泡沫和輕木夾芯復(fù)合材料梁疲勞性能的對(duì)比

楊翔宇,霍瑞麗,李季樂,陳登楊,方 海

(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211816)

1 前 言

復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)作為面板,泡沫、輕木等輕質(zhì)材料作為芯材,充分發(fā)揮各種組分材料的優(yōu)勢(shì),在不顯著增加結(jié)構(gòu)重量的同時(shí),有效提高了結(jié)構(gòu)的整體受力性能,符合現(xiàn)代工程裝配式建造和可持續(xù)發(fā)展需求,在土木基礎(chǔ)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

巴沙木(Balsa)和聚氨酯泡沫是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)領(lǐng)域理想的芯材材料。巴沙木生長速度快、密度小、力學(xué)性能穩(wěn)定,聚氨酯泡沫質(zhì)量輕、保溫隔熱、耐腐蝕、防震性能好[3-7]。為提升傳統(tǒng)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的界面性能,本課題組提出了多種格構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)形式,通過研究表明,增強(qiáng)后結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的力學(xué)性能,目前已以梁、板、柱、拱等構(gòu)件形式成功應(yīng)用于房屋建筑、路橋面板及橋梁防撞裝置[8-11]。

由于復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)材料的不連續(xù)性,在交變荷載作用下,結(jié)構(gòu)的界面、芯材、面板等將產(chǎn)生損傷。當(dāng)損傷累積到一定程度,隨著荷載的增加和持續(xù)作用,構(gòu)件內(nèi)部發(fā)生較嚴(yán)重的疲勞破壞[12]。張響鵬等[13]對(duì)泡桐木夾芯梁進(jìn)行4點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),其破壞形式主要有界面脫黏、芯材剪切、面板分層等,根據(jù)疲勞試驗(yàn)結(jié)果擬合得到了泡桐木夾芯梁的壽命預(yù)測(cè)公式；楊方宇等[14]開展了格構(gòu)增強(qiáng)型泡沫夾芯復(fù)合材料單向板和縱向腹板增強(qiáng)泡沫夾芯梁的疲勞試驗(yàn),研究了格構(gòu)腹板增強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響規(guī)律；史慧媛等[15-16]研究了跨高比、荷載等級(jí)、格構(gòu)設(shè)置形式等對(duì)巴沙木夾芯梁靜力性能和疲勞性能的影響。

本研究對(duì)比分析了輕木、泡沫兩種芯材與有無格構(gòu)增強(qiáng)情況下復(fù)合材料夾芯梁的疲勞性能,分析了破壞形態(tài),預(yù)測(cè)了疲勞壽命。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件

參照ASTM C393規(guī)范[17],選取工程中應(yīng)用前景好、強(qiáng)度高、成本低的雙軸向E 型無堿玻璃纖維布制作玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)面板,玻璃纖維布的面密度為800 g/m2；巴沙木(密度為140 kg/m3)和聚氨酯泡沫(密度為60 kg/m3)作為芯材,設(shè)計(jì)制作四種類型的復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)試件,見表1。

表1 復(fù)合材料夾芯試件尺寸Table 1 Details of composite sandwich specimens mm

四種試件均在(25±5)℃,濕度30%～65%,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下采用真空導(dǎo)入工藝進(jìn)行制備。首先將聚氨酯泡沫和巴沙木進(jìn)行切割,為防止疲勞加載時(shí)發(fā)生界面剝離,增強(qiáng)面板和芯材的粘結(jié)性,對(duì)木質(zhì)芯材表面進(jìn)行刻痕開槽,槽的寬度和深度約為2 mm。然后對(duì)腹板和面板鋪設(shè)纖維,無格構(gòu)試件纖維布的鋪設(shè)順序?yàn)?°、(0,90°)、±45°,格構(gòu)增強(qiáng)試件的芯材先用±45°玻璃纖維布纏包,擺放平整后,再在上下面層鋪設(shè)(0,90°)、0°玻璃纖維布。鋪設(shè)完成后真空導(dǎo)入樹脂,固化穩(wěn)定后切割成型。試件制備流程如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料夾芯試件制作過程Fig.1 Production process of composite sandwich specimens

