玄武巖纖維增強鋼層合板拉伸性能研究

李耘宇 石蜀雁

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)船海與能源動力工程學(xué)院2) 武漢 430063)

0 引 言

纖維增強金屬層合板(fiber metal laminate，F(xiàn)ML)是由金屬層和纖維增強復(fù)合材料層(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)按一定順序鋪疊而成的復(fù)合材料[1-2]，結(jié)合了FRP與金屬的優(yōu)點，強度大、耐疲勞、抗沖擊，得到了國內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān)注與研究.Corte′s等[3-5]對鈦基碳纖維層合板(TI-CF FMLs)進行了擬靜力拉伸試驗與疲勞試驗.結(jié)果表明：TI-CF FMLs有著極好的拉伸性能，且與鈦合金相比有更優(yōu)越的疲勞性能.廖建[6]對玻璃纖維增強鋁層合板(glass-fibre reinforced aluminium laminate，GLARE)進行了拉伸試驗和四點彎曲試驗，發(fā)現(xiàn)GLARE克服了單一復(fù)合材料和金屬材料的不足，不但比強度和比剛度高，還具有金屬材料的韌性和可加工性.Carrillo等[7]研究了一種基于自增強聚丙烯(self-reinforced polypropylene, SRPP)復(fù)合材料和鋁合金的新型熱塑性基體FML的力學(xué)性能.結(jié)果表明:這種新型FML比普通熱塑性復(fù)合材料有更高的強度，破壞應(yīng)變也比普通鋁合金大得多.藺曉紅[8]通過ABAQUS有限元分析軟件模擬了低速和高速沖擊下的碳纖維增強鋁合金層合板(carbon-fibre reinforced aluminium laminate，CARALL)，從變形、吸能,以及試件中的金屬和復(fù)合材料的損傷等角度進行了對比分析，以此討論CARALL承載過程中的動力響應(yīng)及損傷.康欣然[9]建立了GLARE加筋壁板在沖擊作用下的仿真模型，并研究了沖擊角度及沖擊位置對整個結(jié)構(gòu)件的沖擊性能影響，得到了 GLARE加筋壁板抗高速沖擊的薄弱部位.劉芳芳[10]考察了鋪層順序?qū)雍习蹇箾_擊性能的影響，并針對抗沖擊性能對層合板金屬層厚度進行多目標優(yōu)化.孫靜等[11]研究了金屬類型、體積分數(shù)以及鋪層角度對TI-CF FML比拉伸性能的影響.綜上所述，F(xiàn)ML能充分發(fā)揮FRP與金屬的特性，與FRP相比有著更高的剛度與延性，與傳統(tǒng)金屬材料相比則有著更好的能量吸收能力和抗沖擊性能[12].

然而，F(xiàn)ML中常用的金屬材料(鋁合金、鎂合金或鈦合金等)成本過高，限制了其在土木工程等領(lǐng)域的應(yīng)用.而鋼材作為傳統(tǒng)建筑材料，在有著優(yōu)越性能的同時，成本低廉.作為FRP中常用的一種增強纖維，玄武巖纖維綠色環(huán)保、力學(xué)性能優(yōu)異、成本低廉、耐久性好.因此，文中提出將玄武巖纖維增強復(fù)合材料(basalt fiber reinforced polymer，BFRP)與鋼結(jié)合，制成了新型材料BSRL(basalt fiber reinforced steel laminate)，研究探討了該材料在單軸拉伸下的力學(xué)性能并提出了其拉伸作用下的本構(gòu)模型，探討了纖維體積比(fiber volume fraction，F(xiàn)VF)對材料性能的影響.

1 試驗概況

1.1 試驗材料特性

試件BSRL所使用的玄武巖纖維布由四川某公司生產(chǎn)，厚度為0.115 mm，膠黏劑采用大連某公司生產(chǎn)的JGN-T型建筑結(jié)構(gòu)膠，鋼板均為16Mn鋼.各材料性能參數(shù)見表1.除鋼板的材料參數(shù)由拉伸試驗確定外，其余材料參數(shù)均由廠家提供.由于BSRL中的膠含量很少，因此計算總質(zhì)量時，結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)量忽略不計.

表1 材料的基本性能

1.2 試件設(shè)計與制備

制備的BSRL試件共三組，由內(nèi)部鋼板與外部0°方向的單向纖維布復(fù)合而成.方便起見，對試件進行編號，編號由兩部分組成，第一部分的字母表示試件種類，第二部分的數(shù)字表示外部纖維布的層數(shù).例如，BSRL2代表在鋼板兩面分別對稱鋪設(shè)2層0°方向玄武巖纖維布的BSRL.內(nèi)部鋼板尺寸及形狀參照文獻[13]，見圖1與表2.

