玄武巖纖維增強(qiáng)鋼層合板拉伸性能研究

李耘宇 石蜀雁

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)船海與能源動(dòng)力工程學(xué)院2) 武漢 430063)

0 引 言

纖維增強(qiáng)金屬層合板(fiber metal laminate，F(xiàn)ML)是由金屬層和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)按一定順序鋪疊而成的復(fù)合材料[1-2]，結(jié)合了FRP與金屬的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)度大、耐疲勞、抗沖擊，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān)注與研究.Corte′s等[3-5]對(duì)鈦基碳纖維層合板(TI-CF FMLs)進(jìn)行了擬靜力拉伸試驗(yàn)與疲勞試驗(yàn).結(jié)果表明：TI-CF FMLs有著極好的拉伸性能，且與鈦合金相比有更優(yōu)越的疲勞性能.廖建[6]對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)鋁層合板(glass-fibre reinforced aluminium laminate，GLARE)進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)GLARE克服了單一復(fù)合材料和金屬材料的不足，不但比強(qiáng)度和比剛度高，還具有金屬材料的韌性和可加工性.Carrillo等[7]研究了一種基于自增強(qiáng)聚丙烯(self-reinforced polypropylene, SRPP)復(fù)合材料和鋁合金的新型熱塑性基體FML的力學(xué)性能.結(jié)果表明:這種新型FML比普通熱塑性復(fù)合材料有更高的強(qiáng)度，破壞應(yīng)變也比普通鋁合金大得多.藺曉紅[8]通過ABAQUS有限元分析軟件模擬了低速和高速?zèng)_擊下的碳纖維增強(qiáng)鋁合金層合板(carbon-fibre reinforced aluminium laminate，CARALL)，從變形、吸能,以及試件中的金屬和復(fù)合材料的損傷等角度進(jìn)行了對(duì)比分析，以此討論CARALL承載過程中的動(dòng)力響應(yīng)及損傷.康欣然[9]建立了GLARE加筋壁板在沖擊作用下的仿真模型，并研究了沖擊角度及沖擊位置對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)件的沖擊性能影響，得到了 GLARE加筋壁板抗高速?zèng)_擊的薄弱部位.劉芳芳[10]考察了鋪層順序?qū)雍习蹇箾_擊性能的影響，并針對(duì)抗沖擊性能對(duì)層合板金屬層厚度進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化.孫靜等[11]研究了金屬類型、體積分?jǐn)?shù)以及鋪層角度對(duì)TI-CF FML比拉伸性能的影響.綜上所述，F(xiàn)ML能充分發(fā)揮FRP與金屬的特性，與FRP相比有著更高的剛度與延性，與傳統(tǒng)金屬材料相比則有著更好的能量吸收能力和抗沖擊性能[12].

然而，F(xiàn)ML中常用的金屬材料(鋁合金、鎂合金或鈦合金等)成本過高，限制了其在土木工程等領(lǐng)域的應(yīng)用.而鋼材作為傳統(tǒng)建筑材料，在有著優(yōu)越性能的同時(shí)，成本低廉.作為FRP中常用的一種增強(qiáng)纖維，玄武巖纖維綠色環(huán)保、力學(xué)性能優(yōu)異、成本低廉、耐久性好.因此，文中提出將玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(basalt fiber reinforced polymer，BFRP)與鋼結(jié)合，制成了新型材料BSRL(basalt fiber reinforced steel laminate)，研究探討了該材料在單軸拉伸下的力學(xué)性能并提出了其拉伸作用下的本構(gòu)模型，探討了纖維體積比(fiber volume fraction，F(xiàn)VF)對(duì)材料性能的影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料特性

試件BSRL所使用的玄武巖纖維布由四川某公司生產(chǎn)，厚度為0.115 mm，膠黏劑采用大連某公司生產(chǎn)的JGN-T型建筑結(jié)構(gòu)膠，鋼板均為16Mn鋼.各材料性能參數(shù)見表1.除鋼板的材料參數(shù)由拉伸試驗(yàn)確定外，其余材料參數(shù)均由廠家提供.由于BSRL中的膠含量很少，因此計(jì)算總質(zhì)量時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)量忽略不計(jì).

