堿環(huán)境下拉擠型玻璃纖維聚氨酯螺柱性能的試驗(yàn)研究

侍 偉，吳發(fā)紅,，張鎵杰，許玉佼，徐 婕

(1. 安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,安徽淮南 232001；2. 鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院,江蘇鹽城 224051)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)作為一種新型材料，逐漸應(yīng)用于航空航天、土木工程、軍事裝備、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域[1]。根據(jù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中增強(qiáng)相材料的不同，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可分為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)、玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(BFRP)等，其常見的制備工藝有拉擠、纏繞、模壓和手糊等[2]。本文主要研究拉擠型玻璃纖維復(fù)合材料。

螺栓連接作為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接中最廣泛使用的一種形式，得到許多學(xué)者的重視，有許多研究成果問世。周毛毛等[3]通過拉擠型玻璃纖維復(fù)合板材的拉伸試驗(yàn)，測得GFRP板材的抗拉強(qiáng)度和彈性模量等基本力學(xué)參數(shù)；馬毓等[4]對拉擠型玻璃纖維復(fù)合板材的螺栓連接進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，從順纖維和橫纖維兩個受力方向研究了螺栓連接接頭的不同破壞模式；劉玉擎等[5]從螺栓直徑與板件厚度比、搭接板件組成及荷載作用方向3個方面，分析了各變化參數(shù)對拉擠GFRP層合板螺栓連接力學(xué)性能的影響；陳尚能等[6]通過海水各組分對GFRP腐蝕性能的影響研究，探討了海水浸泡對GFRP性能的影響因素和腐蝕機(jī)理。

上述研究大多針對玻璃纖維復(fù)合板材進(jìn)行，而對玻璃纖維螺柱的研究還比較少。本文主要研究直徑12 mm的拉擠型玻璃纖維聚氨酯螺柱的力學(xué)性能，以及不同時長堿環(huán)境下堿離子對其耐堿腐蝕性能的影響，并與M12型普通鋼制螺栓進(jìn)行對比試驗(yàn)，探討其不同的影響規(guī)律。

1 拉擠型玻璃纖維聚氨酯螺柱與普通鋼制螺栓的連接試驗(yàn)

1.1 試件制作

試驗(yàn)中玻璃纖維螺柱為江蘇飛博爾新材料科技有限公司生產(chǎn)的拉擠型玻璃纖維聚氨酯螺柱，螺柱長度為50 mm，直徑為12 mm，螺紋間距為2 mm(螺柱有效直徑d由游標(biāo)卡尺測得并取平均值，配套螺母采用市面上流通的高強(qiáng)鋼制螺母)；螺柱軸向方向與纖維方向一致，其力學(xué)性能參數(shù)參考拉擠型玻璃纖維層合板的材性試驗(yàn)結(jié)果，見表1。試驗(yàn)所用拉擠型玻璃纖維層合板為單向板，即其纖維鋪層方向都是同一角度。對比試驗(yàn)采用M12型普通鋼制螺栓和螺母進(jìn)行。試驗(yàn)中玻璃纖維螺柱共3組，每組3個試件；普通鋼制螺栓共2組，每組3個試件。玻璃纖維螺柱和普通鋼制螺栓如圖1所示。

表1拉擠型玻璃纖維層合板力學(xué)性能參數(shù)
Table1Mechanical properties of pultrudedglass fiber laminates

參數(shù)數(shù)值 縱向彈性模量/GPa30.10 橫向彈性模量/GPa3.73 泊松比0.12

圖1 拉擠型玻璃纖維螺柱、普通鋼制螺栓Fig 1 Pultruded glass fiber studs, ordinary steel bolts

試驗(yàn)連接試件接頭部分采用固定尺寸鋼板，尺寸如圖2所示。鋼板采用Q235鋼，彈性模量為206 GPa，板厚t=4 mm；連接螺栓孔直徑D=12 mm。按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[7]中螺栓排列端距和邊距的構(gòu)造要求，螺栓中心至構(gòu)件邊緣距離的最大容許距離為4D或8t(取兩者的較小值)，順內(nèi)力方向時的最小容許距離為2D，垂直內(nèi)力方向、鋸割邊、其他螺栓時的最小容許距離為1.2D。同時結(jié)合其他尺寸界定研究的結(jié)論，確定試件端距E=30 mm，邊距W/2=20 mm。故試件總長L=110 mm，寬度W=40 mm，夾持端端頭長L′=35 mm，板厚t′=8 mm。

