碳纤维布加固钢轴扭转性能实验研究

骆青业

（北京航天试验技术研究所， 北京100074）

0 引言

碳纤维复合材料（简称CFRP）加固修复技术是一种高效率、低成本的先进方法，已经成功应用在土木工程上[1-2]。近年来，碳纤维增强复合材料在加固修复钢结构静力拉伸和疲劳破坏的研究与应用上也取得了一定的成果[3-4]。

实际工程中， 许多钢轴零件在长期的使用过程中，由于工作环境的腐蚀，以及初始缺陷的存在，往往经过一定时期的使用，因出现裂纹而不能继续使用，或者在未达到极限应力时发生了破坏[5-6]。 本文从扭转过程中，从轴的受力状态出发，考虑了碳纤维复合材料各向异性的特点，制定了合理的碳纤维布粘贴方案，保证了钢轴在扭转过程中， 碳纤维布能充分发挥纤维方向的高强度。实验通过研究碳纤维布对钢轴的加固作用，表明了碳纤维布加固技术应用在受扭轴零件上具有承受载荷，安全使用的可行性。

1 实验设计

1.1 实验材料

实验用钢轴试件材料为45 号钢， 抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa，弹性模量为210GPa，泊松比为0.28。 按GB/T 10128-2007《金属材料室温扭转试验方法》中的标准尺寸进行加工，试件取直径10mm，标距为50mm，平行长度70mm。

实验采用了两种双组分的环氧树脂胶结剂：QS-1618（透明色，脆性）；QS-1619（乳白色，塑性）。 碳纤维布复合材料采用经国家建筑材料测试中心检验合格的单向布。主要力学性能参数指标见表1。

表1 碳纤维布力学性能参数Tab.1 Performance parameters of CFRP

1.2 碳纤维布的粘贴步骤

（1）尺寸计算。 对于受扭转的钢轴而言，它受纯剪切作用，最大主应力方向与轴线成45°。 碳纤维布采取纤维方向与轴线成45°螺旋缠绕方案。理论计算碳纤维布的需求尺寸，并裁剪。

（2）表面处理[8]。砂纸打磨轴试件，采用丙酮擦洗去掉表面的油污与碎屑。

（3）碳纤维布粘贴。将环氧树脂胶的主剂和固化剂按比例2∶1 均匀混合，涂抹在轴试件上。 将碳纤维布沿与轴向成45°方向螺旋缠绕粘贴。

（4）固化。将粘贴好的轴试件放置至少24h。对于需要粘贴双层的钢轴，待第一层完全固化后，再根据步骤（3）粘贴第二层。

1.3 方案设计

扭转钢轴试件主要尺寸见图1，总长为220mm，端部直径15mm，为了便于扭转实验机对试件的加持，端部加工成扁平状。 受扭转部分长度120mm，直径10±0.2mm。

图1 试件尺寸图Fig.1 Dimensions of the sample

实验分为两组，共6 个钢轴试件。

第 一 组，4 个 试件： ①基础试件；②QS-1618 类型的胶，粘贴单层碳纤维布；③QS-1619 类型的胶，粘贴单层碳纤维布；④QS-1619 类型的胶，粘贴双层碳纤维布，见图2。

图2 钢轴试件Fig.2 Steel axis samples

第二组2 个试件：（1）基础试件；（2）QS-1619 类型的胶，粘贴单层碳纤维布，并锚固，见图3。 为了降低锚固对试件扭转实验受力的影响，将锚固内圆孔加工成锥形，在锚固碳纤维布受力时，锚固靠近夹持端一侧为线接触受力，锚固尺寸图见图4[9-10]。

图3 锚固的钢轴试件Fig.3 Steel axis sample with anchorage

图4 锚固尺寸图Fig.4 Dimensions of the anchorage

实验采用静力扭转实验机，实验装置见图5，扭矩施加方向应保证碳纤维布受到拉伸。实验过程中，开始阶段采用6°/min的加载速度；当过了屈服阶段，均匀的增加加载速度，采用90°/min 的加载速度，直至试件发生扭转断裂。

图5 扭转实验装置Fig.5 Experimental apparatus for torsion

2 结果与讨论

2.1 不同性能环氧树脂对钢轴屈服扭矩的影响

分析粘贴单层碳纤维布的钢轴， 分别使用QS-1618 与QS-1619 两种不同性能的环氧树脂胶。从扭矩-扭转角曲线可见，QS-1618 胶属于脆性胶， 在轴试件的扭转过程中，能听到碳纤维布从轴表面脱离的声音， 表现为曲线的波动。 QS-1619 胶属于塑性胶，扭转超过屈服扭矩时，只出现过一次曲线的突变。