表1 材料的基本性能

1.2 試件設(shè)計(jì)與制備

制備的BSRL試件共三組，由內(nèi)部鋼板與外部0°方向的單向纖維布復(fù)合而成.方便起見，對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)由兩部分組成，第一部分的字母表示試件種類，第二部分的數(shù)字表示外部纖維布的層數(shù).例如，BSRL2代表在鋼板兩面分別對(duì)稱鋪設(shè)2層0°方向玄武巖纖維布的BSRL.內(nèi)部鋼板尺寸及形狀參照文獻(xiàn)[13]，見圖1與表2.

圖1 BSRL試件示意圖與實(shí)物圖

表2 BSRL試件分組及參數(shù)

試驗(yàn)中BSRL試件均為手糊成型，其具體制備工藝如下：①用酒精或丙酮擦除鋼板表面的油污和雜質(zhì)；②去除鋼板表面氧化層并對(duì)鋼板表面進(jìn)行粗化處理，而后再用酒精除去鋼板表面碎屑，確保膠黏劑能完全浸潤(rùn)鋼材表面；③將裁好并充分浸漬結(jié)構(gòu)膠的玄武巖纖維布與鋼板黏結(jié)，擠去多余的結(jié)構(gòu)膠并保證纖維束的軸向與鋼板長(zhǎng)度方向平行；④將配重塊置于制作好的試件上以避免出現(xiàn)初始撓曲，在室溫下固化成型.根據(jù)文獻(xiàn)[14]，為防止BSRL在拉伸過程中端頭處的BFRP過早斷裂，在端頭處設(shè)置了鋁制的加強(qiáng)片，最終制作成型的BSRL試件.

1.3 試驗(yàn)加載與測(cè)量裝置

單調(diào)軸向拉伸試驗(yàn)利用濟(jì)南某集團(tuán)生產(chǎn)的WDW-B200E萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載全程采用1 mm/min的位移速度進(jìn)行加載控制.BSRL變形數(shù)據(jù)由兩套采集系統(tǒng)測(cè)量得到：外部BFRP斷裂前的數(shù)據(jù)由電子引伸計(jì)測(cè)量得到；外部BFRP斷裂后的數(shù)據(jù)由試驗(yàn)機(jī)夾頭位移通過計(jì)算得到.圖2為單調(diào)加載速率.

圖2 單調(diào)加載速率

2 試驗(yàn)結(jié)果與理論模型

2.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為BSRL荷載-位移曲線.三組BSRL試件在加載過程中都有著極為相似的試驗(yàn)現(xiàn)象：在加載初期，外部BFRP與內(nèi)部鋼板均處于彈性階段，表現(xiàn)為荷載隨位移呈線性增長(zhǎng)；當(dāng)位移增長(zhǎng)至0.12 mm時(shí)，BSRL試件在位移相同的情況下，荷載的增加幅度減小，但仍持續(xù)穩(wěn)定地增加且荷載-位移曲線仍幾乎為直線，即為BSRL穩(wěn)定的二次剛度.隨著荷載的增加，試件發(fā)出“啪啪”的響聲，此時(shí)中部的BFRP開始出現(xiàn)微小的裂縫；當(dāng)位移增至1.5 mm，荷載達(dá)到最大值，試件發(fā)出短暫的巨響，中部纖維崩裂，但并未炸開(見圖4)，此時(shí)承載能力迅速下降且位移幾乎不再增加，荷載全部由內(nèi)部鋼板承擔(dān).試驗(yàn)過程中，BSRL均沒有產(chǎn)生明顯的剝離現(xiàn)象，其破壞形式也與理想破壞形式比較一致.

