過(guò)測(cè)量千斤頂活塞的伸長(zhǎng)量并考慮錨具內(nèi)縮量，以計(jì)算出碳纖維板的延伸率。采用分級(jí)單調(diào)加載，前三級(jí)荷載，每級(jí)20 kN，之后每10 kN為一荷載等級(jí)，直至破壞。在每級(jí)荷載下觀察碳纖維板的變形、開(kāi)裂情況，特別是碳纖維板上預(yù)先產(chǎn)生的沖擊破損處的發(fā)展變化情況，以及整根碳纖維板的破壞情況。碳纖維板拉伸加載現(xiàn)場(chǎng)圖如圖3所示。為保護(hù)試驗(yàn)過(guò)程觀察時(shí)的安全，設(shè)置透明防護(hù)罩防止碳纖維板突然開(kāi)裂時(shí)纖維飛濺。

圖3 碳板拉伸現(xiàn)場(chǎng)

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

3.1 沖擊損傷分析

碳纖維板沖擊后材料損傷測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，1-1、1-2、1-3為普通 CFPR 纖維板，2-1、2-2、2-3為加入高強(qiáng)鋼絲的復(fù)合碳纖維板SCFRP，損傷程度為傷痕深度與碳板厚度之比。分析表中數(shù)據(jù)可知，在未對(duì)碳纖維板施加荷載的條件下，當(dāng)其表面受到相同能量的沖擊時(shí)，含高強(qiáng)鋼絲的復(fù)合碳纖維板的損傷程度比純碳纖維板的損傷平均深度程度輕，說(shuō)明鋼絲在一定程度上抑制了碳纖維板表面受到?jīng)_擊荷載時(shí)的損傷，并對(duì)與鋼絲所在同一層面及以下層面的碳纖維絲進(jìn)行有效的保護(hù)。

表1 碳纖維板受損程度數(shù)據(jù)（單位：mm）

3.2 沖擊后拉伸試驗(yàn)

取沖擊試驗(yàn)后的碳纖維板進(jìn)行加載，在初始受力階段，碳纖維板上被沖擊破損的傷痕寬度略有加寬，無(wú)其他明顯變化；隨著荷載等級(jí)的增加，沖擊破損處的碳板開(kāi)始出現(xiàn)輕微的翻卷并伴隨有一些清脆的響聲，這是受沖擊處內(nèi)部被落錘砸傷之處，表面雖然未表現(xiàn)出斷裂，但實(shí)際上已經(jīng)形成損傷，隨著荷載的增加逐漸斷裂并剝離；隨著荷載的繼續(xù)增加，破損處切口層繼續(xù)剝離，切口里面殘余的碳纖維絲漸漸地?cái)嗔汛M，并伴隨有不斷的響聲，碳板逐漸清晰的分為了兩層，上部的切口層也剝離得越來(lái)越明顯，含高強(qiáng)鋼絲的復(fù)合碳纖維板則清晰的露出內(nèi)部鋼絲，而且上表層還會(huì)錯(cuò)位；荷載繼續(xù)增加時(shí)，切口層逐漸完全剝離，錯(cuò)位范圍加大，逐漸延伸至錨固端，切口層的碳纖維板已經(jīng)退出工作；繼續(xù)加荷，隨著荷載增加到一定程度，開(kāi)始出現(xiàn)比較大的響聲，說(shuō)明未受損的碳纖維絲也開(kāi)始斷裂，而且響聲會(huì)持續(xù)，繼續(xù)加載至極限狀態(tài)時(shí)，碳纖維板突然斷裂，而且聲響巨大，斷裂的碳纖維板釋放出的巨大能量將兩側(cè)的碳纖維炸成絲束狀四面發(fā)散，但之前受到?jīng)_擊已經(jīng)斷裂的纖維層只是產(chǎn)生幾道裂縫，依舊保持片狀形態(tài)，說(shuō)明原來(lái)已經(jīng)斷裂的纖維層幾乎不分擔(dān)荷載所加在整個(gè)碳纖維板上的能量；而加入高強(qiáng)鋼絲的復(fù)合碳纖維板破壞時(shí)和純碳纖維板相似，鋼絲層以上受沖擊破壞的碳纖維板層受到?jīng)_擊發(fā)生斷裂，破壞時(shí)呈片狀，幾乎不分擔(dān)產(chǎn)生的能量，鋼絲則屈服最終被拉斷，鋼絲以下的碳纖維層依舊呈絲束狀炸裂向四周發(fā)散，如圖4、5所示。

