E玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料剪切性能

吳斌峰，孫清，李亮，王虎長，趙雪靈(.西安交通大學土木工程系，西安市70049;.中國電力工程顧問集團公司西北電力設計院，西安市70075)

E玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料剪切性能

吳斌峰1，孫清1，李亮1，王虎長2，趙雪靈2
(1.西安交通大學土木工程系，西安市710049;
2.中國電力工程顧問集團公司西北電力設計院，西安市710075)

為了探究E玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料(E-glass fiber reinforced polymer，E-GFRP)的剪切性能，對EGFRP進行了±45°拉伸試驗、45°偏軸拉伸試驗和層間剪切強度試驗，研究了E-GFRP的面內(縱橫)剪切強度、面內(縱橫)剪切模量和層間剪切強度;探討了E-GFRP剪切破壞的特征。依據現有的多種復合材料計算模型對試件的面內剪切模量進行計算并與試驗結果對比，比較各計算模型的預測效果。結果表明:與45°偏軸拉伸試驗相比，±45°軸向拉伸試驗測定E-GFRP材料的剪切性能參數更可靠;各模型給出的面內彈性剪切模量預測值中，哈爾平-蔡(Halpin-Tsai)模型和王震鳴推薦公式的預測值與試驗值吻合程度最好。

E玻璃纖維;玻璃鋼纖維復合材料(GFRP);面內剪切;層間剪切;試驗研究

0 引言

玻璃纖維增強復合材料(glass fiber reinforced polymer，GFRP)是以玻璃纖維及其制品(玻璃布、帶、氈、紗等)作為增強材料，以合成樹脂作為基體材料的一種復合材料。這種材料從20世紀40年代問世以來，在航空、航天、船舶、汽車、化工、醫學和機械等領域得到廣泛的應用。近年來，纖維增強復合材料(fiber reinforced polymer，FRP)以其高強、輕質、耐腐蝕等優點，開始在土木與建筑工程結構中得到應用，并受到工程界的廣泛關注［1-2］。其中，E玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料(E-glass fiber reinforced polymer，E-GFRP)具有輕質高強、耐腐蝕、耐疲勞、耐久性能和電絕緣性好、性能可設計等優點，是理想的輸電桿塔結構材料［3］。

但是，相比較其他的力學性能，E-GFRP材料的抗剪性能較差，不僅剪切模量低，而且抗剪切強度也低(抗拉強度是抗剪強度的30倍甚至更高)。對很多結構來講，即使剪應力很小，也能使其喪失承載能力［4］。因此，進行E-GFRP材料的加工工藝、纖維體積含量、纖維排列方向等對剪切性能影響的研究，以及進行層間剪切強度的測試與評價工作，對擴大EGFRP的應用范圍和確保其使用安全性有非常重要的意義［5］。

E-GFRP的剪切性能包括平面內的剪切性能與平面外的剪切性能:剪應變與剪應力沿材料各層邊緣作用，處于各層平面之內，稱為面內剪切(邊緣剪切);剪應變與剪應力處于垂直于各層的平面內，導致相鄰層產生相對位移的趨勢，稱為層間剪切［6］。

本文針對輸電桿塔中采用的E-GFRP材料的剪切性能分析，分別采用45°偏軸拉伸試驗和±45°軸向拉伸試驗對復合材料的面內(縱橫)剪切強度和面內(縱橫)剪切模量進行測定;采用品字梁試件對復合材料層間剪切強度進行測定。通過分析試驗結果，探討剪切破壞特征，驗證復合材料微觀力學計算模型，為我國架空輸電線路復合材料桿塔設計導則的編制提供依據和指導。

1 E-GFRP材料剪切試驗

經過多年的發展，復合材料平面內剪切性能的測定，目前至少有10多種試驗方法［4］:如45°偏軸拉伸試驗方法［7］，三點彎曲試驗［8］，±45°軸向拉伸試驗［9］，四點剪切試驗法，約賽佩斯庫(Iosipescu)剪切試驗法［10］，雙軌剪切試驗［11］，薄壁管材扭轉試驗［12］，板材彎扭試驗［13］等。本文分別采用45°偏軸拉伸試驗和±45°軸向拉伸試驗對復合材料的面內(層內)剪切強度和面內(軸向)剪切模量進行測定，2種試驗除了采用的試件纖維分布不同，其余方法一致。這2種試驗方法對夾具的要求較低，且試件形式簡單，便于加工，因此得到普遍的應用［14］。

