紫外線、疲勞荷載及兩者耦合作用下BFRP布的 耐久性試驗

王海良, 李 博

(1.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院, 天津 300384;2.天津城建大學(xué) 天津市土木建筑結(jié)構(gòu)防護與加固重點實驗室, 天津 300384)

玄武巖纖維具有綠色無污染、耐高溫、耐腐蝕性好、性價比高等優(yōu)點,其主要產(chǎn)品之一的玄武巖纖維增強聚合物(BFRP)已廣泛應(yīng)用于各類混凝土結(jié)構(gòu)的補強、加固和修復(fù)[1-3].由于BFRP的良好應(yīng)用前景,國內(nèi)外很多學(xué)者已開展了對這種新型復(fù)合材料耐久性的研究.在腐蝕環(huán)境對其耐久性影響方面，楊勇新等[4-9]通過拉伸試驗研究了BFRP布在干濕循環(huán)、紫外線、凍融循環(huán)、酸、堿、鹽等環(huán)境作用后的耐久性,并分析了其降解機理,結(jié)果表明：受不同環(huán)境作用后的BFRP布拉伸強度均出現(xiàn)一定程度的下降.在BFRP材料疲勞試驗方面，Pan等[10-12]通過對BFRP施加不同應(yīng)力水平拉-拉疲勞荷載,記錄其剛度退化和殘余強度,并結(jié)合掃描電子顯微鏡觀察其斷裂面,研究了其退化機理,結(jié)果表明：所施加應(yīng)力水平越大,BFRP布疲勞壽命越低.

目前國內(nèi)外學(xué)者大多只研究了單一環(huán)境下BFRP的耐久性[13-16],對紫外線、疲勞荷載等多環(huán)境耦合作用下BFRP性能的研究鮮有涉及.橋梁結(jié)構(gòu)在受到紫外線作用的同時還要承受疲勞荷載作用,因此,用于加固橋梁結(jié)構(gòu)的BFRP受力更加復(fù)雜,為考慮環(huán)境作用影響,ACI 440.2R-02《Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures》對纖維增強聚合物(FRP)加固設(shè)置了環(huán)境折減系數(shù),中國相關(guān)規(guī)范中還未考慮環(huán)境作用的影響.開展紫外線、疲勞荷載及兩者耦合作用下BFRP布的耐久性試驗研究,將對中國相關(guān)規(guī)范的制定、修訂起到積極推動作用.

基于以上實際需求,本文開展了3種層數(shù)BFRP布在紫外線、疲勞荷載及兩者耦合作用下的拉伸強度、拉伸彈性模量、拉伸破壞應(yīng)變等試驗研究.

1 試驗部分

1.1 試驗材料

采用浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的BUF7-200型玄武巖纖維單向布,其性能指標見表1;基體材料為武漢長江加固公司生產(chǎn)的YZJ-CQ纖維復(fù)合材料專用配套結(jié)構(gòu)膠,其中A、B組分按質(zhì)量比3∶1進行配制.

表1 玄武巖纖維單向布的性能指標Table 1 Performance of basalt fiber unidirectional sheet

1.2 試件制作

參照JG/T 167—2016《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材》附錄A中的規(guī)定,將玄武巖纖維單向布用專用配套結(jié)構(gòu)膠浸漬,制成2、3、4層的BFRP布,裁成規(guī)定尺寸,并在兩端粘貼鋁制加強片,試件寬度為15mm,具體尺寸如圖1所示.

圖1 BFRP布的尺寸Fig.1 Size of BFRP sheet(size:mm)

1.3 試驗環(huán)境及方案

1.3.1紫外線照射

采用無錫市春華試驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)的TSN-750氙燈老化試驗箱,根據(jù)規(guī)范GB/T 16422.2—2014《塑料實驗室光源暴露試驗方法 第2部分：氙弧燈》,設(shè)定老化箱內(nèi)輻照度為530W/m2,空氣溫度為35℃,相對濕度為60%.

由太陽輻射中的紫外輻射特點可知：紫外區(qū)的太陽輻射能占太陽輻射總能相對較少,約為5%～7%,參考文獻[17]附錄1,天津地區(qū)太陽年輻射總能約為6128MJ/m2.依據(jù)輻射量等效關(guān)系計算出室外日照與老化箱內(nèi)輻射時間的換算關(guān)系,如表2所示.對3種層數(shù)的BFRP進行7、14、28d的紫外線老化試驗,對應(yīng)工況分別記作7D、14D、28D.