圖2 鋼板試件尺寸Fig 2 Size of steel plate specimen

1.2 試驗(yàn)方法及裝置

按《纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則》[8]規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)前對鋼板夾持端表面進(jìn)行粗糙處理，便于試驗(yàn)機(jī)夾具固定，防止試驗(yàn)過程中發(fā)生滑動；用氫氧化鈉固體試劑和蒸餾水配制pH=13的氫氧化鈉溶液。試驗(yàn)時，取密封玻璃瓶3個，其中兩瓶分別放入一組玻璃纖維螺柱試件，第3瓶放入一組普通鋼制螺栓試件；向3個玻璃瓶中分別倒入配制好的氫氧化鈉溶液至試件浸沒，密封后將3個玻璃瓶移入60 ℃恒溫水箱中存放，以加速腐蝕進(jìn)程，節(jié)約試驗(yàn)時間；將一組玻璃纖維螺柱試件和普通鋼制螺栓試件浸泡30 d(相當(dāng)于常溫環(huán)境下浸泡1 000 h)后取出，另一組玻璃纖維螺柱試件浸泡60 d(相當(dāng)于常溫環(huán)境下浸泡2 000 h)后取出，并與常規(guī)環(huán)境下剩余的一組玻璃纖維螺柱試件和一組普通鋼制螺栓試件進(jìn)行外觀比較和螺栓連接抗剪承載力試驗(yàn)。

浸泡后的試件如圖3所示。將浸泡好的2組玻璃纖維螺柱試件取出晾干后，與清理干凈的打孔鋼板進(jìn)行螺栓連接；在用扭力扳手施加5 N·m的螺栓預(yù)緊扭矩后，在螺柱與高強(qiáng)度螺母間滴入適量502膠水，以加固連接(要避免過多的膠水四處蔓延，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性)。而普通鋼制螺栓試件進(jìn)行螺栓連接時，不需要施加預(yù)緊扭矩和滴加502膠水，直接擰緊即可。

常規(guī)環(huán)境下的試件連接方式與浸泡后的試件相同。

a 浸泡30 d的玻璃纖維螺柱

b 浸泡30 d的普通鋼制螺栓

c 浸泡60 d的玻璃纖維螺柱 圖3 浸泡后的試件Fig 3 Specimen after being immersed

在連接好試件的每塊鋼板底面圓孔周圍(試件外側(cè)，見圖4)順加載方向布置3片BFH120-3AA-D150型應(yīng)變片，使其在不接觸螺母的前提下盡量靠近圓孔。采用1/4橋路連接，不帶溫度補(bǔ)償?shù)膗T7116Y高速靜態(tài)應(yīng)變儀測量試件沿荷載方向的應(yīng)變，采樣頻率為1次/s。試驗(yàn)時，調(diào)整夾具位置，將試件兩端放入夾具夾緊，試件的中心線與上下夾具的中心線對準(zhǔn)；采用量程為100 kN的Byes2100電子萬能試驗(yàn)機(jī)對連接試件勻速施加豎向荷載直至試件破壞，并由萬能試驗(yàn)機(jī)自動記錄荷載及位移數(shù)據(jù)。加載采用位移控制方法，加載速率為2 mm/min，加載裝置如圖5所示。

圖4 應(yīng)變片布置Fig 4 Configuration of strain gauge

圖5 加載裝置Fig 5 Loading device

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 外觀觀察

試件加載前，以常規(guī)環(huán)境下的試件作為參照，對浸泡后的玻璃纖維螺柱試件和普通鋼制螺栓試件進(jìn)行外觀檢查。檢查發(fā)現(xiàn)，浸泡30 d的玻璃纖維螺柱試件表面被輕微腐蝕，出現(xiàn)少量粉末狀顆粒物，但結(jié)構(gòu)基本完整；浸泡60 d的玻璃纖維螺柱試件表面與浸泡30 d的玻璃纖維螺柱相比腐蝕較為明顯，出現(xiàn)較多粉末狀顆粒物，同時螺紋結(jié)構(gòu)部分出現(xiàn)一些缺口，檢查過程中由于試件接觸，缺口范圍進(jìn)一步擴(kuò)大；浸泡30 d的普通鋼制螺栓表面出現(xiàn)一些銹斑，但結(jié)構(gòu)依然完整。外觀檢查結(jié)果表明，堿環(huán)境對玻璃纖維螺柱螺紋結(jié)構(gòu)的影響較為明顯。

另外，在連接試件施加螺栓預(yù)緊扭矩的過程中，被氫氧化鈉溶液浸泡60 d的3個玻璃纖維螺柱試件，都出現(xiàn)了“滑絲”現(xiàn)象，從而無法施加預(yù)緊扭矩，即該螺柱在實(shí)際工程中已不能繼續(xù)使用，但本試驗(yàn)為保證數(shù)據(jù)完整性，仍按照正常試驗(yàn)步驟進(jìn)行。其他試件均未出現(xiàn)“滑絲”現(xiàn)象。

