耐堿玻璃纖維與樹(shù)脂界面剪切強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)定

1、耐堿玻璃纖維與樹(shù)脂界面剪切強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)定對(duì)于海洋、道路及鹽害地區(qū)中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),由于受到種種侵蝕介質(zhì)的作用,往往會(huì)出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂剝落、鋼筋銹蝕等多種病害,對(duì)其的養(yǎng)護(hù)維修需要花費(fèi)大量的人力、物力,而鋼筋銹蝕更是多年來(lái)未解決的一大難題,是使結(jié)構(gòu)喪失原有承載力,難以達(dá)到其預(yù)期使用壽命的主要因素.參照發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)驗(yàn),有人預(yù)計(jì),21世紀(jì)我國(guó)將出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)維修高潮,并將持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間,維修費(fèi)用達(dá)千億之巨.因此,研究開(kāi)發(fā)新的高性能加強(qiáng)材替代或部分替代鋼筋,徹底解決鋼筋銹蝕問(wèn)題是當(dāng)務(wù)之急,具有十分重要的科學(xué)意義.目前替代鋼筋的主要材料之一為玻璃纖維筋,簡(jiǎn)稱(chēng)GRP筋.人們對(duì)GRP筋有過(guò)一些研究1,但并未

2、推廣,原因在于它是由耐堿玻璃纖維和乙烯基脂樹(shù)脂組成的復(fù)合材料,其性能受很多因素影響,如何對(duì)玻璃纖維筋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).但我們知道纖維與樹(shù)脂間界面剪切強(qiáng)度是復(fù)合材料設(shè)計(jì)的重要指標(biāo),會(huì)對(duì)復(fù)合材料的性能產(chǎn)生重要影響.對(duì)于無(wú)堿玻璃纖維人們進(jìn)行過(guò)許多研究,如鄧傳斌等就用SFM法研究了無(wú)堿玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂間剪切強(qiáng)度2,張士華等對(duì)偶聯(lián)劑處理對(duì)玻璃纖維/尼龍復(fù)合材料力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究3,而對(duì)于耐堿玻璃纖維人們研究較多的是加入耐堿纖維的混合物的性能4-5,而對(duì)耐堿玻璃纖維與乙烯基脂樹(shù)脂間界面剪切強(qiáng)度的研究并不多見(jiàn),因此本文在SFM實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,對(duì)此進(jìn)行了研究,得出了一些結(jié)論,希望能為此領(lǐng)域

3、的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ).1實(shí)驗(yàn)原理和方法目前常用的測(cè)定復(fù)合材料截面剪切強(qiáng)度的方法是單纖維實(shí)驗(yàn)法,而最有效的三種實(shí)驗(yàn)方法4是單纖維拔出法(SFP),單纖維埋入法(SFM),單纖維壓出法(SFO).SFP對(duì)測(cè)量界面的各種力學(xué)參數(shù)比較有效;SFM法則常用于研究界面各種動(dòng)態(tài)特性和各種影響因素;SFO則適合測(cè)定真實(shí)復(fù)合材料界面性能.,本文主要采用SFM法來(lái)研究基體物理和力學(xué)性能與界面剪切強(qiáng)度的關(guān)系.用SFM法測(cè)定纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的基本原理如下:首先是將纖維埋于基體樹(shù)脂中,制成標(biāo)準(zhǔn)試樣,在萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上對(duì)試件施加載荷進(jìn)行單向拉伸,隨著外載的增加,纖維段受到的軸向拉應(yīng)力也增加,當(dāng)纖維段受到的軸向拉

4、應(yīng)力超過(guò)纖維段的軸向拉伸強(qiáng)度時(shí),纖維段將發(fā)生斷裂,持續(xù)增加外載,上述過(guò)程重復(fù)發(fā)生,直到纖維段長(zhǎng)度短到纖維不再發(fā)生斷裂為止,稱(chēng)此時(shí)為實(shí)驗(yàn)飽和狀態(tài),此時(shí)的最大不斷纖維段長(zhǎng)度為極限纖維段長(zhǎng)度lc.令為纖維與基體界面的剪切強(qiáng)度,D為纖維直徑,為該長(zhǎng)度下纖維軸向拉伸強(qiáng)度.根據(jù)最終平衡關(guān)系有5:=D /2lc(1)由于極限纖維段長(zhǎng)度難以量測(cè),人們通常用名義纖維段通過(guò)各種載荷傳遞模型,如Cox模型、Nairn模型等來(lái)計(jì)算,我們這里采用鄧傳斌等提出的模型6,界面剪切強(qiáng)度表示為:=KD /2l (2)其中K=0.9為修正因子; l為名義纖維斷裂長(zhǎng)度,可以通過(guò)測(cè)定實(shí)驗(yàn)飽和階段的纖維段斷頭數(shù)來(lái)測(cè)得.2材料力學(xué)性能測(cè)

