双向纤维增强复合材料拉伸试验研究

顾文虎

(淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001)

0 引言

钢筋混凝土结构具有较好的受力性能，但当钢筋混凝土结构应用于桥梁结构、港口工程等侵蚀性或暴露环境时，由于钢筋的锈蚀会导致结构的严重破坏。纤维增强复合材料(Fiber reinforced polymer，FRP)具有轻质高强、耐锈蚀、电磁绝缘性好等特点，用其代替钢筋是解决钢筋锈蚀引起混凝土损伤和破坏的有效途径之一，因此，纤维材料被广泛用于结构加固工程。FRP材料形式主要为筋材、片材、型材等，其中片材和筋材在结构加固和修复中应用最多[1-3]。

在研究纤维增强复合材料加固工程时，纤维增强复合材料的力学性能是研究的基础，而拉伸性能是纤维增强复合材料中极为重要的一项。一般的生产厂商只提供纤维原丝的材料力学性能，很少提供编织后的纤维布的力学性能，因此，对用于编织的纤维布的力学性能研究是很有必要的。目前，针对编织纤维布的研究主要涉及编织复合材料宏观复合材料弹性模量和强度分析。T. Ikawa等研究了编织复合材料的弹性性能，给出编织复合材料弹性模量的上、下极限解。Huang提出既可以计算复合材料弹性模量，又可以计算其强度的桥模型。卢子兴等研究了编织复合材料的力学性能，分析了编织角和纤维体积含量对编织复合材料力学性能的影响。本文针对双向编织纤维布进行了单轴拉伸试验，研究其力学性能[4-6]。

1 试验概况

1.1 材料的选择及编织方法

试验用芳纶纤维材料为杜邦公司生产的Kevlar29和Kevlar49，碳纤维材料为日本东丽公司生产的T300，双向编织纤维增强复合材料是由宜兴恒立航天科技有限公司提供生产加工的。各种纤维材料的主要性能参数见表1。

表1 纤维材料的性能参数

表2 试件编号及尺寸一览表

注：混杂种类编织增强复合材料各种组成部分含量按照体积进行计算

试验采用的双向纤维增强复合材料是将连续的纤维通过双向编织形成的增强复合材料，其分为经向和纬向，两组纱线呈90°相互交织在一起，每个方向都是由若干的纤维束组成的。

1.2 试件设计制作

试验的双向编织纤维增强复合材料主要包括单一种类编织和混杂种类编织两种情况(图1)。试件尺寸及参数见图2和表2，拉伸试验分为6组，每组采用10根试件。

(a)单一种类编织 (b)混杂种类编织

图2 试件形状及尺寸

1.3 试验方法及设备

由于纤维布是一种典型的各向异性材料，其横向强度远小于纵向强度，为了保证锚具具有可靠的锚固性能，本课题组选择了参考预应力钢绞线锚具的形式[7]对双向编织纤维增布进行锚固。通过试验发现，该锚具锚固效果比较好，能满足本试验研究的要求。加载采用位移控制单调加载的方式。根据《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》[8]，加载速率：2mm/min，记录数据。在荷载作用下的荷载-位移变化过程，得到应力-应变关系曲线。试件加载过程中纤维束随着荷载的不断增加逐次发生断裂，当荷载达到一定程度后不能继续增加，即认为该荷载值为极限荷载。

2 试验结果与讨论

图4为拉伸试验试件破坏形态图。从试件破坏形态分析，可以分为六种情况。

2.1 整体断裂破坏

双向纤维复合材料拉伸过程达到极限抗拉强度时，试件某个截面发生“颈缩”，该“颈缩”现象是由经向纤维束在轴心拉力作用下相互挤压而形成的，从而呈现出“伪塑形”特征，该种破坏形式为脆性断裂破坏。具体的试件破坏形式如图3(a)所示。

2.2 分种类断裂

发生该破坏主要是混杂种类编织纤维增强复合材料，试件在拉伸试验过程中，极限拉应变较低的碳纤维纤维束先发生断裂破坏，然后极限拉应变较高的芳纶纤维束发生拉断破坏，其破坏现象比较明显。具体的试件破坏形态如图3(b)所示。

