復合式預應力碳纖維板抗沖擊性能的試驗研究

區錫祥 ,朱萬旭 ,龐忠華

（1.柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西 柳州 545006；2.廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西桂林 541004；3.桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西 桂林 541004）

碳纖維板材具有高強、輕質、耐腐蝕特性，被廣泛應用于民用各領域。隨著預應力碳纖維板技術研究各方面的日趨成熟，薛偉辰[1]等人對預應力碳纖維板加固構件的設計進行了理論研究、彭暉[2、3]、尚守平[4、5]等人對被加固構件的受彎、疲勞、長期徐變性能及加固系統的應力損失進行了試驗研究，應用碳纖維板加固后構件的剛度和強度明顯提高；尚守平[6]、陳小英[7]和朱萬旭[8]對碳纖維板與混凝土的黏結性能、錨具錨固性能進行有限元分析及性能試驗；國內外使用碳纖維板加固補強普通鋼筋混凝土橋梁的工程日益增多，但在推廣應用的同時，也暴露了一些缺點，主要表現為，雖然預應力碳纖維板強度高，但碳纖維板是各向異性材料，抗橫向沖擊性能差，運輸和施工過程中難免發生磕碰損傷。隱蔽式的損傷可能會導致張拉過程中突然斷裂，工程應用中曾發生過這種現象。更加危險的是，有損傷的碳纖維板在張拉過程中并沒有發生斷裂，而是在長期使用過程中，在各種荷載和環境的耦合作用下損傷累積擴大，造成碳纖維板突然斷裂，從而導致補強梁可能存在的安全隱患。因此，研究碳纖維復合材料沖擊損傷的問題具有重要的現實意義。

現以工程加固常用規格寬50 mm、厚3 mm的碳纖維板為對象，研發沖擊試驗裝置對其進行沖擊試驗，并在纖維板沖擊受損后進行拉伸試驗。分析不同高度的沖擊損傷對碳纖維板承載性能的影響，對比在碳纖維板中加入高強鋼絲后，復合的碳纖維板抗沖擊性能的變化，以更好地保障采用預應力碳纖維板加固施工的工程安全。

1 試驗裝置

根據試驗用碳纖維板尺寸，設計了專用沖擊裝置，由基座、支柱、導軌和落錘等組成。其結構示意圖如圖1所示，實物照片如圖2所示。基座通過地腳螺栓與地面固定以保證裝置穩定；基座和兩個支柱組成裝置的框架系統，導軌是兩根光滑實心圓柱體，落錘與導軌之間為間隙配合，安裝過程要求保證支柱、導軌的平行度和它們與基座的垂直度，以保證落錘下落過程為自由落體沖擊。落錘的V形碰撞底面做半徑為R1mm的倒圓弧處理，以保證落下后與基座對心碰撞，工作時以人工方式將落錘提升至設定高度，釋放后使其自由落體，沖擊試驗板。

圖1 沖擊裝置示意圖

圖2 沖擊裝置實物

2 試驗方案

試驗共用8根截面尺寸均為50 mm×3 mm的碳纖維板，其中4根為純碳纖維板（CFRP），分別編號為 CFRP-0、CFRP-1、CFRP-2、CFRP-3；另外 4 根為加入15根直徑為1 mm高強鋼絲的碳纖維板（SCFRP），高強鋼絲的體積摻量為7.85%，分別編號為SCFRP-0、SCFRP-1、SCFRP-2、SCFRP-3.

2.1 沖擊試驗

為選擇一個合適的試驗沖擊高度，先對兩類碳纖維板進行了一系列落錘高度的嘗試性沖擊試驗，落錘高度則在0.1 m~2 m范圍每隔0.1 m取一個高度值。通過試驗發現，當落錘高度達到1.4 m時，純碳纖維板直接被沖斷；當落錘高度達到1.7 m時耦合鋼絲碳纖維板也被直接被沖斷。在對比了不同高度的沖擊對碳纖維板的損傷情況后，考慮落錘高度在0.5 m時，碳纖維板強度按標準強度計算還剩余70%左右，處于工程安全的臨界狀態，因此選擇落錘高度為0.5 m進行抗沖擊性能對比試驗。