目前，相關復合材料剪切性能的研究多注重于平面內剪切性能的研究，但是層間剪切的研究同樣重要，層間剪應力的存在很容易導致層間的分層破壞，所以層間剪切強度的測定也是復合材料設計中必須考慮的重要問題［15］。目前國內對層間剪切強度的測定多采用三點彎曲式短梁法(GB/T 3357—1982《碳纖維增強塑料孔隙含量檢驗方法》;美國ASTMD 2344—84)，但是該方法只是獲得材料層間剪切強度的表觀值，而得不到材料的真實數據，不能用作材料的設計數據。故本文中采用品字梁試件測層間剪切強度，該方法測得的層間剪切強度較為準確，但是對試件的加工精度要求較高，對應的夾具也比較復雜。本文改進了底端約束，并且對夾具進行了改造。

1.1 試驗材料

由不同的玻璃纖維、基體和成型工藝得到的GFRP材料的力學性能有一定的差異。考慮材料性能要求和經濟效益因素，目前輸電工程中采用的主要為E-玻纖。對于基體材料，則選擇環氧樹脂，因為其力學性能基本能夠滿足輸電工程要求，又有穩定的化學性質，制造相對廉價方便。45°偏軸拉伸試驗、±45°軸向拉伸試驗和層間剪切試驗中分別采用的試件形式如表1所示。

1.2 試件設計

45°偏軸拉伸試驗和±45°軸向拉伸試驗中的試件尺寸和加工要求均按國家標準GB/T 3355—2005《纖維增強塑料縱橫剪切試驗方法》執行，由鞍山遠達電網工程有限公司制作。

45°偏軸拉伸試驗試件形式如圖1，共16個。±45°軸向拉伸試驗試件形式如圖2，共16個。

層間剪切試驗中試件尺寸和加工要求按國家標準GB/T 1450.1—2005《纖維增強塑料層間剪切強度試驗方法》規定執行，由鞍山遠達電網工程有限公司制作。試件形式如圖3所示，共16個。

1.3 試驗方案及加載

45°偏軸拉伸試驗和±45°軸向拉伸試驗的過程參照國標GB/T 3355—2005《纖維增強塑料縱橫剪切性能試驗》進行:沿試樣軸向勻速施加靜態拉伸荷載，直到試樣斷裂或者達到預定的伸長，在整個過程中，測量施加在試樣上的荷載和試樣的伸長，同時測試試樣上應變片讀數，以求得剪切模量。

45°偏軸拉伸試驗和±45°軸向拉伸試驗采用上海龍華WDW-300D型材料拉伸試驗機。該試驗機精度可達0.5級，試驗中可直接記錄荷載、位移等數據。測試材料彈性模量、泊松比的應變采集儀器為靖江東華DH3816，60通道靜態電阻應變儀。應變花采用中航電測儀器股份有限公司生產的BE120-3BC型正交應變花。

層間剪切試驗嚴格按照國家GB/T 1450.1—2005《纖維增強塑料層間剪切強度試驗方法》進行測試時，沿試樣軸向0.5 mm/min的速度進行加載施加靜態壓縮荷載，直到試樣破壞，記錄最大載荷值。加載夾具底部為球鉸。試驗裝置采用上海龍華WDW-100D型微程控制電子萬能試驗機，該試驗機精度可達0.5級，試驗中記錄荷載、位移等數據。

1.4 試驗結果及分析

1.4.1 試驗現象及破壞特征

(1)45°偏軸拉伸試驗。荷載位移曲線和破壞模式如圖4所示，由圖4可知:加載初期試件外觀沒有明顯變化，從荷載-位移曲線可以看出試件在開始加載后荷載與位移成線性增長，但達到一定值以后，由于樹脂拉裂，而纖維仍可繼續承擔荷載，出現試件沿剪切斷面滑移，在荷載位移曲線上表現為水平段。經過水平段穩定以后，荷載繼續直線增長直到斷裂破壞。當試件破壞后，可以看到45°的裂縫，樹脂已經基本完全拉裂，卸載取下已經破壞的試件之后再觀測，此時裂縫不易看到，試件表面呈現有45°白色紋理。

