碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料力學(xué)性能檢測(cè)研究

鄒文剛

(貴州省交通科學(xué)研究院股份有限公司)

1 引言

隨著改革開(kāi)放以來(lái)我國(guó)大規(guī)模的工程建設(shè)，許多工程項(xiàng)目開(kāi)始進(jìn)入養(yǎng)護(hù)維修階段，以橋梁工程為例，大量的橋梁在日益增長(zhǎng)的交通量和荷載的作用下，開(kāi)始出現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)安全的破壞，對(duì)這部分橋梁進(jìn)行加固處理就顯得極為迫切，因?yàn)檫@直接關(guān)系到了道路的正常服務(wù)水平和行車(chē)的安全。對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的補(bǔ)強(qiáng)常用的加固方法主要有增大截面法、外包鋼板法、預(yù)應(yīng)力法、混凝土噴射法和粘貼復(fù)合材料法。其中粘貼復(fù)合材料法成為近幾年鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固中的研究重點(diǎn)，復(fù)合材料重量輕、強(qiáng)度高、施工和易性好，特別是如碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的復(fù)合材料的出現(xiàn)，極大的推動(dòng)了加固技術(shù)的不斷發(fā)展。纖維增強(qiáng)材料本質(zhì)上是通過(guò)連續(xù)纖維來(lái)組成復(fù)合材料，在實(shí)際工程應(yīng)用中針對(duì)碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料相關(guān)力學(xué)性能的研究還較少，本文就是針對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)研究，通過(guò)深入分析碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的力學(xué)性能，來(lái)推進(jìn)材料在耐久性、結(jié)構(gòu)適用性等方面的不斷改進(jìn)。

2 碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的基本力學(xué)性能檢測(cè)

由于碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的應(yīng)用時(shí)間較短，在實(shí)際使用過(guò)程中還暴露出部分缺陷，主要表現(xiàn)為:氣泡，相關(guān)研究表明當(dāng)復(fù)合材料的空隙率大于2%時(shí)，其強(qiáng)度會(huì)下降40%左右;脫粘，碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的吸附性能相對(duì)較弱;分層，復(fù)合材料各層之間分離，會(huì)對(duì)其性能造成重大影響。另外碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的力學(xué)性能還會(huì)受到外界環(huán)境變化的影響，溫度、濕度等條件的變化都會(huì)加快其強(qiáng)度的衰減，腐蝕介質(zhì)的侵入也會(huì)對(duì)復(fù)合材料的性能穩(wěn)定造成影響。

2.1 試驗(yàn)材料的制備

本文試驗(yàn)過(guò)程中選用的碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料為L(zhǎng)200-C型片材，材料橫向無(wú)交叉，縱向順直，密度為200 g/m2，厚度為0.111 mm。由于碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料在生產(chǎn)的過(guò)程中可能會(huì)因?yàn)閺埨Ψ植疾痪?，在邊部線(xiàn)排密度過(guò)大，造成材料強(qiáng)度分布的不均勻，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，選用材料的中部，同時(shí)要盡量避開(kāi)碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料搭接位置處。結(jié)合國(guó)內(nèi)外的相關(guān)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的研究，本文在碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料力學(xué)性能檢測(cè)中試樣尺寸選擇為長(zhǎng)度230 mm，寬度為15 mm。

由于碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的抗拉伸強(qiáng)度較高，但是材料的脆性低和耐壓性差的特點(diǎn)，在材料拉伸的過(guò)程中材料可能會(huì)因?yàn)閵A具的擠壓而導(dǎo)致破壞，而并不是真正的被拉斷，所以在試驗(yàn)過(guò)程中首先需要對(duì)碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料進(jìn)行處理，目前采用較為廣泛的方法是對(duì)材料用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行浸漬，試樣制備的具體過(guò)程為:在平整臺(tái)面上鋪設(shè)塑料布，以避免環(huán)氧樹(shù)脂與工作臺(tái)面的粘連，將裁剪好的碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料平整放在塑料布之上，用刷子將環(huán)氧樹(shù)脂在碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的表明進(jìn)行均勻涂抹，使得環(huán)氧樹(shù)脂能夠均勻的滲透到材料的各縫隙當(dāng)中，涂抹完成之后，將試驗(yàn)材料靜止與空氣中進(jìn)行固化。待固化完成之后，清理材料周?chē)拿?，并再次核?zhǔn)試驗(yàn)試樣的尺寸。

2.2 試樣方法及實(shí)驗(yàn)過(guò)程

對(duì)碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料拉伸試驗(yàn)參照了國(guó)標(biāo)《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》中的相關(guān)要求，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的夾具要跟試樣的縱向軸線(xiàn)保持一致，避免夾具和試樣之間發(fā)生互動(dòng)，如果碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料在拉伸的過(guò)程中出現(xiàn)滑動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致附加的彎曲應(yīng)力過(guò)大，從而導(dǎo)致材料應(yīng)變分布的不均勻，導(dǎo)致試驗(yàn)材料過(guò)早出現(xiàn)破壞，對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)造成影響。

