約束條件下CFRP筋單軸抗壓性能試驗(yàn)

陳爽，關(guān)紀(jì)文，梁淑嘉，陳紅梅

(1.桂林理工大學(xué) 廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)筋具有密度小、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)良性能[1-7].研究表明，F(xiàn)RP筋不需要考慮因鋼筋銹蝕引起的耐久性問題，故相較于鋼筋，F(xiàn)RP筋更適合作為侵蝕性環(huán)境(酸雨地區(qū)、沿海和海島等)下服役結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)筋[1-3].目前，對(duì)FRP筋的應(yīng)用主要集中在發(fā)揮抗拉性能方面，往往忽略其抗壓性能[4-6].在實(shí)際工程應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件常處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，不可避免地承受壓應(yīng)力，且碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)抗壓性能的優(yōu)劣會(huì)直接影響受壓構(gòu)件的承載力水平[7-8].

一些學(xué)者對(duì)CFRP筋的抗壓性能進(jìn)行研究.龔永智等[9]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)細(xì)比較大的CFRP筋試件的受壓彎曲程度越明顯，且容易發(fā)生失穩(wěn)破壞.張新越等[10]發(fā)現(xiàn)CFRP筋的破壞一般是橫向變形過大而無法繼續(xù)承受荷載所致，且當(dāng)約束條件較弱時(shí)，試件端部會(huì)提前破壞，測(cè)得的抗壓強(qiáng)度偏低.文獻(xiàn)[11-13]研究表明CFRP筋在未加約束或約束作用不明顯的情況下，往往導(dǎo)致筋材發(fā)生整體失穩(wěn)或端部壓碎，實(shí)測(cè)值與真實(shí)值偏差較大，試驗(yàn)效果不佳.為了保證筋材試件的穩(wěn)定性，本文對(duì)約束條件下的CFRP筋進(jìn)行單軸抗壓性能試驗(yàn)，分析筋材長(zhǎng)細(xì)比、直徑對(duì)抗壓性能的影響.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件的設(shè)計(jì)與制作

采用直徑為8，10，12 mm的CFRP筋(浙江省海寧市安捷復(fù)合材料有限責(zé)任公司)，每種直徑均設(shè)計(jì)30，45，60等3種長(zhǎng)細(xì)比，并根據(jù)長(zhǎng)細(xì)比設(shè)置不同的受壓長(zhǎng)度.為了減小試驗(yàn)誤差，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，以相同直徑和受壓長(zhǎng)度的試件為一組，分為1～9組，每組有3個(gè)完全相同的試件(相關(guān)參數(shù)取平均值).

表1 試件的參數(shù)

試件兩端采用抗壓強(qiáng)度高、剛度大的碳鋼套帽加以約束，并在碳鋼套帽與CFRP筋之間的空余部分灌入環(huán)氧樹脂進(jìn)行固定[14].定制碳鋼套帽的尺寸圖，如圖1所示.圖1中：R為CFRP筋半徑.CFRP筋壓縮試件，如圖2所示.兩端碳鋼套帽固定好后，在筋材中部?jī)蓚?cè)對(duì)稱粘貼規(guī)格為3 mm×2 mm(長(zhǎng)×寬)的電阻應(yīng)變片，試件的應(yīng)變值取兩側(cè)的平均值.

(a)剖面圖 (b)俯視圖

1.2 試驗(yàn)加載裝置與加載方案

采用500 t微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載數(shù)據(jù)由試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集，試件的應(yīng)變由DH3816N型靜態(tài)應(yīng)變分析系統(tǒng)采集.采用正位單調(diào)靜力加載，全過程按位移控制，加載速率為2 mm·min-1，從零開始加載，直至試件完全破壞，荷載的施加需連續(xù)、平穩(wěn).

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在加載初期，試件會(huì)發(fā)出微小的碎裂聲，這是因?yàn)榧訅喊迮c碳鋼套帽完全接觸后，會(huì)對(duì)筋材進(jìn)行垂直對(duì)中調(diào)整，試件兩端的部分環(huán)氧樹脂發(fā)生碎裂[15].當(dāng)接近極限荷載時(shí)，試件不斷發(fā)出碎裂的聲響.最后，伴隨著一聲脆響，試件達(dá)到極限承載力，發(fā)生破壞.整個(gè)過程中，CFRP筋始終不發(fā)生屈服，屬于典型的脆性破壞.

2.2 破壞形態(tài)分析

試驗(yàn)中，CFRP筋出現(xiàn)剪切破壞、劈裂破壞、壓碎破壞、屈曲破壞等4種破壞形態(tài)，如圖3～6所示.

