張緒平,丁克偉

(安徽建筑工業(yè)學(xué)院土木工程學(xué)院,安徽合肥 230022)

CFRP的彈性模量與線膨脹系數(shù)的測(cè)定

張緒平,丁克偉

(安徽建筑工業(yè)學(xué)院土木工程學(xué)院,安徽合肥 230022)

在國(guó)內(nèi)關(guān)于碳纖維復(fù)合材料加固鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用較少。理論分析和試驗(yàn)研究不夠深入,文章在做了用碳纖維復(fù)合材料加固鋼梁的試驗(yàn)研究后,發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料自身的特性對(duì)加固效果有很大影響,于是對(duì)碳纖維復(fù)合材料的彈性模量和線膨脹系數(shù)進(jìn)行測(cè)定,得出了該復(fù)合材料的本構(gòu)關(guān)系和不同溫度下的應(yīng)變變化,試驗(yàn)結(jié)論僅供加固設(shè)計(jì)參考。

CFRP彈性模量; 線膨脹系數(shù); 試驗(yàn)研究

碳纖維復(fù)合材料,由于它具有質(zhì)量輕、減振性能好、可粘貼性和方便操作等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固中得到了廣泛的應(yīng)用[1]、[3],并且其理論分析和實(shí)驗(yàn)研究已較完備。目前,而關(guān)于加固鋼結(jié)構(gòu)方面的研究雖然也引起了學(xué)界的關(guān)注[4]、[6],但由于國(guó)內(nèi)在這方面的研究起步較晚,工程實(shí)際應(yīng)用缺乏較完備的理論支持。在實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中,人們往往關(guān)注的是加固效果如何(如鋼構(gòu)件的剛度和承載力的提高),忽略了對(duì)復(fù)合材料本身性能的研究,因此本文在前人理論和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)復(fù)合材料彈性模量和線膨脹系數(shù)的測(cè)定,從而了解復(fù)合材料的本構(gòu)關(guān)系,為實(shí)際的加固方案設(shè)計(jì)出可靠的纖維復(fù)合材料。

1 試驗(yàn)材料性能

由于碳纖維和膠體的品種很多,本文只對(duì)實(shí)際加固工程中常用的碳纖維材料和膠體材料進(jìn)行試驗(yàn)研究。碳纖維布采用上海同固公司生產(chǎn)的UT70-300型碳纖維布,配套粘結(jié)樹(shù)脂選用上海同固牌膠,試驗(yàn)所用各種材料實(shí)測(cè)力學(xué)及相關(guān)性能指標(biāo)[7]參見(jiàn)表 1～表 3。

試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)在島津試驗(yàn)機(jī)溫度箱內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)應(yīng)變片所貼位置在試件中間豎向拉伸方向粘貼,碳纖維復(fù)合材料的彈性模量和線膨脹系數(shù)測(cè)定所用試件相同。

圖1 島津試驗(yàn)機(jī)

2 試驗(yàn)設(shè)備與試件

在做碳纖維復(fù)合材料彈性模量試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)在島津試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)試件規(guī)格如表 4所示,試驗(yàn)加載裝置如圖 1。而在測(cè)復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)

3 本次試驗(yàn)方案

3.1 復(fù)合材料的彈性模量測(cè)定

首先通過(guò)理論計(jì)算確定該試件的屈服荷載F為12 kN (計(jì)算公式為式(1),在彈性范圍內(nèi)。分級(jí)加載,以 2 kN為一個(gè)等級(jí),分別記錄在不同荷載等級(jí)作用下的試件中間應(yīng)變值。

計(jì)算出的復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度[8]:

式中:σcb為復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度;σfb為纖維的抗拉強(qiáng)度;σms為基體的屈服應(yīng)力;Vf為纖維體積分?jǐn)?shù);Vm為基體體積分?jǐn)?shù)。

體積分?jǐn)?shù)即纖維和基體的體積占總體積的百分?jǐn)?shù)。

3.2 復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)測(cè)定

根據(jù)粘結(jié)劑自身材料性能,當(dāng)溫度超過(guò) 35℃時(shí),膠體會(huì)發(fā)生彈塑性變形[8],于是確定在常溫下(5℃～35℃)分級(jí)加載,以 5℃為一個(gè)等級(jí),分別記錄在不同溫度作用下的試件中間應(yīng)變值。

4 本次試驗(yàn)預(yù)測(cè)量的物理意義

4.1 彈性模量

意義:彈性模量可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo),其值越大,使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大,即材料剛度越大,亦即在一定應(yīng)力作用下,發(fā)生彈性變形越小。彈性模量 E是指材料在外力作用下產(chǎn)生單位彈性變形所需要的應(yīng)力。它是反映材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo),相當(dāng)于普通彈簧中的剛度。

4.2 線膨脹系數(shù)

意義:復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)是表示材料在某一溫度范圍內(nèi)變化,構(gòu)件的尺寸隨之發(fā)生變化的物理量,該性能也具有各向異性的性能。通過(guò)CFRP片材線膨脹系數(shù)的測(cè)定,試驗(yàn)結(jié)論可以和鋼材的線膨脹作比較,若結(jié)果吻合較好,就可以很好解釋CFRP片材為什么能很好地和鋼材共同工作。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 CFRP片材彈性模量的試驗(yàn)結(jié)論與結(jié)果分析