2.2 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)中連接強(qiáng)度σ定義為：

式中：P為連接試件發(fā)生破壞時的最大荷載，kN；d為游標(biāo)卡尺測得的有效螺柱直徑(M12型普通鋼制螺栓有效直徑按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[7]規(guī)定，取10.36 mm)，mm；t為打孔鋼板板厚，mm。

試驗(yàn)中得到的試件破壞荷載、有效面積、連接強(qiáng)度及破壞模式如表2所示，試件平均破壞荷載、平均連接強(qiáng)度如表3所示。表2試件編號第1項(xiàng)中30代表被氫氧化鈉溶液浸泡30 d，60代表被氫氧化鈉溶液浸泡60 d，常規(guī)環(huán)境下的試件編號第1項(xiàng)省略；第2項(xiàng)中G代表拉擠型玻璃纖維螺柱試件，F(xiàn)代表普通鋼制螺栓試件；第3項(xiàng)中數(shù)字為試件在其組內(nèi)的編號。由表3可知，被氫氧化鈉溶液浸泡30 d的玻璃纖維螺柱試件和普通鋼制螺栓試件的抗剪承載力與常規(guī)環(huán)境下的試件相比沒有明顯下降，而被氫氧化鈉溶液浸泡60 d的玻璃纖維螺柱試件的抗剪承載力下降較明顯；在相同環(huán)境條件下，拉擠型玻璃纖維螺柱的抗剪承載力約為普通鋼制螺栓抗剪承載力的70%～80%。

表2試件破壞荷載、連接強(qiáng)度及破壞模式匯總表
Table2Summary of specimens’ failure load, connection strength and failure mode

試件編號破壞荷載P/kN有效面積d×t/(mm×mm)連接強(qiáng)度σ/MPa破壞模式30-G-122.7410.87×4523.00 剪斷30-G-223.4010.98×4532.79 剪斷30-G-322.2310.93×4508.46 剪斷30-F-128.6110.36×4690.40 剪斷30-F-229.1010.36×4702.22 剪斷30-F-329.1710.36×4703.91 剪斷60-G-118.7310.42×4449.38剪斷60-G-220.7110.21×4507.10剪斷60-G-319.4710.39×4468.48剪斷

表3試試件平均破壞荷載及平均連接強(qiáng)度匯總表
Table3Summary of specimens’ average failureload and connection strength

試件分組平均破壞荷載P/kN平均連接強(qiáng)度σ/MPa30-G22.79521.4230-F28.96698.8460-G19.64474.99G22.97520.22F28.86696.43

由表2可知，拉擠型玻璃纖維螺柱試件的破壞模式都是剪斷破壞，其破壞形態(tài)如圖6所示。玻璃纖維螺柱連接試件受拉一段時間后，隨著荷載的不斷增大從一開始的水平狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槁晕A斜狀態(tài)；在螺柱即將被剪斷破壞時，會發(fā)出一陣清脆的“絲絲”聲，緊接著突然“啪”的一聲，螺柱被剪斷并從連接試件上飛出，同時接頭鋼板分離，連接試件破壞。對破壞后的接頭鋼板進(jìn)行檢查，可以發(fā)現(xiàn)鋼板螺孔承壓側(cè)出現(xiàn)玻璃纖維螺柱的碎屑以及明顯的螺紋咬痕，孔邊板件也出現(xiàn)擠壓損傷。普通鋼制螺栓破壞模式與拉擠型玻璃纖維螺柱試件破壞模式類似，也是剪斷破壞。螺栓剪斷破壞時，隨著“啪”的一聲，螺栓被剪斷并飛出，連接試件破壞，接頭鋼板也出現(xiàn)了與玻璃纖維螺柱試件程度相當(dāng)?shù)穆菁y咬痕及擠壓損傷，但試件即將破壞時的持續(xù)時間要比玻璃纖維螺柱試件長一些。