通過材性試驗(yàn)可得,GFRP 面板抗拉強(qiáng)度為231.90 MPa,彈性模量為12.95 GPa；巴沙木抗剪強(qiáng)度為1.65 MPa,剪切模量為0.12 GPa；聚氨酯泡沫抗剪強(qiáng)度為0.36 MPa,剪切模量為4.10 GPa。

2.2 靜載試驗(yàn)

試件全長l為350 mm,支座間跨度l0為300 mm,加載點(diǎn)之間的間距為100 mm。根據(jù)ASTM C393[17],使用MTS-370萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)四組試件(每組3個(gè))進(jìn)行四點(diǎn)彎靜載試驗(yàn)(圖2),加載采用位移控制,速率為2 mm/min,同步采集荷載、位移、應(yīng)變等數(shù)據(jù)。

圖2 靜力試驗(yàn)加載示意圖(尺寸:mm)Fig.2 Diagram of static loading test(unit:mm)

2.3 疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)在MTS-370電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行(見圖3),試驗(yàn)加載通過控制力來實(shí)現(xiàn),荷載方式為

圖3 疲勞試驗(yàn)加載Fig.3 Fatigue test loading

正弦波。荷載等級(jí)r定義為r=Pmax/Pu,其中:Pu為靜載試驗(yàn)中試件破壞的極限荷載,Pmax為疲勞試驗(yàn)中荷載的最大值,本次試驗(yàn)荷載等級(jí)取0.6,0.75,0.9；應(yīng)力比定義為R=Pmin/Pmax,其中:Pmin為疲勞試驗(yàn)中荷載的最小值,對(duì)所有疲勞試驗(yàn)取R=0.2。當(dāng)加載時(shí)試件的豎向變形過大(位移超過15 mm)或荷載循環(huán)次數(shù)達(dá)到106時(shí),試驗(yàn)終止。

3 結(jié)果與討論

3.1 靜載試驗(yàn)

靜力加載時(shí),未設(shè)置格構(gòu)的試件破壞前試驗(yàn)機(jī)記錄的荷載值突然下降,繼續(xù)加載,面板和芯材發(fā)生明顯脫層,部分試件的芯材出現(xiàn)剪切裂紋；設(shè)置兩道縱向格構(gòu)的試件,芯材與格構(gòu)纖維布纏繞包裹為一個(gè)整體,芯材未出現(xiàn)剪切裂紋,發(fā)生面板的屈曲破壞。四點(diǎn)彎靜載試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表可見,巴沙木試件的極限承載力數(shù)值具有一定的離散性,這與木材順紋和橫紋方向的力學(xué)強(qiáng)度差異性有關(guān)；巴沙木夾芯試件極限承載力遠(yuǎn)大于以聚氨酯泡沫為芯材的試件承載力；未設(shè)置格構(gòu)的巴沙木夾芯結(jié)構(gòu)的極限承載力與格構(gòu)增強(qiáng)泡沫夾芯試件極限承載力值較接近,是未設(shè)置格構(gòu)的聚氨酯泡沫夾芯梁承載力的15倍；縱向格構(gòu)增強(qiáng)巴沙木夾芯試件的承載力是增強(qiáng)后聚氨酯泡沫夾芯試件的2.2倍?？梢?格構(gòu)增強(qiáng)方法對(duì)提高聚氨酯泡沫的承載力更有效,增強(qiáng)后芯材的抗剪強(qiáng)度和界面的粘結(jié)性能顯著提高,結(jié)構(gòu)的破壞模式發(fā)生改變。

表2 復(fù)合材料夾芯試件的極限承載力Table 2 Ultimate bearing capacity of composite sandwich specimens

3.2 無格構(gòu)復(fù)合材料夾芯梁疲勞破壞形態(tài)