圖3 BSRL荷載-位移曲線

圖4 BSRL典型破壞模式

3組試件的承載能力見圖5.由圖5可知：隨著外部BFRP層數(shù)的增加，BSRL試件的承載能力有著較為顯著的變化：BSRL6與BSRL4試件較BSRL2試件的極限承載能力分別提高了36%與20%.隨著外部復(fù)合BFRP層數(shù)的增加，BSRL的極限承載能力得到了提升；且與BFRP層數(shù)幾乎呈線性關(guān)系.

圖5 BFRP層數(shù)對(duì)BSRL承載能力的影響

2.2 BSRL理論模型

根據(jù)圖5可得到試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖6，不難看出對(duì)于承受單軸拉伸荷載的BSRL試件，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可根據(jù)應(yīng)變分為三個(gè)階段.

圖6 BSRL試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

第一階段，應(yīng)變從0到內(nèi)部鋼板的屈服應(yīng)變，此時(shí)彈性模量EI和拉應(yīng)力σI為

σI=ε(EsAs+EbfAbf)/A,0≤ε≤εy

(1)

EI=(EsAs+EbfAbf)/A,0≤ε≤εy

(2)

式中：Es、As分別為鋼板的彈性模量和截面面積；Ebf、Abf為BFRP的彈性模量和截面面積；εy為鋼板屈服時(shí)的應(yīng)變，A為BSRL的截面面積，且A=As+Abf+Ar，其中Ar為膠體的截面面積.

第二階段，應(yīng)變從鋼板的屈服應(yīng)變到BFRP的斷裂應(yīng)變，此時(shí)彈性模量EII和拉應(yīng)力σII可表示為

σII=(fyAs+εEbfAbf)/A,εy≤ε≤εbfu

(3)

EII=(EbfAbf)/A,εy≤ε≤εbfu

(4)

式中：fy為鋼筋屈服應(yīng)力；εbfu為BFRP斷裂應(yīng)變.

第三階段，應(yīng)變?yōu)锽FRP斷裂后的應(yīng)變，此時(shí)鋼材已進(jìn)入到強(qiáng)化階段，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)BSRL的殘余力學(xué)性能，彈性模量EIII和拉應(yīng)力σIII為

σIII=fyAs/A+EIII(ε-εy),εbfu≤ε≤εsu

(5)

EIII=(fsu-fy)As/(εsu-εy)A,εbfu≤ε≤εsu

(6)

式中：fsu與εsu分別為鋼板斷裂時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變.

根據(jù)提出的理論模型并結(jié)合圖1、表1～2提供的BSRL的尺寸及材料參數(shù)，可計(jì)算得到BSRL的理論預(yù)測(cè)值(見表3～4)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見圖7.由圖7可知：理論預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，誤差基本都能控制在10%以內(nèi)；僅BSRL6的試驗(yàn)值與理論值誤差較大，最大達(dá)到16%，是由于所有試件均為手糊，質(zhì)量控制上不可避免會(huì)出現(xiàn)一定的問題：在制作時(shí)可能有少數(shù)纖維束存在初始彎曲，即未平行于鋼板長(zhǎng)度方向；或者在加載過程中，隨著鋼板的屈服，應(yīng)變不斷增大，而膠結(jié)劑抗拉強(qiáng)度較小，粘結(jié)不充分，使得BFRP與鋼板間出現(xiàn)局部剝離，進(jìn)而影響B(tài)SRL承載能力.

表3 BSRL單軸拉伸試驗(yàn)彈性模量一覽表

表4 BSRL單軸拉伸試驗(yàn)強(qiáng)度一覽表

圖7 試驗(yàn)與理論曲線對(duì)比圖

3組BSRL試件的應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線均與理論曲線趨勢(shì)相同，吻合良好，驗(yàn)證了提出的BSRL的本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性.

3 討論與分析

3.1 比強(qiáng)度

比強(qiáng)度，即為材料的極限強(qiáng)度與密度之比，是衡量復(fù)合材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)，是輕質(zhì)、高強(qiáng)材料的重要特征.基于提出的理論模型可得到纖維體積比對(duì)比強(qiáng)度的影響規(guī)律，見圖8.

