不同溫度環(huán)境下輕木夾芯復(fù)合材料板彎曲疲勞性能試驗(yàn)

霍瑞麗,陳登楊,方 海,方 園,韓 娟,楊翔宇

(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211800)

復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)通常采用高強(qiáng)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(FRP)作為面板,泡沫、輕木、蜂窩等輕質(zhì)材料作為芯材,可根據(jù)服役環(huán)境和力學(xué)性能需求靈活設(shè)計(jì),具有質(zhì)量輕、剛度大、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)在土木交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用,可用作橋梁防撞系統(tǒng)、橋面板、路面墊板、裝配式建筑墻板等[1-3]。

與混凝土材料結(jié)構(gòu)相比,FRP并不具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),因此目前常應(yīng)用在高溫高濕、腐蝕性強(qiáng)等有特殊要求的復(fù)雜環(huán)境結(jié)構(gòu)中。國(guó)內(nèi)外學(xué)者前期研究了溫度、濕度、濕熱、紫外線等各類環(huán)境對(duì)FRP結(jié)構(gòu)物理力學(xué)性能和使用壽命的影響,結(jié)果表明,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不但面臨各類荷載的考驗(yàn),環(huán)境也是影響其承載性能和耐久性能的重要因素。在濕度和溫度環(huán)境的影響下,各組分材料的形態(tài)、質(zhì)量、力學(xué)性能等均會(huì)發(fā)生改變。溫度越高,水分子的無(wú)序運(yùn)動(dòng)越快,膠黏劑等聚合物的劣化愈嚴(yán)重,尤其是在交變循環(huán)荷載的長(zhǎng)期共同作用下,復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的面板及芯材界面易發(fā)生脫黏。隨著損傷的不斷累積而導(dǎo)致疲勞破壞,直接影響了結(jié)構(gòu)的使用壽命[4-8]。Dai等[9]及Owen[10]研究發(fā)現(xiàn),在循環(huán)載荷作用下復(fù)合材料的主要破壞形態(tài)有:纖維和樹(shù)脂界面的脫黏剝離、樹(shù)脂基體開(kāi)裂、纖維斷裂等。Burman等[11-12]通過(guò)對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)及芯材進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),剛度退化進(jìn)程晚于疲勞裂縫的出現(xiàn)。史慧媛等[13-14]、Shi等[15]、張響鵬[16]對(duì)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的疲勞性能開(kāi)展了大量的研究工作,分析荷載等級(jí)、構(gòu)件截面形式、組分材料等對(duì)疲勞破壞模式和疲勞壽命的影響。有學(xué)者進(jìn)一步指出,FRP結(jié)構(gòu)的疲勞特性表現(xiàn)出明顯的溫度效應(yīng)[17],其影響程度甚至可能超過(guò)應(yīng)力水平的影響。謝桂華等[18]基于唯象學(xué)剛度退化理論,推導(dǎo)了FRP材料基于溫度變化的剛度退化和疲勞壽命預(yù)測(cè)等效模型。李青等[19]引入溫度參數(shù)修正模型,預(yù)測(cè)不同溫度下15CrMoR材料的疲勞壽命。盧頡[20]研究了蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在室溫和高溫環(huán)境下的四點(diǎn)彎疲勞失效特性,并分析了芯子排列方向、加載條件、溫度環(huán)境等因素的影響。筆者選取價(jià)格低廉的國(guó)產(chǎn)速生輕質(zhì)泡桐木作為芯材、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)作為面層制作復(fù)合材料夾芯板,開(kāi)展溫度和循環(huán)荷載共同作用下的彎曲疲勞性能試驗(yàn)研究,通過(guò)分析結(jié)構(gòu)的最大撓度的演化過(guò)程和破壞形態(tài),研究荷載等級(jí)、溫度環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞性能和壽命的影響,為工程設(shè)計(jì)提供參考?？紤]到目前復(fù)合材料夾芯板的服役環(huán)境及組分材料的高溫敏感性,且樹(shù)脂基體玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度一般在70 ℃左右,因此,本試驗(yàn)選取在30、50、60 ℃共3種典型溫度環(huán)境下進(jìn)行加載。

1 試件制備

根據(jù)夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法[21],采用真空導(dǎo)入工藝制備復(fù)合材料夾芯板試件,樹(shù)脂固化成型環(huán)境溫度為(25±5) ℃、相對(duì)濕度為65%,試件尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。試件面板增強(qiáng)材料采用雙軸向E型無(wú)堿玻璃纖維布,共鋪5層,自上而下鋪層角度分別為(0°,90°)/(±45°)/(0°,90°)/(±45°)/(0°,90°);選用不飽和樹(shù)脂為基體材料,加入過(guò)氧化甲乙酮(C8H18O6)固化劑、異辛酸鉻(C24H45CrO6)和苯乙烯(C8H8)催化劑。芯材采用國(guó)產(chǎn)速生泡桐木,木材鋸切時(shí)沿試件長(zhǎng)度方向順紋布置,為增加界面黏結(jié)力,對(duì)刨光后的木質(zhì)芯材表面正交開(kāi)槽,并在交點(diǎn)處打孔(深度約2 mm),制備流程如圖1所示。試件固化成型后再脫模切割成尺寸為350 mm×70 mm×31 mm的試件。