疲勞加載時(shí),兩種芯材的無格構(gòu)復(fù)合材料夾芯試件的破壞模式主要有:面板屈曲、芯材凹陷和芯材剪切。當(dāng)荷載等級(jí)為0.6時(shí),循環(huán)次數(shù)達(dá)到106時(shí)終止試驗(yàn),無格構(gòu)巴沙木夾芯試件(BN)和無格構(gòu)泡沫夾芯試件均未發(fā)生破壞,試件外觀無明顯變形；當(dāng)荷載等級(jí)為0.7時(shí),BN 和FN 試件發(fā)生芯材剪切和界面剝離破壞,試件破壞前無明顯預(yù)兆。隨著加載進(jìn)行,在相對(duì)其總壽命較短的時(shí)間內(nèi),芯材在彎剪段出現(xiàn)裂紋且裂紋迅速向面層擴(kuò)展,當(dāng)裂紋擴(kuò)展至GFRP 面板時(shí),界面脫粘,隨后出現(xiàn)斷裂聲且芯材發(fā)生剪切破壞,表現(xiàn)出明顯的脆性特征；當(dāng)荷載等級(jí)為0.9時(shí),試件的破壞形態(tài)和損傷過程與荷載等級(jí)為0.7時(shí)較為相似。

圖4 疲勞加載時(shí)無格構(gòu)復(fù)合材料夾芯梁典型破壞形式 (a)巴沙木芯夾試件芯材剪切破壞；(b)泡沫夾芯試件界面剝離破壞Fig.4 Typical failure modes of specimens without lattice-webs under fatigue loads(a)shear failure of Balsa core specimen；(b)interface debonding of foam core specimen

圖5展現(xiàn)了試件最大撓度與相對(duì)壽命(當(dāng)前循環(huán)與總循環(huán)之比)之間的關(guān)系。荷載等級(jí)為0.6時(shí),加載到破壞過程中夾芯試件的撓度變形很小,介于3～5 mm之間,試件剛度基本未發(fā)生變化。荷載等級(jí)分別為0.75和0.9時(shí),跨中撓度呈三階段變化:加載初期,撓度呈現(xiàn)迅速增長的趨勢(shì)；很快就進(jìn)入撓度平穩(wěn)變化階段,撓度增速放緩,基本呈線性。在此階段試件內(nèi)部損傷不斷出現(xiàn)和累積,表現(xiàn)在出現(xiàn)細(xì)小裂紋且裂紋不斷擴(kuò)展,直至面板與芯材的界面粘結(jié)處發(fā)生局部脫層剝離,但試件仍能保持一定的剛度。這一階段占了試件壽命的90%,而撓度變化只占全壽命的10%～20%；經(jīng)歷一段時(shí)間后,試件撓度迅速增加,出現(xiàn)貫穿芯材的裂紋或是發(fā)生大面積的界面脫粘,直至破壞。此階段只占全壽命的10%,卻產(chǎn)生80%～90%的撓度變形。同種芯材結(jié)構(gòu)試件,荷載等級(jí)越高,第一階段撓度增長越快；相同荷載等級(jí)下,泡沫夾芯試件的撓度明顯大于巴沙木夾芯試件,發(fā)生疲勞破壞時(shí),泡沫夾芯試件的撓度也遠(yuǎn)大于巴沙木夾芯試件。可見聚氨酯泡沫夾芯試件具有較強(qiáng)的變形能力。

圖5 無格構(gòu)復(fù)合材料夾芯試件的豎向位移曲線 (a)r=0.6；(b)r=0.75；(c)r=0.9Fig.5 Displacement evolution of specimens without lattice-web (a)r=0.6；(b)r=0.75；(c)r=0.9

3.3 格構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料夾芯梁疲勞破壞形態(tài)

靜載試驗(yàn)結(jié)果表明,縱向格構(gòu)的設(shè)置可有效提高結(jié)構(gòu)的抗彎剛度和剪切強(qiáng)度,也影響結(jié)構(gòu)的破壞模式。縱向格構(gòu)增強(qiáng)巴沙木夾芯試件的破壞模式為底層受拉區(qū)GFRP面板的纖維斷裂和上部受壓區(qū)GFRP 面板的屈曲(圖6a)。其中大部分試件均發(fā)生純彎段的下面板斷裂,同時(shí)伴隨芯材的碎裂、飛濺。荷載等級(jí)為0.9時(shí),部分試件跨中上面板發(fā)生屈曲(圖6b)。格構(gòu)增強(qiáng)的聚氨酯泡沫芯材試件在0.6荷載等級(jí)下循環(huán)加載106次未發(fā)生疲勞破壞；荷載等級(jí)0.75時(shí),表現(xiàn)為面板的屈曲破壞和芯材的受剪破壞,切掉試件破壞處的泡沫,發(fā)現(xiàn)縱向格構(gòu)出現(xiàn)了分層和斷裂,下面板和格構(gòu)之間的纖維布也出現(xiàn)了分層,可見格構(gòu)的屈曲引起整體結(jié)構(gòu)的界面剝離破壞(圖6c)。荷載等級(jí)0.9時(shí),試件彎剪段面板發(fā)生屈曲破壞(圖6d)。

