預(yù)制裝配式外墻用纖維增強(qiáng)桿拉伸試驗(yàn)研究

李俊，冀科峰，公超，聶成才

(1.山東省建筑科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南250031；2.濟(jì)南中建建筑設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南250101；3.山東省建設(shè)建工(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250014)

0 引言

預(yù)制裝配式外墻用纖維增強(qiáng)復(fù)合桿是以高性能纖維為增強(qiáng)材料，以合成樹脂為基體材料，加入適量助劑，經(jīng)一定的成型工藝和表面處理形成的一種新型增強(qiáng)連接材料，具有抗拉強(qiáng)度高(高于預(yù)應(yīng)力鋼筋)、自重輕(只有預(yù)應(yīng)力鋼筋的15%～20%)、抗腐蝕和對電磁場不敏感等優(yōu)點(diǎn)，在裝配式建筑中得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。拉伸性能是預(yù)制裝配式外墻用纖維增強(qiáng)桿的主要性能。纖維增強(qiáng)復(fù)合桿是非均質(zhì)各向異性材料，其軸向拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫向抗壓強(qiáng)度，按照現(xiàn)有的纖維增強(qiáng)材料拉伸性能試驗(yàn)方法如GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)材料拉伸性能試驗(yàn)方法》、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》等方法進(jìn)行試驗(yàn)，易出現(xiàn)以下問題:(1)夾具夾持力不足，桿件易從夾具中滑移拉脫；(2)夾具夾持力太大，試件夾持端根部產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，出現(xiàn)明顯的端頭效應(yīng)，桿件標(biāo)距部分在拉伸斷裂破壞前，夾持部分可能被夾具擠壓碎；(3)將桿件加工成啞鈴形、長方形等薄片形狀或小直徑試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，加工過程中難免對纖維會(huì)有損傷，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)偏低或偏高、離散性大，不能真實(shí)的反映產(chǎn)品性能，嚴(yán)重影響對產(chǎn)品性能的判定，一定程度上限制了裝配式建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[5-7]。

拉伸性能除了受材料本身的力學(xué)性能影響外，還受尺寸效應(yīng)的顯著影響，表現(xiàn)為當(dāng)纖維含量、纖維種類、樹脂性能等材性參數(shù)不變的情況下，桿件的拉伸強(qiáng)度會(huì)隨著桿件尺寸的增大而減小[8]。周繼凱等[8]、劉漢東等[9]分別研究了玻璃纖維增強(qiáng)塑料GFRP(Glass-Fiber-Reinforced Plastic)筋材力學(xué)性能的尺寸效應(yīng)，用最弱鏈理論分析得出影響GFRP筋材尺寸效應(yīng)的主要因素是試件的有效區(qū)面積，并建立了不同直徑下的GFRP筋材的抗拉強(qiáng)度的公式，但只是一種間接近似的方法。楊振茂等[10]使用夾持柄、外套筒和內(nèi)錐套3件組合的夾持方法，其仍會(huì)直接夾持在試樣上，對試樣造成破壞；田華等[11]提出了一種改進(jìn)的玻璃纖維錨桿拉伸試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用?nèi)壁經(jīng)開槽處理的外套筒填充水泥砂漿或環(huán)氧樹脂錨固劑，試驗(yàn)成功率約90%。

為了克服上述不足，文章對3組不同廠家生產(chǎn)的纖維增強(qiáng)桿件樣品進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中不改變桿件的外形尺寸，截取一定長度、外徑及壁厚的鋼套管，用適當(dāng)配合比和拌合工藝制成的具有高抗壓強(qiáng)度和高粘結(jié)強(qiáng)度的環(huán)氧樹脂砂漿對桿件兩端夾持部分進(jìn)行灌漿錨固制作成拉伸試件，改進(jìn)試驗(yàn)夾具，保證在試件的標(biāo)距內(nèi)發(fā)生拉伸斷裂破壞，避免了拉伸斷裂前夾具夾持部分的拉脫滑移和應(yīng)力集中；參照J(rèn)G/T 406—2013《土木工程用玻璃纖維筋》規(guī)范，采用排水法[12]測定桿件的初始橫截面積，設(shè)置拉伸速度自動(dòng)提示切換的試驗(yàn)方案，并分析了3組樣品共計(jì)15個(gè)試件的試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為裝配式建筑工程設(shè)計(jì)和驗(yàn)收提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料及試件制作

