CFRP的彈性模量與線膨脹系數的測定

張緒平,丁克偉

(安徽建筑工業學院土木工程學院,安徽合肥 230022)

CFRP的彈性模量與線膨脹系數的測定

張緒平,丁克偉

(安徽建筑工業學院土木工程學院,安徽合肥 230022)

在國內關于碳纖維復合材料加固鋼結構的工程應用較少。理論分析和試驗研究不夠深入,文章在做了用碳纖維復合材料加固鋼梁的試驗研究后,發現復合材料自身的特性對加固效果有很大影響,于是對碳纖維復合材料的彈性模量和線膨脹系數進行測定,得出了該復合材料的本構關系和不同溫度下的應變變化,試驗結論僅供加固設計參考。

CFRP彈性模量; 線膨脹系數; 試驗研究

碳纖維復合材料,由于它具有質量輕、減振性能好、可粘貼性和方便操作等優點,已經在鋼筋混凝土結構加固中得到了廣泛的應用[1]、[3],并且其理論分析和實驗研究已較完備。目前,而關于加固鋼結構方面的研究雖然也引起了學界的關注[4]、[6],但由于國內在這方面的研究起步較晚,工程實際應用缺乏較完備的理論支持。在實驗研究過程中,人們往往關注的是加固效果如何(如鋼構件的剛度和承載力的提高),忽略了對復合材料本身性能的研究,因此本文在前人理論和試驗研究的基礎上,通過對復合材料彈性模量和線膨脹系數的測定,從而了解復合材料的本構關系,為實際的加固方案設計出可靠的纖維復合材料。

1 試驗材料性能

由于碳纖維和膠體的品種很多,本文只對實際加固工程中常用的碳纖維材料和膠體材料進行試驗研究。碳纖維布采用上海同固公司生產的UT70-300型碳纖維布,配套粘結樹脂選用上海同固牌膠,試驗所用各種材料實測力學及相關性能指標[7]參見表 1～表 3。

試驗時,試驗在島津試驗機溫度箱內進行。試驗應變片所貼位置在試件中間豎向拉伸方向粘貼,碳纖維復合材料的彈性模量和線膨脹系數測定所用試件相同。

圖1 島津試驗機

2 試驗設備與試件

在做碳纖維復合材料彈性模量試驗時,試驗在島津試驗機上進行,試驗試件規格如表 4所示,試驗加載裝置如圖 1。而在測復合材料的線膨脹系數

3 本次試驗方案

3.1 復合材料的彈性模量測定

首先通過理論計算確定該試件的屈服荷載F為12 kN (計算公式為式(1),在彈性范圍內。分級加載,以 2 kN為一個等級,分別記錄在不同荷載等級作用下的試件中間應變值。

計算出的復合材料的抗拉強度[8]:

式中:σcb為復合材料的抗拉強度;σfb為纖維的抗拉強度;σms為基體的屈服應力;Vf為纖維體積分數;Vm為基體體積分數。

體積分數即纖維和基體的體積占總體積的百分數。

3.2 復合材料的線膨脹系數測定

根據粘結劑自身材料性能,當溫度超過 35℃時,膠體會發生彈塑性變形[8],于是確定在常溫下(5℃～35℃)分級加載,以 5℃為一個等級,分別記錄在不同溫度作用下的試件中間應變值。

4 本次試驗預測量的物理意義

4.1 彈性模量

意義:彈性模量可視為衡量材料產生彈性變形難易程度的指標,其值越大,使材料發生一定彈性變形的應力也越大,即材料剛度越大,亦即在一定應力作用下,發生彈性變形越小。彈性模量 E是指材料在外力作用下產生單位彈性變形所需要的應力。它是反映材料抵抗彈性變形能力的指標,相當于普通彈簧中的剛度。

4.2 線膨脹系數

意義:復合材料的線膨脹系數是表示材料在某一溫度范圍內變化,構件的尺寸隨之發生變化的物理量,該性能也具有各向異性的性能。通過CFRP片材線膨脹系數的測定,試驗結論可以和鋼材的線膨脹作比較,若結果吻合較好,就可以很好解釋CFRP片材為什么能很好地和鋼材共同工作。