通過(guò)島津試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定的碳纖維復(fù)合材料彈性模量,測(cè)定結(jié)果荷載 -應(yīng)變曲線見(jiàn)圖 2,試驗(yàn)值與理論計(jì)算值對(duì)比如表5。

圖2 碳纖維復(fù)合材料試件豎向荷載-應(yīng)變

單層碳纖維復(fù)合材料的理論彈性模量計(jì)算公式如式(3)[10]:

式中:Ef為纖維彈性模量;Em為膠的彈性模量;Vf,Vm即為纖維和基體的體積占總體積的百分?jǐn)?shù)。

本次試驗(yàn)的碳纖維復(fù)合材料的厚度為1.3mm,CFRP300 g布實(shí)際厚0.167mm,即YZJ膠層實(shí)際厚為1.133mm,則粘膠的CFRP布復(fù)合材料的彈性模量應(yīng)為:

試驗(yàn)計(jì)算碳纖維復(fù)合材料彈性模量試驗(yàn)值與理論計(jì)算的相差:

試驗(yàn)所測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算吻合較好,同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)在荷載超過(guò) 10 kN時(shí),復(fù)合材料試件發(fā)生彈塑性變化,同時(shí)得出復(fù)合材料的屈服荷載在10 kN附近。

5.2 CFRP片材線膨脹系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)結(jié)論與結(jié)果分析

通過(guò)在島津試驗(yàn)機(jī)溫度箱上測(cè)定的碳纖維復(fù)合材料線膨脹系數(shù),測(cè)定結(jié)果溫度-應(yīng)變曲線如圖 3。

圖3 碳纖維復(fù)合材料溫度-應(yīng)變值

通過(guò)計(jì)算在不同溫度下,該試驗(yàn)所得碳纖維復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)為 1.277×10-6mm/℃,而鋼材的線膨脹系數(shù)為1.2×10-6mm/℃。試驗(yàn)所得碳纖維復(fù)合材料線膨脹系數(shù)的試驗(yàn)值與理論計(jì)算的差值為。

試驗(yàn)所測(cè)碳纖維復(fù)合材料與鋼材的線膨脹系數(shù)相比的差值為6.4%。

通過(guò)以上對(duì)比分析,可得出CFRP片材的彈性模量和線膨脹系數(shù)試驗(yàn)結(jié)論與理論計(jì)算的結(jié)果吻合較好,可以很好地反映材料的真實(shí)性能。

6 結(jié) 論

(1)通過(guò)碳纖維復(fù)合材料彈性模量的測(cè)量,發(fā)現(xiàn)在 10 kN范圍內(nèi),材料的應(yīng)力應(yīng)變成線性關(guān)系, 可推測(cè)碳纖維加固鋼構(gòu)件時(shí),其底部復(fù)合材料軸力拉伸到 10 kN時(shí)會(huì)發(fā)生復(fù)合材料拉斷破壞。

(2)在復(fù)合材料彈性模量測(cè)定過(guò)程中,二試件的荷載應(yīng)變曲線擬合較好,理論計(jì)算和試驗(yàn)研究所得的彈性模量相比較誤差較小,同時(shí)發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料中粘結(jié)劑的厚度對(duì)整個(gè)構(gòu)件的彈性模量影響較大。

(3)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與鋼材的線膨脹系數(shù)做比較,在常溫下(5℃～35℃)下,二種材料的線膨脹系數(shù)較接近,從這一角度可以解釋兩者在一起很好地共同工作的原因(啟發(fā)與鋼筋和混凝土能很好共同工作的原因)。

(4)由于碳纖維復(fù)合材料是非均勻性材料,測(cè)定在不同溫度和荷載條件下,試件中間應(yīng)變的變化不能代表為整個(gè)試件的應(yīng)變變化,試驗(yàn)結(jié)果存在誤差,試驗(yàn)方法有待改進(jìn)。

[1] 楊勇新,岳清瑞,胡云昌.碳纖維布與混凝土粘結(jié)性能的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2001,22(3):36-42

[2] 楊勇新.碳纖維布與混凝土粘結(jié)性能及其加固混凝土受彎構(gòu)件的破壞機(jī)理研究[D].天津大學(xué),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] 鄧軍,黃培彥.CFRP板與鋼梁粘結(jié)剝離破壞的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2007,28(5):124-129

[6] 張磊,騰錦光.一種快速FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的新技術(shù)[J].土木工程學(xué)報(bào),2008(10):6-13

[7] 李娟.GFRP粘結(jié)加固鋼構(gòu)件的理論分析和試驗(yàn)研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2008

[8] 楊伯源.材料力學(xué)(Ⅱ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,132-135

TU599

B

2009-10-23

安徽省自然科學(xué)基金(090414149)和安徽省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)基金資助(KJ2007A004,ZD 2008001-1)

張緒平(1985～),男,碩士研究生;丁克偉(1962～),男,教授,博士后,主要研究方向?yàn)橛?jì)算力學(xué)和結(jié)構(gòu)工程。