1.1.1 試驗(yàn)材料及配比

環(huán)氧樹脂砂漿是用環(huán)氧樹脂作為粘合劑，加入填料、增塑劑、固化劑及稀釋劑等，按一定比例配制而成的粘結(jié)砂漿，其具有優(yōu)異的力學(xué)性能、粘結(jié)性能和耐疲勞性能并且固化速度較快，因而已廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷修補(bǔ)、加固處理以及動(dòng)荷載狀態(tài)下的基板灌漿等領(lǐng)域[13]。

為避免拉伸斷裂前夾具夾持部分的拉脫滑移，鋼管、砂漿及桿件三者之間不會(huì)產(chǎn)生相對位移，因此試驗(yàn)中的環(huán)氧樹脂砂漿應(yīng)具有以下性能:(1)具有一定的流動(dòng)性，以易于向一定直徑的鋼管中灌漿，保證密實(shí)性；(2)具有較高的粘結(jié)力，使鋼管、砂漿及試件三者之間不會(huì)產(chǎn)生相對位移；(3)具有較高的抗壓強(qiáng)度，以承受試驗(yàn)機(jī)夾具的夾持力；(4)具有一定的固化速度，24 h內(nèi)達(dá)到試驗(yàn)所需的抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)[14-15]，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)過多次試驗(yàn)篩選，選用6101＃環(huán)氧樹脂作粘合劑，無水、含量≥98%的乙二胺作固化劑，工業(yè)用鄰苯二甲酸二丁酯做增韌劑，P.O 42.5R水泥及粒徑為0.2～5.0 mm(或過5 mm篩)的河砂作填料，工業(yè)用丙酮作稀釋劑。選取其質(zhì)量配合比，環(huán)氧樹脂∶乙二胺∶鄰苯二甲酸二丁酯∶丙酮∶水泥∶河砂=1∶0.15∶0.1∶0.1∶2∶5。

1.1.2 砂漿的混合攪拌

將粒徑為0.2～5.0 mm或過5 mm篩的砂子放入105℃的烘箱中烘干，按比例稱取適量的P.O 42.5R水泥和烘干后的砂，混合并攪拌均勻。稱取適量的環(huán)氧樹脂，將其加熱至60℃后，二丁脂和丙酮按比例加入后拌勻，最后加入適量乙二胺，攪拌均勻后形成環(huán)氧樹脂基液。將水泥、砂的混合料倒入環(huán)氧樹脂基液中，用攪拌機(jī)攪拌均勻得到環(huán)氧樹脂砂漿。

每次配制數(shù)量應(yīng)根據(jù)拉伸試件數(shù)量來確定，以保證環(huán)氧樹脂砂漿充分固化，做到隨配制隨使用，使用時(shí)間＜20 min。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，按照以上配方和工藝制成的環(huán)氧樹脂砂漿，24 h后其抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度可達(dá)到試驗(yàn)要求。

1.1.3 試件的制作

試件的總長度包括試件的夾持端長度與桿體中間的有效長度，由于纖維增強(qiáng)桿件存在尺寸效應(yīng)，試件的長度與最大拉伸強(qiáng)度的關(guān)系尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識，杜欽慶[2]建議普通拉伸試件中間有效長度為30～40倍的桿件直徑，美國規(guī)范ACI 440.3R—04中拉伸試件的要求是:(1)桿件的樣本長度包括中間有效長度和兩端錨固長度；(2)測試區(qū)長度要求＞100 mm或者40倍的桿件的名義直徑或厚度；(3)兩端錨固長度要能保證桿件在試驗(yàn)中不能從錨固端部滑出或在錨固區(qū)破壞[16]。