5、定及試樣制作2.1材料本實(shí)驗(yàn)采用的耐堿玻璃纖維為陜西華特玻璃纖維有限公司生產(chǎn)的直徑為14.5m的纖維,樹(shù)脂采用無(wú)錫光明化工廠(chǎng)生產(chǎn)的BRT3002乙烯基脂樹(shù)脂,促進(jìn)劑為環(huán)烷酸鈷液,固化劑為過(guò)氧化環(huán)乙酮,各組實(shí)驗(yàn)材料的配比及相應(yīng)強(qiáng)度、彈性摸量見(jiàn)表1.2.2單絲纖維強(qiáng)度測(cè)定分別測(cè)定耐堿玻璃纖維在10mm, 20mm, 30mm長(zhǎng)度下的斷裂強(qiáng)度及變形.試件制樣方法如下:在坐標(biāo)紙上刻出寬10mm及所需測(cè)定長(zhǎng)度的窗口,將纖維用膠固定于紙兩端,見(jiàn)圖1,使用纖維電子強(qiáng)力儀進(jìn)行拉伸,速度為0. 01mm/min,拉伸時(shí)剪斷兩邊紙框,每組測(cè)50個(gè)樣品,取有效平均值.2.3數(shù)脂彈性模量的測(cè)定按“塑料拉伸性能試樣試驗(yàn)

6、方法”對(duì)表1各組試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn),試件形狀尺寸如圖2所示(圖中單位為mm).經(jīng)過(guò)試驗(yàn),各組試件彈性模量值見(jiàn)表1.2.4SFM法標(biāo)準(zhǔn)試樣的制作試樣形狀尺寸如圖3(圖中單位為mm).標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣制作步驟如下:將纖維束放入烘箱中在120下干燥2 h除去纖維表面污物,然后從其中截出長(zhǎng)度200mm一段纖維;從纖維束中小心抽取一根單纖維并固定于硅橡膠模中央.在纖維單絲兩端施加10 g預(yù)拉力;將裝有乙烯基脂樹(shù)脂的燒杯放水浴中加熱到60左右,保持15min以排出其中氣泡,然后在空氣中冷卻到室溫;在室溫下按規(guī)定比例在樹(shù)脂中加入促進(jìn)劑,再加入合適比例固化劑,攪拌均勻后倒入硅橡膠模中,對(duì)于A、B、C組試件分別在40

7、、30、20min脫模,在室溫下固化24 h即可.2.5實(shí)驗(yàn)步驟將制成的單纖維標(biāo)準(zhǔn)試樣在萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上以1.5mm/min的加載速度施加拉力,直至拉斷,每組制作10個(gè)有效試件,在顯微鏡下記錄各試件的斷頭數(shù).3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論3.1單絲纖維長(zhǎng)度與強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系:不同長(zhǎng)度L(mm)的纖維有不同的斷裂強(qiáng)度(GPa),二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示,可以看到數(shù)據(jù)具有較好的線(xiàn)性,且隨纖維長(zhǎng)度增加強(qiáng)度不斷下降,擬合直線(xiàn)方程可以表示為:=1.14-0.023L (3)根據(jù)纖維長(zhǎng)度,由公式就可以計(jì)算出某長(zhǎng)度下纖維斷裂強(qiáng)度.纖維長(zhǎng)度與模量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示,可以看到隨著纖維長(zhǎng)度的增加,模量略有減小,但線(xiàn)性程度較差,除10 mm時(shí)模量較高, 20 mm與30 mm時(shí)模量基本接近.3.2促進(jìn)劑、固化劑含量對(duì)基體強(qiáng)度、彈性模量的影響由表1我們可以看出,隨著促進(jìn)劑和固化劑含量的增加,基體的強(qiáng)度和彈性模量都有所增加,材料的脆性增強(qiáng)、塑性降低.4結(jié)論1)耐堿玻璃纖維單絲抗拉強(qiáng)度隨纖維段長(zhǎng)度增加而減小,二者呈線(xiàn)性關(guān)系,擬合直線(xiàn)方程為:=1.14-0.023L2)耐堿玻璃纖維彈性模量