圖6 格構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料夾芯試件的破壞模式 (a)下面板拉斷；(b)上面板屈曲；(c)格構(gòu)屈曲引起界面剝離；(d)上面板屈曲Fig.6 Fatigue failure modes of sandwich specimens with lattice-webs (a)fiber tensile failure of the bottom GFRP face sheet；(b)buckling failure of the upper face sheet；(c)interface debonding；(d)local buckling failure of the upper face sheet

疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明,兩種芯材試件的破壞均具有典型的脆性破壞特征。加載初期,格構(gòu)增強(qiáng)試件的變形規(guī)律與無格構(gòu)試件相似,無肉眼可見的裂紋,撓度變形增長緩慢；隨加載次數(shù)的增加,彎剪段出現(xiàn)第一條裂紋并迅速擴(kuò)展,隨后兩端的彎剪段出現(xiàn)多條裂紋,擴(kuò)展后導(dǎo)致面板和芯材界面脫粘；隨撓度的增加,試件發(fā)出清脆的斷裂聲,直至面板中的纖維被拉斷或折斷。結(jié)果表明,格構(gòu)增強(qiáng)試件可帶裂紋工作,從芯材產(chǎn)生微裂紋至試件破壞的服役時(shí)間較長,與無格構(gòu)試件相比,表現(xiàn)出較好的延性。圖7是格構(gòu)增強(qiáng)夾芯試件的最大撓度-相對(duì)壽命曲線,撓度變化與無格構(gòu)夾芯試件相似,也呈三階段變化特征。第一、三階段共占據(jù)總壽命的10%左右,第二階段持續(xù)時(shí)間較長。結(jié)果表明,格構(gòu)增強(qiáng)夾芯試件在芯材出現(xiàn)裂縫時(shí)仍可持續(xù)性加載,表現(xiàn)出很好的延性；荷載等級(jí)較低時(shí),格構(gòu)增強(qiáng)泡沫夾芯復(fù)合材料梁的撓度小于巴沙木夾芯梁,說明纖維腹板的設(shè)置對(duì)泡沫夾芯梁剛度的提升效果更顯著；荷載等級(jí)較高時(shí),加載后期,格構(gòu)增強(qiáng)泡沫夾芯復(fù)合材料梁撓度變化平穩(wěn),表現(xiàn)出較好的延性。

圖7 格構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料夾芯試件的豎向位移曲線 (a)r=0.6；(b)r=0.75；(c)r=0.9Fig.7 Displacement evolution of sandwich specimens with lattice-webs (a)r=0.6；(b)r=0.75；(c)r=0.9

4 疲勞壽命分析

繪制S-N曲線能夠直觀地反映結(jié)構(gòu)的疲勞性能。本研究選取精度較高的冪函數(shù)S-N曲線模型(式(1)),冪函數(shù)模型中,S和N的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系(式(2)),在坐標(biāo)系中表達(dá)更加簡(jiǎn)潔直觀。計(jì)算得到四類試件的疲勞壽命如圖8所示。

式中:S為荷載水平；N為疲勞加載破壞時(shí)循環(huán)次數(shù)；a、b為與材料特性、荷載參數(shù)、格構(gòu)布置、環(huán)境等相關(guān)的參數(shù)。

從圖8可以看出,巴沙木、聚氨酯泡沫兩種夾芯梁的疲勞壽命受格構(gòu)設(shè)置的影響較大,其中巴沙木夾芯結(jié)構(gòu)受到的影響更為顯著。格構(gòu)增強(qiáng)后試件的S-N曲線斜率均小于無格構(gòu)夾芯試件,在較高荷載等級(jí)的作用下,有格構(gòu)增強(qiáng)的試件荷載循環(huán)次數(shù)更高,耐疲勞性能更好；在較低荷載等級(jí)的作用下,無格構(gòu)試件疲勞壽命更長,耐疲勞性能更好。

