碳纖維繩材試驗(yàn)研究與分析

金文成， 王建華， 白金增， 黃 琮

(1.華中科技大學(xué) a.土木工程與力學(xué)學(xué)院;b.控制結(jié)構(gòu)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074;2.秭歸縣公路管理局，湖北 宜昌 443600;3.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230088)

鋼筋混凝土材料已廣泛應(yīng)用于橋梁工程中，但是混凝土構(gòu)件中的鋼筋銹蝕問(wèn)題常常表現(xiàn)得很明顯。為解決這個(gè)問(wèn)題，人們做了很多嘗試，包括防銹涂層、電鍍惰性金屬、在混凝土中摻加保護(hù)劑等，其主要思路是阻斷鋼材和誘導(dǎo)其銹蝕的環(huán)境的接觸。但這都沒(méi)有改變鋼筋自身易銹的性質(zhì)，若防銹工程的施工質(zhì)量不佳，抗銹蝕效果往往不理想。因此，防銹措施不能從根本上解決鋼筋混凝土材料的耐久性問(wèn)題。用纖維加勁材料(fiber reinforced polymer簡(jiǎn)稱FRP)做混凝土中的加筋材料，將會(huì)是一個(gè)有效的方法。FRP抗拉強(qiáng)度高、密度小、無(wú)腐蝕性［1］，抗疲勞性好［2］，是良好的建筑材料，能根本上避免混凝土結(jié)構(gòu)的銹蝕問(wèn)題。因此，F(xiàn)RP材料具有廣闊的研究和應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)的研究工作主要集中在FRP筋的力學(xué)性能［3～6］、FRP 筋混凝土結(jié)構(gòu)［7］、FRP 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)［8］、FRP 橋梁應(yīng)用研究［9］和利用 FRP 筋實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等方面。本文的研究主要基于平行編束的碳纖維繩開(kāi)展。

1 碳纖維繩張拉試驗(yàn)

因纖維繩不宜直接用夾片式錨具夾持，為克服這個(gè)缺點(diǎn)，預(yù)先將纖維繩兩端夾持區(qū)用環(huán)氧樹(shù)脂固化。根據(jù)固化段的直徑的不同，試樣可分為兩種:D=25 mm(含T300-12K碳纖維696束)和D=12 mm(含T300-12K碳纖維100束)。

1.1 試驗(yàn)方案

將多束碳纖維絲并攏在一起，組成平行碳纖維繩。因其中無(wú)樹(shù)脂基材，可稱之為純纖維繩;兩端夾持區(qū)用環(huán)氧樹(shù)脂固化，可稱之為預(yù)固化段;兩部分的交界處稱為固化界面。將試樣安裝到引伸機(jī)器上，進(jìn)行破壞性拉伸試驗(yàn)，記錄拉伸過(guò)程中的F-Δ曲線，定義曲線中F的最大值為纖維繩的極限承載力。

圖1 纖維繩試件成品照片

1.2 試驗(yàn)破壞形式分析

觀察破壞后的試件，可以看到:最終破壞全部發(fā)生在固化界面上，平行纖維束部分完好，錨具夾持部分沒(méi)有明顯破損和滑移。

試件的破壞斷口可歸納為兩種形式:(1)一側(cè)開(kāi)裂致破壞(簡(jiǎn)稱A)。開(kāi)裂點(diǎn)距離固化界面較遠(yuǎn)，從螺紋固化段一側(cè)開(kāi)裂，裂縫逐漸延伸到固化界面，形成刀鋒狀斷口。此時(shí)纖維繩被分成脫落部和另一側(cè)的主體兩部分，脫落部的纖維已不再受力，由剩余的主體部分纖維承受全部拉力直至全部斷裂。(2)周圈開(kāi)裂致破壞(簡(jiǎn)稱B)。開(kāi)裂點(diǎn)在距離固化界面較近出現(xiàn)，近似均勻的分布在固化段圓周上，裂縫迅速到達(dá)固化界面，纖維繩分成四周失效纖維和中心主體纖維兩部分，由中心纖維繼續(xù)持力到斷裂。圖4是兩種破壞形態(tài)的典型試樣照片。

