玻璃纖維砂漿管動態劈裂拉伸性能試驗研究

李 娜，汪海波，魏善斌，王夢想

(安徽理工大學土木建筑學院，淮南 232001)

纖維增強復合材料(fiber reinforced polymer/plastics，FRP)作為以高分子環氧樹脂為基體、玻璃鋼或碳纖維等為增強體而制成的復合材料，由于其具有輕巧、耐腐蝕、抗老化、絕緣等優點而被廣泛應用于土木工程中[1-3]。當前，為提高混凝土的各項性能而將FRP廣泛應用于混凝土結構工程中，針對FRP約束混凝土也已有諸多研究。

章雪峰等[4]對玻璃纖維增強材料(glass fiber reinforced polymer/plastics，GFRP)管混凝土組合柱進行軸心受壓試驗，結果表明GFRP管的約束會明顯提高組合長柱的極限承載能力；龍躍凌等[5]對GFRP 管約束高強混凝土圓柱進行軸壓試驗，發現該圓柱的軸壓性能存在尺寸效應，且其極限承載力和極限應變均隨著壁厚的增大而增大。Rizkalla等[6]提出了一種用以預測 FRP管混凝土柱在軸向荷載作用下的受力性能分析模型。除了上述對FRP管約束混凝土抗壓性能的研究，同時也有很多專家針對其抗彎性能及復合力學特性的研究。Hong等[7]通過對FRP管約束混凝土進行受彎試驗，研究了FRP管壁厚和纖維纏繞角度對其應力和應變的影響；李杰等[8]對FRP管混凝土組合結構壓彎構件進行了非線性全過程分析，討論了軸壓比、長細比、徑厚比等對極限水平荷載和極限水平位移的影響；王清湘等[9]研究GFRP管混凝土柱在低周反復荷載下其破壞形態及滯回性能，分析了混凝土強度、軸壓比等因素對柱延性的影響；楊刻亞等[10]研究了FRP管混凝土圓形管柱抗震性能，結果表明FRP管混凝土柱具有良好的滯回性能、耗能能力和延性。但目前這些研究主要集中在對FRP管混凝土的軸壓、壓彎及抗震特性等低應變率力學特性研究上，針對動態力學特性變化規律的研究較少。梁磊等[11]對AFRP約束混凝土進行了多次動態沖擊試驗，結果表明動態峰值應力對沖擊次數不敏感，數值穩定性良好。

目前中外學者針對FRP類材料約束下的混凝土靜態力學及動態壓縮性能進行了諸多試驗，得到了FRP管約束力可以明顯改善混凝土性能的結論，但對于FPR管約束混凝土動態劈裂拉伸性能的研究較少，此外，試樣的尺寸較小，為了減少誤差，現選用材質均勻的砂漿代替混凝土，在該背景下利用直徑74 mm的分離式霍普金森桿(SHPB)試驗裝置系統對FRP砂漿管進行動態劈裂拉伸試驗，研究高應變率下FRP管壁厚度對砂漿動態劈裂性能的影響規律。

1 試驗概況

1.1 試驗裝置

試驗采用的是安徽理工大學沖擊動力學實驗室Φ74 mm的SHPB試驗裝置，試驗裝置如圖1所示。撞擊桿長度為0.6 m，直徑為37 mm，入射桿和透射桿長度分別為3.2 m和1.8 m，各桿件均由合金鋼制成，密度為7.8 g/cm3，彈性模量為210 GPa，縱波波速為5 190 m/s。

1.2 基本原理

通過粘貼在入射桿和透射桿上的應變片測量得到的入射波、反射波和透射波，并結合一維應力波理論和應力應變均勻性假設，即可求得試樣的應變率和應變的三波法公式。

(1)

(2)

試樣的動態抗拉強度為

(3)

根據應力應變均勻性假定，試樣受脈沖作用后兩端應力相等，則

εt(t)=εi(t)+εr(t)

(4)

將式(4)代入式(1)～式(3)可得到二波法計算公式為

(5)

(6)

(7)

式中：E0為桿彈性模量，取210 GPa；A0為桿橫截面面積；C0為桿彈性縱波波速，取5 190 m/s；εi(t)、εr(t)、εt(t)分別為入射波、反射波、透射波在彈性桿上引起的應變信號；t為應力波持續時間；D、L分別為試樣直徑和厚度。

1.3 試樣制備

水泥選用42.5普通硅酸鹽水泥，砂選用粒徑為0.3 ～1.25 mm河砂，水選用自來水。砂漿配合比為水泥∶砂∶水=1∶1∶0.4。

試驗采用的試樣：FRP管外徑為74 mm，高度為38 mm，壁厚分別為2、3、4、5 mm。為了保證試樣的質量，混凝土的制作過程嚴格符合相關規范的要求。

試樣制作過程：根據配合比，準備好所用的水泥、砂和水，首先投入水泥、河砂在攪拌機中混合均勻，再依次注入自來水并進行充分攪拌；把FRP管放進鋼模固定好之后，再把攪拌充分的試樣原料澆筑于FRP管中；隨后，把試樣放置于振動臺上振搗，密實振動成型后，用抹刀抹平，刮去多余的砂漿；靜置24 h后進行編號、脫模；脫模取出試樣后，把試樣放在恒溫恒濕養護箱中養護，28 d后取出后將試樣的上下表面打磨滿足其平整度要求，隨后進行試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

