基于宏細(xì)觀多尺度的GFRP桿體損傷路徑試驗(yàn)研究

陳智，鄭立斐，柳子通，謝小明，李小青

(1．華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074; 2．湖北江陵縣公路管理局，湖北 荊州 434100)

基于宏細(xì)觀多尺度的GFRP桿體損傷路徑試驗(yàn)研究

陳智1，鄭立斐1，柳子通1，謝小明2，李小青1

(1．華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074; 2．湖北江陵縣公路管理局，湖北 荊州 434100)

采用宏細(xì)觀相結(jié)合的多尺度力學(xué)試驗(yàn)對玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)桿體的損傷路徑進(jìn)行研究，選取不飽和聚酯基和聚乙烯基的桿體進(jìn)行試驗(yàn)，通過不同形式的拉伸試驗(yàn)并結(jié)合電鏡掃描技術(shù)獲取GFRP桿體的拉伸強(qiáng)度及破壞歷程。試驗(yàn)結(jié)果得出:裂縫寬度觀測，循環(huán)荷載拉伸試驗(yàn)下的性能表現(xiàn)以及初始狀態(tài)與80%破壞荷載下桿體的SEM圖多尺度說明聚乙烯基桿體的基體與纖維之間復(fù)合效應(yīng)優(yōu)于不飽和聚酯基桿體;在同一應(yīng)力水平下，不飽和聚酯基桿體漸進(jìn)損傷程度高于聚乙烯基桿體;聚乙烯基桿體裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力在破壞荷載的80%左右，而不飽和聚酯基桿體為破壞荷載的60%左右，聚乙烯基桿體有更好的斷裂韌性。

GFRP;多尺度力學(xué)試驗(yàn);損傷路徑;循環(huán)荷載

玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料(Glass Fiber Reinforced Plastic，簡稱GFRP)因其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抵抗腐蝕環(huán)境和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具有潛力來代替鋼筋用作錨桿、土釘?shù)男滦筒牧希?］。由于玻璃纖維復(fù)合材料是一種多相材料，其力學(xué)性能和失效機(jī)制與纖維、基體以及其界面的性能、組分配比以及宏觀尺寸等因素密切相關(guān)，研究學(xué)者對GFRP研究目前依然處于規(guī)律性研究階段［2，3］，對GFRP性能參數(shù)多是通過宏觀力學(xué)試驗(yàn)獲取，但是試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)離散程度較高，而且不能考慮細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響，給實(shí)際應(yīng)用帶來較多不便，使得材料難以大量推廣應(yīng)用［4］。研究GFRP桿體在受力過程中微觀的破壞機(jī)理，以及與宏觀結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的關(guān)聯(lián)，可以為復(fù)合材料設(shè)計(jì)與優(yōu)化及GFRP材料的工程應(yīng)用提供更多理論指導(dǎo)［5］。

基于宏細(xì)觀結(jié)合的漸進(jìn)損傷分析方法研究是復(fù)合材料力學(xué)性能分析的一個全新并且極為活躍的領(lǐng)域。GFRP桿體在受力過程中組分材料會發(fā)生損傷破壞，從細(xì)觀角度來分析桿體受力是一個漸進(jìn)損傷的過程［6］。

張博明［7］提出改進(jìn)的通用單胞模型，在保證求解精度的基礎(chǔ)上，建立宏細(xì)觀一體化的力學(xué)預(yù)測模型，并且通過更細(xì)的子胞劃分來考慮復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，分析細(xì)觀特征對復(fù)合材料宏觀性能的影響。

王艷飛［8］總結(jié)當(dāng)前纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損傷行為及強(qiáng)度預(yù)測模型，對基于纖維斷裂損傷的模型、纖維束模型、基于斷裂力學(xué)的模型、基于連續(xù)損傷力學(xué)的模型以及數(shù)值離散化的連續(xù)力學(xué)模型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評價(jià)。

現(xiàn)階段大部分學(xué)者對復(fù)合材料的漸進(jìn)損傷分析停留在理論分析以及有限元數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上［9］，這對不同基體以及不同組分配比的復(fù)合材料而言，不能夠完全解釋其失效路徑和破壞前兆。本文選取不同基體以及不同直徑的GFRP桿體進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用多尺度分析手段觀察桿體破壞的過程，為GFRP桿體漸進(jìn)損傷分析提供更為可靠的依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方案

