CFRP的弹性模量与线膨胀系数的测定

张绪平,丁克伟

(安徽建筑工业学院土木工程学院,安徽合肥 230022)

CFRP的弹性模量与线膨胀系数的测定

张绪平,丁克伟

(安徽建筑工业学院土木工程学院,安徽合肥 230022)

在国内关于碳纤维复合材料加固钢结构的工程应用较少。理论分析和试验研究不够深入,文章在做了用碳纤维复合材料加固钢梁的试验研究后,发现复合材料自身的特性对加固效果有很大影响,于是对碳纤维复合材料的弹性模量和线膨胀系数进行测定,得出了该复合材料的本构关系和不同温度下的应变变化,试验结论仅供加固设计参考。

CFRP弹性模量; 线膨胀系数; 试验研究

碳纤维复合材料,由于它具有质量轻、减振性能好、可粘贴性和方便操作等优点,已经在钢筋混凝土结构加固中得到了广泛的应用[1]、[3],并且其理论分析和实验研究已较完备。目前,而关于加固钢结构方面的研究虽然也引起了学界的关注[4]、[6],但由于国内在这方面的研究起步较晚,工程实际应用缺乏较完备的理论支持。在实验研究过程中,人们往往关注的是加固效果如何(如钢构件的刚度和承载力的提高),忽略了对复合材料本身性能的研究,因此本文在前人理论和试验研究的基础上,通过对复合材料弹性模量和线膨胀系数的测定,从而了解复合材料的本构关系,为实际的加固方案设计出可靠的纤维复合材料。

1 试验材料性能

由于碳纤维和胶体的品种很多,本文只对实际加固工程中常用的碳纤维材料和胶体材料进行试验研究。碳纤维布采用上海同固公司生产的UT70-300型碳纤维布,配套粘结树脂选用上海同固牌胶,试验所用各种材料实测力学及相关性能指标[7]参见表 1～表 3。

试验时,试验在岛津试验机温度箱内进行。试验应变片所贴位置在试件中间竖向拉伸方向粘贴,碳纤维复合材料的弹性模量和线膨胀系数测定所用试件相同。

图1 岛津试验机

2 试验设备与试件

在做碳纤维复合材料弹性模量试验时,试验在岛津试验机上进行,试验试件规格如表 4所示,试验加载装置如图 1。而在测复合材料的线膨胀系数

3 本次试验方案

3.1 复合材料的弹性模量测定

首先通过理论计算确定该试件的屈服荷载F为12 kN (计算公式为式(1),在弹性范围内。分级加载,以 2 kN为一个等级,分别记录在不同荷载等级作用下的试件中间应变值。

计算出的复合材料的抗拉强度[8]:

式中:σcb为复合材料的抗拉强度;σfb为纤维的抗拉强度;σms为基体的屈服应力;Vf为纤维体积分数;Vm为基体体积分数。

体积分数即纤维和基体的体积占总体积的百分数。

3.2 复合材料的线膨胀系数测定

根据粘结剂自身材料性能,当温度超过 35℃时,胶体会发生弹塑性变形[8],于是确定在常温下(5℃～35℃)分级加载,以 5℃为一个等级,分别记录在不同温度作用下的试件中间应变值。

4 本次试验预测量的物理意义

4.1 弹性模量

意义:弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标,其值越大,使材料发生一定弹性变形的应力也越大,即材料刚度越大,亦即在一定应力作用下,发生弹性变形越小。弹性模量 E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标,相当于普通弹簧中的刚度。

4.2 线膨胀系数

意义:复合材料的线膨胀系数是表示材料在某一温度范围内变化,构件的尺寸随之发生变化的物理量,该性能也具有各向异性的性能。通过CFRP片材线膨胀系数的测定,试验结论可以和钢材的线膨胀作比较,若结果吻合较好,就可以很好解释CFRP片材为什么能很好地和钢材共同工作。

5 试验结果及分析

5.1 CFRP片材弹性模量的试验结论与结果分析

通过岛津试验机上测定的碳纤维复合材料弹性模量,测定结果荷载 -应变曲线见图 2,试验值与理论计算值对比如表5。

图2 碳纤维复合材料试件竖向荷载-应变

单层碳纤维复合材料的理论弹性模量计算公式如式(3)[10]:

