不同溫度環境下輕木夾芯復合材料板彎曲疲勞性能試驗

霍瑞麗,陳登楊,方 海,方 園,韓 娟,楊翔宇

(南京工業大學 土木工程學院,江蘇 南京 211800)

復合材料夾芯結構通常采用高強纖維增強樹脂基復合材料(FRP)作為面板,泡沫、輕木、蜂窩等輕質材料作為芯材,可根據服役環境和力學性能需求靈活設計,具有質量輕、剛度大、強度高、耐腐蝕等優點,近年來在土木交通基礎設施領域得到推廣應用,可用作橋梁防撞系統、橋面板、路面墊板、裝配式建筑墻板等[1-3]。

與混凝土材料結構相比,FRP并不具有經濟優勢,因此目前常應用在高溫高濕、腐蝕性強等有特殊要求的復雜環境結構中。國內外學者前期研究了溫度、濕度、濕熱、紫外線等各類環境對FRP結構物理力學性能和使用壽命的影響,結果表明,復合材料結構不但面臨各類荷載的考驗,環境也是影響其承載性能和耐久性能的重要因素。在濕度和溫度環境的影響下,各組分材料的形態、質量、力學性能等均會發生改變。溫度越高,水分子的無序運動越快,膠黏劑等聚合物的劣化愈嚴重,尤其是在交變循環荷載的長期共同作用下,復合材料夾芯結構的面板及芯材界面易發生脫黏。隨著損傷的不斷累積而導致疲勞破壞,直接影響了結構的使用壽命[4-8]。Dai等[9]及Owen[10]研究發現,在循環載荷作用下復合材料的主要破壞形態有:纖維和樹脂界面的脫黏剝離、樹脂基體開裂、纖維斷裂等。Burman等[11-12]通過對夾芯結構及芯材進行四點彎曲疲勞試驗發現,剛度退化進程晚于疲勞裂縫的出現。史慧媛等[13-14]、Shi等[15]、張響鵬[16]對復合材料夾芯結構的疲勞性能開展了大量的研究工作,分析荷載等級、構件截面形式、組分材料等對疲勞破壞模式和疲勞壽命的影響。有學者進一步指出,FRP結構的疲勞特性表現出明顯的溫度效應[17],其影響程度甚至可能超過應力水平的影響。謝桂華等[18]基于唯象學剛度退化理論,推導了FRP材料基于溫度變化的剛度退化和疲勞壽命預測等效模型。李青等[19]引入溫度參數修正模型,預測不同溫度下15CrMoR材料的疲勞壽命。盧頡[20]研究了蜂窩夾芯結構在室溫和高溫環境下的四點彎疲勞失效特性,并分析了芯子排列方向、加載條件、溫度環境等因素的影響。筆者選取價格低廉的國產速生輕質泡桐木作為芯材、玻璃纖維增強復合材料(GFRP)作為面層制作復合材料夾芯板,開展溫度和循環荷載共同作用下的彎曲疲勞性能試驗研究,通過分析結構的最大撓度的演化過程和破壞形態,研究荷載等級、溫度環境對結構疲勞性能和壽命的影響,為工程設計提供參考?？紤]到目前復合材料夾芯板的服役環境及組分材料的高溫敏感性,且樹脂基體玻璃態轉變溫度一般在70 ℃左右,因此,本試驗選取在30、50、60 ℃共3種典型溫度環境下進行加載。

1 試件制備

根據夾層結構彎曲性能試驗方法[21],采用真空導入工藝制備復合材料夾芯板試件,樹脂固化成型環境溫度為(25±5) ℃、相對濕度為65%,試件尺寸參數見表1。試件面板增強材料采用雙軸向E型無堿玻璃纖維布,共鋪5層,自上而下鋪層角度分別為(0°,90°)/(±45°)/(0°,90°)/(±45°)/(0°,90°);選用不飽和樹脂為基體材料,加入過氧化甲乙酮(C8H18O6)固化劑、異辛酸鉻(C24H45CrO6)和苯乙烯(C8H8)催化劑。芯材采用國產速生泡桐木,木材鋸切時沿試件長度方向順紋布置,為增加界面黏結力,對刨光后的木質芯材表面正交開槽,并在交點處打孔(深度約2 mm),制備流程如圖1所示。試件固化成型后再脫模切割成尺寸為350 mm×70 mm×31 mm的試件。

2 加載方案

試驗在恒溫恒濕環境實驗室的MTS萬能試驗機上進行,相對濕度設定為95%,溫度分別設定為:30、50、60 ℃?？紤]到木材存在天然缺陷,每個試驗工況取5個試件進行試驗,試件全長350 mm,支座之間跨度為300 mm,加載點滾軸中心到支座中心點之間的距離為100 mm,如圖2所示。荷載采用正弦波形式,加載頻率為2 Hz,根據靜載試驗結果,疲勞試驗的荷載等級r(最大荷載和靜載試驗中試件極限承載力的比值)取0.6、0.7,荷載比R(某個循環加載最小荷載與最大荷載的比值)取0.1。加載時當循環次數超過106時,認為此試件有無窮壽命,即不會發生疲勞破壞。因此,確定本試驗的終止條件為試件豎向位移大于10 mm和疲勞循環次數達到亞疲勞階段,即達到106。