1．1 GFRP桿體基本性能

試驗(yàn)選取兩種常用類型GFRP桿體，不飽和聚酯基玻璃纖維桿和聚乙烯基玻璃纖維桿，不飽和聚酯基和乙烯基分別為熱塑性和熱固性基體材料。桿體材料采用拉擠一次成型制作，玻璃纖維直徑28～30 μm。因土木工程中直徑20 mm和25 mm的鋼筋使用較普遍，為此，本文特選取20 mm和25 mm的兩種不同直徑桿體材料進(jìn)行試驗(yàn)分析。玻璃纖維的體積分?jǐn)?shù)通過GB/T 2577-2005《玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹脂含量試驗(yàn)方法》［10］試驗(yàn)測得，兩種桿體體積分?jǐn)?shù)范圍分別為67%～69%和65%～68%，如表1所示。

表1 GFRP桿物理參數(shù)

1．2 試驗(yàn)方案

在萬能試驗(yàn)機(jī)上對GFRP桿體進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，桿體兩端用鍍鋅鐵管包裹，套管與螺紋桿體之間采用膨脹水泥填充，解決桿體在試驗(yàn)機(jī)夾具夾持受力的情況下容易在鐵管壁上產(chǎn)生滑移的問題。拉伸試驗(yàn)過程參照GB/T 13096-2008的試驗(yàn)方法(本標(biāo)準(zhǔn)修改采用ASTM D3916-02《拉擠玻璃纖維增強(qiáng)塑料桿拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》)［11］，采用位移控制加載速度，加載速率為2 mm/min。

進(jìn)行表觀裂紋發(fā)展觀察時(shí)，桿體表面未進(jìn)行處理，通過持續(xù)加載直到桿體破壞。進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，為了準(zhǔn)確計(jì)算GFRP的彈性模量，在桿體表面粘貼應(yīng)變片，通過應(yīng)變測試儀獲得應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系。

通過電鏡掃描(SEM)觀察分析試樣在不同荷載下細(xì)觀變化。在表觀特性觀察的過程中，采用ZBL-F101裂縫寬度觀測儀對桿體中產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行觀測，觀測裂縫大小以及發(fā)展趨勢。

2 試驗(yàn)過程及表觀特征觀察

對G1桿進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用裂縫寬度觀測儀對桿體裂紋發(fā)展進(jìn)行觀測，如圖1所示。

圖1 聚酯基GFRP筋裂紋寬度觀測及桿體破壞形態(tài)

試驗(yàn)中觀測發(fā)現(xiàn):(1)初次加載至約78．5 kN時(shí)出現(xiàn)響聲，至96～106 kN時(shí)，桿體中部范圍出現(xiàn)裂紋;至117 kN桿件表面裂紋數(shù)量明顯增多;至124．5 kN時(shí)，測得有明顯裂紋處的裂紋寬度為0．2 mm，長度大約幾個mm，如圖1(a)。(2)加載至129．5 kN時(shí)，聽到響聲頻率增大，裂紋數(shù)量變多，隨著荷載的增大，桿端裂紋逐漸貫穿全桿;加載至187 kN時(shí)，測得之前裂紋寬度未變，桿體表面絕大多數(shù)的裂紋寬度為0．2 mm左右，荷載至190 kN時(shí)桿件破壞，如圖1(b)。

對G3桿進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)過程觀察同G1桿，如圖2所示。

圖2 聚乙烯基GFRP筋裂紋寬度觀測及桿體破壞形態(tài)

試驗(yàn)中觀測發(fā)現(xiàn):(1)初次加載至153．5 kN時(shí)聽到有響聲，至163 kN左右時(shí)，桿體中部范圍出現(xiàn)裂紋;至175 kN時(shí)測得裂紋寬度為0．15 mm，如圖2(a)。(2)繼續(xù)加載至193 kN，期間桿體內(nèi)部斷裂響聲頻率逐漸增大，桿體中間出現(xiàn)一條貫穿的縱向裂縫;至195．2 kN時(shí)，桿體荷載達(dá)到最大值，桿體中間出現(xiàn)破裂并伴隨著內(nèi)外層之間的剝離，隨后強(qiáng)度值急劇下降，如圖2(b)。

對G2、G4兩種桿體進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)荷載施加到一定程度，同G1、G3桿類似出現(xiàn)輕微響聲，可能包括纖維斷裂或者纖維與基體脫粘，但是不同基體的桿體出現(xiàn)響聲的先后區(qū)別較大，G2桿體出現(xiàn)響聲要明顯早于G4桿體，說明G2桿體對材料缺陷更加敏感;繼續(xù)加載后，桿體響聲頻率增大并且桿體上出現(xiàn)裂紋，裂紋大部分優(yōu)先出現(xiàn)在兩端套筒至1/4拉伸段桿體范圍。再繼續(xù)加載后，聽到頻繁的響聲并且響聲變大，裂紋數(shù)量變多，桿端裂紋逐漸向桿體中間發(fā)展;再繼續(xù)加載直至破壞。

