碳纖維復合材料板拉伸性能影響因素試驗研究*

李 彪 趙 娜 趙進階 楊勇新 田 密 劉欣媛

(1.中冶建筑研究總院有限公司, 北京 100088; 2.西安建筑科技大學土木工程學院, 西安 710055)

纖維增強復合材料是高強度纖維和樹脂結(jié)合而成的一種高性能復合材料。纖維增強復合材料由于其強度高、重量輕、耐銹蝕和抗疲勞性能好等優(yōu)點逐步在土木工程中得到更為廣泛的應用[1]。目前碳纖維復合材料板(Carbon Fiber Reinforced Polymer Plate,以下簡稱 CFRP板)多應用于加固工程中,尤其是預應力碳纖維板加固,預應力碳纖維板加固方法可以提高構(gòu)件的開裂荷載,減小構(gòu)件的變形,能夠減緩碳纖維復合材料板的剝離損傷破壞,在降低應變滯后的同時,可以有效抑制裂縫的形成,滿足正常使用功能[2]。Meier在20世紀80年代對外部粘貼CFRP板加固結(jié)構(gòu)的研究,開啟了世界范圍內(nèi)系統(tǒng)研究纖維增強復合材料加固技術(shù)在土木工程領(lǐng)域應用的先河[3]。為了解決CFRP板的剝離破壞等問題,文獻[4]開展了后張法預應力CFRP板抗彎加固鋼筋混凝土梁的研究,研究表明:后張法預應力碳纖維復合材料板加固方法可以減小鋼筋的應力和變形,發(fā)揮CFRP板的高強度,提高構(gòu)件的性能。從20世紀90年代至今,國內(nèi)外針對預應力碳纖維復合材料的加固技術(shù)開展了大量的理論和試驗研究,預應力碳纖維復合材料板加固混凝土結(jié)構(gòu)的實際工程應用也越來越多[5-10]。隨著碳纖維復合材料板應用的越來越多且厚度越來越厚,也對其實驗室檢測錨固方法及產(chǎn)品性能的保障提出了一定的挑戰(zhàn)。本文通過不同因素的分析,對實驗室錨固方法進行改進,同時通過試件破壞現(xiàn)象、錨固樹脂、基體樹脂體系以及纖維體積含量的對比分析,得出不同因素對產(chǎn)品拉伸性能的影響規(guī)律,對國產(chǎn)碳纖維板的生產(chǎn)工藝改進、性能提升及實驗室測試方法改進提供一定的依據(jù),同時也進一步促進碳纖維復合材料板在土木工程領(lǐng)域的應用。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗原材料

碳纖維采用江蘇恒神纖維材料有限公司生產(chǎn)的HF20,抗拉強度為4 100～4 250 MPa,彈性模量為230～240 GPa,伸長率為1.7%～2.0%,樹脂采用江蘇恒神纖維材料有限公司生產(chǎn)的HRPT1和HRPT2,具體指標如表1所示。碳纖維及樹脂體系的參數(shù)均為廠家提供。

表1 樹脂體系性能參數(shù)

1.2 樣品制備

采用壓擠成型工藝,將碳纖維束浸膠后通過熱成型模在一定張力下壓擠成型,此成型工藝為模內(nèi)成型并固化,模具溫度為160～200 ℃,速度為350 mm/min。纖維無彎曲變形,能充分發(fā)揮纖維的縱向拉伸力學性能。碳纖維經(jīng)過除濕、浸膠、預成型、模具成型、固化、牽引、切割等,最后得到需要的尺寸。

1.3 試樣錨固

根據(jù)JG/T 167—2016《結(jié)構(gòu)加固修復用碳纖維片材》[11]的測試要求,取一定長度的試件,依次經(jīng)過打磨、擦拭、黏膠膜,經(jīng)中溫固化后制備出碳纖維復合材料板的測試試件。錨固步驟如下:

1)打磨:通過對比錨固段(夾持段)進行打磨處理和不打磨處理的試驗得出,錨固段不進行打磨處理的試件容易滑脫。所以建議用砂紙打磨加強片以及要貼加強片的試樣;

2)擦拭:使用抹布和丙酮將打磨過的加強片和試樣擦拭干凈;

3)黏結(jié):使用錨固樹脂將加強片粘貼在纖維板的試樣上,加強片應平行地粘貼在試件的兩端,加強片長度50 mm;分別采用小西樹脂和環(huán)氧膠膜兩種錨固樹脂(小西樹脂的剪切強度遠小于環(huán)氧膠膜的剪切強度)粘貼加強片,以測試錨固效率;

4)固化:將貼加強片的試件室溫固化,最終得到錨固好的試樣。

錨固完成的試件如圖1和圖2所示。

圖1 小西樹脂錨固的試件

圖2 環(huán)氧膠膜錨固的試件

1.4 拉伸性能測試

按照標準JG/T 167—2016的測試方法,單側(cè)錨固長度為50 mm,試件長度為230 mm,試件寬度為15 mm,試件厚度分別為1.0 mm和1.2 mm,試驗機采用新三思微控電子萬能試驗機CMT7504,加載速度2 mm/min,最終得出碳纖維板的拉伸強度、彈性模量及應力-應變曲線,測試過程如圖3所示。