圖4 CFRP板破壞

圖5 SCFRP板破壞

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

將各組碳纖維板受力與伸長(zhǎng)量制成曲線圖，如圖6所示，可以看出，無(wú)論碳板是否含高強(qiáng)鋼絲，其拉力與伸長(zhǎng)量均呈線性變化，受損的碳板斜率明顯降低，可見(jiàn)受損后其彈性模量有所下降。受損的復(fù)合碳板和純碳板的斜率相差不大，但含鋼絲碳板的承載力有所提高。從表2中可以得出，碳板在表面受損情況下，其承載力均降低20%~30%，對(duì)比進(jìn)而得出，含鋼絲的碳板的剩余承載力要比純碳板的高10%左右。

圖6 破損碳纖維板力-伸長(zhǎng)率曲線

表2 試驗(yàn)與理論數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)比表1和表2發(fā)現(xiàn)，CFRP板和SCFRP板測(cè)得的沖擊損傷程度均為15%左右，而CFRP板的承載能力降低了20%~30%，如果碳板中碳纖維絲在受到張拉力時(shí)受力均等，則按損傷程度可以推斷其承載力也應(yīng)降低15%左右，與結(jié)果相差比較大。結(jié)合試驗(yàn)初期有輕微的崩斷聲，根據(jù)Carins[9]研究發(fā)現(xiàn)纖維斷裂是影響層合板拉伸強(qiáng)度的主要因素，可以推斷當(dāng)碳纖維板表面受到?jīng)_擊荷載時(shí)，除了肉眼可以觀察到的纖維斷裂損傷，碳板內(nèi)部的纖維絲也受到影響而導(dǎo)致部分損傷甚至斷裂。對(duì)比CFRP板和SCFRP板，根據(jù)測(cè)得的損傷程度發(fā)現(xiàn)，碳板中加入高強(qiáng)鋼絲后表面受損程度并無(wú)較大改善，但剩余承載力卻有明顯的提高，表明碳纖維板中高強(qiáng)鋼絲對(duì)其表面抗沖擊保護(hù)的程度雖不明顯，但對(duì)其引起的內(nèi)部損傷起到的抑制效果比較明顯，從而使受到?jīng)_擊損傷后的剩余承載能力較大幅度的提高，結(jié)合損傷程度與承載力發(fā)現(xiàn)碳板中鋼絲確實(shí)可以提高其抗沖擊性。

4 結(jié)論

通過(guò)以上試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

（1）碳纖維板表面即使受到是輕微的沖擊損傷，也會(huì)使其極限承載力嚴(yán)重的下降，且下降值的大小與受沖擊損傷程度呈正相關(guān)。

（2）CFRP板和SCFRP板表面受到?jīng)_擊損傷后，在受到拉伸荷載時(shí)，其變形值依舊隨著荷載呈線性變化。

（3）碳纖維板中加入高強(qiáng)鋼絲可以提高其抗沖擊性能，在其表面受到損傷的時(shí)候?qū)?nèi)部損傷起到了一定的抑制作用，從而相對(duì)于純碳纖維板，有效地提高了其剩余承載力。

試驗(yàn)中得出碳板中加入高強(qiáng)鋼絲可以提高其表面抗沖擊剪切能力，是以后研究其抗沖擊性能的一個(gè)重要方向，但本試驗(yàn)是在特定的沖擊能量和固定的鋼絲摻量下進(jìn)行的，對(duì)于不同型號(hào)的碳纖維板以及其中加入鋼絲的摻量、直徑對(duì)其沖擊損傷情況和剩余承載能力的影響還有待研究。

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