紫外线、疲劳荷载及两者耦合作用下BFRP布的耐久性试验

2020-11-12王海良

建筑材料学报 2020年5期

王海良, 李博

(1.天津城建大学土木工程学院, 天津 300384;2.天津城建大学天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室, 天津 300384)

玄武岩纤维具有绿色无污染、耐高温、耐腐蚀性好、性价比高等优点,其主要产品之一的玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)已广泛应用于各类混凝土结构的补强、加固和修复[1-3].由于BFRP的良好应用前景,国内外很多学者已开展了对这种新型复合材料耐久性的研究.在腐蚀环境对其耐久性影响方面，杨勇新等[4-9]通过拉伸试验研究了BFRP布在干湿循环、紫外线、冻融循环、酸、碱、盐等环境作用后的耐久性,并分析了其降解机理,结果表明：受不同环境作用后的BFRP布拉伸强度均出现一定程度的下降.在BFRP材料疲劳试验方面，Pan等[10-12]通过对BFRP施加不同应力水平拉-拉疲劳荷载,记录其刚度退化和残余强度,并结合扫描电子显微镜观察其断裂面,研究了其退化机理,结果表明：所施加应力水平越大,BFRP布疲劳寿命越低.

目前国内外学者大多只研究了单一环境下BFRP的耐久性[13-16],对紫外线、疲劳荷载等多环境耦合作用下BFRP性能的研究鲜有涉及.桥梁结构在受到紫外线作用的同时还要承受疲劳荷载作用,因此,用于加固桥梁结构的BFRP受力更加复杂,为考虑环境作用影响,ACI 440.2R-02《Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures》对纤维增强聚合物(FRP)加固设置了环境折减系数,中国相关规范中还未考虑环境作用的影响.开展紫外线、疲劳荷载及两者耦合作用下BFRP布的耐久性试验研究,将对中国相关规范的制定、修订起到积极推动作用.

基于以上实际需求,本文开展了3种层数BFRP布在紫外线、疲劳荷载及两者耦合作用下的拉伸强度、拉伸弹性模量、拉伸破坏应变等试验研究.

1 试验部分

1.1 试验材料

采用浙江石金玄武岩纤维有限公司生产的BUF7-200型玄武岩纤维单向布,其性能指标见表1;基体材料为武汉长江加固公司生产的YZJ-CQ纤维复合材料专用配套结构胶,其中A、B组分按质量比3∶1进行配制.

表1 玄武岩纤维单向布的性能指标Table 1 Performance of basalt fiber unidirectional sheet

1.2 试件制作

参照JG/T 167—2016《结构加固修复用碳纤维片材》附录A中的规定,将玄武岩纤维单向布用专用配套结构胶浸渍,制成2、3、4层的BFRP布,裁成规定尺寸,并在两端粘贴铝制加强片,试件宽度为15mm,具体尺寸如图1所示.

图1 BFRP布的尺寸Fig.1 Size of BFRP sheet(size:mm)

1.3 试验环境及方案

1.3.1紫外线照射

采用无锡市春华试验设备有限公司生产的TSN-750氙灯老化试验箱,根据规范GB/T 16422.2—2014《塑料实验室光源暴露试验方法第2部分：氙弧灯》,设定老化箱内辐照度为530W/m2,空气温度为35℃,相对湿度为60%.

由太阳辐射中的紫外辐射特点可知：紫外区的太阳辐射能占太阳辐射总能相对较少,约为5%～7%,参考文献[17]附录1,天津地区太阳年辐射总能约为6128MJ/m2.依据辐射量等效关系计算出室外日照与老化箱内辐射时间的换算关系,如表2所示.对3种层数的BFRP进行7、14、28d的紫外线老化试验,对应工况分别记作7D、14D、28D.

表2 室外日照与老化箱内辐照时间的换算关系Table 2 Conversion relationship of irradiation time in outdoor sunshine and aging box

1.3.2疲劳荷载作用

根据GB/T 16779—2008《纤维增强塑料层合板拉-拉疲劳性能试验方法》,疲劳荷载上限值取静态拉伸极限荷载的60%,疲劳荷载下限值取静态拉伸极限荷载的30%,频率设置为10Hz,波形为正弦波,试验设备采用济南胜工试验机有限公司生产的型号为PWS-100型电液伺服试验机,对3种层数的BFRP布均进行50000、100000、200000次疲劳荷载试验,对应工况分别记作5W、10W、20W.

1.3.3紫外线和疲劳荷载耦合作用

紫外线和疲劳荷载耦合作用参照上述2种环境,先将3种层数的BFRP布放入氙灯老化试验箱中照射7d,再将其拿出施加50000次疲劳荷载,记作7D+5W;然后再放入氙灯老化箱内照射7d,取出后再施加50000次疲劳荷载作用,记作7D+5W+7D+5W;最后将其放入氙灯老化箱照射14d后取出再施加100000次疲劳荷载,记作7D+5W+7D+5W+14D+10W.