5 試驗結果及分析

5.1 CFRP片材彈性模量的試驗結論與結果分析

通過島津試驗機上測定的碳纖維復合材料彈性模量,測定結果荷載 -應變曲線見圖 2,試驗值與理論計算值對比如表5。

圖2 碳纖維復合材料試件豎向荷載-應變

單層碳纖維復合材料的理論彈性模量計算公式如式(3)[10]:

式中:Ef為纖維彈性模量;Em為膠的彈性模量;Vf,Vm即為纖維和基體的體積占總體積的百分數。

本次試驗的碳纖維復合材料的厚度為1.3mm,CFRP300 g布實際厚0.167mm,即YZJ膠層實際厚為1.133mm,則粘膠的CFRP布復合材料的彈性模量應為:

試驗計算碳纖維復合材料彈性模量試驗值與理論計算的相差:

試驗所測結果與理論計算吻合較好,同時通過試驗可以發現在荷載超過 10 kN時,復合材料試件發生彈塑性變化,同時得出復合材料的屈服荷載在10 kN附近。

5.2 CFRP片材線膨脹系數測定試驗結論與結果分析

通過在島津試驗機溫度箱上測定的碳纖維復合材料線膨脹系數,測定結果溫度-應變曲線如圖 3。

圖3 碳纖維復合材料溫度-應變值

通過計算在不同溫度下,該試驗所得碳纖維復合材料的線膨脹系數為 1.277×10-6mm/℃,而鋼材的線膨脹系數為1.2×10-6mm/℃。試驗所得碳纖維復合材料線膨脹系數的試驗值與理論計算的差值為。

試驗所測碳纖維復合材料與鋼材的線膨脹系數相比的差值為6.4%。

通過以上對比分析,可得出CFRP片材的彈性模量和線膨脹系數試驗結論與理論計算的結果吻合較好,可以很好地反映材料的真實性能。

6 結 論

(1)通過碳纖維復合材料彈性模量的測量,發現在 10 kN范圍內,材料的應力應變成線性關系, 可推測碳纖維加固鋼構件時,其底部復合材料軸力拉伸到 10 kN時會發生復合材料拉斷破壞。

(2)在復合材料彈性模量測定過程中,二試件的荷載應變曲線擬合較好,理論計算和試驗研究所得的彈性模量相比較誤差較小,同時發現復合材料中粘結劑的厚度對整個構件的彈性模量影響較大。

(3)根據試驗數據與鋼材的線膨脹系數做比較,在常溫下(5℃～35℃)下,二種材料的線膨脹系數較接近,從這一角度可以解釋兩者在一起很好地共同工作的原因(啟發與鋼筋和混凝土能很好共同工作的原因)。

(4)由于碳纖維復合材料是非均勻性材料,測定在不同溫度和荷載條件下,試件中間應變的變化不能代表為整個試件的應變變化,試驗結果存在誤差,試驗方法有待改進。

[1] 楊勇新,岳清瑞,胡云昌.碳纖維布與混凝土粘結性能的試驗研究[J].建筑結構學報,2001,22(3):36-42

[2] 楊勇新.碳纖維布與混凝土粘結性能及其加固混凝土受彎構件的破壞機理研究[D].天津大學,2001

[3] De Lorenzis,LMiller B.and Nanni,A..Bond of FRP lam inates to concrete[J].ACIMaterials Journal,2001,98(3):256-264

[4] Mertz DR,and Gillespie JW.Rehabilitation of steel bridge girders through the application of advanced composite materials.Final Report,NCHRP-93-ID11,Transportation Research Board,Washington DC,1996

[5] 鄧軍,黃培彥.CFRP板與鋼梁粘結剝離破壞的試驗研究[J].建筑結構學報,2007,28(5):124-129

[6] 張磊,騰錦光.一種快速FRP加固鋼結構的新技術[J].土木工程學報,2008(10):6-13

[7] 李娟.GFRP粘結加固鋼構件的理論分析和試驗研究[D].合肥工業大學,2008

[8] 楊伯源.材料力學(Ⅱ)[M].北京:機械工業出版社,132-135

TU599

B

2009-10-23

安徽省自然科學基金(090414149)和安徽省教育廳自然科學重點基金資助(KJ2007A004,ZD 2008001-1)

張緒平(1985～),男,碩士研究生;丁克偉(1962～),男,教授,博士后,主要研究方向為計算力學和結構工程。