2 加載方案

試驗(yàn)在恒溫恒濕環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,相對(duì)濕度設(shè)定為95%,溫度分別設(shè)定為:30、50、60 ℃?？紤]到木材存在天然缺陷,每個(gè)試驗(yàn)工況取5個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn),試件全長(zhǎng)350 mm,支座之間跨度為300 mm,加載點(diǎn)滾軸中心到支座中心點(diǎn)之間的距離為100 mm,如圖2所示。荷載采用正弦波形式,加載頻率為2 Hz,根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果,疲勞試驗(yàn)的荷載等級(jí)r(最大荷載和靜載試驗(yàn)中試件極限承載力的比值)取0.6、0.7,荷載比R(某個(gè)循環(huán)加載最小荷載與最大荷載的比值)取0.1。加載時(shí)當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過(guò)106時(shí),認(rèn)為此試件有無(wú)窮壽命,即不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。因此,確定本試驗(yàn)的終止條件為試件豎向位移大于10 mm和疲勞循環(huán)次數(shù)達(dá)到亞疲勞階段,即達(dá)到106。

表1 復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)試件尺寸參數(shù)

圖1 復(fù)合材料夾芯板制備流程

圖2 疲勞試驗(yàn)加載示意圖(單位:mm)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 疲勞破壞形態(tài)

不同溫度環(huán)境下,夾芯板試件的疲勞破壞模式有所不同,共性的破壞模式為彎剪段芯材剪切和面板、芯材之間的界面剝離。試驗(yàn)加載初期,試件外觀無(wú)明顯變形,跨中撓度迅速達(dá)到平衡后基本保持不變。隨著加載的持續(xù)進(jìn)行,彎剪段的芯材開(kāi)始萌生裂紋,裂紋的寬度隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加不斷變大。當(dāng)擴(kuò)展至GFRP面板與芯材的界面時(shí),引起界面剝離。

圖3為30 ℃環(huán)境下輕木夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的疲勞破壞模式。在試驗(yàn)加載初期,試件發(fā)出有規(guī)律的輕微響聲,經(jīng)歷200個(gè)循環(huán)后,用電子顯微鏡觀察,支座處GFRP面板受壓區(qū)域樹(shù)脂基體和與纖維界面處開(kāi)始萌生細(xì)小裂紋,局部出現(xiàn)凹陷。由于損傷不可逆,局部凹陷逐漸轉(zhuǎn)化為塑性變形。GFRP面板在局部壓力和往復(fù)拉力作用下，在試件的最外端開(kāi)始出現(xiàn)裂紋,伴隨加載進(jìn)程裂紋逐步向支座擴(kuò)展,造成試件外伸段面板與芯材界面脫黏、翹曲(圖3(a)、3(b))。支座凹陷邊緣形成初始裂紋后,在循環(huán)加載過(guò)程中,面板底部的界面處產(chǎn)生順紋方向的剪切裂紋并向跨中位置迅速擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展與齒槽邊緣處的裂紋連通時(shí),界面剝離。隨著荷載的增加,剝離面積范圍不斷增加,直至芯材出現(xiàn)整體水平滑移(圖3(c))。在30 ℃溫度環(huán)境下,加載初期泡桐木芯材具有較強(qiáng)的抗剪能力,最終發(fā)生剪切破壞的原因是面板和芯材的變形不一致,是界面剝離引起的間接破壞。

圖3 30 ℃環(huán)境下復(fù)合材料夾芯板疲勞破壞模式

圖4為50 ℃環(huán)境下夾芯板的疲勞失效模式,其破壞模式與30 ℃時(shí)較為接近,主要表現(xiàn)為芯材剪切、界面脫層,部分試件GFRP上面板發(fā)生屈曲。與30 ℃溫度環(huán)境相比,50 ℃時(shí)試件界面脫層區(qū)域面積較小,主要集中在彎矩較大的跨中區(qū)域,破壞進(jìn)程相對(duì)緩慢,結(jié)構(gòu)延性有所提升,但溫度升高導(dǎo)致泡桐木芯材的剪切破壞進(jìn)程迅速。