此外,设置不进行紫外线照射、疲劳荷载及其耦合作用的对照组(0).

每组制作8个试件,当试件断裂处位于2个加强片之间工作段内时所测结果为有效数据,结果取5个有效数据的平均值.

1.4 拉伸试验

拉伸试验在天津城建大学土木建筑防护结构实验室的微型控制电子万能试验机上进行,按照GB/T 3354—2014《定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》,采用位移控制加载,加载速率为2mm/min,观察试件破坏形态,测定拉伸强度、拉伸弹性模量和拉伸破坏应变.

2 结果及分析

2.1 BFRP布破坏形态及微观状态

通过对各破坏试件进行观察,BFRP布的典型破坏形态可归纳为以下3种(如图2所示)：第1种是粉碎性破坏,如图2(a)所示,试件受拉一段时间后开始出现“噼啪”声,随着荷载的增大,试件内部薄弱位置纤维丝发生断裂,“噼啪”声持续,紧接着临近纤维丝随着荷载的增大而逐渐断裂,直至“砰”的一声,试件完全破坏,部分试件中间丝束弹出,边缘丝束破坏严重,并有小碎屑飞出,层数较多时纤维布层与层之间发生剥离(见图2(b));第2种是劈裂破坏,如图2(c)所示,试件受拉一段时间后开始出现“噼啪”声,试件中部边缘处出现小缺口,持续加载,伴随“砰”的一声巨响,试件边缘某股纤维丝束被拉断失效,试验结束,其他纤维丝束完好;第3种是铝片脱落,如图2(d)所示,刚开始加载一段时间内也会出现“噼啪”声,不久后突然断裂,试验停止,外表面破坏不明显,端部铝片内部纤维布断裂,分析其原因可能是在制作过程中端部浸渍胶略厚,或者在安装试件时夹持位置没有完全居中造成端部受力不均,局部应力过大而断裂脱落.

图2 BFRP布的典型破坏形态Fig.2 Typical failure modes of BFRP sheets

试验过程中发现：各组试件破坏前无任何征兆,均属脆性破坏;且紫外线、疲劳荷载及两者耦合作用下,各试件破坏形态无明显特征规律.

采用扫描电子显微镜(SEM)对破坏试样放大1000 倍后进行微观分析,得到不同环境作用下试件破坏后的表面微观照片,如图3所示.由图3可见：相对于未经任何环境作用的对照组试件,紫外线照射一段时间后,BFRP布表面树脂基体发生降解,原本密实的表面出现微小裂缝,随着照射时间的不断增加,微小裂缝数量增多并逐渐扩展形成缺陷,使基体附着量减少,黏结界面破坏,层与层之间的黏结性能降低,导致力学性能下降;在疲劳荷载作用下,首先在纤维缺陷处形成微小裂纹,并随着疲劳荷载作用次数的增加而扩散汇集,从而导致基体开裂与纤维布脱黏,纤维布承受疲劳荷载作用后部分纤维丝束断裂,而疲劳荷载持续作用又使得断裂基体与纤维不断摩擦,对纤维造成损伤,加快了纤维丝束的断裂,周边纤维丝束相继断裂,致使纤维强度下降,材料破坏;而紫外线与疲劳荷载耦合作用下,紫外线对树脂基体的降解加快了纤维单独承受疲劳荷载的速度,疲劳荷载作用又加剧了基体裂缝扩展和断裂,耦合作用不断加深,界面黏结性能下降,材料力学性能也急剧下降.

图3 不同环境作用下试件破坏后的表面微观照片Fig.3 Microscopic photos of the tensile fracture specimen surface after different environmental effects

2.2 紫外线作用下的拉伸性能

不同层数BFRP布在紫外线照射不同时间后的拉伸试验结果见表3.

由表3可见：随紫外线照射时间增加,不同层数BFRP布的拉伸强度均出现不同程度下降,且前期下降幅度较大,后期下降幅度趋于平缓,其中2、

表3 不同层数BFRP布在紫外线照射不同时间后的拉伸试验结果Table 3 Tensile test results of different layers of BFRP sheets under different UV irradiation times

4层BFRP布拉伸强度的下降幅度较3层BFRP布更加明显，在紫外线照射28d后2、3、4层BFRP布拉伸强度分别下降了15.60%、4.66%、11.78%;拉伸破坏应变的变化趋势与拉伸强度类似,在紫外线照射28d后2、3、4层BFRP布拉伸破坏应变的下降幅度分别为13.24%、4.27%和14.85%;而拉伸弹性模量受紫外线的影响并不明显,其变化幅度在4%以内,可见紫外线照射对2、4层BFRP布的作用效果更加明显.