实验结果表2 表明，两种环氧树脂胶分别可以提高屈服扭矩11.20%和10.73%。 由于钢轴在扭转断裂过程中，碳纤维布从轴表面脱离，因此讨论碳纤维布对断裂时扭矩和扭转角的变化没有实际意义， 只取了部分扭矩-扭转角曲线。

图6 第一组扭矩-扭转角曲线Fig.6 The first curve of torque-torsion angle

表2 屈服扭矩数据Tab.2 The date of yield torque

2.2 层数对钢轴屈服扭矩的影响

分析采用QS-1619 型环氧树脂，胶粘贴单、双层碳纤维布的钢轴，屈服扭矩相对于基础试件可以提高19.43%；相对于粘贴单层碳纤维布的钢轴而言， 可以进一步提高轴试件的屈服扭矩。可见，随着粘贴层数的增多，屈服扭矩提高的效果更加明显，但不是成线性关系增加。同样的，碳纤维布的失效形式也是从钢轴表面脱离，而不是断裂。

2.3 锚固对钢轴屈服扭矩的影响

针对第一组实验过程中碳纤维布从钢轴表面脱离的失效问题，采取对粘贴碳纤维布的钢轴进行锚固[9]，钢轴的屈服扭矩由52.39Nm 增加到了59.44Nm， 提高了13.46%，碳纤维布能够充分发挥其高强度的特性，直至断裂。 碳纤维布发生断裂时，扭矩-扭转角曲线表现为扭矩发生大幅度的骤降，然后缓慢恢复，见图7。 此时，承载扭矩提高最多，承载扭矩由91.8N·m 提高到了117.08N·m，增加了27.54%；扭转角由447.1°降到了110.64°，减小了77.49%。 钢轴的断裂实物图见图8。

图7 锚固下的扭矩-扭转角曲线Fig.7 Curve of torque-torsion angle with anchorage

图8 断裂实物图Fig.8 Photo of the fracture

2.4 钢轴的抗变形分析

从扭矩-扭转角曲线可以看出，碳纤维布对钢轴的加固效果主要体现在屈服阶段和强化阶段。 对于强化阶段， 粘贴碳纤维布的钢轴曲线都在基础试件之上，说明粘贴碳纤维布能限制钢轴的变形。分别提取钢轴受到扭矩为60～110Nm之间的6 个扭转角，见表3，并分析扭转角的减小率。 粘贴碳纤维布加固后的钢轴，能很好的减小钢轴的扭转角，最大减小量80.33%。采用锚固措施后，可以将扭转角的减小量控制在60%～80%之间，效果显著。

图9 扭转变形分析Fig.9 Analysis of torsion deformation

表3 采样扭矩数据Tab.3 The date of sampling torque

3 结论

碳纤维布由于具有抗拉强度高，密度小特点。高的比强度加固轴后不会对外形尺寸改变太大， 也不会增加太多自重。钢轴扭转过程中，横截面上任意一点的剪应力和剪应变与该点的极坐标呈正比关系， 轴最外圆上剪应力和剪应变最大。碳纤维布粘贴到钢轴外表面，充分发挥其高强度，可以承受最大剪应力和剪应变，从而提高轴的抗扭性能。关键是碳纤维布要始终发挥作用，与钢轴外表面贴合，同步变形，不能剥离。 通过本文的实验分析得出下列结论：

粘贴单层碳纤维布的钢轴， 采用不同性能的两种环氧树脂分别可以将屈服扭矩提高了11.20%和10.73%。采用锚固后，钢轴的屈服扭矩提高了13.46%。

粘贴双层碳纤维布的钢轴屈服扭矩提高了19.43%。粘贴碳纤维布层数越多对于屈服扭矩的提高作用越大，但并不是线性增加。

碳纤维布能有效地减小钢轴的扭转角， 以锚固后的钢轴效果最明显。

碳纤维布加固受扭钢轴， 环氧树脂是碳纤维布加固发挥作用的薄弱环节，容易造成碳纤维布的脱离，影响碳纤维布发挥高强度性能。 采取锚固措施对于碳纤维布性能的发挥具有重要改善。