噴射FRP拉伸力學性能的試驗與分析

楊　曌，武　鹍，陳　譽，宋淳宸

(1.武漢科技大學城市建設學院， 湖北武漢430065； 2.長江大學， 湖北荊州434023)

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噴射FRP拉伸力學性能的試驗與分析

楊曌1，武鹍1，陳譽2，宋淳宸1

(1.武漢科技大學城市建設學院， 湖北武漢430065； 2.長江大學， 湖北荊州434023)

摘要：為研究噴射FRP的拉伸力學性能，文中對13組試件進行了單向拉伸力學性能試驗，分析其應力—應變曲線、抗拉強度、拉伸彈性模量、斷裂伸長率等力學性能指標。研究纖維類型、樹脂種類、纖維體積率、纖維長度、試件厚度等因素對噴射FRP力學性能的影響。結果顯示：纖維類型和樹脂種類對噴射FRP拉伸力學性能的影響十分明顯；纖維體積率為20%~25%，纖維長度為40 mm時，噴射FRP能獲得較好的力學性能；噴射FRP試件厚度增加并不能持續有效的增強力學性能，不宜過厚。研究表明：為獲得較好的力學性能，噴射FRP宜采用碳纖維噴射紗和乙烯基酯樹脂加工制作，纖維體積率和長度宜控制在一定范圍，且材料厚度不宜過厚。

關鍵詞：噴射FRP；拉伸力學性能；影響因素

0引言

噴射纖維增強復合材料(噴射FRP)是利用纖維噴射成型設備，以壓縮空氣為動力，將該設備切斷的纖維和混合催化劑的樹脂材料在噴槍口混合加工制作而成的新型復合材料。歐美、加拿大等西方國家最早將該復合材料應用于土木工程領域[1-2]，國外的研究主要集中在抗拉強度和彈性模量上，研究了玻璃纖維長度對噴射FRP抗拉強度的影響，結果表明，抗拉強度隨著纖維長度的增加而增加，且增長趨勢逐漸變緩。與傳統的纖維布加固方法相比，噴射FRP具有與構件粘結性能好、整體性好、施工速度快、材料性能近似各項同性、適用于各種不規則構件等明顯的優點，因而近年來在該領域的研究和應用得到迅速發展[3-4]，國內的研究主要是針對噴射FRP對梁柱節點以及砌體墻加固效果的試驗研究，結果表明，噴射FRP能夠顯著提高加固試件的極限承載力。

目前，噴射FRP的研究還處于起步階段，存在許多亟需解決的關鍵問題，特別是對材料的力學性能亟需展開系統性的試驗研究工作。當前已有的材料力學性能研究主要針對玻璃纖維增強復合材料(GFRP)，而對于常用的碳纖維增強復合材料(CFRP)、玄武巖纖維增強復合材料(BFRP)等尚缺乏研究。此外，由于噴射FRP是現場配置而成，其受原材料、施工設備、人員水平、環境等因素影響很大，需要有明確的、考慮各項影響因素的材料性能指標計算方法及質量控制標準。

鑒于此，文中考慮多種影響因素設計試件，研究噴射FRP的拉伸力學性能，測定它們的抗拉強度、拉伸彈性模量、斷裂伸長率、泊松比、密度和應力—應變曲線，并分析了纖維類型、樹脂種類、纖維體積率、纖維長度、試件厚度等因素對噴射FRP拉伸力學性能的影響。

1實驗設計

1.1　材料和設備

結構加固中常用的三種纖維:碳纖維噴射紗、玻璃纖維噴射紗、玄武巖纖維噴射紗。兩種樹脂分別是乙烯基酯樹脂(901樹脂)和不飽和聚酯樹脂(196樹脂)。微機控制電液伺服萬能試驗機，WAW-100，濟南試金集團有限公司。短切噴射成型機(YF-2)，衡水宜豐噴涂機廠,樹脂噴射速度3.5~5 kg/min,纖維噴射速度1.5~2 kg/min，噴射紗切斷長度10~100 mm。