3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

3．1 單次拉伸試驗(yàn)

通過拉伸試驗(yàn)獲得4種桿體的強(qiáng)度參數(shù)，如表2所示。

表2 桿體拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

不飽和聚酯基桿體與聚乙烯基桿體抗拉強(qiáng)度相差不大，但后者彈性模量要偏大一些。兩種基體材料桿體的抗拉強(qiáng)度均隨著直徑的增大而變小;在相同直徑的情況下，聚乙烯基桿體雖然纖維體積比要略小于不飽和聚酯基桿體，但是抗拉強(qiáng)度前者要偏大一些。

圖3 4種桿體應(yīng)力–應(yīng)變曲線

從圖3所示試驗(yàn)結(jié)果可以看出:

(1)4種桿件在拉伸前期均表現(xiàn)線彈性特征，總體趨勢為直線形式，最大應(yīng)變?yōu)?8000～19000 με，其中G1、G2桿的彈性模量要略低于G3、G4桿。G1桿的應(yīng)力–應(yīng)變曲線在應(yīng)變值到9000 με之后表現(xiàn)出不規(guī)則，此時(shí)應(yīng)力值為360 MPa (約為60%Fm);以此為拐點(diǎn)，桿體的彈性模量有所降低，破壞時(shí)最終強(qiáng)度值為605 MPa。這與拉伸過程觀察中荷載達(dá)到50%Fm之后，桿體出現(xiàn)斷裂響聲后判定桿體自身發(fā)生損傷相吻合。

(2)當(dāng)荷載達(dá)到50%～60%Fm時(shí)，不飽和聚酯基桿體G1、G2開始有初始損傷;對聚乙烯基桿體G3、G4而言，當(dāng)荷載達(dá)到80%Fm左右時(shí)有初始損傷。G1與G2桿以及G3與G4桿的應(yīng)力–應(yīng)變曲線分別有類似的變化規(guī)律，說明直徑對桿體拉伸破壞過程影響較小，基體對桿體拉伸破壞過程影響較大。

(3)G2桿同G1桿的拉伸過程類似，從初始直線階段可以看出G2桿彈性模量要大于G1桿，破壞時(shí)最終強(qiáng)度值為573 MPa。從G3、G4桿的應(yīng)力–應(yīng)變曲線中可以看出，應(yīng)變值為13000 με附近出現(xiàn)拐點(diǎn)，此時(shí)兩桿件應(yīng)力值分別為505 MPa (約為81%Fm)和476 MPa(約為79%Fm);之后曲線上升趨勢變緩，達(dá)到破壞時(shí)最終強(qiáng)度值為621 MPa和601 MPa。

3．2 循環(huán)加載路徑下拉伸試驗(yàn)

為了更進(jìn)一步了解不同基體對桿體在受力損傷過程中的影響，改變拉伸試驗(yàn)的加載路徑，采用循環(huán)加載方式進(jìn)行對比分析。

對直徑25 mm的G2、G4桿進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以單次拉伸試驗(yàn)破壞荷載為標(biāo)準(zhǔn)，定義Fm-G2為573 kN，F(xiàn)m-G4為601 kN。選取10%Fm，30% Fm，50%Fm，80%Fm，90%Fm作為循環(huán)加載試驗(yàn)的節(jié)點(diǎn)，加載的步驟為，路徑1:加載至30%Fm;路徑2:卸載至10%Fm，再加載至50%Fm;路徑3:卸載至30%Fm，再加載至80%Fm;路徑4:卸載至50%Fm，再加載至90%Fm;路徑5:卸載至10% Fm，再加載至破壞。

G2、G4桿在循環(huán)加載路徑下試驗(yàn)分別由5段應(yīng)力應(yīng)變曲線組成，如圖4、5所示。

圖4 G2桿在循環(huán)加載路徑下應(yīng)力–應(yīng)變曲線

圖5 G4桿在循環(huán)加載路徑下應(yīng)力–應(yīng)變曲線

從圖4試驗(yàn)結(jié)果可以看出:

(1)G2桿經(jīng)過循環(huán)加載的應(yīng)力–應(yīng)變曲線與單次拉伸的曲線有所不同。經(jīng)過加載路徑1、2、3時(shí)，荷載達(dá)到80%Fm前，三條曲線幾乎為連續(xù)形式，表明在荷載從30%Fm卸載至10%Fm以及荷載從50%Fm卸載至30%Fm時(shí)未產(chǎn)生明顯殘余應(yīng)變。

