碳纖維復(fù)合材料：如何提升錨固與拉伸性能

摘要為了改善碳纖維復(fù)合材料板的錨固性能，同時(shí)為了提高碳纖維復(fù)合材料板的拉伸性能，通過靜載試驗(yàn)研究了碳纖維復(fù)合材料板的破壞現(xiàn)象、錨固樹脂的種類、基體樹脂的種類、纖維體積含量對(duì)拉伸性能的影響。結(jié)果表明：爆炸式破壞是最合理的破壞模式,最能反映碳纖維復(fù)合材料板的拉伸性能，拉伸強(qiáng)度大于脆性斷裂的強(qiáng)度；錨固樹脂剪切強(qiáng)度越大，越利于錨固，建議采用環(huán)氧膠膜進(jìn)行錨固；基體樹脂的黏性，對(duì)拉伸性能影響較大；對(duì)于1.2mm的碳纖維板，隨著纖維體積含量的增加，拉伸強(qiáng)度先增加后降低，彈性模量逐步增加，本次最優(yōu)配合比為66%。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是高強(qiáng)度纖維和樹脂結(jié)合而成的一種高性能復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其強(qiáng)度高、重量輕、耐銹蝕和抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)逐步在土木工程中得到更為廣泛的應(yīng)用。目前碳纖維復(fù)合材料板(CarbonFiberReinforcedPolymerPlate，以下簡稱CFRP板)多應(yīng)用于加固工程中，尤其是預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固，預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固方法可以提高構(gòu)件的開裂荷載，減小構(gòu)件的變形，能夠減緩碳纖維復(fù)合材料板的剝離損傷破壞，在降低應(yīng)變滯后的同時(shí)，可以有效抑制裂縫的形成，滿足正常使用功能。Meier在20世紀(jì)80年代對(duì)外部粘貼CFRP板加固結(jié)構(gòu)的研究，開啟了世界范圍內(nèi)系統(tǒng)研究纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固技術(shù)在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用的先河。為了解決CFRP板的剝離破壞等問題，文獻(xiàn)開展了后張法預(yù)應(yīng)力CFRP板抗彎加固鋼筋混凝土梁的研究，研究表明：后張法預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料板加固方法可以減小鋼筋的應(yīng)力和變形，發(fā)揮CFRP板的高強(qiáng)度，提高構(gòu)件的性能。從20世紀(jì)90年代至今，國內(nèi)外針對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料的加固技術(shù)開展了大量的理論和試驗(yàn)研究，預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料板加固混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際工程應(yīng)用也越來越多。隨著碳纖維復(fù)合材料板應(yīng)用的越來越多且厚度越來越厚，也對(duì)其實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)錨固方法及產(chǎn)品性能的保障提出了一定的挑戰(zhàn)。本文通過不同因素的分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)室錨固方法進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)通過試件破壞現(xiàn)象、錨固樹脂、基體樹脂體系以及纖維體積含量的對(duì)比分析，得出不同因素對(duì)產(chǎn)品拉伸性能的影響規(guī)律，對(duì)國產(chǎn)碳纖維板的生產(chǎn)工藝改進(jìn)、性能提升及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法改進(jìn)提供一定的依據(jù)，同時(shí)也進(jìn)一步促進(jìn)碳纖維復(fù)合材料板在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