1.2　試件設計

由于現行的國家規范沒有規定噴射FRP拉伸力學性能試件的型式和尺寸，因此本次試驗采用的試件型式和尺寸主要依據《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》[5]中規定的原則確定?？紤]到本次試驗纖維最大長度達到40 mm，若依舊按照規范中規定的10 mm試件寬度取值，會使試件寬度方向的纖維被再次切斷，將影響材料拉伸力學性能測試的準確性，因此試驗把試件的中間平行段寬度增加到65 mm，試件型式見圖1，試件尺寸見表1。

圖1　試件型式和平面布置

名稱符號長度/mm總長A310端頭寬度B85端部加強片長度C80夾具間距離D150中間平行段長度E60工作段長度F50中間平行段寬度G65

1.3　試驗方法

試件在溫度25 ℃，相對濕度52%的條件下由專業的技術人員加工制作而成，如圖2所示。按照《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》進行試驗，每組試驗制作6個試件，并保證最終試驗有效試件不少于5個。依據微機控制電液伺服萬能試驗機的操作說明調整儀器，并進行一次試車。試驗加載速度按照規范“7.2.1”中的規定進行，加載速度2 mm/min，以恒定的速度加載直至試件破壞。記錄試件破壞荷載及破壞形態，繪制應力—應變曲線。

2試驗結果及分析

2.1　拉伸破壞形態

噴射FRP拉伸破壞分為三個階段。① 應力增長明顯而應變增長緩慢階段。隨著荷載的增加試件開始發出輕微的劈裂聲，此后裂縫開始從邊緣部位產生，應力—應變曲線出現第一個拐點。② 應變增長明顯而應力增長緩慢階段。此階段裂縫顯著增加，劈裂破壞聲頻率明顯加快，裂縫逐漸由邊緣向中部擴展，劈裂聲達到最大時，試件達到承載力極限狀態而破壞。從破壞界面可以看出，樹脂先于纖維材料破壞，纖維材料已經露出，但仍有部分拉結，如圖3所示。③ 應變基本不增長而應力急劇下降階段。此階段劈裂聲開始減小，試件出現貫通裂縫。常見的三種試件拉伸破壞形態如圖4所示，這種裂紋破壞是明顯的裂紋擴展模式，屬于脆性破壞。

圖3　纖維部分拉結破壞Fig.3　Fiber partial tensile failure

(a) 水平裂縫破壞　　　　　　　　　(b) 斜裂縫破壞　　　　　　　　　(c) 多重裂縫破壞

2.2　應力和應變

依據萬能試驗機繪制出的荷載—變形曲線(p-ΔL曲線)并結合在試件拉伸方向粘貼的電阻應變片繪制應力—應變曲線(σ-ε曲線)。噴射FRP拉伸力學性能統計詳見表2。

根據已有試驗研究成果[6-11]確定了影響噴射FRP拉伸力學性能的5個主要因素，即纖維類型、樹脂種類、纖維體積率、纖維長度、噴射厚度。利用文中設計的試驗對5個影響因素采用SPSS數學分析軟件進行統計分析，按照主成分分析法計算每個因子對原始數據的貢獻率。結果表明，影響噴射FRP拉伸力學性能的5個主要因素按照貢獻大小依次是：噴射厚度(29.211%)、纖維體積率(21.372%)、纖維長度(20.938%)、纖維類型(14.717%)、樹脂種類(13.762%)。

2.3　不同纖維類型對噴射FRP拉伸力學性能的影響

本試驗采用碳纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維三種不同的纖維類型對比其拉伸力學性能。從表2可知，試件G-1、C-1、B-1和G-2、C-2、B-2僅僅是纖維類型不同。在抗拉強度方面，C-1最高為93.4MPa，G-1其次為91.3MPa，B-1最低為83.9MPa。在拉伸彈性模量方面，其差異較為明顯，C-1、G-1比B-1分別提高54.4%、248%。其斷裂伸長率從高到低依次為B-1(2.6%)、G-1(2.4%)、C-1(2.1%)。