1.5 試驗參數(shù)

本次試驗主要是考慮錨固樹脂、纖維體積含量、樹脂體系等不同因素對試驗結(jié)果的影響,得出不同影響因素的影響規(guī)律,對CFRP板的拉伸性能進行優(yōu)化提升,分析得出試件正常的試驗破壞現(xiàn)象、提出合理的錨固建議及最優(yōu)配合比,試驗設計見表2。

表2 試驗設計參數(shù)對比

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果及破壞現(xiàn)象的影響

試驗表明:碳纖維復合材料板從開始受力到試件最終破壞為止近似為一條直線,見圖4。試件接近極限強度時有些許纖維崩裂聲音,很快試件突然斷裂,無屈服階段,為脆性破壞。

試件的破壞狀態(tài)主要分為三種:爆炸式破壞、脆性斷裂破壞和錨固失效破壞,如圖5所示。

1)爆炸式破壞:試驗時,隨著試驗機拉力的不斷增大,當拉力達到一定程度的時候,碳纖維復合材料板邊緣纖維拉斷,進而造成應力重分布;碳纖維絲被拉斷前,都處于高度繃緊狀態(tài),部分纖維絲拉斷后釋放的能量將使一定數(shù)量的纖維絲從試件長度方向分離出來;隨著拉力的繼續(xù)增大,從試件邊緣到內(nèi)部逐步被拉斷,最終剩余的纖維絲不足以承受拉力,均被拉斷并釋放出很大的能量,致使出現(xiàn)爆炸式破壞。

2)脆性斷裂破壞:此處包含端部脆斷、劈裂破壞。造成此種破壞的原因很多,比如纖維板某個地方有缺陷,但是多批次試驗結(jié)果表明,造成此種破壞最主要的原因是錨固區(qū)出現(xiàn)滑移,造成很大的能量釋放,進而造成纖維板劈裂或者端部破壞。從破壞以后的試驗數(shù)據(jù)也可以佐證脆性斷裂是非正常的破壞,嚴重影響對CFRP板真實性能的評估,所以在以后的試驗中,建議可以把脆性斷裂破壞試件的數(shù)據(jù)刪除后再進行下一步分析。

3)錨固失效破壞:也是滑脫破壞,試驗中出現(xiàn)此種現(xiàn)象,主要是有兩個原因,首先是因為碳纖維板與黏結(jié)樹脂的摩擦力、機械咬合力和化學附著力不夠,造成在碳纖維板和黏結(jié)樹脂的界面脫離,其次是黏結(jié)樹脂的抗剪強度不夠,造成樹脂被撕裂。本次采用小西樹脂和環(huán)氧膠膜樹脂進行對比研究。

從批次5和6破壞時候的數(shù)據(jù)來看,如圖6所示:1.0 mm厚度的板,爆炸式破壞的拉伸強度達到了2 377.5 MPa,脆性斷裂破壞的強度只有爆炸式破壞強度的92%,錨固失效破壞的強度只有爆炸式破壞強度的84%;1.2 mm厚度的板,爆炸式破壞的拉伸強度達到了2 209 MPa,脆性斷裂破壞的強度只有爆炸式破壞強度的94%,錨固失效破壞的強度只有爆炸式強度的93%?？梢钥闯?判斷破壞模式的準確與否,是能否準確判定CFRP板真實拉伸性能的依據(jù)。理想的破壞模式是爆炸式破壞。

圖6 破壞現(xiàn)象的影響

2.2 錨固樹脂對錨固性能的影響

錨固樹脂不同,CFRP板與錨固樹脂的黏結(jié)力不同,黏結(jié)介質(zhì)與加強片的黏結(jié)力也是不同的,本文分別采用小西樹脂(剪切強度≥14.5 MPa)和環(huán)氧膠膜(剪切強度≥33 MPa)兩種黏結(jié)樹脂粘貼加強片(環(huán)氧膠膜的剪切強度遠大于小西樹脂的剪切強度),在試驗機一定夾持力作用下測試2種厚度CFRP板的錨固效率。錨固效率為爆炸式破壞的試件數(shù)目與全部試件數(shù)目的比值。批次2和4進行對比,錨固效率如圖7所示。從圖中可以看出,在錨固樹脂的錨固工藝成熟的情況下,環(huán)氧膠膜的錨固效率要遠遠高于小西樹脂的錨固效率,也說明剪切強度越大,越利于錨固,對于1.2 mm的CFRP板,環(huán)氧膠膜的錨固效率達到了80%,而小西樹脂的錨固效率為30%。從表3也可以看出,批次2試樣拉伸強度只有2 186.0 MPa,批次4試樣拉伸強度達到了2 400.8 MPa,理論上批次2發(fā)生錨固失效的可能性更小,但是其錨固效率反而更低,也側(cè)面印證了環(huán)氧膠膜的錨固效率更好。