參照上述研究，試驗(yàn)截取纖維增強(qiáng)復(fù)合桿件長為1000 mm，再截取 2段長為 300 mm、壁厚為3.5 mm、直徑比復(fù)合桿的直徑(或?qū)挾?大 10～20 mm的鋼管，用以上配制的環(huán)氧樹脂砂漿混合料將桿件夾持部分同時(shí)澆筑在鋼管內(nèi)，調(diào)整桿件使其位于2個(gè)鋼套管的中心軸線上，并適當(dāng)?shù)卣駝?dòng)插搗，使得鋼套管內(nèi)的環(huán)氧樹脂砂漿充填密實(shí)，制成一個(gè)拉伸試件。桿件中間部分為初始標(biāo)距，待環(huán)氧樹脂砂漿固化后，將試件放入40℃的鼓風(fēng)干燥箱中養(yǎng)護(hù)試件24 h，使環(huán)氧樹脂砂漿能夠充分固化，達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度，使得鋼管、砂漿及桿件三者之間不會(huì)產(chǎn)生相對位移，從而達(dá)到錨固的作用。鋼管的另一作用就是使試件承受均勻的剪力，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，減少端頭效應(yīng)。試件形狀如圖1所示，夾持端長度Lo、緩沖段長度Ls、試驗(yàn)標(biāo)距Le、試件總長度 L 分別為 300、150、100、1000 mm；h 為桿件厚度，mm；b為桿件寬度，mm。

圖1 拉伸試件形狀圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司生產(chǎn)的 CMT5305微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，精度0.5級，量程為0～300 kN，對試件進(jìn)行連續(xù)加載，采用靜態(tài)應(yīng)變采集儀采集試驗(yàn)過程中的應(yīng)變值，可得到試驗(yàn)荷載—位移曲線以及應(yīng)力—應(yīng)變曲線。試驗(yàn)機(jī)上、下夾具采用相同的夾具，夾具內(nèi)側(cè)中間為直角三角槽，直角三角槽的直角邊略小于鋼套管的外徑，槽口面上設(shè)有橫向肋紋。夾具的夾持力隨著試驗(yàn)機(jī)拉力的增加而自動(dòng)增加。采用鋼鐵研究總院鋼研那克檢測技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號為YYU-25/100的電子引伸計(jì)，標(biāo)距為100 mm，精度為0.5級。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 纖維增強(qiáng)復(fù)合桿初始橫截面積的測定

纖維增強(qiáng)復(fù)合桿桿件的最大拉伸強(qiáng)度fmax由式(1)表示為

式中:fmax為桿件最大拉伸強(qiáng)度，MPa；Fmax為最大拉伸荷載，N；A為桿件初始橫截面積，mm2。

由式(1)可知，桿件的初始橫截面積A測定的準(zhǔn)確性是拉伸強(qiáng)度測定準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。為了增加纖維增強(qiáng)復(fù)合桿與預(yù)制裝配式墻體構(gòu)件的粘結(jié)強(qiáng)度，往往對實(shí)際工程用纖維增強(qiáng)復(fù)合桿件的外表面進(jìn)行二次加工，如在表面形成凹凸結(jié)構(gòu)或螺紋結(jié)構(gòu)，以增大與墻體的接觸面積。桿件的橫截面大多數(shù)為不規(guī)則形狀，試件的初始橫截面積不能由公式計(jì)算得出，因此試驗(yàn)參照J(rèn)G/T 406—2013的排水法測定桿件的初始橫截面積[12]。

每組樣品分別截取3段長度約為50 mm的纖維增強(qiáng)復(fù)合桿件，兩端垂直切平，制作成3個(gè)試件，用游標(biāo)卡尺測量每個(gè)試件長度3次，每次旋轉(zhuǎn)120°，取其算術(shù)平均值，即為該試件的長度L。向3個(gè)量筒中分別注入適量(23±2)℃的蒸餾水，記錄量筒內(nèi)水的刻度V0，將3個(gè)試件分別浸沒入量筒內(nèi)的蒸餾水中，水面要比試件高出10 mm，再次記錄量筒內(nèi)蒸餾水的刻度V1，計(jì)算該試件的體積，即試件浸入前后的體積差ΔV。則試件的初始橫截面積A可按式(1)計(jì)算，取3個(gè)試件的平均值即為該組樣品(桿件)的初始橫截面積，由式(2)表示為