從分析結果可以看出，噴射CFRP在抗拉強度和彈性模量方面優勢明顯，但其斷裂伸長率較低，脆性破壞更加明顯。

表2　噴射FRP拉伸力學性能統計表

2.4　不同樹脂種類對噴射FRP拉伸力學性能的影響

試驗中分別測試了乙烯基酯樹脂和不飽和聚酯樹脂對碳纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維三種噴射FRP拉伸力學性能的影響。碳纖維和玻璃纖維在兩種樹脂作用下，乙烯基酯樹脂基體的抗拉強度和拉伸彈性模量的優勢明顯，C-1與C-2、G-1與G-2相比，其抗拉強度分別提高29.2%、26.5%，拉伸彈性模量分別提高77.3%、10.4%。但是對于玄武巖纖維，B-2比B-1的抗拉強度和彈性模量，分別提高4.76%、85%，這與其余兩種纖維材料恰好相反。分析其原因可能是玄武巖纖維與不飽和聚酯樹脂的浸潤效果更好，所以性能更好。斷裂伸長率則表現則較為一致，三種纖維材料中乙烯基酯樹脂的斷裂伸長率明顯低于不飽和聚酯樹脂。

2.5　不同纖維體積率對噴射FRP拉伸力學性能的影響

試驗分別按照15%(G-3)、20%(G-1)、25%(G-4)、30%(G-5)的纖維體積率與乙烯基酯樹脂混合，研究其拉伸力學性能。

由圖5可知，噴射FRP的抗拉強度并沒有隨著纖維體積率的提高而呈現遞增趨勢。G-1的抗拉強度相比G-3、G-4、G-5分別提高10.5%、13.7%、34.9%。纖維體積率為20%時試件的抗拉強度最高。觀察拉伸彈性模量與纖維體積率之間的關系，二者并沒有表現出明顯的線性關系或者二次曲線的關系，其拉伸彈性模量依次為33.3 GPa、31.8 GPa、36.7 GPa、30.4 GPa。從試驗結果僅能看出，纖維體積率對拉伸彈性模量的影響不大，沒有明顯的差異，纖維體積率為25%時試件的拉伸彈性模量最大，其值為36.7 GPa。從纖維體積率與斷裂伸長率間的關系可以看出，纖維體積率為25%時試件的斷裂伸長率最大，其值為2.4%。

噴射FRP的纖維體積率越高，斷裂伸長率也越高。這是因為隨著纖維體積率的提高，玻璃纖維承擔荷載的能力逐漸增大，試件斷口截面拔出的纖維逐漸增加，進而導致斷裂伸長率的提高。但是當纖維體積率超過25%以后，材料抗拉強度開始下降。這說明過高的纖維體積率導致玻璃纖維和乙烯基酯樹脂之間發生凝聚，此時部分纖維中的羥基形成分子內和分子間氫鍵，減弱了纖維和樹脂共同作用的能力，降低了噴射FRP的拉伸力學性能，進而導致抗拉強度和拉伸彈性模量也下降。

圖5　纖維體積率與噴射FRP拉伸力學性能的關系

2.6　不同纖維長度對噴射FRP拉伸力學性能的影響

比較4種纖維長度15 mm(G-6)、20 mm(G-7)、30 mm(G-1)、40 mm(G-8)的變化對噴射FRP拉伸力學性能的影響。結合表3和圖6可以看出，隨著纖維長度的增加，噴射FRP的抗拉強度和拉伸彈性模量同樣也在增加。G-8的抗拉強度相比G-1、G-7、G-6分別提高10.7%、16.2%、29.6%，G-8的拉伸彈性模量相比G-1、G-7、G-6分別提高20.4%、20.4%、41.3%。同樣的，噴射FRP的斷裂伸長率也近似的隨著纖維的長度增加而增加。

從上述的分析中可以發現，本次試驗最佳的纖維長度是40 mm。纖維的長度越長，噴射FRP的拉伸應力也就越大，能夠更好地發揮纖維材料的抗拉強度。從圖7試件拉斷的截面可以看出，較短的纖維在達到最大應力時斷口截面沒有明顯的拔出情況，如圖7(a)所示。較長的纖維在斷裂時明顯可以看出纖維在斷口處拉拔的痕跡，如圖7(b)所示。纖維的長度越長，纖維拔出現象越明顯，這恰好能夠充分發揮纖維材料的拉伸力學性能。

圖6　不同纖維長度的噴射FRP的應力—應變曲線Fig.6　Stress-strain curves of sprayed FRP with different fiber length