玻璃纖維螺柱試件和普通鋼制螺栓試件的荷載—位移曲線如圖7所示。由圖7a、7b可知：玻璃纖維螺柱試件破壞主要包含3個階段，其中第一階段是位移增加，但荷載增長比較緩慢，連接試件在這一階段主要克服螺柱與板件之間的摩擦力，同時螺柱螺紋也受到擠壓，鋼板螺孔與螺柱之間的空隙被填滿；第二階段隨著位移的增加，荷載呈線性增長趨勢，直至試件發(fā)生破壞時的最大荷載P，這一階段連接試件處于孔壁承壓狀態(tài)；第三階段隨著螺柱直接被剪斷，連接試件破壞,荷載經(jīng)過峰值后迅速降低。由圖7d可知，普通鋼制螺栓試件破壞的3個階段與玻璃纖維螺柱試件破壞大體相同，只是在第三階段普通鋼制螺栓并沒有立刻被剪斷，而是經(jīng)過短暫的屈服階段后被破壞。

a 試件破壞

b 螺柱被剪斷

c 鋼板內(nèi)側(cè)螺孔被擠壓 圖6 螺柱破壞模式Fig 6 Stud failure mode

a 30 d玻璃纖維螺柱

b 60 d玻璃纖維螺柱

c 玻璃纖維螺柱曲線對比

d 30 d普通鋼制螺栓

e 普通鋼制螺栓曲線對比 圖7 荷載—位移曲線Fig 7 Load-displacement curves

對圖7a、7b的曲線取平均值，并與常規(guī)環(huán)境下試件的荷載—位移曲線對比，得到圖7c的玻璃纖維螺柱對比曲線。由圖7c可知，被氫氧化鈉溶液浸泡30 d的玻璃纖維螺柱試件的抗剪承載力與常規(guī)環(huán)境下的試件基本持平，而被氫氧化鈉溶液浸泡60 d的玻璃纖維螺柱試件的抗剪承載力下降較多；浸泡后的試件在破壞第一階段用時較長，說明堿環(huán)境對拉擠型玻璃纖維螺柱試件的影響較大，螺柱螺紋被氫氧化鈉溶液部分腐蝕，螺紋強(qiáng)度降低，使得連接試件在進(jìn)入孔壁承壓階段前，需要耗費(fèi)更多時間來填滿空隙，且氫氧化鈉溶液浸泡時間越長對玻璃纖維螺柱試件的影響越大。由圖7e可知，被氫氧化鈉溶液浸泡30 d后，普通鋼制螺栓試件的抗剪承載力基本不變，但是同樣存在螺紋被部分腐蝕的問題。

浸泡后的玻璃纖維螺柱試件的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖8所示。由圖8可知：連接試件在破壞第一階段主要克服螺柱與板件之間的摩擦力，同時填滿鋼板螺孔與螺柱之間的空隙，此時板件端頭靠近螺孔處的應(yīng)力很小，應(yīng)變也在拉應(yīng)變與壓應(yīng)變之間浮動，部分試件要克服的摩擦力較大，出現(xiàn)短暫的拉應(yīng)變階段；進(jìn)入破壞第二階段后，板件孔壁開始承壓，且隨著應(yīng)力的不斷增大，板件端頭都表現(xiàn)為壓應(yīng)變且呈線性增長趨勢；在破壞第三階段，連接試件破壞，應(yīng)力與應(yīng)變也隨之迅速下降。

a 30 d玻璃纖維螺柱

b 60 d玻璃纖維螺柱 圖8 應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig 8 Stress-strain curves

3 結(jié)論

(1)在常規(guī)環(huán)境下和1 000 h的pH=13堿環(huán)境浸泡下，拉擠型玻璃纖維螺柱和普通鋼制螺栓的抗剪承載力基本不變，且拉擠型玻璃纖維螺柱的抗剪承載力約為普通鋼制螺栓抗剪承載力的70%～80%。

(2)拉擠型玻璃纖維螺柱破壞為脆性破壞，破壞前會聽到“絲絲”響聲；試件內(nèi)纖維逐漸被剪斷，最終試件由于抗剪承載力不足被破壞。

(3)堿環(huán)境對拉擠型玻璃纖維螺柱的影響較大，其腐蝕程度隨浸泡時間的延長而不斷增大，螺柱表面逐漸有纖維顆粒掉落，螺紋部分甚至出現(xiàn)缺口，導(dǎo)致安裝時無法施加預(yù)緊扭矩而不適合繼續(xù)使用，因此實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)避免過長時間的堿環(huán)境接觸。

(4)本文僅對江蘇飛博爾新材料科技有限公司生產(chǎn)的拉擠型玻璃纖維聚氨酯螺柱進(jìn)行了堿環(huán)境下浸泡1 000 h和2 000 h的模擬腐蝕試驗(yàn)，研究結(jié)論存在一定的局限性，后續(xù)研究可從進(jìn)一步延長腐蝕時間(如腐蝕3 000 h或更長時間)、置于不同腐蝕環(huán)境(如酸環(huán)境、氯離子環(huán)境等)、運(yùn)用電鏡掃描技術(shù)以及改進(jìn)生產(chǎn)工藝等方面進(jìn)行更加深入的探討。