圖2 夾片式錨具夾持部位照片

圖3 張拉機(jī)具照片

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 D25碳纖維繩試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)共有8個(gè)試件(圖1)，均張拉至破壞，本處將所有的測(cè)試結(jié)果均統(tǒng)計(jì)在內(nèi)。表2中是試件張拉強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)值。

圖4 試樣破壞情況

表1 試件張拉基本數(shù)據(jù)

表2 張拉強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

受原始材料、工藝控制、安裝誤差、儀器誤差等多種因素影響，樣本試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性較大。由樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看到，破壞形態(tài)為B的試件，其抗拉強(qiáng)度的均值大于形態(tài)A的試件。

取1#和5#試件，1#試件是A破壞形態(tài)，5#試件是B破壞形態(tài)。繪制兩試件荷載-變形曲線如圖5。

圖5 試件典型破壞曲線

根據(jù)荷載-變形曲線，纖維繩的受力過(guò)程和表現(xiàn)可分以下四個(gè)階段。

第一階段:開(kāi)始受力。千斤頂活塞剛開(kāi)始頂推時(shí)，繩材從松弛狀態(tài)逐漸受力，壓力讀數(shù)增長(zhǎng)較慢，位移讀數(shù)增加較快。

第二階段:第一次破壞(初始開(kāi)裂)。在張力到達(dá)一定數(shù)值后(本批試件一般是50～80 kN)，可以聽(tīng)到明顯的纖維和樹(shù)脂斷裂的噼啪聲響，固化段外層纖維因?yàn)槭芰Σ痪虿牧先毕蓍_(kāi)始破壞。荷載有一個(gè)增長(zhǎng)速度放緩(或者下降)的過(guò)程。

第三階段:第二次破壞(最終破壞)。在缺陷部位因破壞失效后，纖維絲重分布所受荷載，只有剩余的主體纖維受力，荷載繼續(xù)增加直至最終破壞。

第四階段:拔出階段。在試件全部失效后，纖維絲繼續(xù)張拉而從繩束中拔出，此時(shí)因?yàn)橛心Σ亮Φ拇嬖?，繩子的拉力沒(méi)有立即下降為0。

2.2 D12碳纖維繩試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)前測(cè)量試件基本尺寸，試驗(yàn)完成后根據(jù)最大極限拉力計(jì)算試件的換算強(qiáng)度σeq。將計(jì)算數(shù)據(jù)列入表3中。

表3 試件張拉基本數(shù)據(jù)

由表中數(shù)據(jù)樣本可計(jì)算得到，所有試件的抗拉強(qiáng)度均值為1291 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為205.2 MPa，離散系數(shù)為15.9%。

繪制試件的荷載-位移曲線，圖只給出了試件極限荷載之前的部分曲線。

圖6 D12試件拉伸的荷載-變形曲線

可以看到，試件在達(dá)到失效前，其荷載-位移曲線基本為直線。觀察鋼管的夾持部分，發(fā)現(xiàn)夾頭齒紋對(duì)鋼管的夾痕清晰，無(wú)明顯滑移。又下夾頭固定，上夾頭的位移增量與繩材的變形有正比關(guān)系，故可推測(cè)試件在張拉過(guò)程中的荷載和變形的增量也有線性關(guān)系。

D12試件在張拉過(guò)程中荷載和變形基本呈比例增長(zhǎng)，直至達(dá)到荷載極值后破壞，無(wú)D25試件中明顯的兩次破壞現(xiàn)象。

2.3 試驗(yàn)分析

D25和D12兩種直徑的纖維繩試件進(jìn)行拉伸破壞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果支持以下觀點(diǎn):

(1)試件制備時(shí)，先將纖維繩兩端夾持區(qū)用環(huán)氧樹(shù)脂固化，再用夾片或鋼管錨固。試件的破壞均出現(xiàn)在固化界面附近，原因是固化界面不齊整，外側(cè)纖維比內(nèi)側(cè)纖維受力大，最終在有損傷部位率先開(kāi)裂。破壞后的試件，純纖維繩段沒(méi)有損傷。