(2)進(jìn)行路徑4時(shí)(荷載從80%Fm卸載至50%Fm)，荷載為50%Fm的應(yīng)變值要大于路徑3加載時(shí)的應(yīng)變值，并且加載過程中，該曲線整體低于路徑3的曲線。

(3)進(jìn)行路徑5時(shí)(荷載從90%Fm卸載至10%Fm)，可以明顯觀察到路徑5曲線要低于其他曲線，卸載之后的殘余應(yīng)變顯著增大，在加載過程中，曲線有靠攏曲線4的趨勢，最終加載至253 kN(90%Fm)時(shí)破壞，應(yīng)變?yōu)?．0189。

從圖5試驗(yàn)結(jié)果可以看出:

(1)G4桿經(jīng)過循環(huán)加載的應(yīng)力–應(yīng)變曲線與單次拉伸的曲線相似。與G2桿不同的是，直到進(jìn)行加載路徑4時(shí)，荷載達(dá)到90%Fm前，四條曲線幾乎為連續(xù)形式，后一段加載曲線與前一段曲線部分重合，并且曲線的斜率基本相同，表明在荷載從30%Fm卸載至10%Fm，荷載從50%Fm卸載至30%Fm以及荷載從80%Fm卸載至50%Fm時(shí)未產(chǎn)生明顯殘余應(yīng)變。進(jìn)行路徑4時(shí)，G4桿與G2桿不同的是曲線未出現(xiàn)明顯下移的現(xiàn)象。

(2)進(jìn)行路徑5時(shí)(荷載從90%Fm卸載至10%Fm)，G4桿出現(xiàn)卸載之后產(chǎn)生的殘余應(yīng)變，但殘余應(yīng)變值要小于G2桿，在加載過程中，曲線有與之前加載路徑靠攏的趨勢，最終加載至272．7 kN(92．4%Fm)時(shí)破壞，應(yīng)變?yōu)?．0178。

4 電鏡掃描(SEM)分析

為了更進(jìn)一步了解GFRP桿體拉伸破壞過程，選取G2、G4桿體分別進(jìn)行無加載和加載至其80%破壞荷載時(shí)2種狀態(tài)，取桿體中部縱向切片進(jìn)行電鏡掃描從細(xì)觀層面上觀察纖維與基體的變化，如圖6、圖7所示。

圖6 G2桿縱向切片的SEM

圖7 G4桿縱向切片的SEM

從圖6所示試驗(yàn)結(jié)果可以看出:G2桿原始狀態(tài)時(shí)，除去獲取切片時(shí)造成的損傷外，基體與纖維之間粘結(jié)情況良好;當(dāng)荷載加至80%Fm時(shí)，基體自身破壞嚴(yán)重與纖維脫粘，并且纖維也出現(xiàn)大量斷裂。這與拉伸試驗(yàn)時(shí)觀察到荷載加載至80%之后，桿體出現(xiàn)斷裂響聲頻繁一致，說明G2桿體在受力達(dá)到80%之后將是帶有損傷的工作。

從圖7所示試驗(yàn)結(jié)果可以看出:G4桿體無荷載時(shí)，與G2桿體類似;當(dāng)荷載加至80%Fm時(shí)，與G2桿體不同的是，雖然某些區(qū)域的纖維存在斷裂，基體與纖維還保持著不同程度的連接。

5 結(jié)論

本文對4種桿體進(jìn)行損傷路徑試驗(yàn)研究，探討GFRP材料用作工程材料的物理力學(xué)特性，本文試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論:

(1)結(jié)合拉伸破壞試驗(yàn)中裂縫觀察結(jié)果可以看出，聚乙烯基桿體抵抗裂紋擴(kuò)展的能力要強(qiáng)于不飽和聚酯基桿體;當(dāng)裂紋尺寸一定時(shí)，聚乙烯基桿體裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力為80%左右的破壞荷載，而不飽和聚酯基桿體為60%左右的破壞荷載，聚乙烯基桿體有更好的斷裂韌性。

(2)拉伸試驗(yàn)過程的觀察結(jié)果與數(shù)據(jù)結(jié)果相互印證。聚乙烯基桿體的基體與纖維之間復(fù)合效應(yīng)要優(yōu)于不飽和聚酯基桿體，在同一應(yīng)力水平下，不飽和聚酯基桿體漸進(jìn)損傷程度要高于聚乙烯基桿體。由于GFRP桿體不是完全彈性材料，在較大荷載作用下，桿體均出現(xiàn)不同程度的殘余應(yīng)變。循環(huán)加載試驗(yàn)中更加驗(yàn)證以上結(jié)論，相對于聚乙烯基桿體而言，不飽和聚酯基桿體中纖維與基體的復(fù)合效應(yīng)要明顯差一些，在受力過程中一旦損傷發(fā)生之后，損傷的累積效果則會愈加明顯。