表1 復合材料夾芯結構試件尺寸參數

圖1 復合材料夾芯板制備流程

圖2 疲勞試驗加載示意圖(單位:mm)

3 試驗結果分析

3.1 疲勞破壞形態

不同溫度環境下,夾芯板試件的疲勞破壞模式有所不同,共性的破壞模式為彎剪段芯材剪切和面板、芯材之間的界面剝離。試驗加載初期,試件外觀無明顯變形,跨中撓度迅速達到平衡后基本保持不變。隨著加載的持續進行,彎剪段的芯材開始萌生裂紋,裂紋的寬度隨著荷載循環次數的增加不斷變大。當擴展至GFRP面板與芯材的界面時,引起界面剝離。

圖3為30 ℃環境下輕木夾芯復合材料結構的疲勞破壞模式。在試驗加載初期,試件發出有規律的輕微響聲,經歷200個循環后,用電子顯微鏡觀察,支座處GFRP面板受壓區域樹脂基體和與纖維界面處開始萌生細小裂紋,局部出現凹陷。由于損傷不可逆,局部凹陷逐漸轉化為塑性變形。GFRP面板在局部壓力和往復拉力作用下，在試件的最外端開始出現裂紋,伴隨加載進程裂紋逐步向支座擴展,造成試件外伸段面板與芯材界面脫黏、翹曲(圖3(a)、3(b))。支座凹陷邊緣形成初始裂紋后,在循環加載過程中,面板底部的界面處產生順紋方向的剪切裂紋并向跨中位置迅速擴展。當裂紋擴展與齒槽邊緣處的裂紋連通時,界面剝離。隨著荷載的增加,剝離面積范圍不斷增加,直至芯材出現整體水平滑移(圖3(c))。在30 ℃溫度環境下,加載初期泡桐木芯材具有較強的抗剪能力,最終發生剪切破壞的原因是面板和芯材的變形不一致,是界面剝離引起的間接破壞。

圖3 30 ℃環境下復合材料夾芯板疲勞破壞模式

圖4為50 ℃環境下夾芯板的疲勞失效模式,其破壞模式與30 ℃時較為接近,主要表現為芯材剪切、界面脫層,部分試件GFRP上面板發生屈曲。與30 ℃溫度環境相比,50 ℃時試件界面脫層區域面積較小,主要集中在彎矩較大的跨中區域,破壞進程相對緩慢,結構延性有所提升,但溫度升高導致泡桐木芯材的剪切破壞進程迅速。

圖4 50 ℃環境下復合材料夾芯板疲勞破壞模式

圖5為60 ℃環境下夾芯板試件的疲勞失效模式,整個破壞進程較為迅速,從圖5(a)可以看出,芯材的順紋方向剪切裂紋比較密集,試驗過程中裂紋擴展速度快,芯材剪切破壞嚴重。這是因為溫度升高引起泡桐木的木質纖維細胞孔隙變大,導致抗剪能力不斷降低,內部裂紋擴展貫通,從而引起受拉側GFRP面板玻璃纖維拉斷,GFRP上面板發生屈曲的部位比50 ℃時發生屈曲的部位分散。

圖5 60 ℃環境下復合材料夾芯板疲勞破壞模式

3.2 疲勞壽命分析

試驗所得復合材料夾芯結構的平均疲勞壽命見表2。從表2中可以看出,相同荷載等級下,隨著溫度的升高,結構的平均疲勞壽命均有所降低。

表2 不同溫度環境下復合材料夾芯板的平均疲勞壽命

當荷載水平r為0.6時,30和50 ℃溫度環境下,荷載循環次數超過106時，仍無明顯界面脫層和裂紋出現,說明試件不會發生疲勞破壞;在60 ℃溫度環境下,試件的平均疲勞壽命為82 716次,與30 ℃時的平均疲勞壽命相比,減小了29.7%。當荷載應力等級為0.7時,相同溫度環境下,夾芯板試件的平均疲勞壽命有所降低,3種溫度工況下試件的平均疲勞壽命均小于106次。與30 ℃時相比,在50和60 ℃溫度環境下試件的平均疲勞壽命減小幅度與荷載應力等級為0.6時的平均疲勞壽命減小幅度較為接近。