圖3 剪切破壞形態(tài)圖 圖4 劈裂破壞形態(tài)圖

1)剪切破壞.剪切破壞主要發(fā)生在直徑為10 mm的試件中，其破壞面與試件縱軸線大致呈45°，通常會(huì)完全斷裂且伴隨明顯的相對(duì)滑動(dòng)，筋材上的白色螺旋纏繞纖維線發(fā)生崩斷[15].剪切破壞測(cè)得的極限承載力適中，試件部分抗壓性能得到發(fā)揮.

2)劈裂破壞.在軸向壓力作用下，試件由于泊松效應(yīng)發(fā)生側(cè)向開裂，當(dāng)橫向拉應(yīng)變超過自身的極限拉應(yīng)變時(shí)，會(huì)發(fā)生劈裂破壞，又稱橫向開裂破壞.劈裂破壞主要發(fā)生在直徑為12 mm的試件中，主要出現(xiàn)在試件端部及沿縱軸方向.筋材往往未完全被壓壞就已經(jīng)達(dá)到極限承載力，因此，其抗壓性能未得到充分發(fā)揮.

3)壓碎破壞.壓碎破壞發(fā)生在直徑為8 mm的試件中，壓碎破壞的程度十分徹底，筋材纖維往往直接被壓成碎屑，甚至粉末，且完全觀察不到裂縫沿軸向延伸的痕跡[15].壓碎破壞測(cè)得的極限承載力較高，筋材抗壓性能得到充分利用.

4)屈曲破壞.受壓長(zhǎng)度大的試件容易發(fā)生屈曲破壞，用肉眼便可以觀察到破壞一側(cè)的纖維發(fā)生彎折變形，致使荷載作用線發(fā)生偏移.屈曲破壞測(cè)得的筋材極限承載力極低，對(duì)其抗壓性能利用率也極低.

圖5 壓碎破壞形態(tài)圖 圖6 屈曲破壞形態(tài)圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

表2 CFRP筋抗壓性能試驗(yàn)結(jié)果

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

受壓應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線，如圖7所示.由圖7可知：CFRP筋為典型的脆性材料，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線始終保持線彈性增長(zhǎng)；直徑為8，10 mm試件的極限應(yīng)變隨著長(zhǎng)細(xì)比的增大而減??；直徑為8 mm的試件長(zhǎng)細(xì)比為30，45時(shí)，發(fā)生完全壓碎破壞，所測(cè)的極限應(yīng)變高達(dá)4 300 ×10-6，當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比增加至60時(shí)，試件曲線的斜率最大，加載過程中應(yīng)變始終小于前兩種長(zhǎng)細(xì)比的應(yīng)變，且由于發(fā)生屈曲失穩(wěn)，未達(dá)到極限強(qiáng)度就提前發(fā)生破壞，故極限應(yīng)變偏小；直徑為10 mm的試件主要發(fā)生剪切破壞，盡管長(zhǎng)細(xì)比為30時(shí)的曲線斜率偏大，但最終測(cè)得的極限應(yīng)變均較為接近；直徑為12 mm的試件主要發(fā)生劈裂破壞，3種長(zhǎng)細(xì)比下曲線的斜率相近，極限應(yīng)變相差甚微.

(a)d=8 mm (b)d=10 mm (c)d=12 mm

3.3 長(zhǎng)細(xì)比的影響

3.3.1 抗壓強(qiáng)度 抗壓強(qiáng)度的變化情況，如圖8所示.由圖8可得以下3個(gè)結(jié)論.

圖8 抗壓強(qiáng)度的變化情況 圖9 極限應(yīng)變的變化情況

1)各試件的抗壓強(qiáng)度均隨著長(zhǎng)細(xì)比的增大而減小；當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比為30，45時(shí)，直徑為8 mm的試件發(fā)生壓碎破壞，抗壓強(qiáng)度較高，最大抗壓強(qiáng)度可達(dá)465.10 MPa；當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比繼續(xù)增大到60，直徑為8 mm的試件發(fā)生屈曲失穩(wěn)，且兩端碳鋼套帽對(duì)筋材的約束作用逐漸減弱，故其第2段曲線下降斜率增加明顯，減幅較第1段增加了8.13%，直徑為8 mm的試件最終的抗壓強(qiáng)度低于直徑為10，12 mm的試件.

2)直徑為10 mm的試件曲線下降斜率明顯，累計(jì)減幅達(dá)40.12%，主要原因是試件發(fā)生剪切破壞，且剪切面與試件縱軸線往往保持呈45°發(fā)生破壞，而長(zhǎng)細(xì)比的增加使試件由原來的整體剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槎瞬考羟衅茐?，?dǎo)致試件中部筋材的抗壓性能未得到充分發(fā)揮.