(3)從細(xì)觀尺度觀測結(jié)果可以看出聚乙烯基桿體基體與纖維粘結(jié)效果更好，受拉過程中應(yīng)力傳遞效果優(yōu)于不飽和聚酯基桿體，因此拉伸荷載為70%～80%Fm時(shí)才發(fā)生斷裂的響聲。

(4)采用SEM和裂縫寬度觀測并結(jié)合宏觀力學(xué)試驗(yàn)的多尺度試驗(yàn)方法可以相互驗(yàn)證復(fù)合材料的力學(xué)性能規(guī)律，為漸進(jìn)損傷分析方法提供試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

［1］程良奎，韓軍，張培文．巖土錨固工程的長期性能與安全評價(jià)［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27 (5):865-872．

［2］王善元，張汝光．纖維增強(qiáng)復(fù)合材料［M］．上海:中國紡織大學(xué)出版社，1998．

［3］郝慶多，王言磊，歐進(jìn)萍，等．玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋肋參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究［J］．復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2008，25(1):119-126．

［4］Kocaoz S，Samaranayake V A，Nanni A．Tensile characterization of glass FRP bars［J］．Composites Part B: Engineering，2005，36(2):127-134．

［5］曾慶敦．復(fù)合材料的細(xì)觀破壞機(jī)制與強(qiáng)度［M］．北京:科學(xué)出版社，2002．

［6］Pineda E J，Bednarcyk B A，Waas Anthony M，et al．Progressive failure of a unidirectional fiber-reinforced composite using the method of cells:discretization objective computational results［J］．International Journal of Solids and Structures，2013，50(9):1203-1216．

［7］張博明，唐占文，趙琳．考慮單向復(fù)合材料復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)化單胞模型［J］．工程力學(xué)，2012，29(11):46-52．

［8］王艷飛，孫耀寧，孫文磊，等．纖維增強(qiáng)復(fù)合材料損傷行為及強(qiáng)度預(yù)測細(xì)觀力學(xué)建模研究進(jìn)展［J］．玻璃鋼/復(fù)合材料，2014，(6)，83-89．

［9］呂毅，呂國志，呂勝利．細(xì)觀力學(xué)方法預(yù)測單向復(fù)合材料的宏觀彈性模量［J］．西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，24(6):787-790．

［10］GB/T 2577-2005，玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹脂含量試驗(yàn)方法［S］．

［11］GB/T 13096-2008，拉擠玻璃纖維增強(qiáng)塑料桿力學(xué)性能試驗(yàn)方法［S］．

Damage Path Research of GFRP Bars on Macro-meso Multi-scale

CHEN Zhi1，ZHENG Li-fei1，LIU Zi-tong1，XIE Xiao-ming2，LI Xiao-qing1
(1．School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China; 2．Highway Administration Bureau of Jiangling Country of Hubei Province，Jingzhou 434100，China)

The tensile damage path of Glass Fiber Reinforced Plastic bars were researched by macro-meso multi-scale mechanical test．Unsaturated polyester and vinylester bars were tested to acquire their tensile strength and damage process through different forms of tensile tests and scanning electron microscopy(SEM)．The results revealed that vinylester bar has a better compound effect between fiber and matrix than unsaturated polyester bar by multi-scale description combined with crack width observation，performance under cyclic loading tensile test and SEM images of bar section with the initial state and 80%damage load．The progressive damage level of unsaturated polyester bar higher than vinylester rod at the same stress level．The vinylester bar reaches the crack propagation critical stress at 80%failure load，while unsaturated polyester bar is only about 60%failure load，vinylester bar presents better fracture toughness．

GFRP;multi-scale mechanical test;damage path;cyclic loading

TB332

A

2095-0985(2015)03-0022-05

2015-03-03

2015-04-14

陳智(1988-)，男，湖北黃岡人，博士研究生，研究方向?yàn)閹r土工程及復(fù)合材料(Email:chenzhi1988420@126．com)

李小青(1965-)，男，湖北黃岡人，教授，博士，研究方向?yàn)閹r土工程(Email:Lixiaoqing108@163．com)

國家自然科學(xué)基金(51278391)

收稿日期:2015-05-11修回日期:2015-06-09

作者簡介:王鐵成(1950-)，男，河北安平人，教授，博士，研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用(Email:wangtiecheng@eyou．com)

通訊作者:趙海龍(1981-)，男，黑龍江齊市人，講師，博士，研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用(Email:dzf_910103@126．com)