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試驗(yàn)內(nèi)容1.1

試驗(yàn)原材料碳纖維采用江蘇恒神纖維材料有限公司生產(chǎn)的HF20，抗拉強(qiáng)度為4100~4250MPa，彈性模量為230~240GPa，伸長率為1.7%~2.0%，樹脂采用江蘇恒神纖維材料有限公司生產(chǎn)的HRPT1和HRPT2，具體指標(biāo)如表1所示。碳纖維及樹脂體系的參數(shù)均為廠家提供。1.2樣品制備采用壓擠成型工藝，將碳纖維束浸膠后通過熱成型模在一定張力下壓擠成型，此成型工藝為模內(nèi)成型并固化，模具溫度為160~200℃，速度為350mm/min。纖維無彎曲變形，能充分發(fā)揮纖維的縱向拉伸力學(xué)性能。碳纖維經(jīng)過除濕、浸膠、預(yù)成型、模具成型、固化、牽引、切割等，最后得到需要的尺寸。1.3試樣錨固根據(jù)JG/T167—2016《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材》的測(cè)試要求，取一定長度的試件，依次經(jīng)過打磨、擦拭、黏膠膜，經(jīng)中溫固化后制備出碳纖維復(fù)合材料板的測(cè)試試件。錨固步驟如下:1)打磨：通過對(duì)比錨固段(夾持段)進(jìn)行打磨處理和不打磨處理的試驗(yàn)得出，錨固段不進(jìn)行打磨處理的試件容易滑脫。所以建議用砂紙打磨加強(qiáng)片以及要貼加強(qiáng)片的試樣；2)擦拭：使用抹布和丙酮將打磨過的加強(qiáng)片和試樣擦拭干凈；3)黏結(jié)：使用錨固樹脂將加強(qiáng)片粘貼在纖維板的試樣上，加強(qiáng)片應(yīng)平行地粘貼在試件的兩端，加強(qiáng)片長度50mm；分別采用小西樹脂和環(huán)氧膠膜兩種錨固樹脂(小西樹脂的剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)小于環(huán)氧膠膜的剪切強(qiáng)度)粘貼加強(qiáng)片，以測(cè)試錨固效率；4)固化：將貼加強(qiáng)片的試件室溫固化，最終得到錨固好的試樣。錨固完成的試件如圖1和圖2所示。1.4拉伸性能測(cè)試按照標(biāo)準(zhǔn)JG/T167—2016的測(cè)試方法，單側(cè)錨固長度為50mm，試件長度為230mm，試件寬度為15mm，試件厚度分別為1.0mm和1.2mm，試驗(yàn)機(jī)采用新三思微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)CMT7504，加載速度2mm/min，最終得出碳纖維板的拉伸強(qiáng)度、彈性模量及應(yīng)力-應(yīng)變曲線，測(cè)試過程如圖3所示。1.5試驗(yàn)參數(shù)本次試驗(yàn)主要是考慮錨固樹脂、纖維體積含量、樹脂體系等不同因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，得出不同影響因素的影響規(guī)律，對(duì)CFRP板的拉伸性能進(jìn)行優(yōu)化提升，分析得出試件正常的試驗(yàn)破壞現(xiàn)象、提出合理的錨固建議及最優(yōu)配合比，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