圖1 BSRL試件示意圖與實物圖

表2 BSRL試件分組及參數(shù)

試驗中BSRL試件均為手糊成型，其具體制備工藝如下：①用酒精或丙酮擦除鋼板表面的油污和雜質(zhì)；②去除鋼板表面氧化層并對鋼板表面進行粗化處理，而后再用酒精除去鋼板表面碎屑，確保膠黏劑能完全浸潤鋼材表面；③將裁好并充分浸漬結(jié)構(gòu)膠的玄武巖纖維布與鋼板黏結(jié)，擠去多余的結(jié)構(gòu)膠并保證纖維束的軸向與鋼板長度方向平行；④將配重塊置于制作好的試件上以避免出現(xiàn)初始撓曲，在室溫下固化成型.根據(jù)文獻[14]，為防止BSRL在拉伸過程中端頭處的BFRP過早斷裂，在端頭處設(shè)置了鋁制的加強片，最終制作成型的BSRL試件.

1.3 試驗加載與測量裝置

單調(diào)軸向拉伸試驗利用濟南某集團生產(chǎn)的WDW-B200E萬能試驗機進行加載，加載全程采用1 mm/min的位移速度進行加載控制.BSRL變形數(shù)據(jù)由兩套采集系統(tǒng)測量得到：外部BFRP斷裂前的數(shù)據(jù)由電子引伸計測量得到；外部BFRP斷裂后的數(shù)據(jù)由試驗機夾頭位移通過計算得到.圖2為單調(diào)加載速率.

圖2 單調(diào)加載速率

2 試驗結(jié)果與理論模型

2.1 試驗結(jié)果與分析

圖3為BSRL荷載-位移曲線.三組BSRL試件在加載過程中都有著極為相似的試驗現(xiàn)象：在加載初期，外部BFRP與內(nèi)部鋼板均處于彈性階段，表現(xiàn)為荷載隨位移呈線性增長；當(dāng)位移增長至0.12 mm時，BSRL試件在位移相同的情況下，荷載的增加幅度減小，但仍持續(xù)穩(wěn)定地增加且荷載-位移曲線仍幾乎為直線，即為BSRL穩(wěn)定的二次剛度.隨著荷載的增加，試件發(fā)出“啪啪”的響聲，此時中部的BFRP開始出現(xiàn)微小的裂縫；當(dāng)位移增至1.5 mm，荷載達到最大值，試件發(fā)出短暫的巨響，中部纖維崩裂，但并未炸開(見圖4)，此時承載能力迅速下降且位移幾乎不再增加，荷載全部由內(nèi)部鋼板承擔(dān).試驗過程中，BSRL均沒有產(chǎn)生明顯的剝離現(xiàn)象，其破壞形式也與理想破壞形式比較一致.

圖3 BSRL荷載-位移曲線

圖4 BSRL典型破壞模式

3組試件的承載能力見圖5.由圖5可知：隨著外部BFRP層數(shù)的增加，BSRL試件的承載能力有著較為顯著的變化：BSRL6與BSRL4試件較BSRL2試件的極限承載能力分別提高了36%與20%.隨著外部復(fù)合BFRP層數(shù)的增加，BSRL的極限承載能力得到了提升；且與BFRP層數(shù)幾乎呈線性關(guān)系.

圖5 BFRP層數(shù)對BSRL承載能力的影響

2.2 BSRL理論模型

根據(jù)圖5可得到試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖6，不難看出對于承受單軸拉伸荷載的BSRL試件，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可根據(jù)應(yīng)變分為三個階段.

圖6 BSRL試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

第一階段，應(yīng)變從0到內(nèi)部鋼板的屈服應(yīng)變，此時彈性模量EI和拉應(yīng)力σI為

σI=ε(EsAs+EbfAbf)/A,0≤ε≤εy

(1)

EI=(EsAs+EbfAbf)/A,0≤ε≤εy

(2)

式中：Es、As分別為鋼板的彈性模量和截面面積；Ebf、Abf為BFRP的彈性模量和截面面積；εy為鋼板屈服時的應(yīng)變，A為BSRL的截面面積，且A=As+Abf+Ar，其中Ar為膠體的截面面積.

第二階段，應(yīng)變從鋼板的屈服應(yīng)變到BFRP的斷裂應(yīng)變，此時彈性模量EII和拉應(yīng)力σII可表示為

σII=(fyAs+εEbfAbf)/A,εy≤ε≤εbfu

(3)

EII=(EbfAbf)/A,εy≤ε≤εbfu

(4)

式中：fy為鋼筋屈服應(yīng)力；εbfu為BFRP斷裂應(yīng)變.

第三階段，應(yīng)變?yōu)锽FRP斷裂后的應(yīng)變，此時鋼材已進入到強化階段，為準確預(yù)測BSRL的殘余力學(xué)性能，彈性模量EIII和拉應(yīng)力σIII為

σIII=fyAs/A+EIII(ε-εy),εbfu≤ε≤εsu

(5)

EIII=(fsu-fy)As/(εsu-εy)A,εbfu≤ε≤εsu

(6)

式中：fsu與εsu分別為鋼板斷裂時的應(yīng)力與應(yīng)變.