以每次荷載循環中的最大撓度為縱坐標、相對壽命n/N(當前循環次數n與總循環次數即疲勞壽命N之比)為橫坐標,得到不同溫度環境下夾芯板的撓度最大值與相對壽命曲線如圖6所示。由圖6可以看出,在不同溫度環境下,疲勞荷載引起的夾芯板試件最大撓度變化趨勢基本相同。因速生泡桐木芯材中存在一定的天然缺陷或鋸切裂紋,加載初期(荷載循環約200次,占疲勞壽命的5%左右),試件撓度快速增加;撓度增加至平衡后,結構的整體剛度保持穩定,撓度變形基本保持恒定,此階段占整個循環加載過程的90%以上。循環荷載持續作用下,GFRP板內微裂紋萌生,微裂紋擴展到一定程度貫通形成可見裂紋。加載后期,可見裂紋在界面或芯材中沿木材紋理迅速擴展,形成主裂紋,持續加載將引起面板和芯材的界面脫層,結構整體破壞。此階段的持續時間很短,約占疲勞壽命的0.5%～5%。

圖6 不同溫度環境下復合材料夾芯板的最大撓度-相對壽命曲線

試驗結果表明,結構的破壞進程與荷載等級相關,也與溫度環境密切相關。荷載等級越高,結構越易產生彎曲變形,初始平衡階段撓度值越大,相同循環次數后裂紋發展更快,試件的疲勞壽命更短。從圖6還可以看出,溫度對結構的撓度變形變化趨勢的影響不大,但對每個循環的變形影響顯著。同一循環荷載作用下,在50 ℃溫度環境下結構的撓度變形最小,采用顯微鏡觀察,50 ℃時GFRP面板的組分材料玻璃纖維和樹脂之間的孔隙有所減小,樹脂基體分子分布更均勻,界面黏結性能更好,提高了結構的整體剛度。但此時的疲勞壽命與30 ℃時的疲勞壽命相比,下降10%左右。60 ℃時,因接近了樹脂基體的玻璃態轉變溫度,GFRP面板的剛度顯著降低,結構整體撓度變形增加。

3.3 疲勞壽命預測模型

S-N曲線壽命預測方法是疲勞壽命最方便、最基本的預測方法, 壽命預測模型中最具有代表性的是指數函數和冪函數模型,根據模型參數之間的關系,一般通過取對數的方式獲得應力水平與疲勞壽命之間的線性關系。筆者選取精確度較高的指數函數模型和冪函數的經驗公式建立S-N曲線模型。

1)指數函數模型

eβSN=C

(1)

式中:S為疲勞荷載,N為疲勞壽命,β、C為材料常數,與試驗材料及加載條件等有關。將式(1)兩端取對數,可得

βSlg e+lgN=lgC

(2)

在指數函數模型中,疲勞荷載S與疲勞壽命的對數lgN呈線性關系,得到單對數坐標系內的線性化S-N曲線。

2)冪函數模型

CNβ=S

(3)

將式(3)兩端取對數,可得

lgC+βlgN=lgS

(4)

在冪函數模型中,疲勞荷載的對數lgS與和疲勞壽命的對數lgN呈線性關系,得到雙對數坐標系內的線性化S-N曲線。

根據指數函數模型式(1)和冪函數模型式(3),擬合線性化的疲勞壽命曲線如圖7所示。

圖7 不同溫度環境下復合材料夾芯板的疲勞壽命曲線

表3 復合材料夾芯板疲勞壽命指數函數模型擬合結果

表4 復合材料夾芯板疲勞壽命冪函數模型擬合結果

采用指數函數模型和冪函數模型擬合的復合材料夾芯板的疲勞壽命曲線函數及相關參數如表3和4所示,從表3、4中的相關系數可以看出,兩種疲勞壽命模型擬合的精確度均較高;隨著溫度的升高,疲勞壽命曲線的斜率呈先減小后增大的趨勢,結合不同溫度環境下結構的最大撓度-相對壽命曲線變化規律可以看出,在50 ℃左右時,泡桐木夾芯板的耐疲勞特性得到短暫提升。60 ℃時，因GFRP面板基體樹脂和界面樹脂接近玻璃態,且木質芯材本身存在天然缺陷、木質細胞孔隙增大等因素將導致在高溫時夾芯結構的抗剪能力顯著衰減,疲勞壽命大幅度降低。

4 結論

1)溫度環境對復合材料夾芯結構的疲勞破壞模式影響顯著。溫度較低時,結構的破壞模式主要有芯材剪切和界面脫層,50 ℃時,界面的黏結強度有所提升,界面脫層面積減小,疲勞破壞進程相對緩慢;60 ℃時,芯材多處出現順紋方向的剪切裂紋,受拉側GFRP板纖維拉斷,受壓側GFRP板屈曲。

2) 溫度環境影響復合材料夾芯板的剛度和變形能力。30、50、60 ℃溫度環境下結構的最大撓度變化趨勢基本相同;同一荷載循環下,50 ℃時結構的撓度變形最小,60 ℃時,結構剛度顯著降低,撓度值最大。

3)荷載等級和溫度環境對復合材料夾芯板的疲勞壽命影響顯著。當荷載等級較低時,低溫環境下結構不會發生疲勞破壞;荷載等級越高,溫度越高,結構的疲勞壽命越低。采用指數函數和冪函數預測模型得到的疲勞壽命曲線精確度較高,可用于復合材料夾芯板的疲勞壽命宏觀分析。