式中:ΔV為桿件的體積，即試件浸入量筒前后的體積差，mL；V0為在桿件浸入量筒前的蒸餾水水體積，mL；V1為桿件浸入量筒后的蒸餾水體積，mL；L為桿件長度，mm。

1.3.2 拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量的測定

纖維增強(qiáng)復(fù)合桿是呈各向異性的脆性材料，試件安裝要保證良好的對中性，避免不正確的試樣安裝影響測試結(jié)果。將夾具安裝在微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上，先安裝下夾具，后安裝上夾具，啟動(dòng)萬能試驗(yàn)機(jī)，使得上下夾具的中間槽口在一條垂直直線上，保證試件能豎直放置于兩端夾具之間，調(diào)節(jié)萬能試驗(yàn)機(jī)，預(yù)緊兩端的夾具，使得夾具的橫螺紋與鋼套管緊密接觸。

輕輕拿住引伸計(jì)的安裝盒，使試樣與刃口的中部接觸；引伸計(jì)掛鉤通過使用橡皮筋繞置引伸計(jì)至纖維增強(qiáng)桿試樣的中間標(biāo)距部位，兩刃口的中心線要與試樣軸線平行且對中，引伸計(jì)裝夾角度與試驗(yàn)機(jī)機(jī)身平面呈45°。引伸計(jì)監(jiān)測應(yīng)變量至少應(yīng)達(dá)到加載時(shí)刻:纖維增強(qiáng)桿拉伸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值60%。預(yù)緊兩端的夾具，保證加載過程穩(wěn)定。

參照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》[17]設(shè)置拉伸試驗(yàn)方案:先設(shè)置拉伸速度為2 mm/min，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的60%時(shí)作為引伸計(jì)的切換點(diǎn)，程序有窗口提示，試驗(yàn)進(jìn)入力保持狀態(tài)，快速卸掉引伸計(jì)，然后關(guān)掉提示窗口，拉伸速度切換為10 mm/min，連續(xù)加載直至試樣破壞，記錄試樣破壞時(shí)的最大載荷值，利用CMT 5305微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)軟件采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。一個(gè)檢測試件可以同時(shí)檢測拉伸彈性模量和最大拉伸強(qiáng)度，滿足 GB/T 1447—2005[5]等標(biāo)準(zhǔn)對拉伸彈性模量和最大拉伸強(qiáng)度的不同速度要求。

桿件的拉伸彈性模量Et由式(3)表示為

式中:Et為拉伸彈性模量，GPa；ΔP為載荷—位移曲線或應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖上初始直線段載荷的增量，kN；Δε為與ΔP對應(yīng)的應(yīng)變增量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)時(shí)，按照上述試件制作方法，采用3組不同生產(chǎn)企業(yè)的纖維增強(qiáng)復(fù)合桿件分別制作了3組試件，編號為第Ⅰ組、第Ⅱ組、第Ⅲ組。試件的荷載—位移曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線分別如圖2(a)、(b)所示，其中第Ⅰ組和第Ⅲ組的荷載—位移曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線均大致呈直線狀態(tài)，沒有明顯的屈服點(diǎn)，第Ⅱ組在點(diǎn)a之前呈直線狀態(tài)，合成樹脂發(fā)生屈服，從a點(diǎn)至b點(diǎn)呈輕微的波浪線，整個(gè)試驗(yàn)過程基本都是彈性變形。