2.3 分层断裂

本次试验的双向编织纤维增强复合材料经向和纬向采用平纹编织的方式，采取叠合的方式组合在一起。当试件拉力达到一定程度后，其中一层纤维材料先发生断裂破坏，随着荷载的不断增加，另外一层的纤维编织带筋也发生拉断破坏，分层断裂的一个明显特点就是纤维复合材料的断裂缺口比较齐平，不会发生“颈缩”现象。这主要是由于试件拉伸试验时，试件在锚具中的受力不均匀导致的。具体的试件破坏形态如图3(c)所示。

2.4 应力-应变关系曲线

根据拉伸试验全过程检测结果，绘制出每组试件的应力-应变关系曲线。

AF-K29-1、AF-K29-2、AF-K49-1和AF-K49-2四组试件单轴拉伸应力-应变关系曲线基本呈线性，试件破坏没有明显预兆，呈脆性破坏；HAA-1和HAC-1两组试件单轴拉伸应力-应变关系曲线存在应力“突变”现象，这是由于碳纤维材料发生突然断裂造成的，但“突变”现象不明显，最后发生脆性破坏。具体应力-应变关系曲线如图4所示。

2.5 抗拉强度

根据每组试件的拉伸试验结果，采取数理统计的方式计算出每组试件的抗拉强度标准值、标准差等数据，如图5所示。

图5 拉伸试验装置图

表3 试件抗拉强度

根据每组试件的抗拉强度结果分析，采取不同纤维材料、不同截面尺寸的纤维布其抗拉强度也是不同的。双向编织纤维布的抗拉强度的影响因素主要包括纤维材料的种类、纤维复合材料的截面尺寸、纤维复合材料中纤维束的紧密程度等。从试件的抗拉强度与纤维原丝的抗拉强度相比较：双向编织纤维布的抗拉强度一般为纤维原丝的抗拉强度30%左右，远小于纤维原丝的抗拉强度。

2.6 弹性模量及伸长率

根据纤维布的拉伸试验结果，单一种类编织纤维布应力-应变关系曲线基本呈线弹性，通过计算可以得到双向编织纤维布的弹性模量。双向编织纤维布的极限伸长率很难直接测得，当纤维布受拉破坏时，很难直接测出纤维布的长度变化量。根据纤维布的应力-应变关系曲线，可以计算出其极限拉应变。

表4 单一种类编织纤维复合材料弹性模量及极限伸长率

从表4可以看出，单一种类编织纤维布的弹性模量要明显小于纤维原丝的弹性模量，其为纤维原丝弹性模量的20%～30%左右；纤维布的极限拉应变要大于纤维原丝的极限拉应变。这与双向编织纤维布中纤维原丝的变形有一定的关系，当双向编织纤维布处于自然状态下，纤维复合材料中径向纤维原丝处于弯曲状态，当纤维布受到拉力作用时，径向纤维束的变形包含两个过程：纤维束从弯曲状态到拉直状态的过程；纤维束本身的拉伸变形过程。

3 结论

双向编织纤维布在单调拉伸试验过程中呈“伪塑形”特征，出现局部“颈缩”现象，但根据试验结果，复合材料拉伸破坏呈脆性破坏。由于纤维布在单轴拉伸过程中，纤维束之间会发生相互挤压现象，从而在纤维复合材料的某个截面形成“颈缩”现象。

纤维原丝材料抗拉强度不可作为双向编织纤维布的强度设计值用于工程结构加固设计。双向编织纤维布的抗拉强度要远小于纤维原丝的抗拉强度，因此，在将双向编织纤维布用于加固工程时，需要测定其抗拉强度，不能使用纤维原丝的抗拉强度代替纤维复合材料的抗拉强度。

本次单轴拉伸试验参考了预应力钢绞线的锚具原理设计了专门锚具进行锚固处理。

参考文献：

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[8] 曹月乔,张国良,王菲菲.纤维素生物质生产燃料乙醇的研究进展[J].淮阴工学院学报，2014，23(1)：46-51.