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試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1試驗(yàn)結(jié)果及破壞現(xiàn)象的影響試驗(yàn)表明：碳纖維復(fù)合材料板從開始受力到試件最終破壞為止近似為一條直線，見圖4。試件接近極限強(qiáng)度時(shí)有些許纖維崩裂聲音，很快試件突然斷裂，無屈服階段，為脆性破壞。試件的破壞狀態(tài)主要分為三種：爆炸式破壞、脆性斷裂破壞和錨固失效破壞，如圖5所示。1)爆炸式破壞：試驗(yàn)時(shí)，隨著試驗(yàn)機(jī)拉力的不斷增大，當(dāng)拉力達(dá)到一定程度的時(shí)候，碳纖維復(fù)合材料板邊緣纖維拉斷，進(jìn)而造成應(yīng)力重分布；碳纖維絲被拉斷前，都處于高度繃緊狀態(tài)，部分纖維絲拉斷后釋放的能量將使一定數(shù)量的纖維絲從試件長度方向分離出來；隨著拉力的繼續(xù)增大，從試件邊緣到內(nèi)部逐步被拉斷，最終剩余的纖維絲不足以承受拉力，均被拉斷并釋放出很大的能量，致使出現(xiàn)爆炸式破壞。2)脆性斷裂破壞：此處包含端部脆斷、劈裂破壞。造成此種破壞的原因很多，比如纖維板某個(gè)地方有缺陷，但是多批次試驗(yàn)結(jié)果表明，造成此種破壞最主要的原因是錨固區(qū)出現(xiàn)滑移，造成很大的能量釋放，進(jìn)而造成纖維板劈裂或者端部破壞。從破壞以后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以佐證脆性斷裂是非正常的破壞，嚴(yán)重影響對(duì)CFRP板真實(shí)性能的評(píng)估，所以在以后的試驗(yàn)中，建議可以把脆性斷裂破壞試件的數(shù)據(jù)刪除后再進(jìn)行下一步分析。3)錨固失效破壞：也是滑脫破壞，試驗(yàn)中出現(xiàn)此種現(xiàn)象，主要是有兩個(gè)原因，首先是因?yàn)樘祭w維板與黏結(jié)樹脂的摩擦力、機(jī)械咬合力和化學(xué)附著力不夠，造成在碳纖維板和黏結(jié)樹脂的界面脫離，其次是黏結(jié)樹脂的抗剪強(qiáng)度不夠，造成樹脂被撕裂。本次采用小西樹脂和環(huán)氧膠膜樹脂進(jìn)行對(duì)比研究。從批次5和6破壞時(shí)候的數(shù)據(jù)來看，如圖6所示：1.0mm厚度的板，爆炸式破壞的拉伸強(qiáng)度達(dá)到了2377.5MPa，脆性斷裂破壞的強(qiáng)度只有爆炸式破壞強(qiáng)度的92%，錨固失效破壞的強(qiáng)度只有爆炸式破壞強(qiáng)度的84%；1.2mm厚度的板，爆炸式破壞的拉伸強(qiáng)度達(dá)到了2209MPa，脆性斷裂破壞的強(qiáng)度只有爆炸式破壞強(qiáng)度的94%，錨固失效破壞的強(qiáng)度只有爆炸式強(qiáng)度的93%。可以看出，判斷破壞模式的準(zhǔn)確與否，是能否準(zhǔn)確判定CFRP板真實(shí)拉伸性能的依據(jù)。理想的破壞模式是爆炸式破壞。2.2錨固樹脂對(duì)錨固性能的影響錨固樹脂不同，CFRP板與錨固樹脂的黏結(jié)力不同，黏結(jié)介質(zhì)與加強(qiáng)片的黏結(jié)力也是不同的，本文分別采用小西樹脂(剪切強(qiáng)度≥14.5MPa)和環(huán)氧膠膜(剪切強(qiáng)度≥33MPa)兩種黏結(jié)樹脂粘貼加強(qiáng)片(環(huán)氧膠膜的剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)大于小西樹脂的剪切強(qiáng)度)，在試驗(yàn)機(jī)一定夾持力作用下測(cè)試2種厚度CFRP板的錨固效率。錨固效率為爆炸式破壞的試件數(shù)目與全部試件數(shù)目的比值。批次2和4進(jìn)行對(duì)比，錨固效率如圖7所示。從圖中可以看出，在錨固樹脂的錨固工藝成熟的情況下，環(huán)氧膠膜的錨固效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于小西樹脂的錨固效率，也說明剪切強(qiáng)度越大，越利于錨固，對(duì)于1.2mm的CFRP板，環(huán)氧膠膜的錨固效率達(dá)到了80%，而小西樹脂的錨固效率為30%。從表3也可以看出，批次2試樣拉伸強(qiáng)度只有2186.0MPa，批次4試樣拉伸強(qiáng)度達(dá)到了2400.8MPa，理論上批次2發(fā)生錨固失效的可能性更小，但是其錨固效率反而更低，也側(cè)面印證了環(huán)氧膠膜的錨固效率更好。隨著市場(chǎng)上CFRP板厚度越來越大，單單從改進(jìn)錨固樹脂的性能方面考慮，難以滿足要求，還要從錨固長度方面考慮，標(biāo)準(zhǔn)中傳統(tǒng)的50mm長度的錨固加強(qiáng)片越來越不能滿足測(cè)試需求。所以建議針對(duì)厚度大的CFRP板，標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)該提出相應(yīng)的錨固方法，以便更好地促進(jìn)其應(yīng)用。2.3