式中:Ef为纤维弹性模量;Em为胶的弹性模量;Vf,Vm即为纤维和基体的体积占总体积的百分数。

本次试验的碳纤维复合材料的厚度为1.3mm,CFRP300 g布实际厚0.167mm,即YZJ胶层实际厚为1.133mm,则粘胶的CFRP布复合材料的弹性模量应为:

试验计算碳纤维复合材料弹性模量试验值与理论计算的相差:

试验所测结果与理论计算吻合较好,同时通过试验可以发现在荷载超过 10 kN时,复合材料试件发生弹塑性变化,同时得出复合材料的屈服荷载在10 kN附近。

5.2 CFRP片材线膨胀系数测定试验结论与结果分析

通过在岛津试验机温度箱上测定的碳纤维复合材料线膨胀系数,测定结果温度-应变曲线如图 3。

图3 碳纤维复合材料温度-应变值

通过计算在不同温度下,该试验所得碳纤维复合材料的线膨胀系数为 1.277×10-6mm/℃,而钢材的线膨胀系数为1.2×10-6mm/℃。试验所得碳纤维复合材料线膨胀系数的试验值与理论计算的差值为。

试验所测碳纤维复合材料与钢材的线膨胀系数相比的差值为6.4%。

通过以上对比分析,可得出CFRP片材的弹性模量和线膨胀系数试验结论与理论计算的结果吻合较好,可以很好地反映材料的真实性能。

6 结 论

(1)通过碳纤维复合材料弹性模量的测量,发现在 10 kN范围内,材料的应力应变成线性关系, 可推测碳纤维加固钢构件时,其底部复合材料轴力拉伸到 10 kN时会发生复合材料拉断破坏。

(2)在复合材料弹性模量测定过程中,二试件的荷载应变曲线拟合较好,理论计算和试验研究所得的弹性模量相比较误差较小,同时发现复合材料中粘结剂的厚度对整个构件的弹性模量影响较大。

(3)根据试验数据与钢材的线膨胀系数做比较,在常温下(5℃～35℃)下,二种材料的线膨胀系数较接近,从这一角度可以解释两者在一起很好地共同工作的原因(启发与钢筋和混凝土能很好共同工作的原因)。

(4)由于碳纤维复合材料是非均匀性材料,测定在不同温度和荷载条件下,试件中间应变的变化不能代表为整个试件的应变变化,试验结果存在误差,试验方法有待改进。

[1] 杨勇新,岳清瑞,胡云昌.碳纤维布与混凝土粘结性能的试验研究[J].建筑结构学报,2001,22(3):36-42

[2] 杨勇新.碳纤维布与混凝土粘结性能及其加固混凝土受弯构件的破坏机理研究[D].天津大学,2001

[3] De Lorenzis,LMiller B.and Nanni,A..Bond of FRP lam inates to concrete[J].ACIMaterials Journal,2001,98(3):256-264

[4] Mertz DR,and Gillespie JW.Rehabilitation of steel bridge girders through the application of advanced composite materials.Final Report,NCHRP-93-ID11,Transportation Research Board,Washington DC,1996

[5] 邓军,黄培彦.CFRP板与钢梁粘结剥离破坏的试验研究[J].建筑结构学报,2007,28(5):124-129

[6] 张磊,腾锦光.一种快速FRP加固钢结构的新技术[J].土木工程学报,2008(10):6-13

[7] 李娟.GFRP粘结加固钢构件的理论分析和试验研究[D].合肥工业大学,2008

[8] 杨伯源.材料力学(Ⅱ)[M].北京:机械工业出版社,132-135

TU599

B

2009-10-23

安徽省自然科学基金(090414149)和安徽省教育厅自然科学重点基金资助(KJ2007A004,ZD 2008001-1)

张绪平(1985～),男,硕士研究生;丁克伟(1962～),男,教授,博士后,主要研究方向为计算力学和结构工程。