圖2 試件的荷載—位移及應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

試件在加載過程中，當(dāng)加載到一定值(如a點(diǎn))之前，加載速度為2 mm/min，出現(xiàn)時(shí)斷時(shí)續(xù)細(xì)碎的噼噼啪啪的響聲；過了a點(diǎn)之后，加載速度增加為10 mm/min，響聲連續(xù)不斷，聲音越來越大，纖維逐根斷裂；當(dāng)加載值接近極限荷載時(shí)，試件突然破壞，破壞位置處膠層均碎裂，試件標(biāo)距范圍內(nèi)均出現(xiàn)了纖維束間分離撕裂的有效破壞形式。試件典型破壞形式如圖3所示。這是因?yàn)槔w維增強(qiáng)桿件中的高性能纖維作為桿件強(qiáng)度的主要提供者，具有很高的抗拉強(qiáng)度，主要起承受載荷的作用；合成樹脂作為基體材料，其物理性質(zhì)可以影響纖維增強(qiáng)桿件的物理性質(zhì)，具有粘結(jié)、傳遞剪力的作用。桿件受荷載初期，纖維和合成樹脂同時(shí)承受拉力，加載到一定值(如a點(diǎn))之后，樹脂進(jìn)入塑性強(qiáng)化階段，這時(shí)，外加荷載增量主要由玻璃纖維束承擔(dān)，從a點(diǎn)開始一直到極限狀態(tài)b點(diǎn)，由于纖維受工藝限制，即使同一批生產(chǎn)的纖維其抗拉強(qiáng)度值也是不同的，導(dǎo)致纖維復(fù)合材料受拉力作用時(shí)，其內(nèi)部的纖維是逐根斷裂的。另外，不同廠家生產(chǎn)的桿件的合成樹脂含量可能不同，樹脂對纖維的浸潤能力不同，因此，荷載—位移或應(yīng)力—應(yīng)變曲線后期有可能呈微小的波浪形上升(如圖2中的第Ⅱ組試件的荷載—位移或應(yīng)力—應(yīng)變曲線所示)，纖維在不斷地發(fā)生破壞而退出工作，所釋放的荷載由剩余纖維承擔(dān)，當(dāng)加載值接近極限荷載(如b點(diǎn))時(shí)，纖維全部斷裂，試件破壞表現(xiàn)脆性破壞。

圖3 試件的典型破壞形式圖

試件的拉伸試驗(yàn)結(jié)果及試件破壞形式見表1，第Ⅱ組拉伸強(qiáng)度和彈性模量最小，平均值分別為772.0 MPa、44.9 GPa，而第Ⅲ組最大，平均值分別為1114.9 MPa、49.2 GPa；試件破壞形式均為標(biāo)距內(nèi)膠層碎裂，纖維束間分離撕裂，夾持部分無滑移和拉脫，全部是有效破壞形態(tài)，均未出現(xiàn)桿件從夾具中滑脫及產(chǎn)生端頭效應(yīng)等無效破壞形態(tài)，試驗(yàn)成功率為100%；試件的拉伸強(qiáng)度最大相對誤差為-2.5%，拉伸彈性模量最大相對誤差為-2.2%，均＜±20%；從變異系數(shù)看，試件的變異系數(shù)均＜0.1，數(shù)據(jù)的離散性均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

表1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果和試件破壞形式表

3 結(jié)論

根據(jù)上述研究得出以下結(jié)論:

(1)采用鋼套管和環(huán)氧樹脂砂漿對桿件的夾具夾持端進(jìn)行灌漿錨固制作拉伸試件，利用環(huán)氧樹脂砂漿本身的高抗壓強(qiáng)度以及和纖維增強(qiáng)復(fù)合桿件及鋼套管內(nèi)壁的高粘結(jié)強(qiáng)度，使得鋼管、砂漿及桿件三者之間不會(huì)產(chǎn)生相對位移，內(nèi)側(cè)中間設(shè)有橫向肋紋的直角三角槽夾具使桿件承受均勻的剪力，3組試驗(yàn)15個(gè)試件均在標(biāo)距部分被拉伸斷裂，均未出現(xiàn)滑移拉脫及產(chǎn)生端頭效應(yīng)等無效破壞形態(tài)，試驗(yàn)成功率100%。

(2)采用排水法測定桿件的初始橫截面積，設(shè)置拉伸速度自動(dòng)提示切換的試驗(yàn)方案，不改變桿件的形狀和尺寸，減少了拉伸性能受尺寸效應(yīng)的影響，3組試驗(yàn)15個(gè)試件，拉伸強(qiáng)度最大相對誤差為-2.5%，拉伸彈性模量最大相對誤差為-2.2%，均＜±20%，3組試驗(yàn)試件的變異系數(shù)均＜0.1，數(shù)據(jù)的離散性小。