圖8 BSRL比強(qiáng)度隨纖維體積比的變化情況

由圖8可知：隨著纖維體積比的增加，比強(qiáng)度總體呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)：當(dāng)纖維體積比小于40%時(shí)，隨著纖維體積比的增大，比強(qiáng)度近似線性增長(zhǎng)，至纖維體積比為40%，其比強(qiáng)度已增長(zhǎng)至原來(lái)的4倍；當(dāng)纖維體積比在40%～80%，比強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率明顯高于前一階段，表現(xiàn)為纖維體積比增長(zhǎng)幅度相同時(shí)，比強(qiáng)度增長(zhǎng)更明顯；當(dāng)纖維體積比增至80%，比強(qiáng)度與纖維體積比近似成線性相關(guān)，但斜率明顯高于第一階段，當(dāng)纖維體積比增至100%，比強(qiáng)度提升非常顯著，約為纖維體積比為0%時(shí)的比強(qiáng)度的16倍.值得注意的是，纖維體積比為0%與100%，分別對(duì)應(yīng)于鋼板與純BFRP片材.

3.2 比能量吸收

比能量吸收，即為能量吸收量與質(zhì)量之比，該指標(biāo)反應(yīng)了材料吸收能量的特性，是土木工程中抗震性能分析的重要參數(shù).對(duì)于BSRL材料，盡管BSRL外部的BFRP破壞后仍可繼續(xù)承載，此時(shí)由內(nèi)部鋼板承受荷載，但是其承載能力猛然下降，尤其當(dāng)纖維體積比較高時(shí)，表現(xiàn)為脆性破壞特性，基于結(jié)構(gòu)安全考慮，定義BSRL外部的BFRP破壞即為材料失效.因此，文中只對(duì)前兩個(gè)階段的比能量吸收進(jìn)行探討：第一階段為彈性階段；第二階段為鋼屈服至BSRL失效.結(jié)合已驗(yàn)證的BSRL的理論模型，可推導(dǎo)出如下公式對(duì)BSRL的比能量吸收進(jìn)行描述.

(7)

(8)

(9)

式中：SEAⅠ、SEAⅡ分別為第一階段、第二階段的比能量吸收；SEAT為總體比能量吸收，是第一階段和第二階段的比能量吸收之和；ρ為BSRL的密度，其他參數(shù)同2.2.

基于試驗(yàn)結(jié)果可得到三組試件在不同階段的比能量吸收，見圖9a).由圖9a)可知：對(duì)于BSRL試件，第一階段的比能量吸收遠(yuǎn)小于第二階段的比能量吸收；且隨著纖維體積比的增長(zhǎng)，總體比能量吸收呈增長(zhǎng)趨勢(shì).根據(jù)式(7)～(9)可得到纖維體積比與比能量吸收之間的理論關(guān)系，見圖9b).由圖9b)可知：隨著纖維體積比的增長(zhǎng)，總體比能量吸收呈非線性增長(zhǎng)，且纖維體積比最大(接近100%)時(shí)的總體比能量吸收約為纖維體積比最小(接近0%)時(shí)的6倍.綜上所述，纖維體積比的增加能有效改善材料的能量吸收性能.

圖9 BSRL比能量吸收

4 結(jié) 論

1) BSRL具有穩(wěn)定的二次剛度，隨著復(fù)合纖維層數(shù)的增加，屈服強(qiáng)度和初始模量略微減小，而極限抗拉承載力和二次剛度都有所提升；且極限抗拉承載力隨纖維層數(shù)增加幾乎呈線性增長(zhǎng).

2) 理論模型準(zhǔn)確可靠，能較好的預(yù)測(cè)BSRL的拉伸性能.

3) BSRL的比強(qiáng)度與比能量吸收都隨著纖維體積比的增長(zhǎng)呈非線性增長(zhǎng)，該結(jié)論將為后續(xù)BSRL在各種不同需求下的材料配比優(yōu)化提供理論基礎(chǔ).