圖4 50 ℃環(huán)境下復(fù)合材料夾芯板疲勞破壞模式

圖5為60 ℃環(huán)境下夾芯板試件的疲勞失效模式,整個(gè)破壞進(jìn)程較為迅速,從圖5(a)可以看出,芯材的順紋方向剪切裂紋比較密集,試驗(yàn)過(guò)程中裂紋擴(kuò)展速度快,芯材剪切破壞嚴(yán)重。這是因?yàn)闇囟壬咭鹋萃┠镜哪举|(zhì)纖維細(xì)胞孔隙變大,導(dǎo)致抗剪能力不斷降低,內(nèi)部裂紋擴(kuò)展貫通,從而引起受拉側(cè)GFRP面板玻璃纖維拉斷,GFRP上面板發(fā)生屈曲的部位比50 ℃時(shí)發(fā)生屈曲的部位分散。

圖5 60 ℃環(huán)境下復(fù)合材料夾芯板疲勞破壞模式

3.2 疲勞壽命分析

試驗(yàn)所得復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的平均疲勞壽命見(jiàn)表2。從表2中可以看出,相同荷載等級(jí)下,隨著溫度的升高,結(jié)構(gòu)的平均疲勞壽命均有所降低。

表2 不同溫度環(huán)境下復(fù)合材料夾芯板的平均疲勞壽命

當(dāng)荷載水平r為0.6時(shí),30和50 ℃溫度環(huán)境下,荷載循環(huán)次數(shù)超過(guò)106時(shí)，仍無(wú)明顯界面脫層和裂紋出現(xiàn),說(shuō)明試件不會(huì)發(fā)生疲勞破壞;在60 ℃溫度環(huán)境下,試件的平均疲勞壽命為82 716次,與30 ℃時(shí)的平均疲勞壽命相比,減小了29.7%。當(dāng)荷載應(yīng)力等級(jí)為0.7時(shí),相同溫度環(huán)境下,夾芯板試件的平均疲勞壽命有所降低,3種溫度工況下試件的平均疲勞壽命均小于106次。與30 ℃時(shí)相比,在50和60 ℃溫度環(huán)境下試件的平均疲勞壽命減小幅度與荷載應(yīng)力等級(jí)為0.6時(shí)的平均疲勞壽命減小幅度較為接近。

以每次荷載循環(huán)中的最大撓度為縱坐標(biāo)、相對(duì)壽命n/N(當(dāng)前循環(huán)次數(shù)n與總循環(huán)次數(shù)即疲勞壽命N之比)為橫坐標(biāo),得到不同溫度環(huán)境下夾芯板的撓度最大值與相對(duì)壽命曲線如圖6所示。由圖6可以看出,在不同溫度環(huán)境下,疲勞荷載引起的夾芯板試件最大撓度變化趨勢(shì)基本相同。因速生泡桐木芯材中存在一定的天然缺陷或鋸切裂紋,加載初期(荷載循環(huán)約200次,占疲勞壽命的5%左右),試件撓度快速增加;撓度增加至平衡后,結(jié)構(gòu)的整體剛度保持穩(wěn)定,撓度變形基本保持恒定,此階段占整個(gè)循環(huán)加載過(guò)程的90%以上。循環(huán)荷載持續(xù)作用下,GFRP板內(nèi)微裂紋萌生,微裂紋擴(kuò)展到一定程度貫通形成可見(jiàn)裂紋。加載后期,可見(jiàn)裂紋在界面或芯材中沿木材紋理迅速擴(kuò)展,形成主裂紋,持續(xù)加載將引起面板和芯材的界面脫層,結(jié)構(gòu)整體破壞。此階段的持續(xù)時(shí)間很短,約占疲勞壽命的0.5%～5%。

圖6 不同溫度環(huán)境下復(fù)合材料夾芯板的最大撓度-相對(duì)壽命曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)的破壞進(jìn)程與荷載等級(jí)相關(guān),也與溫度環(huán)境密切相關(guān)。荷載等級(jí)越高,結(jié)構(gòu)越易產(chǎn)生彎曲變形,初始平衡階段撓度值越大,相同循環(huán)次數(shù)后裂紋發(fā)展更快,試件的疲勞壽命更短。從圖6還可以看出,溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的撓度變形變化趨勢(shì)的影響不大,但對(duì)每個(gè)循環(huán)的變形影響顯著。同一循環(huán)荷載作用下,在50 ℃溫度環(huán)境下結(jié)構(gòu)的撓度變形最小,采用顯微鏡觀察,50 ℃時(shí)GFRP面板的組分材料玻璃纖維和樹(shù)脂之間的孔隙有所減小,樹(shù)脂基體分子分布更均勻,界面黏結(jié)性能更好,提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度。但此時(shí)的疲勞壽命與30 ℃時(shí)的疲勞壽命相比,下降10%左右。60 ℃時(shí),因接近了樹(shù)脂基體的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度,GFRP面板的剛度顯著降低,結(jié)構(gòu)整體撓度變形增加。