編號為CFRP-0和SCFRP-0的碳纖維板作為對照不做沖擊，將其余碳纖維板依次放置于沖擊裝置的底部位置，調整使其中部的位置置于落錘底部，將落錘提升0.5 m后無初速度釋放，使其沿導向桿做自由落體。落錘質量為10.48 kg，質心高度為88.89 mm，故沖擊能量為Q=mgh=61.72 J.落錘在碳纖維板表面產生沖擊傷痕，所有碳板均沿其沖擊傷痕方向均勻做5個測點，用精度為0.01的游標卡尺對產生的沖擊傷痕點進行測量，測得其數據。

2.2 沖擊后碳纖維板張拉

將沖擊后的碳纖維板張拉安裝成錨具組件，兩端通過張拉桿與水平反力架連接，一端為固定，另一端為張拉端加載。安裝錨具組件時保證試件的軸線與拉伸裝置的軸線一致，通過測量千斤頂活塞的伸長量并考慮錨具內縮量，以計算出碳纖維板的延伸率。采用分級單調加載，前三級荷載，每級20 kN，之后每10 kN為一荷載等級，直至破壞。在每級荷載下觀察碳纖維板的變形、開裂情況，特別是碳纖維板上預先產生的沖擊破損處的發展變化情況，以及整根碳纖維板的破壞情況。碳纖維板拉伸加載現場圖如圖3所示。為保護試驗過程觀察時的安全，設置透明防護罩防止碳纖維板突然開裂時纖維飛濺。

圖3 碳板拉伸現場

3 試驗現象及結果分析

3.1 沖擊損傷分析

碳纖維板沖擊后材料損傷測點數據見表1，1-1、1-2、1-3為普通 CFPR 纖維板，2-1、2-2、2-3為加入高強鋼絲的復合碳纖維板SCFRP，損傷程度為傷痕深度與碳板厚度之比。分析表中數據可知，在未對碳纖維板施加荷載的條件下，當其表面受到相同能量的沖擊時，含高強鋼絲的復合碳纖維板的損傷程度比純碳纖維板的損傷平均深度程度輕，說明鋼絲在一定程度上抑制了碳纖維板表面受到沖擊荷載時的損傷，并對與鋼絲所在同一層面及以下層面的碳纖維絲進行有效的保護。

表1 碳纖維板受損程度數據（單位：mm）

3.2 沖擊后拉伸試驗

取沖擊試驗后的碳纖維板進行加載，在初始受力階段，碳纖維板上被沖擊破損的傷痕寬度略有加寬，無其他明顯變化；隨著荷載等級的增加，沖擊破損處的碳板開始出現輕微的翻卷并伴隨有一些清脆的響聲，這是受沖擊處內部被落錘砸傷之處，表面雖然未表現出斷裂，但實際上已經形成損傷，隨著荷載的增加逐漸斷裂并剝離；隨著荷載的繼續增加，破損處切口層繼續剝離，切口里面殘余的碳纖維絲漸漸地斷裂殆盡，并伴隨有不斷的響聲，碳板逐漸清晰的分為了兩層，上部的切口層也剝離得越來越明顯，含高強鋼絲的復合碳纖維板則清晰的露出內部鋼絲，而且上表層還會錯位；荷載繼續增加時，切口層逐漸完全剝離，錯位范圍加大，逐漸延伸至錨固端，切口層的碳纖維板已經退出工作；繼續加荷，隨著荷載增加到一定程度，開始出現比較大的響聲，說明未受損的碳纖維絲也開始斷裂，而且響聲會持續，繼續加載至極限狀態時，碳纖維板突然斷裂，而且聲響巨大，斷裂的碳纖維板釋放出的巨大能量將兩側的碳纖維炸成絲束狀四面發散，但之前受到沖擊已經斷裂的纖維層只是產生幾道裂縫，依舊保持片狀形態，說明原來已經斷裂的纖維層幾乎不分擔荷載所加在整個碳纖維板上的能量；而加入高強鋼絲的復合碳纖維板破壞時和純碳纖維板相似，鋼絲層以上受沖擊破壞的碳纖維板層受到沖擊發生斷裂，破壞時呈片狀，幾乎不分擔產生的能量，鋼絲則屈服最終被拉斷，鋼絲以下的碳纖維層依舊呈絲束狀炸裂向四周發散，如圖4、5所示。

