碳纖維復合增強材料力學性能檢測研究

鄒文剛

(貴州省交通科學研究院股份有限公司)

1 引言

隨著改革開放以來我國大規模的工程建設，許多工程項目開始進入養護維修階段，以橋梁工程為例，大量的橋梁在日益增長的交通量和荷載的作用下，開始出現影響結構安全的破壞，對這部分橋梁進行加固處理就顯得極為迫切，因為這直接關系到了道路的正常服務水平和行車的安全。對于結構強度的補強常用的加固方法主要有增大截面法、外包鋼板法、預應力法、混凝土噴射法和粘貼復合材料法。其中粘貼復合材料法成為近幾年鋼筋混凝土結構加固中的研究重點，復合材料重量輕、強度高、施工和易性好，特別是如碳纖維復合增強材料的復合材料的出現，極大的推動了加固技術的不斷發展。纖維增強材料本質上是通過連續纖維來組成復合材料，在實際工程應用中針對碳纖維復合增強材料相關力學性能的研究還較少，本文就是針對這一問題展開研究，通過深入分析碳纖維復合增強材料的力學性能，來推進材料在耐久性、結構適用性等方面的不斷改進。

2 碳纖維復合增強材料的基本力學性能檢測

由于碳纖維復合增強材料的應用時間較短，在實際使用過程中還暴露出部分缺陷，主要表現為:氣泡，相關研究表明當復合材料的空隙率大于2%時，其強度會下降40%左右;脫粘，碳纖維復合增強材料的吸附性能相對較弱;分層，復合材料各層之間分離，會對其性能造成重大影響。另外碳纖維復合增強材料的力學性能還會受到外界環境變化的影響，溫度、濕度等條件的變化都會加快其強度的衰減，腐蝕介質的侵入也會對復合材料的性能穩定造成影響。

2.1 試驗材料的制備

本文試驗過程中選用的碳纖維復合增強材料為L200-C型片材，材料橫向無交叉，縱向順直，密度為200 g/m2，厚度為0.111 mm。由于碳纖維復合增強材料在生產的過程中可能會因為張拉力分布不均等，在邊部線排密度過大，造成材料強度分布的不均勻，為保證試驗數據的真實性，選用材料的中部，同時要盡量避開碳纖維復合增強材料搭接位置處。結合國內外的相關對復合材料力學性能的研究，本文在碳纖維復合增強材料力學性能檢測中試樣尺寸選擇為長度230 mm，寬度為15 mm。

由于碳纖維復合增強材料的抗拉伸強度較高，但是材料的脆性低和耐壓性差的特點，在材料拉伸的過程中材料可能會因為夾具的擠壓而導致破壞，而并不是真正的被拉斷，所以在試驗過程中首先需要對碳纖維復合增強材料進行處理，目前采用較為廣泛的方法是對材料用環氧樹脂進行浸漬，試樣制備的具體過程為:在平整臺面上鋪設塑料布，以避免環氧樹脂與工作臺面的粘連，將裁剪好的碳纖維復合增強材料平整放在塑料布之上，用刷子將環氧樹脂在碳纖維復合增強材料的表明進行均勻涂抹，使得環氧樹脂能夠均勻的滲透到材料的各縫隙當中，涂抹完成之后，將試驗材料靜止與空氣中進行固化。待固化完成之后，清理材料周圍的毛邊，并再次核準試驗試樣的尺寸。

2.2 試樣方法及實驗過程

對碳纖維復合增強材料拉伸試驗參照了國標《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》中的相關要求，進行拉伸試驗的夾具要跟試樣的縱向軸線保持一致，避免夾具和試樣之間發生互動，如果碳纖維復合增強材料在拉伸的過程中出現滑動就會導致附加的彎曲應力過大，從而導致材料應變分布的不均勻，導致試驗材料過早出現破壞，對試驗結構造成影響。

另外需要特別注意的是要結合材料的特性選擇合適的加載方式，控制好加載的速度，選擇采用連續加載還是分級加載，要避免在測試過程中出現應力集中現象，本文在試驗過程中選擇連續加載方式進行拉伸試驗。通過數據采集計算可以獲得碳纖維復合增強材料的拉伸強度、極限變形和拉伸彈性模量，試驗結果見表1。

表1 碳纖維復合增強材料的抗拉強度、彈性模量和極限變形試驗結果

從試樣過程中試樣的破壞情況來看，試樣的斷面破壞寬度斷面較寬，由于碳纖維復合增強材料在沿纖維的方向承受荷載時，由于材料自身的纖維存在離散型，會導致較弱的纖維被拉斷，當斷裂裂紋出現就會在裂紋周圍出現拉應力和剪應力的應力集中。圖1為試驗過程中碳纖維復合增強材料的應力應變曲線。從應力應變的曲線變化情況來看，碳纖維復合增強材料的平均應力能夠達到3 800 MPa。

因為在碳纖維復合增強材料的試驗過程中需要采用環氧樹脂進行處理，為了探究粘結劑的不同對試驗結果的影響，本文在試驗過程中選用的三種不同的粘結劑材料對材料處理后進行拉伸強度試驗，從試驗結果來看，粘結劑的不同對碳纖維復合增強材料的抗拉升強度影響較小，對材料的彈性模量略有影響，但是模量變化并不顯著。

2.3 對碳纖維復合增強材料力學性能檢測的標準化方法探討

本文在試驗過程中對碳纖維復合增強材料的力學性能檢測方法，借鑒的只是國標《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》中的相關內容，該方法對試樣的制備過程、尺寸要求和加載方式等都做出了詳細的規定，但是針對碳纖維復合增強材料的力學性能檢測目前國內還沒有明確的規定。國標中材料的最大伸長率和彈性模量主要是從定義上來給出相關的測試方法，對具體操作過程沒有詳細的規定。

在碳纖維復合增強材料實際受力的過程中其極限強度值較為容易測定，但是對其應變的測定較為困難，這主要是因為碳纖維復合增強材料自身具有較大的應變值，所以準確獲得其相應應力下的應變值應該成為其力學性能檢測中的主要待解決問題。從實際的試驗過程來看，在碳纖維復合增強材料的試驗過程中為保證試驗效果達到預期的目的，需要重點做好以下幾方面工作，首先要保證試驗過程中試樣表明平整光滑，材料跟應變片之間要具有較好的粘附性，另外要保證材料在試驗過程中的受力為均勻受力。

在實際測量碳纖維復合增強材料的應變過程中，其表面比較平整。但是在加載過程中，由于試驗機對中或夾具位置設置等一些問題的存在，在纖維片材上兩側的應變變化和中間部位的應變變化可能會存在不同，同時在實際的測量過程中，在也較難在平面內控制材料彎曲變形。另外碳纖維復合增強材料的極限應變較大，能夠達到5%左右，應變片可能在材料拉伸過程中發生斷裂，或者出現應變片與試樣的剝離現象，所以在測量碳纖維復合增強材料的應變時，要考慮到測量一個較大標距內的平均應變，這種測量方法能夠減少了測量段內各部分應變差異造成的誤差，同時能夠較好的適應碳纖維復合增強材料應變值較大的特點。

3 結語

隨著橋梁等混凝土結構物維修加固項目的不斷增多，碳纖維復合增強材料有著廣闊的應用前景，碳纖維復合增強材料有著優越的力學性能，據有較高的強度和模量，能夠顯著改善構件的承載能力，同時不會增加混凝土結構物的自重，不改變結構物的外部尺寸，應用范圍較為廣泛，本文對碳纖維復合增強材料的基本力學性能進行了探討，在今后應用過程中還需要結合實際情況進一步來完善其力學性能檢測方法。

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