(2)D25試件試驗(yàn)強(qiáng)度σeq=573 MPa，理論強(qiáng)度=1858.9 MPa，材料強(qiáng)度利用率 η25=0.31。D12試件試驗(yàn)強(qiáng)度σeq=1291 MPa，理論強(qiáng)度=1981 MPa，材料強(qiáng)度利用率 η12=0.65。相比于大直徑構(gòu)件，小直徑構(gòu)件獲得了較高的強(qiáng)度利用率。

(3)對(duì)于試驗(yàn)中采用的加工工藝生產(chǎn)的繩材，小直徑形式構(gòu)件有利于提高纖維繩的材料強(qiáng)度利用效率。嘗試取消固化界面也是一種思路，全長(zhǎng)均做成自由纖維繩的形式或者將多根小直徑的CFRP筋編束后受力。尚需對(duì)錨固系統(tǒng)和張拉工藝做進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論與展望

本課題組仔細(xì)觀察了碳纖維繩試驗(yàn)現(xiàn)象并分析了試驗(yàn)結(jié)果。本文主要得到以下結(jié)論:

(1)為方便纖維繩用夾片式錨具張拉和錨固，可將纖維繩的兩端夾持部預(yù)先用環(huán)氧樹(shù)脂固化。試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用了這種方法的試件其錨固效果是良好的。

(2)比較D25、D12兩種直徑的強(qiáng)度利用效率:η12＞η25?？梢?jiàn)，用較小直徑的試件更有利于提高纖維強(qiáng)度的利用效率。

本文的工作在碳纖維繩性能研究和應(yīng)用探索方面取得了一定進(jìn)展，但在很多方面還有待于進(jìn)一步研究，如:

(1)雖然碳纖維繩具有良好的力學(xué)性能，但受試驗(yàn)條件和方法的限制，試驗(yàn)結(jié)果不是很理想。改進(jìn)錨固張拉工藝，提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量是材料性能發(fā)揮作用的關(guān)鍵。

(2)纖維繩的長(zhǎng)期受拉性能體現(xiàn)和抗疲勞性能研究。

(3)纖維繩預(yù)應(yīng)力混凝土的構(gòu)件設(shè)計(jì)理論研究。

(4)纖維繩曲線張拉性能的試驗(yàn)研究。

［1］楊勇新，楊 萌，趙 顏，等.玄武巖纖維布的耐久性試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，2007，37(6):11-13.

［2］張新越，歐進(jìn)萍.CFRP筋的疲勞性能［J］.材料研究學(xué)報(bào)，2006，20(6):565-570.

［3］HAO Qingduo，WANG Yanlei，OU Jinping.Experimental research on bond strength of deformed GFRP rebars with different surface configurations［J］.Journal of Harbin Institute of Technology(New Series)，2009，16(4):469-474.

［4］曹國(guó)輝，方 志.體外CFRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁長(zhǎng)期受力性能試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2007，40(2):17-22.

［5］孫麗莉，賈玉璽，孫 勝，等.界面強(qiáng)度對(duì)纖維復(fù)合材料破壞及力學(xué)性能的影響［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2009，39(2):101-103.

［6］朱 虹，錢 洋.工程結(jié)構(gòu)用FRP筋的力學(xué)性能［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，23(3):26-31.

［7］徐新生，彭亞萍，王 悅，等.淺議碳纖維筋基本性能及研究現(xiàn)狀［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2001，26(1):27-29.

［8］郝慶多，王言磊，歐進(jìn)萍.GFRP/鋼絞線復(fù)合筋黏結(jié)性能的試驗(yàn)研究［J］.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，24(2):177-182.

［9］王 鵬，呂志濤，丁漢山，等.采用CFRP筋施加體外預(yù)應(yīng)力的分析［J］.特種結(jié)構(gòu)，2007，24(3):80-84.