表2 室外日照與老化箱內(nèi)輻照時間的換算關(guān)系Table 2 Conversion relationship of irradiation time in outdoor sunshine and aging box

1.3.2疲勞荷載作用

根據(jù)GB/T 16779—2008《纖維增強塑料層合板拉-拉疲勞性能試驗方法》,疲勞荷載上限值取靜態(tài)拉伸極限荷載的60%,疲勞荷載下限值取靜態(tài)拉伸極限荷載的30%,頻率設(shè)置為10Hz,波形為正弦波,試驗設(shè)備采用濟南勝工試驗機有限公司生產(chǎn)的型號為PWS-100型電液伺服試驗機,對3種層數(shù)的BFRP布均進行50000、100000、200000次疲勞荷載試驗,對應(yīng)工況分別記作5W、10W、20W.

1.3.3紫外線和疲勞荷載耦合作用

紫外線和疲勞荷載耦合作用參照上述2種環(huán)境,先將3種層數(shù)的BFRP布放入氙燈老化試驗箱中照射7d,再將其拿出施加50000次疲勞荷載,記作7D+5W;然后再放入氙燈老化箱內(nèi)照射7d,取出后再施加50000次疲勞荷載作用,記作7D+5W+7D+5W;最后將其放入氙燈老化箱照射14d后取出再施加100000次疲勞荷載,記作7D+5W+7D+5W+14D+10W.

此外,設(shè)置不進行紫外線照射、疲勞荷載及其耦合作用的對照組(0).

每組制作8個試件,當試件斷裂處位于2個加強片之間工作段內(nèi)時所測結(jié)果為有效數(shù)據(jù),結(jié)果取5個有效數(shù)據(jù)的平均值.

1.4 拉伸試驗

拉伸試驗在天津城建大學(xué)土木建筑防護結(jié)構(gòu)實驗室的微型控制電子萬能試驗機上進行,按照GB/T 3354—2014《定向纖維增強聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗方法》,采用位移控制加載,加載速率為2mm/min,觀察試件破壞形態(tài),測定拉伸強度、拉伸彈性模量和拉伸破壞應(yīng)變.

2 結(jié)果及分析

2.1 BFRP布破壞形態(tài)及微觀狀態(tài)

通過對各破壞試件進行觀察,BFRP布的典型破壞形態(tài)可歸納為以下3種(如圖2所示)：第1種是粉碎性破壞,如圖2(a)所示,試件受拉一段時間后開始出現(xiàn)“噼啪”聲,隨著荷載的增大,試件內(nèi)部薄弱位置纖維絲發(fā)生斷裂,“噼啪”聲持續(xù),緊接著臨近纖維絲隨著荷載的增大而逐漸斷裂,直至“砰”的一聲,試件完全破壞,部分試件中間絲束彈出,邊緣絲束破壞嚴重,并有小碎屑飛出,層數(shù)較多時纖維布層與層之間發(fā)生剝離(見圖2(b));第2種是劈裂破壞,如圖2(c)所示,試件受拉一段時間后開始出現(xiàn)“噼啪”聲,試件中部邊緣處出現(xiàn)小缺口,持續(xù)加載,伴隨“砰”的一聲巨響,試件邊緣某股纖維絲束被拉斷失效,試驗結(jié)束,其他纖維絲束完好;第3種是鋁片脫落,如圖2(d)所示,剛開始加載一段時間內(nèi)也會出現(xiàn)“噼啪”聲,不久后突然斷裂,試驗停止,外表面破壞不明顯,端部鋁片內(nèi)部纖維布斷裂,分析其原因可能是在制作過程中端部浸漬膠略厚,或者在安裝試件時夾持位置沒有完全居中造成端部受力不均,局部應(yīng)力過大而斷裂脫落.

圖2 BFRP布的典型破壞形態(tài)Fig.2 Typical failure modes of BFRP sheets

試驗過程中發(fā)現(xiàn)：各組試件破壞前無任何征兆,均屬脆性破壞;且紫外線、疲勞荷載及兩者耦合作用下,各試件破壞形態(tài)無明顯特征規(guī)律.

