平面拉伸下聚氨酯裂紋板的裂紋擴展研究

魏超

（湘潭大學土木工程學院）

聚氨酯(PU)作為一種高分子材料，因具有承載力高、硬度范圍寬、抗撕裂性能好、粘結力較強、防水性能和耐酸耐震性能較好等優點而在土木工程建筑領域得到廣泛應用[1-4]。聚氨酯的物理力學性能常介于橡膠和塑料之間，因此同時具有橡膠的彈性和塑料的硬度[5]。但是，在長期服役過程過，會因為受到復雜的載荷工況和使用環境的影響而產生裂紋或微孔等缺陷，裂紋的萌生和擴展會大大降低材料的使用性能，甚至會發生斷裂失效現象，危害人們的生命財產安全。因此，研究聚氨酯裂紋板的力學性能和裂紋擴展規律具有重大的理論價值和現實意義。

劉高沖等[6]研究了在動靜態加載條件下聚氨酯彈性體的力學性能，結果表明，聚氨酯彈性體的應力應變關系具有明顯的非線性和應變率相關性。姜凱涵[7]歸納總結了現階段聚氨酯水泥加固混凝土機理的研究進展，具體分析了聚氨酯水泥的研究現狀。蘭巖松等[8]則是進一步綜述了聚氨酯水泥加固鋼筋混凝土結構的實驗研究，詳細地分析了目前對于聚氨酯水泥加固鋼筋混凝土結構的研究進程，為聚氨酯水泥加固技術提供了一定的理論和數據支撐。近年來，高分子材料裂紋擴展的研究大多集中于疲勞裂紋的擴展機理，對于靜態裂紋擴展的研究相對較少。除此之外，力學性能的實驗研究大多針對于均質且不含缺陷的材料。為此，本文采用平面拉伸試驗方法，探究了不同拉伸速率下聚氨酯裂紋平板的裂紋擴展行為、應力應變關系以及初始裂紋尖端在剛受到載荷時的變形程度（應變狀態），為聚氨酯材料的制造和使用條件的選擇提供參考。

1 試驗材料尺寸及設備

試驗所用材料為廣東省東莞市禧成塑膠制品有限公司生產的聚氨酯(PU)板材，樣品通過機械加工成含有單邊預制裂紋的矩形條狀。材料尺寸為[9-10]：長度150mm，寬度20mm，厚度2mm，預制裂紋長度25mm。如圖1所示。

圖1 試驗材料及尺寸

實驗所需設備為配備溫控箱的M3000 電磁式疲勞試驗機和非接觸式三維光學測量系統。M3000 電磁式疲勞試驗機的載荷量程為0.01N-3000N，實驗載荷精度為顯示值的±0.5%，最大位移限值為30mm，位移精度為±0.01mm。非接觸三維光學測量系統主要用于初始裂紋尖端應變測量。如圖2所示。

圖2 試驗設備

2 試驗結果與分析

采用靜態測試模式，拉伸速率分別為3mm/min，5mm/min 和7mm/min，對其中一個試樣進行黑白散斑噴涂，以便于非接觸式三維光學測量系統對裂紋尖端進行應變測量。

圖3 為在平面拉伸下聚氨酯裂紋板剛承受荷載時的裂尖變形示意圖以及應變云圖。

圖3 裂尖變形及應變云圖

由圖3(a)可見，初始裂紋尖端在受到豎直方向的位移載荷時，從宏觀角度可以看出，此時裂紋尖端的變形程度最大且較為明顯，這是因為裂紋尖端處具有應力奇異性特點，并在受到豎直載荷時會產生較為嚴重的應力集中現象，裂尖應力越大，則應變越大。圖3(b)反映了裂紋尖端處的應變分布，在裂紋尖端處應變最大，越遠離尖端其應變越小，整個計算區域的應變近似關于裂紋界面上下對稱。因此，從應變云圖的分布情況看，也能證明裂紋尖端處具有應力奇異性。