圖4 CFRP板破壞

圖5 SCFRP板破壞

3.3 試驗結果

將各組碳纖維板受力與伸長量制成曲線圖，如圖6所示，可以看出，無論碳板是否含高強鋼絲，其拉力與伸長量均呈線性變化，受損的碳板斜率明顯降低，可見受損后其彈性模量有所下降。受損的復合碳板和純碳板的斜率相差不大，但含鋼絲碳板的承載力有所提高。從表2中可以得出，碳板在表面受損情況下，其承載力均降低20%~30%，對比進而得出，含鋼絲的碳板的剩余承載力要比純碳板的高10%左右。

圖6 破損碳纖維板力-伸長率曲線

表2 試驗與理論數據對比

對比表1和表2發現，CFRP板和SCFRP板測得的沖擊損傷程度均為15%左右，而CFRP板的承載能力降低了20%~30%，如果碳板中碳纖維絲在受到張拉力時受力均等，則按損傷程度可以推斷其承載力也應降低15%左右，與結果相差比較大。結合試驗初期有輕微的崩斷聲，根據Carins[9]研究發現纖維斷裂是影響層合板拉伸強度的主要因素，可以推斷當碳纖維板表面受到沖擊荷載時，除了肉眼可以觀察到的纖維斷裂損傷，碳板內部的纖維絲也受到影響而導致部分損傷甚至斷裂。對比CFRP板和SCFRP板，根據測得的損傷程度發現，碳板中加入高強鋼絲后表面受損程度并無較大改善，但剩余承載力卻有明顯的提高，表明碳纖維板中高強鋼絲對其表面抗沖擊保護的程度雖不明顯，但對其引起的內部損傷起到的抑制效果比較明顯，從而使受到沖擊損傷后的剩余承載能力較大幅度的提高，結合損傷程度與承載力發現碳板中鋼絲確實可以提高其抗沖擊性。

4 結論

通過以上試驗可以得出以下結論：

（1）碳纖維板表面即使受到是輕微的沖擊損傷，也會使其極限承載力嚴重的下降，且下降值的大小與受沖擊損傷程度呈正相關。

（2）CFRP板和SCFRP板表面受到沖擊損傷后，在受到拉伸荷載時，其變形值依舊隨著荷載呈線性變化。

（3）碳纖維板中加入高強鋼絲可以提高其抗沖擊性能，在其表面受到損傷的時候對內部損傷起到了一定的抑制作用，從而相對于純碳纖維板，有效地提高了其剩余承載力。

試驗中得出碳板中加入高強鋼絲可以提高其表面抗沖擊剪切能力，是以后研究其抗沖擊性能的一個重要方向，但本試驗是在特定的沖擊能量和固定的鋼絲摻量下進行的，對于不同型號的碳纖維板以及其中加入鋼絲的摻量、直徑對其沖擊損傷情況和剩余承載能力的影響還有待研究。

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[3]彭 暉，尚守平，張建仁，等.預應力碳纖維板加固受彎構件的疲勞性能研究[J].土木工程學報，2009，42（8）：42-49.

[4]尚守平，張寶靜，呂新飛.預應力碳纖維板加固梁橋長期徐變性能的試驗研究[J].公路交通科技，2015，32（5）：68-74.

[5]尚守平，吳建任，張毛心，等.預應力碳纖維板加固系統的預應力損失試驗[J].公路交通科技，2012，29（1）：70-76.

[6]尚守平，吳建任，張毛心，等.碳纖維板-混凝土界面黏結性能的試驗研究與有限元分析[J].湖南大學學報，2014，41（6）：43-51.

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[9]Cairns，D.S.Impact and Post-Impact Response of Graphite Epoxyand Kevlar Epoxy Structures[D].Ph.D.dissertation.MassachusettsInstitute of Technology.1987.