基體樹脂對(duì)于拉伸性能的影響基體樹脂的牌號(hào)分別為HRPT1和HRPT2，具體性能指標(biāo)見表1。本次對(duì)比只針對(duì)爆炸式破壞的試件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。樹脂的拉伸強(qiáng)度和彈性模量對(duì)復(fù)合材料的總體拉伸強(qiáng)度和彈性模量影響不大，樹脂體系黏度大小主要是影響浸潤效果，進(jìn)而影響最后的材料性能。如圖8所示，HRPT2樹脂的黏度大于HRPT1，對(duì)于1.0mm厚度的CFRP板，容易浸潤，也容易拉擠成型，所以HRPT2樹脂體系的CFRP板拉伸強(qiáng)度更大一些；而對(duì)于1.2mm厚度的CFRP板，HRPT2樹脂的黏度大反而造成碳纖維更難浸潤，造成拉伸強(qiáng)度下降。所以選擇樹脂體系應(yīng)該考慮尺寸的影響，黏度越大不一定越好，要根據(jù)實(shí)際情況來選擇適配，才能更好地發(fā)揮碳纖維的拉伸性能。對(duì)于彈性模量，HRPT1樹脂體系中，1.2mm厚度板的彈性模量大于1.0mm厚度板的彈性模量，主要是因?yàn)?.2mm厚的板的纖維體積含量為66%，大于1.0mm厚的板的纖維體積含量64%，見圖9。同時(shí)在圖中可以看出，針對(duì)1.2mm厚度的板，采用HRPT1樹脂的彈性模量大于HRPT2浸潤的板，也側(cè)面說明HRPT1更容易浸潤1.2mm厚度的板。對(duì)于延伸率來講，針對(duì)1.0mm的板，HRPT2浸潤效果好，在浸潤充分的情況下，樹脂的黏度越大，延伸率越好，見圖10。2.4

纖維體積含量對(duì)拉伸性能的影響當(dāng)纖維的體積含量和拉伸強(qiáng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基體樹脂的含量和強(qiáng)度時(shí)，復(fù)合材料板的強(qiáng)度主要由纖維的強(qiáng)度所控制。理論上講纖維體積含量增大，復(fù)合材料板的拉伸強(qiáng)度及彈性模量也會(huì)增大，從圖11~13中可以看出，纖維體積含量從65%增大到66%的時(shí)候，拉伸強(qiáng)度增大了7.04%，彈性模量增大了14.9%，而當(dāng)纖維體積含量從66%增大至67%時(shí)，拉伸強(qiáng)度反而降低了8.95%，彈性模量增大了9.14%。盡管從幾何排布上講，包含于復(fù)合材料中的圓柱形纖維的最大體積分?jǐn)?shù)含量可達(dá)91%，但通常在纖維體積含量超過某一數(shù)值的時(shí)候，復(fù)合材料的性能就開始下降，原因是基體沒有能力潤濕和滲透纖維束，導(dǎo)致纖維出現(xiàn)貧膠及在復(fù)材中出現(xiàn)縫隙，引起纖維受力不均勻，早早地發(fā)生斷裂，出現(xiàn)強(qiáng)度下降的情況。本試驗(yàn)中，隨著纖維體積含量的增大，拉伸強(qiáng)度先上升后下降也驗(yàn)證了這一規(guī)律。隨著纖維體積含量的增大，彈性模量繼續(xù)增大，但是延伸率一直在下降，這是因?yàn)闃渲恳恢睖p少，當(dāng)樹脂體積含量減少到一定程度的時(shí)候，難以完全浸漬纖維甚至出現(xiàn)貧膠的情況，造成延伸率進(jìn)一步降低。

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結(jié)束語通過對(duì)試驗(yàn)破壞現(xiàn)象、錨固樹脂、基體樹脂、纖維體積含量等因素對(duì)拉伸性能的影響規(guī)律的對(duì)比研究，可以得出以下結(jié)論：1)

爆炸式破壞模式是碳纖維復(fù)合材料板最理想的破壞模式，最能反映碳纖維復(fù)合材料板的性能。脆性斷裂破壞是一種非正常的破壞模式，破壞的同時(shí)伴隨著滑移，所以拉伸強(qiáng)度小于極限拉伸強(qiáng)度。2)

在一定夾持力的情況下，剪切強(qiáng)度越大的錨固樹脂，錨固效率越高，越利于錨固。但是隨著CFRP板厚度的增加，單單從改進(jìn)錨固樹脂方面考慮，錨固越來越難。錨固長度方面，錨固長度不夠，