(a) 斷口纖維未拔出　　　(b) 斷口纖維拔出

圖7不同纖維長度的噴射FRP試件斷口形貌

Fig.7The fracture morphology of sprayed FRP specimen with different fiber length

2.7　不同試件厚度對噴射FRP拉伸力學性能的影響

選擇G-1(4 mm)與G-9(7 mm)兩種不同厚度的噴射FRP試件，比較其對試件拉伸力學性能的影響。從理論上分析厚度的變化并不會影響材料的應力和應變關系，但是試驗情況并不是這樣的。9 mm厚度的試件相比4 mm厚度的試件在抗拉強度、拉伸彈性模量、斷裂伸長率這三個主要的拉伸力學性能都有不同程度的下降。這是因為試件厚度的增加導致材料宏觀尺寸增加，結構缺陷發生的概率同樣也在增加，進而導致材料的拉伸力學性能降低。

2.8　方向性

為了測試噴射FRP是否具有各項同性的性質，試件在平面內按照0°、45°、90°三個方向切割。通過比較表2中每組6個試件的拉伸力學性能(抗拉強度、拉伸彈性模量、斷裂伸長率),盡管其性能有一定的離散性，但是并沒有表現出因試件切割方向不同而導致的材料性能差異。此外泊松比在0.62～1.26范圍內且大多數數值接近1，故可以判斷噴射FRP具有近似各項同性的性質。

3結語

①碳纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維都能夠提高噴射FRP的拉伸力學性能。在基體是乙烯基酯樹脂的情況下，噴射CFRP在抗拉強度、拉伸彈性模量方面要明顯優于噴射BFRP和噴射GFRP。在基體是不飽和聚酯樹脂的情況下，噴射BFRP的拉伸力學性能要優于其余兩種纖維材料。

②基于不同的樹脂種類對噴射FRP拉伸力學性能的影響。當采用碳纖維和玻璃纖維時，乙烯基酯樹脂基體的材料拉伸力學性能更好。當采用玄武巖纖維時，不飽和聚酯樹脂基體的材料拉伸力學性能更好。

③不同纖維體積率對噴射FRP拉伸力學性能的增強效果是不一樣的，當纖維體積率在20%~25%時，材料的抗拉強度、拉伸彈性模量、斷裂伸長率達到最佳效果。

④不同纖維長度的噴射FRP拉伸力學性能差別明顯，纖維長度越長，拉伸力學性能越高。本次試驗中最佳的纖維長度是40 mm。

⑤噴射FRP厚度的增加導致了材料宏觀尺寸的增加，加大了材料缺陷發生的概率，從而導致材料的拉伸力學性能隨著厚度的增加而降低。

⑥噴射FRP具有近似各項同性的性質。

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(責任編輯唐漢民梁碧芬)

Experiment and analysis of tensile properties of sprayed FRP

YANG Zhao1, WU Kun1, CHEN Yu2, SONG Chun-chen1

(1.Institute of Urban Construction, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China;

2.Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

Abstract:To study the tensile properties of sprayed FRP, 13 groups of specimens were tested for their tensile properties, and the index of stress-strain curve, tensile strength, elastic modulus, elongation and other mechanical properties were analyzed. Influence of fiber type, resin type, fiber volume fraction, fiber length, specimen thickness and other factors on the mechanical properties of sprayed FRP was studied. The results show that the effect of fiber type and resin type on the tensile properties of sprayed FRP is very obvious; that, when the fiber volume fraction is 20%~25% and the fiber length is 40 mm, sprayed FRP demonstrates better mechanical properties; that the mechanical properties of sprayed FRP specimens cannot be effectively enhanced with the increase of the thickness of specimens, and the sprayed FRP should not be too thick. In order to obtain better mechanical properties, sprayed FRP had better be produced by carbon fiber sprayed yarn and vinyl ester resin, the volume ratio and length of fiber should be limited to a certain range, and the thickness of the material should not be too thick.

Key words:sprayed fiber reinforced polymer；tensile mechanical properties；influencing factors

中圖分類號：TU502

文獻標識碼：A

文章編號：1001-7445(2015)06-1345-07

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2015.1345

通訊作者：楊曌(1977—)，男，湖北武漢人，武漢科技大學副教授，博士; E-mail: yzwh77@163.com。

基金項目：湖北省自然科學基金資助項目(2011CDB232)

收稿日期：2015-10-19；

修訂日期：2015-11-10