圖8 不同芯材復(fù)合材料夾芯試件疲勞壽命曲線Fig.8 S-N Curves of Composite Sandwich specimen with different core materials

無格構(gòu)巴沙木夾芯和聚氨酯泡沫夾芯試件的S-N曲線斜率相近,相同荷載等級(jí)下,聚氨酯泡沫夾芯試件的疲勞壽命更長。對(duì)于格構(gòu)增強(qiáng)型試件,荷載等級(jí)較低時(shí),聚氨酯泡沫夾芯試件的疲勞壽命比巴沙木夾芯試件長；在高荷載等級(jí)下(0.9)格構(gòu)增強(qiáng)兩種芯材試件疲勞壽命接近,聚氨酯泡沫夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的疲勞壽命更長。

四種試件的疲勞壽命還可以結(jié)合試驗(yàn)中試件的破壞形態(tài)來分析。無格構(gòu)試件發(fā)生疲勞破壞由芯材剪切破壞引起,格構(gòu)增強(qiáng)試件發(fā)生疲勞破壞由裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致面板失效引起。在較高等級(jí)荷載作用下,試件產(chǎn)生初始裂紋相對(duì)較早。無格構(gòu)試件產(chǎn)生裂紋后立即發(fā)生破壞,格構(gòu)增強(qiáng)試件因有格構(gòu)的約束帶裂紋工作一段時(shí)間后再出現(xiàn)面板破壞,表現(xiàn)出較好的延性。當(dāng)荷載等級(jí)較低時(shí),加載到106次時(shí),兩種芯材試件的承載力均未達(dá)到試件的極限承載力,裂紋的萌生持續(xù)時(shí)間較長,是否設(shè)置格構(gòu)對(duì)試件的疲勞壽命影響不大。

5 結(jié) 論

本研究選取聚氨酯泡沫、巴沙木夾芯復(fù)合材料梁為研究對(duì)象,通過4組試件的彎曲靜載試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn),對(duì)比研究了格構(gòu)增強(qiáng)前后兩種芯材梁的靜力性能和疲勞性能,并進(jìn)行了壽命預(yù)測(cè)。

1.靜載作用下,巴沙木夾芯復(fù)合材料梁的極限承載力遠(yuǎn)大于聚氨酯泡沫夾芯梁的極限承載力；未設(shè)置格構(gòu)的巴沙木夾芯梁的極限承載力是未設(shè)置格構(gòu)的聚氨酯泡沫夾芯梁極限承載力的15倍,縱向格構(gòu)增強(qiáng)的巴沙木夾芯試件的承載力是同種方法格構(gòu)增強(qiáng)聚氨酯泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的2.2倍；因此,格構(gòu)增強(qiáng)方案對(duì)提高聚氨酯泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的承載力更有效。

2.縱向格構(gòu)約束了芯材的剪切變形,提高了纖維面層與芯材界面的粘結(jié)性能及結(jié)構(gòu)的整體剛度和延性。不同等級(jí)疲勞荷載作用下,四種夾芯梁的撓度變化均呈現(xiàn)三階段特征。隨著荷載等級(jí)的提高,無格構(gòu)增強(qiáng)夾芯梁破壞時(shí)脆性更為顯著。格構(gòu)布置對(duì)巴沙木、聚氨酯泡沫兩種夾芯結(jié)構(gòu)的疲勞壽命影響顯著,荷載等級(jí)越高,格構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)的耐疲勞性能影響越大。

3.格構(gòu)增強(qiáng)對(duì)提高巴沙木夾芯梁疲勞性能更為顯著。對(duì)于無格構(gòu)增強(qiáng)夾芯梁,在相同荷載等級(jí)作用下,聚氨酯泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大于巴沙木夾芯結(jié)構(gòu)；對(duì)于格構(gòu)增強(qiáng)夾芯梁,在低荷載等級(jí)下,聚氨酯泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大于巴沙木夾芯結(jié)構(gòu),在較高荷載等級(jí)作用下,兩類芯材結(jié)構(gòu)的疲勞壽命接近。