(2)±45°軸向拉伸試驗。試驗現象與45°偏軸拉伸試驗類似，荷載位移曲線和破壞模式如圖5所示。從荷載-位移曲線可以看出，試件在開始加載后荷載與位移成線性增長，但達到一定值以后，由于樹脂拉裂，而纖維仍可繼續承擔荷載，出現試件沿剪切斷面滑移，在荷載位移曲線上表現為水平段。經過水平段穩定以后，荷載繼續直線增長，直到玻璃纖維從樹脂基體中拔出，復合材料同時斷裂才意味著徹底破壞，在荷載位移曲線上表現為高應力狀態的平臺。當試件破壞后，可以看到45°的裂縫，樹脂完全拉裂，卸載取下已經破壞的試件后觀測，試件表面呈現有45°白色紋理。

(3)層間剪切試驗。荷載軸向位移曲線和試件破壞形態見圖6。在加載初期，由于夾具底部設置為球鉸，所以有一個對中和夾具加緊的過程，導致荷載位移曲線在初期有較長的水平段，在穩定以后，荷載迅速線性增長直到破壞，最終試件平均的位移量達到1.5 mm左右，試件即被剪開成兩半。從破壞斷面來看，破壞斷面出現在試驗前所預測的位置且切面光滑，說明試件兩端夾持合理，對中準確，試件發生的破壞形式是純剪破壞。

1.4.2 試驗結果

45°偏軸拉伸試驗與±45°軸向拉伸試驗得到的應力與軸向應變曲線如圖7所示，從圖7可以看出應力應變曲線呈線性，曲線經數值擬合得到。

45°偏軸拉伸試驗和±45°軸向拉伸試驗的剪切強度為

式中:F為破壞載荷，N;b為試樣寬度，mm;d為試樣厚度，mm。45°偏軸拉伸試驗結果見表2。

45°偏軸拉伸試驗和±45°軸向拉伸試驗的剪切模量為

式中:Lo為測量的標距，mm;ΔP為荷載-變形曲線直線段荷載增量，N;Δεx、Δεy為與荷載增量ΔP對應的軸向和橫向應變增量，mm。±45°軸向拉伸試驗結果見表3。

層間剪切強度試驗的剪切強度為

式中:τs為剪切強度，MPa;h為試樣受剪面高度，mm。層間剪切試驗的結果見表4。

1.4.3 結果分析

45°偏軸拉伸試驗得到E-GFRP材料的面內剪切強度和面內剪切模量分別為19.64 MPa和6.15 GPa。±45°軸向拉伸試驗得到的E-GFRP材料的面內剪切強度和面內剪切模量分別為32.00 MPa和5.9 GPa。這2個試驗的剪切模量結果相同而剪切強度結果相差較大。

剪切模量的結果相同:45°偏軸拉伸試驗和±45°軸向拉伸試驗中試件處于平面應力狀態，x方向為受力方向，1為順纖維方向，2為垂直纖維方向。運用應力與應變轉軸公式進行坐標變換，得到

式中:σx、σy、τxy和εx、εy、γxy為軸向應力、應變分量;i，j=1，2，6)中的各分量為軸向柔量，該矩陣為對稱矩陣，即=

45°偏軸拉伸試驗和±45°軸向拉伸試驗中纖維方向均為45°，所以σx=F/bd，σx=τxy=0。

其中E45=σx/εx，通過式(5)可求得剪切模量G12，所以45°偏軸拉伸試驗和±45°軸向拉伸試驗得到的剪切模量值很接近。

剪切強度結果相差較大:復合材料細觀不均勻結構的本質，使其性能不但具有各向異性的特點，在許多情況下，還具有各種藕合效應［16］:當試件受45°偏軸拉伸時，在材料坐標系下，除了有剪切應力分量外，還會有同等大小的縱向和橫向拉伸應力分量。由于45°的橫向拉伸強度很低，因此破壞往往就由橫向拉伸應力引起，至少也會對破壞的產生起較大的作用。這樣測出的剪切強度自然是不可靠的［17］。雖然±45°軸向拉伸試驗中試件的應力狀態與45°偏軸拉伸相似，但此時的試件對稱45°纖維分布保證試件有較高的縱向和橫向強度，保證了破壞還是由最薄弱的環節，剪切破壞所控制，所以測得的剪切強度是合理的，但是試件還是會受到層間應力的影響。