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對破壞試樣放大1000 倍后進行微觀分析,得到不同環(huán)境作用下試件破壞后的表面微觀照片,如圖3所示.由圖3可見：相對于未經(jīng)任何環(huán)境作用的對照組試件,紫外線照射一段時間后,BFRP布表面樹脂基體發(fā)生降解,原本密實的表面出現(xiàn)微小裂縫,隨著照射時間的不斷增加,微小裂縫數(shù)量增多并逐漸擴展形成缺陷,使基體附著量減少,黏結(jié)界面破壞,層與層之間的黏結(jié)性能降低,導(dǎo)致力學(xué)性能下降;在疲勞荷載作用下,首先在纖維缺陷處形成微小裂紋,并隨著疲勞荷載作用次數(shù)的增加而擴散匯集,從而導(dǎo)致基體開裂與纖維布脫黏,纖維布承受疲勞荷載作用后部分纖維絲束斷裂,而疲勞荷載持續(xù)作用又使得斷裂基體與纖維不斷摩擦,對纖維造成損傷,加快了纖維絲束的斷裂,周邊纖維絲束相繼斷裂,致使纖維強度下降,材料破壞;而紫外線與疲勞荷載耦合作用下,紫外線對樹脂基體的降解加快了纖維單獨承受疲勞荷載的速度,疲勞荷載作用又加劇了基體裂縫擴展和斷裂,耦合作用不斷加深,界面黏結(jié)性能下降,材料力學(xué)性能也急劇下降.

圖3 不同環(huán)境作用下試件破壞后的表面微觀照片F(xiàn)ig.3 Microscopic photos of the tensile fracture specimen surface after different environmental effects

2.2 紫外線作用下的拉伸性能

不同層數(shù)BFRP布在紫外線照射不同時間后的拉伸試驗結(jié)果見表3.

由表3可見：隨紫外線照射時間增加,不同層數(shù)BFRP布的拉伸強度均出現(xiàn)不同程度下降,且前期下降幅度較大,后期下降幅度趨于平緩,其中2、

表3 不同層數(shù)BFRP布在紫外線照射不同時間后的拉伸試驗結(jié)果Table 3 Tensile test results of different layers of BFRP sheets under different UV irradiation times

4層BFRP布拉伸強度的下降幅度較3層BFRP布更加明顯，在紫外線照射28d后2、3、4層BFRP布拉伸強度分別下降了15.60%、4.66%、11.78%;拉伸破壞應(yīng)變的變化趨勢與拉伸強度類似,在紫外線照射28d后2、3、4層BFRP布拉伸破壞應(yīng)變的下降幅度分別為13.24%、4.27%和14.85%;而拉伸彈性模量受紫外線的影響并不明顯,其變化幅度在4%以內(nèi),可見紫外線照射對2、4層BFRP布的作用效果更加明顯.

2.3 疲勞荷載作用下的拉伸性能

不同層數(shù)BFRP布在疲勞荷載作用不同次數(shù)后的拉伸試驗結(jié)果見表4.

由表4可見：隨著疲勞荷載作用次數(shù)的增加,不同層數(shù)BFRP布拉伸強度和拉伸破壞應(yīng)變整體呈下降趨勢;疲勞荷載作用200000次后,2、3、4層BFRP布的拉伸強度分別下降11.13%、6.40%、17.47%,拉伸破壞應(yīng)變分別下降10.05%、5.69%和16.34%,而拉伸彈性模量受疲勞荷載的影響很小,其變化幅度均不超過3%.說明疲勞荷載對BFRP布抗拉強度的影響較大,其總體趨勢為：4層>2層>3層.

2.4 紫外線和疲勞荷載耦合作用下的拉伸性能

不同層數(shù)BFRP布在紫外線和疲勞荷載耦合作用下的拉伸試驗結(jié)果見表5.

由表5可見：隨著紫外線和疲勞荷載耦合作用的增加,不同層數(shù)BFRP布的拉伸強度和拉伸破壞應(yīng)變均出現(xiàn)大幅下降;第1個耦合周期7D+5W作用下2、3、4層BFRP布的拉伸強度分別降低了10.62%、0.08%和5.60%,3個耦合周期后,7D+5W+7D+5W+14D+10W作用下2、3、4層BFRP布的拉伸強度分別降低了17.82%、11.69%和19.95%,拉伸破壞應(yīng)變分別下降了14.61%、9.48%和21.29%,均出現(xiàn)不同程度的折減,而拉伸彈性模量變化幅度均在7%以內(nèi),未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律性;紫外線和疲勞荷載耦合作用對4層BFRP布的拉伸強度和拉伸破壞應(yīng)變影響最大,2層BFRP布次之,3層BFRP布最小.