圖7 錨固樹脂對錨固效率的影響

表3 碳纖維板拉伸性能試驗結(jié)果

隨著市場上CFRP板厚度越來越大,單單從改進錨固樹脂的性能方面考慮,難以滿足要求,還要從錨固長度方面考慮,標準中傳統(tǒng)的50 mm長度的錨固加強片越來越不能滿足測試需求。所以建議針對厚度大的CFRP板,標準中應該提出相應的錨固方法,以便更好地促進其應用。

2.3 基體樹脂對于拉伸性能的影響

基體樹脂的牌號分別為HRPT1和HRPT2,具體性能指標見表1。本次對比只針對爆炸式破壞的試件進行統(tǒng)計分析。樹脂的拉伸強度和彈性模量對復合材料的總體拉伸強度和彈性模量影響不大,樹脂體系黏度大小主要是影響浸潤效果,進而影響最后的材料性能。如圖8所示,HRPT2樹脂的黏度大于HRPT1,對于1.0 mm厚度的CFRP板,容易浸潤,也容易拉擠成型,所以HRPT2樹脂體系的CFRP板拉伸強度更大一些;而對于1.2 mm厚度的CFRP板,HRPT2樹脂的黏度大反而造成碳纖維更難浸潤,造成拉伸強度下降。所以選擇樹脂體系應該考慮尺寸的影響,黏度越大不一定越好,要根據(jù)實際情況來選擇適配,才能更好地發(fā)揮碳纖維的拉伸性能。對于彈性模量,HRPT1樹脂體系中,1.2 mm厚度板的彈性模量大于1.0 mm厚度板的彈性模量,主要是因為1.2 mm厚的板的纖維體積含量為66%,大于1.0 mm厚的板的纖維體積含量64%,見圖9。同時在圖中可以看出,針對1.2 mm厚度的板,采用HRPT1樹脂的彈性模量大于HRPT2浸潤的板,也側(cè)面說明HRPT1更容易浸潤1.2 mm厚度的板。對于延伸率來講,針對1.0 mm的板,HRPT2浸潤效果好,在浸潤充分的情況下,樹脂的黏度越大,延伸率越好,見圖10。

圖9 基體樹脂體系對彈性模量的影響

圖10 基體樹脂體系對延伸率的影響

2.4 纖維體積含量對拉伸性能的影響

當纖維的體積含量和拉伸強度都遠遠大于基體樹脂的含量和強度時,復合材料板的強度主要由纖維的強度所控制。理論上講纖維體積含量增大,復合材料板的拉伸強度及彈性模量也會增大,從圖11～13中可以看出,纖維體積含量從65%增大到66%的時候,拉伸強度增大了7.04%,彈性模量增大了14.9%,而當纖維體積含量從66%增大至67%時,拉伸強度反而降低了8.95%,彈性模量增大了9.14%。盡管從幾何排布上講,包含于復合材料中的圓柱形纖維的最大體積分數(shù)含量可達91%,但通常在纖維體積含量超過某一數(shù)值的時候,復合材料的性能就開始下降,原因是基體沒有能力潤濕和滲透纖維束,導致纖維出現(xiàn)貧膠及在復材中出現(xiàn)縫隙,引起纖維受力不均勻,早早地發(fā)生斷裂,出現(xiàn)強度下降的情況。本試驗中,隨著纖維體積含量的增大,拉伸強度先上升后下降也驗證了這一規(guī)律。隨著纖維體積含量的增大,彈性模量繼續(xù)增大,但是延伸率一直在下降,這是因為樹脂含量一直減少,當樹脂體積含量減少到一定程度的時候,難以完全浸漬纖維甚至出現(xiàn)貧膠的情況,造成延伸率進一步降低。

圖11 纖維體積含量對拉伸強度的影響

圖12 纖維體積含量對彈性模量的影響

圖13 纖維體積含量對延伸率的影響

3 結(jié)束語

通過對試驗破壞現(xiàn)象、錨固樹脂、基體樹脂、纖維體積含量等因素對拉伸性能的影響規(guī)律的對比研究,可以得出以下結(jié)論:

1)爆炸式破壞模式是碳纖維復合材料板最理想的破壞模式,最能反映碳纖維復合材料板的性能。脆性斷裂破壞是一種非正常的破壞模式,破壞的同時伴隨著滑移,所以拉伸強度小于極限拉伸強度。

2)在一定夾持力的情況下,剪切強度越大的錨固樹脂,錨固效率越高,越利于錨固。但是隨著CFRP板厚度的增加,單單從改進錨固樹脂方面考慮,錨固越來越難。錨固長度方面,錨固長度不夠,試樣直接錨固失效,隨著市場上碳纖維板厚度越來越大,JG/T 167—2016等標準中加強片50 mm的長度也越來越難以滿足試驗要求,建議對標準中CFRP板的錨固方法進行綜合研究并改進。

3)基體樹脂體系的黏度越大,延伸率越好。當復合材料在一定厚度范圍內(nèi),基體樹脂可以充分浸漬纖維,黏度大對于復合材料的強度有增加作用,但是厚度過大,可能會難以浸潤,造成強度下降。

4)對于1.2 mm厚的CFRP板,隨著纖維體積含量的增加,拉伸強度先增加后降低,彈性模量逐步增加,本次最優(yōu)配合比為66%。