另外需要特別注意的是要結(jié)合材料的特性選擇合適的加載方式，控制好加載的速度，選擇采用連續(xù)加載還是分級(jí)加載，要避免在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，本文在試驗(yàn)過(guò)程中選擇連續(xù)加載方式進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。通過(guò)數(shù)據(jù)采集計(jì)算可以獲得碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的拉伸強(qiáng)度、極限變形和拉伸彈性模量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的抗拉強(qiáng)度、彈性模量和極限變形試驗(yàn)結(jié)果

從試樣過(guò)程中試樣的破壞情況來(lái)看，試樣的斷面破壞寬度斷面較寬，由于碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料在沿纖維的方向承受荷載時(shí)，由于材料自身的纖維存在離散型，會(huì)導(dǎo)致較弱的纖維被拉斷，當(dāng)斷裂裂紋出現(xiàn)就會(huì)在裂紋周?chē)霈F(xiàn)拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的應(yīng)力集中。圖1為試驗(yàn)過(guò)程中碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。從應(yīng)力應(yīng)變的曲線(xiàn)變化情況來(lái)看，碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的平均應(yīng)力能夠達(dá)到3 800 MPa。

因?yàn)樵谔祭w維復(fù)合增強(qiáng)材料的試驗(yàn)過(guò)程中需要采用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行處理，為了探究粘結(jié)劑的不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，本文在試驗(yàn)過(guò)程中選用的三種不同的粘結(jié)劑材料對(duì)材料處理后進(jìn)行拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，粘結(jié)劑的不同對(duì)碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的抗拉升強(qiáng)度影響較小，對(duì)材料的彈性模量略有影響，但是模量變化并不顯著。

2.3 對(duì)碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料力學(xué)性能檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化方法探討

本文在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的力學(xué)性能檢測(cè)方法，借鑒的只是國(guó)標(biāo)《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》中的相關(guān)內(nèi)容，該方法對(duì)試樣的制備過(guò)程、尺寸要求和加載方式等都做出了詳細(xì)的規(guī)定，但是針對(duì)碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的力學(xué)性能檢測(cè)目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有明確的規(guī)定。國(guó)標(biāo)中材料的最大伸長(zhǎng)率和彈性模量主要是從定義上來(lái)給出相關(guān)的測(cè)試方法，對(duì)具體操作過(guò)程沒(méi)有詳細(xì)的規(guī)定。

在碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料實(shí)際受力的過(guò)程中其極限強(qiáng)度值較為容易測(cè)定，但是對(duì)其應(yīng)變的測(cè)定較為困難，這主要是因?yàn)樘祭w維復(fù)合增強(qiáng)材料自身具有較大的應(yīng)變值，所以準(zhǔn)確獲得其相應(yīng)應(yīng)力下的應(yīng)變值應(yīng)該成為其力學(xué)性能檢測(cè)中的主要待解決問(wèn)題。從實(shí)際的試驗(yàn)過(guò)程來(lái)看，在碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的試驗(yàn)過(guò)程中為保證試驗(yàn)效果達(dá)到預(yù)期的目的，需要重點(diǎn)做好以下幾方面工作，首先要保證試驗(yàn)過(guò)程中試樣表明平整光滑，材料跟應(yīng)變片之間要具有較好的粘附性，另外要保證材料在試驗(yàn)過(guò)程中的受力為均勻受力。

在實(shí)際測(cè)量碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的應(yīng)變過(guò)程中，其表面比較平整。但是在加載過(guò)程中，由于試驗(yàn)機(jī)對(duì)中或夾具位置設(shè)置等一些問(wèn)題的存在，在纖維片材上兩側(cè)的應(yīng)變變化和中間部位的應(yīng)變變化可能會(huì)存在不同，同時(shí)在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，在也較難在平面內(nèi)控制材料彎曲變形。另外碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的極限應(yīng)變較大，能夠達(dá)到5%左右，應(yīng)變片可能在材料拉伸過(guò)程中發(fā)生斷裂，或者出現(xiàn)應(yīng)變片與試樣的剝離現(xiàn)象，所以在測(cè)量碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的應(yīng)變時(shí)，要考慮到測(cè)量一個(gè)較大標(biāo)距內(nèi)的平均應(yīng)變，這種測(cè)量方法能夠減少了測(cè)量段內(nèi)各部分應(yīng)變差異造成的誤差，同時(shí)能夠較好的適應(yīng)碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料應(yīng)變值較大的特點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)物維修加固項(xiàng)目的不斷增多，碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料有著廣闊的應(yīng)用前景，碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料有著優(yōu)越的力學(xué)性能，據(jù)有較高的強(qiáng)度和模量，能夠顯著改善構(gòu)件的承載能力，同時(shí)不會(huì)增加混凝土結(jié)構(gòu)物的自重，不改變結(jié)構(gòu)物的外部尺寸，應(yīng)用范圍較為廣泛，本文對(duì)碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的基本力學(xué)性能進(jìn)行了探討，在今后應(yīng)用過(guò)程中還需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)一步來(lái)完善其力學(xué)性能檢測(cè)方法。

［1］ 定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法(GB/T3354-1999)［S］.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

［2］ 朱虹，張繼文.結(jié)構(gòu)加固過(guò)程中CFRP布基本力學(xué)性能的檢測(cè)［A］.第二屆全國(guó)土木工程用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)［C］.2002.

［3］ 涂智溢，馬芹永.國(guó)外碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)［J］.福建建材，2005.