2.3 疲劳荷载作用下的拉伸性能

不同层数BFRP布在疲劳荷载作用不同次数后的拉伸试验结果见表4.

由表4可见：随着疲劳荷载作用次数的增加,不同层数BFRP布拉伸强度和拉伸破坏应变整体呈下降趋势;疲劳荷载作用200000次后,2、3、4层BFRP布的拉伸强度分别下降11.13%、6.40%、17.47%,拉伸破坏应变分别下降10.05%、5.69%和16.34%,而拉伸弹性模量受疲劳荷载的影响很小,其变化幅度均不超过3%.说明疲劳荷载对BFRP布抗拉强度的影响较大,其总体趋势为：4层>2层>3层.

2.4 紫外线和疲劳荷载耦合作用下的拉伸性能

不同层数BFRP布在紫外线和疲劳荷载耦合作用下的拉伸试验结果见表5.

由表5可见：随着紫外线和疲劳荷载耦合作用的增加,不同层数BFRP布的拉伸强度和拉伸破坏应变均出现大幅下降;第1个耦合周期7D+5W作用下2、3、4层BFRP布的拉伸强度分别降低了10.62%、0.08%和5.60%,3个耦合周期后,7D+5W+7D+5W+14D+10W作用下2、3、4层BFRP布的拉伸强度分别降低了17.82%、11.69%和19.95%,拉伸破坏应变分别下降了14.61%、9.48%和21.29%,均出现不同程度的折减,而拉伸弹性模量变化幅度均在7%以内,未发现明显规律性;紫外线和疲劳荷载耦合作用对4层BFRP布的拉伸强度和拉伸破坏应变影响最大,2层BFRP布次之,3层BFRP布最小.

表4 不同层数BFRP布在疲劳荷载作用不同次数后的拉伸试验结果Table 4 Tensile test results of different layers of BFRP sheets after different numbers of fatigue loading

2.5 紫外线、疲劳荷载及其耦合作用对比分析

结合表3～5中数据分析发现：2、3、4层BFRP布拉伸强度在7D、5W、7D+5W作用下受影响程度分别为：7D>7D+5W>5W、7D>7D+5W>5W、7D+5W>7D>5W;在14D、10W、7D+5W+7D+5W作用下受影响程度分别为：7D+5W+7D+5W>14D>10W、7D+5W+7D+5W>14D>10W、7D+5W+7D+5W>10W>14D;在28D、20W、7D+5W+7D+5W+14D+10W作用下受影响程度分别为：7D+5W+7D+5W+14D+10W>28D>20W、7D+5W+7D+5W+14D+10W>20W>28D、7D+5W+7D+5W+14D+10W>20W>28D.

综上所述,紫外线和疲劳荷载耦合作用下2、3、4层BFRP布的拉伸破坏程度整体来说大于单一作用,虽然在耦合初始阶段2、3层BFRP布出现拉伸破坏程度小于单一作用的情况,但是随着耦合作用的不断加深,此现象消失.从图3可以看出：试件的基体材料经过紫外线老化作用后发生降解,并有少量树脂脱落,而疲劳荷载作用会在一定程度上破坏基体材料和纤维内部丝束,导致基体材料产生裂缝、纤维丝束断裂,随着紫外线和疲劳荷载耦合作用的加深,疲劳损伤累积越大,纤维和树脂基体间缺陷增多,内部变形增大,纤维与树脂间的黏结力下降,力学性能也急剧下降.

表5 不同层数BFRP布在紫外线和疲劳荷载耦合作用下的拉伸试验结果Table 5 Tensile test results of different layers of BFRP sheets under UV-irradiation and fatigue load combined action

文献[18]研究表明：对于片材纤维材料“在保证足够加固量的前提下,并不是加固层数越多越好”,原因为片材受力由纤维材料和浸渍胶体共同承担,纤维材料起主要作用,浸渍胶体将二者连接成整体并传递应力,其断裂失效主要是由于纤维材料和浸渍胶体内部的裂缝、空隙等缺陷引起的;理论上纤维布层数越多,最大破坏荷载越大,加固效果越好,但在制作和裁剪试件时,随着纤维布层数的增多,层与层之间的丝束并不能保证完全对齐,纤维表面及内部出现缺陷的可能性较大,造成传力不均,都可能导致其强度下降.对比分析本次试验不同层数BFRP布的拉伸性能变化发现,3层BFRP布在紫外线、疲劳荷载及其耦合作用下表现出较好的耐久性能,说明其加固效果并不是层数越多越好.