表4 不同層數(shù)BFRP布在疲勞荷載作用不同次數(shù)后的拉伸試驗結(jié)果Table 4 Tensile test results of different layers of BFRP sheets after different numbers of fatigue loading

2.5 紫外線、疲勞荷載及其耦合作用對比分析

結(jié)合表3～5中數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：2、3、4層BFRP布拉伸強度在7D、5W、7D+5W作用下受影響程度分別為：7D>7D+5W>5W、7D>7D+5W>5W、7D+5W>7D>5W;在14D、10W、7D+5W+7D+5W作用下受影響程度分別為：7D+5W+7D+5W>14D>10W、7D+5W+7D+5W>14D>10W、7D+5W+7D+5W>10W>14D;在28D、20W、7D+5W+7D+5W+14D+10W作用下受影響程度分別為：7D+5W+7D+5W+14D+10W>28D>20W、7D+5W+7D+5W+14D+10W>20W>28D、7D+5W+7D+5W+14D+10W>20W>28D.

綜上所述,紫外線和疲勞荷載耦合作用下2、3、4層BFRP布的拉伸破壞程度整體來說大于單一作用,雖然在耦合初始階段2、3層BFRP布出現(xiàn)拉伸破壞程度小于單一作用的情況,但是隨著耦合作用的不斷加深,此現(xiàn)象消失.從圖3可以看出：試件的基體材料經(jīng)過紫外線老化作用后發(fā)生降解,并有少量樹脂脫落,而疲勞荷載作用會在一定程度上破壞基體材料和纖維內(nèi)部絲束,導(dǎo)致基體材料產(chǎn)生裂縫、纖維絲束斷裂,隨著紫外線和疲勞荷載耦合作用的加深,疲勞損傷累積越大,纖維和樹脂基體間缺陷增多,內(nèi)部變形增大,纖維與樹脂間的黏結(jié)力下降,力學(xué)性能也急劇下降.

表5 不同層數(shù)BFRP布在紫外線和疲勞荷載耦合作用下的拉伸試驗結(jié)果Table 5 Tensile test results of different layers of BFRP sheets under UV-irradiation and fatigue load combined action

文獻[18]研究表明：對于片材纖維材料“在保證足夠加固量的前提下,并不是加固層數(shù)越多越好”,原因為片材受力由纖維材料和浸漬膠體共同承擔,纖維材料起主要作用,浸漬膠體將二者連接成整體并傳遞應(yīng)力,其斷裂失效主要是由于纖維材料和浸漬膠體內(nèi)部的裂縫、空隙等缺陷引起的;理論上纖維布層數(shù)越多,最大破壞荷載越大,加固效果越好,但在制作和裁剪試件時,隨著纖維布層數(shù)的增多,層與層之間的絲束并不能保證完全對齊,纖維表面及內(nèi)部出現(xiàn)缺陷的可能性較大,造成傳力不均,都可能導(dǎo)致其強度下降.對比分析本次試驗不同層數(shù)BFRP布的拉伸性能變化發(fā)現(xiàn),3層BFRP布在紫外線、疲勞荷載及其耦合作用下表現(xiàn)出較好的耐久性能,說明其加固效果并不是層數(shù)越多越好.

3 結(jié)論

(1)在紫外線、疲勞荷載及兩者耦合作用下,BFRP布的拉伸破壞形態(tài)無明顯特征規(guī)律.

(2)在紫外線、疲勞荷載及兩者耦合作用下,2、3、4層BFRP布的拉伸強度均前期降幅較大,后期趨于平緩,最大降幅為19.95%;拉伸破壞應(yīng)變的變化趨勢與之相似,最大降幅為21.29%.

(3)紫外線、疲勞荷載單一作用對BFRP布拉伸彈性模量的影響較小,變化均不超過4%;而耦合作用下,拉伸彈性模量變化最大值接近7%,但并未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律性.

(4)在紫外線、疲勞荷載及兩者耦合作用下,BFRP布的拉伸性能與粘貼層數(shù)間均不存在正比關(guān)系,說明紫外線和疲勞荷載耦合作用對BFRP布拉伸性能的影響均大于單一作用,但并非2種單一作用的疊加.

(5)在橋梁工程中采用BFRP布加固時,應(yīng)考慮對BFRP布拉伸強度進行一定程度折減,基于本次試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：紫外線和疲勞荷載耦合較自然環(huán)境作用,2層BFRP布拉伸強度最大折減18%,3層BFRP布拉伸強度最大折減12%,4層BFRP布拉伸強度最大折減20%.