圖4 給出了平面不同拉伸速率下，聚氨酯裂紋板的時間應力曲線以及名義應力應變曲線。

圖4 時間-應力與應力-應變曲線

從圖4(a)可知，聚氨酯裂紋板在平面拉伸狀態下，拉伸速率對聚氨酯的彈性性能無較大影響，應力應變成正比例關系，即滿足胡克定律，此時的應變在0.1 左右，但對聚氨酯的塑性性能有一定影響。拉伸速率對初始裂紋尖端第一次開裂前的變形程度也有不同程度的影響，3mm/min 和5mm/min 的拉伸速率在相同的破壞應力條件下，變形程度相對較小，其應變分別在0.53和0.42左右；而7mm/min 的拉伸速率對應的破壞應力和變形程度均達到最大，其應變在0.68 左右。進一步分析可以得出，在聚氨酯裂紋板完全斷裂失效瞬間，不同拉伸速率下整個裂紋板對應的最大應變大小關系為。

從圖4(b)可以看出，在平面拉伸狀態下，不同的拉伸速率對聚氨酯裂紋板的應力變化有不同的影響，平面拉伸速率越低，聚氨酯裂紋板的應力變化越緩慢。對于裂紋尖端而言，3mm/min 和5mm/min 的拉伸速率使得裂紋尖端的破壞應力在2.75MPa 左右，而7mm/min 的拉伸速率能使得裂尖破壞應力達到3MPa 左右。另外，在5mm/min 和7mm/min 的拉伸速率下，聚氨酯裂紋板的第一次開裂時間幾乎相同，均在60s左右，而在3mm/min拉伸速率下，裂紋板的開裂時間相對較長，在120s 左右。進一步分析表明，聚氨酯裂紋板在第一次開裂后，拉伸速率對裂紋擴展的穩定性還有較大影響，3mm/min 和5mm/min 的拉伸速率使得裂紋板在第一次開裂后，應力變化近似呈現出“階梯”式下降，但3mm/min 的“階梯”相對較多，說明此拉伸速率下，裂紋擴展的穩定性較低，即裂紋擴展一定長度后停止一段時間，而后繼續向前擴展；7mm/min 的拉伸速率下，裂紋第一次開裂后，裂紋擴展的穩定性較好，即裂紋擴展持續穩定增長。另一方面，總體上也可以說明拉伸速率越快，聚氨酯裂紋板的斷裂失效時間越短。

圖5 是不同拉伸速率下聚氨酯裂紋板的裂紋擴展路徑。

圖5 裂紋擴展路徑

在圖5 中，通過實際裂紋擴展路徑與水平參考線的對比發現，裂紋均會從平板右側邊界貫穿，而且聚氨酯裂紋板的裂紋擴展路徑也會向下偏轉，并非是一條水平的擴展路徑。將貫穿點到水平參考線的垂直距離定義為路徑偏移量，經測量，3mm/min、5mm/min 以及7mm/min拉伸速率分別對應的路徑偏移量為2.04mm、2mm 以及1.32mm。因此，當拉伸速率低于5mm/min 時，裂紋擴展路徑受拉伸速率的影響較小，而當拉伸速率超過5mm/min時，裂紋擴展路徑受拉伸速率的影響較大。

3 結論

通過對聚氨酯裂紋板的平面拉伸試驗，以及縱觀全文的試驗結果與分析，可以得出如下結論：

⑴裂紋尖端的存在會使得聚氨酯材料在受力時，裂尖處容易產生應力集中現象，隨著載荷地持續施加會伴隨裂紋擴展現象。

⑵在平面拉伸狀態下，聚氨酯的裂紋擴展路徑并非水平，而會受拉伸速率的影響產生偏移，拉伸速率較快，裂紋偏移量較小，拉伸速率較慢，裂紋偏移量較大。

⑶平面拉伸條件下，拉伸速率對聚氨酯材料彈性變形階段的力學性能影響不大，對其塑性變形階段有差異性影響。另外，拉伸速率越慢，其裂紋會呈現出“階梯”式擴展，即多階段開裂現象，總體來看，聚氨酯裂紋板完全斷裂失效的時間與拉伸速率成正相關性。