層間剪切試驗測得的剪切強度為53.42 MPa，為保證試件發生的破壞形式是純剪破壞，試驗中采用了與品字梁試件相配套的夾具和底部安放球鉸控制對中約束，使得試件的破壞斷面出現在所預測的位置(品字梁變截面處)，且切面光滑。而測得的剪切強度結果也在預計的范圍內，拉擠成型的E-GFRP層間剪切強度為50～60 MPa［18］。本文改進了底端約束，并且對夾具進行了創新設計，使其便于加工，節省試驗費用的同時又可以有助于準確測得結果，便于該試驗方法的推廣應用。

2 剪切強度計算模型

通過引入復合材料力學中的多種計算模型來研究E-GFRP材料面內剪切性能與基材和纖維剪切性能之間的關系。E-GFRP材料的面內剪切強度主要由基材的剪切強度與界面結合的質量決定，后者可以由界面力學性能的微觀測試方法得到，如纖維拔出試驗等［19］。E-GFRP材料的面內剪切模量則與基材和纖維剪切模量相關聯，目前已發展出多種計算模型。

(1)并聯模型為

式中:Gf為纖維切變模量;Vf為纖維體積分數;Vm為基體體積分數;Gm為基體的切變模量。

(2)并聯模型為

(3)植村-山脅經驗公式為式中:GLT1為串聯模型剪切模量;GLT2為并聯模型剪切模量，對于玻璃纖維/環氧樹脂復合材料c取0.095～0.175。

(4)王震鳴推薦公式為

式中:Em為基體彈性模量;Ef為纖維彈性模量。

(5)組合模型為

表5中列出了分別采用各模型得到的計算結果，通過對比，Halpin-Tsai計算模型給出的面內彈性剪切模量預測值與試驗值幾乎相同，采用王震鳴建議的公式得到的結果也很接近試驗值，而其他計算模型得到的結果與試驗值相差較大。

3 結論

(1)45°偏軸拉伸試驗與±45°軸向拉伸試驗測得的剪切模量結果接近，但45°偏軸拉伸試驗剪切強度測試結果顯著偏低。故采用±45°軸向拉伸試驗測定E-GFRP材料的剪切性能，既可得到比較可靠的剪切性能參數，試驗方法又比較簡單，而且便于推廣應用。

(2)Halpin-Tsai計算模型給出的面內彈性剪切模量預測值與試驗值吻合良好，采用王震鳴建議的公式得到的結果也很接近試驗結果。推薦采用這2種模型計算E-GFRP材料面內彈性剪切模量。

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(編輯:蔣毅恒)

Shear Property of E-Glass Fiber Reinforced Polymer

WU Binfeng1，SUN Qing1，LILiang1，WANG Huchang2，ZHAO Xueling2
(1.Department of Civil Engineering，Xi＇an Jiaotong University，Xi＇an 710049，China; 2.Northwest Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group，Xi＇an 710075，China)

To study the shear properties of the E-glass fiber reinforced polymer(E-GFRP)，the±45°tensile test，the 45°off-axis tensile test and the interlam inar shear strength testwere carried out on the E-GFRP.The in-plane(vertical and horizontal)shear strength，in-plane(vertical and horizontal)shearmodulus and interlam inar shear strength of the E-GFRP materialwere studied.And the characteristics of the E-GFRPmaterial shear failurewere discussed.According to the existing calculation models for compositematerials，the in-plane shearmodulus of specimens were calculated and compared With the test results，to compare the prediction effect of each calculation model.The results show that the shear property parameters of the E-GFRPmeasured in the±45°tensile test are more reliable than those measured in the 45°off-axis tensile test; among all the models，the predictive values of Halpin-Tsai prediction model and the formula recommended by Zhenm ing Wang agree wellw ith the experimental data.

E-glass fiber;glass fiber reinforced polymer(GFRP);in-plane shear;interlam inar shear; experimental study

TM 75

A

1000－7229(2014)11－0079－06

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.013

2014-06-13

2014-07-07

吳斌峰(1986)，男，碩士研究生，主要從事復合材料桿塔研究工作;

孫清(1970)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事鋼結構、型鋼-混凝土組合結構、結構振動控制方面的工作，E-mail:sunq@mail. xjtu.edu.cn;

李亮(1987)，男，碩士研究生，主要從事復合材料桿塔研究工作;

趙雪靈(1982)，男，碩士，工程師，主要從事鋼結構研究工作;

王虎長(1962)，男，學士，教授級高級工程師，主要從事鋼結構研究工作。

國家電網公司科技項目(DG1-T04-2009)。