3)直徑為12 mm的試件兩段曲線下降斜率大致相同，累計(jì)減幅僅為22.79%，減幅最小.試件主要發(fā)生劈裂破壞，盡管長(zhǎng)細(xì)比的增大使外部膠體容易發(fā)生劈裂受損，但由于直徑較大，當(dāng)接近破壞時(shí)，筋材內(nèi)部纖維發(fā)生應(yīng)力重分布，仍可以承擔(dān)一定的壓應(yīng)力[16].因此，當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比增加到60時(shí)，直徑為12 mm的試件的抗壓強(qiáng)度最大.

3.3.2 極限應(yīng)變 極限應(yīng)變的變化情況，如圖9所示.由圖9可知：各試件的極限應(yīng)變均隨長(zhǎng)細(xì)比的增加逐漸減??；直徑為12 mm的試件曲線下降斜率最平緩，極限應(yīng)變累計(jì)減幅僅為10.53%；而直徑為8，10 mm的試件累計(jì)減幅分別達(dá)到20.09%，30.38%，其中，直徑為8 mm的試件第2次減幅較第1次減小了10.03%，直徑為10 mm的試件第2次減幅較第1次增加了5.08%.

3.3.3 抗壓彈性模量 抗壓彈性模量的變化情況，如圖10所示.由圖10可知：各試件的抗壓彈性模量均隨著長(zhǎng)細(xì)比的增加逐漸減??；當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比為30時(shí)，直徑為12 mm的試件的抗壓彈性模量最大，可達(dá)70.48 GPa，當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比分別增加到45，60時(shí)，直徑為12 mm的試件抗壓彈性模量分別累計(jì)降低26.40%，29.11%，但其抗壓彈性模量始終大于直徑為8，10 mm的試件；直徑為8 mm的試件由于直徑小、穩(wěn)定性不佳，故曲線下降斜率明顯，總減幅最大已達(dá)52.07%；直徑為10 mm的試件曲線斜率平緩，兩次減幅大致相同，均保持在8.00%左右，總減幅僅為15.75%.

圖10 抗壓彈性模量的變化情況

3.4 直徑的影響

直徑變化的影響，如圖11所示.由圖11(a)可知：當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比分別為30，45時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度隨直徑的增大而降低；當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比為60時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度反而隨著直徑的增大而增大.因此，筋材的抗壓強(qiáng)度隨著直徑變化未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，這種現(xiàn)象往往取決于筋材的破壞形態(tài).

(a)抗壓強(qiáng)度 (b)極限應(yīng)變 (c)抗壓彈性模量

由圖11(b)可知：極限應(yīng)變隨著直徑的增大而顯著減小，這是因?yàn)殡S著直徑的增大，外部纏繞的約束纖維絲對(duì)內(nèi)部纖維的約束作用越小，且內(nèi)部纖維分布的不均勻性增加，導(dǎo)致極限應(yīng)變明顯降低[16].

由圖11(c)可知：試件的抗壓彈性模量隨著直徑的變化未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性；當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比為30時(shí)，抗壓彈性模量先下降后上升；當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比分別為45，60時(shí)，抗壓彈性模量始終保持上升趨勢(shì)，且斜率增大.這與筋材本身的制作質(zhì)量、兩端碳鋼套帽的約束效果及幾何中心是否對(duì)中有關(guān)[16].

4 結(jié)論

1)碳鋼套帽的約束能夠有效避免CFRP筋端部發(fā)生局部破壞，可較準(zhǔn)確地反映筋材單軸受壓時(shí)的破壞形態(tài)，即剪切破壞、劈裂破壞、壓碎破壞和屈曲破壞.當(dāng)發(fā)生壓碎破壞時(shí)，CFRP筋的抗壓性能得以充分發(fā)揮，測(cè)得的抗壓強(qiáng)度較高.

2)CFRP筋為典型的脆性材料，加載過程未出現(xiàn)屈服平臺(tái)，筋材應(yīng)力-應(yīng)變曲線保持線彈性增長(zhǎng).

3)CFRP筋單軸抗壓強(qiáng)度隨長(zhǎng)細(xì)比的增大而減小，其減幅取決于筋材的破壞形態(tài).其中，直徑為12 mm的試件在接近破壞時(shí)發(fā)生內(nèi)力重分布，其抗壓強(qiáng)度的減幅最小.同樣，對(duì)極限應(yīng)變、抗壓彈性模量的影響規(guī)律相似.

4)CFRP筋的極限應(yīng)變隨著直徑的增大而顯著減小，而直徑的增大對(duì)試件抗壓強(qiáng)度、抗壓彈性模量影響甚微.