3.3 疲勞壽命預(yù)測(cè)模型

S-N曲線壽命預(yù)測(cè)方法是疲勞壽命最方便、最基本的預(yù)測(cè)方法, 壽命預(yù)測(cè)模型中最具有代表性的是指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)模型,根據(jù)模型參數(shù)之間的關(guān)系,一般通過(guò)取對(duì)數(shù)的方式獲得應(yīng)力水平與疲勞壽命之間的線性關(guān)系。筆者選取精確度較高的指數(shù)函數(shù)模型和冪函數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式建立S-N曲線模型。

1)指數(shù)函數(shù)模型

eβSN=C

(1)

式中:S為疲勞荷載,N為疲勞壽命,β、C為材料常數(shù),與試驗(yàn)材料及加載條件等有關(guān)。將式(1)兩端取對(duì)數(shù),可得

βSlg e+lgN=lgC

(2)

在指數(shù)函數(shù)模型中,疲勞荷載S與疲勞壽命的對(duì)數(shù)lgN呈線性關(guān)系,得到單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系內(nèi)的線性化S-N曲線。

2)冪函數(shù)模型

CNβ=S

(3)

將式(3)兩端取對(duì)數(shù),可得

lgC+βlgN=lgS

(4)

在冪函數(shù)模型中,疲勞荷載的對(duì)數(shù)lgS與和疲勞壽命的對(duì)數(shù)lgN呈線性關(guān)系,得到雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系內(nèi)的線性化S-N曲線。

根據(jù)指數(shù)函數(shù)模型式(1)和冪函數(shù)模型式(3),擬合線性化的疲勞壽命曲線如圖7所示。

圖7 不同溫度環(huán)境下復(fù)合材料夾芯板的疲勞壽命曲線

表3 復(fù)合材料夾芯板疲勞壽命指數(shù)函數(shù)模型擬合結(jié)果

表4 復(fù)合材料夾芯板疲勞壽命冪函數(shù)模型擬合結(jié)果

采用指數(shù)函數(shù)模型和冪函數(shù)模型擬合的復(fù)合材料夾芯板的疲勞壽命曲線函數(shù)及相關(guān)參數(shù)如表3和4所示,從表3、4中的相關(guān)系數(shù)可以看出,兩種疲勞壽命模型擬合的精確度均較高;隨著溫度的升高,疲勞壽命曲線的斜率呈先減小后增大的趨勢(shì),結(jié)合不同溫度環(huán)境下結(jié)構(gòu)的最大撓度-相對(duì)壽命曲線變化規(guī)律可以看出,在50 ℃左右時(shí),泡桐木夾芯板的耐疲勞特性得到短暫提升。60 ℃時(shí)，因GFRP面板基體樹(shù)脂和界面樹(shù)脂接近玻璃態(tài),且木質(zhì)芯材本身存在天然缺陷、木質(zhì)細(xì)胞孔隙增大等因素將導(dǎo)致在高溫時(shí)夾芯結(jié)構(gòu)的抗剪能力顯著衰減,疲勞壽命大幅度降低。

4 結(jié)論

1)溫度環(huán)境對(duì)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的疲勞破壞模式影響顯著。溫度較低時(shí),結(jié)構(gòu)的破壞模式主要有芯材剪切和界面脫層,50 ℃時(shí),界面的黏結(jié)強(qiáng)度有所提升,界面脫層面積減小,疲勞破壞進(jìn)程相對(duì)緩慢;60 ℃時(shí),芯材多處出現(xiàn)順紋方向的剪切裂紋,受拉側(cè)GFRP板纖維拉斷,受壓側(cè)GFRP板屈曲。

2) 溫度環(huán)境影響復(fù)合材料夾芯板的剛度和變形能力。30、50、60 ℃溫度環(huán)境下結(jié)構(gòu)的最大撓度變化趨勢(shì)基本相同;同一荷載循環(huán)下,50 ℃時(shí)結(jié)構(gòu)的撓度變形最小,60 ℃時(shí),結(jié)構(gòu)剛度顯著降低,撓度值最大。

3)荷載等級(jí)和溫度環(huán)境對(duì)復(fù)合材料夾芯板的疲勞壽命影響顯著。當(dāng)荷載等級(jí)較低時(shí),低溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生疲勞破壞;荷載等級(jí)越高,溫度越高,結(jié)構(gòu)的疲勞壽命越低。采用指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)預(yù)測(cè)模型得到的疲勞壽命曲線精確度較高,可用于復(fù)合材料夾芯板的疲勞壽命宏觀分析。