根據(jù)提出的理論模型并結(jié)合圖1、表1～2提供的BSRL的尺寸及材料參數(shù)，可計算得到BSRL的理論預(yù)測值(見表3～4)，并與試驗結(jié)果進行對比，見圖7.由圖7可知：理論預(yù)測值與試驗結(jié)果吻合較好，誤差基本都能控制在10%以內(nèi)；僅BSRL6的試驗值與理論值誤差較大，最大達到16%，是由于所有試件均為手糊，質(zhì)量控制上不可避免會出現(xiàn)一定的問題：在制作時可能有少數(shù)纖維束存在初始彎曲，即未平行于鋼板長度方向；或者在加載過程中，隨著鋼板的屈服，應(yīng)變不斷增大，而膠結(jié)劑抗拉強度較小，粘結(jié)不充分，使得BFRP與鋼板間出現(xiàn)局部剝離，進而影響B(tài)SRL承載能力.

表3 BSRL單軸拉伸試驗彈性模量一覽表

表4 BSRL單軸拉伸試驗強度一覽表

圖7 試驗與理論曲線對比圖

3組BSRL試件的應(yīng)力-應(yīng)變試驗曲線均與理論曲線趨勢相同，吻合良好，驗證了提出的BSRL的本構(gòu)模型的準確性.

3 討論與分析

3.1 比強度

比強度，即為材料的極限強度與密度之比，是衡量復(fù)合材料力學(xué)性能的重要指標，是輕質(zhì)、高強材料的重要特征.基于提出的理論模型可得到纖維體積比對比強度的影響規(guī)律，見圖8.

圖8 BSRL比強度隨纖維體積比的變化情況

由圖8可知：隨著纖維體積比的增加，比強度總體呈非線性增長趨勢：當(dāng)纖維體積比小于40%時，隨著纖維體積比的增大，比強度近似線性增長，至纖維體積比為40%，其比強度已增長至原來的4倍；當(dāng)纖維體積比在40%～80%，比強度的增長速率明顯高于前一階段，表現(xiàn)為纖維體積比增長幅度相同時，比強度增長更明顯；當(dāng)纖維體積比增至80%，比強度與纖維體積比近似成線性相關(guān)，但斜率明顯高于第一階段，當(dāng)纖維體積比增至100%，比強度提升非常顯著，約為纖維體積比為0%時的比強度的16倍.值得注意的是，纖維體積比為0%與100%，分別對應(yīng)于鋼板與純BFRP片材.

3.2 比能量吸收

比能量吸收，即為能量吸收量與質(zhì)量之比，該指標反應(yīng)了材料吸收能量的特性，是土木工程中抗震性能分析的重要參數(shù).對于BSRL材料，盡管BSRL外部的BFRP破壞后仍可繼續(xù)承載，此時由內(nèi)部鋼板承受荷載，但是其承載能力猛然下降，尤其當(dāng)纖維體積比較高時，表現(xiàn)為脆性破壞特性，基于結(jié)構(gòu)安全考慮，定義BSRL外部的BFRP破壞即為材料失效.因此，文中只對前兩個階段的比能量吸收進行探討：第一階段為彈性階段；第二階段為鋼屈服至BSRL失效.結(jié)合已驗證的BSRL的理論模型，可推導(dǎo)出如下公式對BSRL的比能量吸收進行描述.

(7)

(8)

(9)

式中：SEAⅠ、SEAⅡ分別為第一階段、第二階段的比能量吸收；SEAT為總體比能量吸收，是第一階段和第二階段的比能量吸收之和；ρ為BSRL的密度，其他參數(shù)同2.2.

基于試驗結(jié)果可得到三組試件在不同階段的比能量吸收，見圖9a).由圖9a)可知：對于BSRL試件，第一階段的比能量吸收遠小于第二階段的比能量吸收；且隨著纖維體積比的增長，總體比能量吸收呈增長趨勢.根據(jù)式(7)～(9)可得到纖維體積比與比能量吸收之間的理論關(guān)系，見圖9b).由圖9b)可知：隨著纖維體積比的增長，總體比能量吸收呈非線性增長，且纖維體積比最大(接近100%)時的總體比能量吸收約為纖維體積比最小(接近0%)時的6倍.綜上所述，纖維體積比的增加能有效改善材料的能量吸收性能.

圖9 BSRL比能量吸收

4 結(jié) 論

1) BSRL具有穩(wěn)定的二次剛度，隨著復(fù)合纖維層數(shù)的增加，屈服強度和初始模量略微減小，而極限抗拉承載力和二次剛度都有所提升；且極限抗拉承載力隨纖維層數(shù)增加幾乎呈線性增長.

2) 理論模型準確可靠，能較好的預(yù)測BSRL的拉伸性能.

3) BSRL的比強度與比能量吸收都隨著纖維體積比的增長呈非線性增長，該結(jié)論將為后續(xù)BSRL在各種不同需求下的材料配比優(yōu)化提供理論基礎(chǔ).