采用SHPB試驗裝置系統對FRP砂漿管試樣進行動態劈裂拉伸試驗，根據相關試驗情況[12]，選取0.4、0.5、0.6、0.7 MPa 4種沖擊氣壓。每組加載條件選擇4個試樣，以應力-應變曲線第一個峰值應力為試樣的動態劈裂拉伸強度，而峰值應力則取應力-應變曲線應力的最大值。試驗原始參數和計算結果如表1所示。

表1 FRP砂漿管劈裂試驗結果

2.2 FRP管混凝土應力-應變曲線

采用二波法原理處理SHPB試驗數據，得到不同沖擊氣壓、FRP管壁厚的各個試樣的應力-應變關系曲線，如圖2所示。

圖2 不同沖擊氣壓下的應力-應變曲線

對圖2進行分析，發現FRP管混凝土動態應力-應變曲線大致可以分為4個階段。

(1)第一階段：應力-應變曲線的斜率基本保持不變，試樣應力隨著應變線性增長，由于此階段的荷載并未使裂紋擴展為宏觀裂縫，使原來的裂紋變形處于穩定狀態，試樣產生微小壓縮變形。

(2)第二階段：應變率逐漸減小，直到應力達到第一個峰值。曲線的斜率呈減小趨勢，應力隨著應變的增加繼續增加，增加幅度降低，試樣的微裂縫持續增長，最后應力達到第一個峰值，試樣核心砂漿達到抗拉強度。

(3)第三階段：“雙峰”之間，由于外側FRP管的約束作用，試樣微裂縫的擴展受到限制，應力隨著應變降低；隨著應力的繼續增加，即使外側有FRP管的約束作用，試樣的持續應變增大。

(4)第四階段：第二個應力峰值之后，應變率為負，試樣已完全破壞，應力隨試樣應變的增加而迅速降低。

通過圖2可看出，相同工況下的FRP砂漿管試樣其動態應力-應變曲線形狀基本一致，且均出現“雙峰”現象，同時發現第二個應力峰值高出第一個應力峰值1.92%～28.41%。當FRP管壁厚相同時，試樣動態劈裂拉伸強度隨著沖擊氣壓的增大而上升，且應變也呈現同樣的規律。而當沖擊氣壓相同時，隨著FRP管壁厚的增加，可以觀察到其動態劈裂拉伸強度不斷上升，但動態應變不斷下降。

FRP砂漿管由FRP管和砂漿兩種材料組成，在動態沖擊試驗前期，兩種材料受力狀況互不干擾，沖擊波首先作用到外側的FRP管上，隨后通過FRP管傳播到砂漿上，砂漿在沖擊波的作用下率先達到抗拉強度，表現在動態應力應變曲線即為第一個波峰。沖擊后期，微裂縫不斷擴展發育，由于FRP管延性明顯優于砂漿，所以在FRP管約束作用下砂漿的受力狀態發生改變，且該約束效果隨著變形的加劇而愈發顯著。在這種約束作用下核心砂漿由一維應力狀態轉變為平面應力狀態，其強度也由此得到了提升[13-15]。應力狀態的改變表現在動態應力-應變曲線即為“雙峰”現象。

2.3 動態劈裂拉伸強度變化

通過表1得到FRP砂漿管動態劈裂強度與壁厚、沖擊速度的關系及動態強度極差分析結果，如圖3、表2所示。

圖3 試件動態劈裂強度與試驗條件的關系

從圖3可知，動態劈裂拉伸強度與沖擊速度呈正相關。可以看出在壁厚相同時，隨著沖擊速度的增大，其動態劈裂拉伸強度均有不同程度的增加。通過計算發現當壁厚為2 mm時，隨著沖擊氣壓的增大，其動態劈裂拉伸強度分別提高了32.11%、63.16%、81.19%；壁厚為3 mm時，動態劈裂拉伸強度分別提高了15.99%、22.27%、33.26%；壁厚為4 mm時，動態劈裂拉伸強度分別提高了12.17%、25.49%、27.94%；壁厚為5 mm時，動態劈裂拉伸強度分別提高了5.36%、10.37%、28.37%。

觀察圖3發現其動態強度-沖擊速度擬合直線的斜率隨著壁厚的增加在不斷減小，壁厚為2 mm時斜率達到2.43，隨著壁厚增加到3 mm和4 mm時斜率大小差異不大，但壁厚達到5 mm斜率降至0.98。說明試樣動態應變率效應隨著壁厚的增加在逐漸減小，這種現象表明FRP管對混凝土動態劈裂強度的增加起到了正面提升的作用。

極差分析的計算公式為

(8)

(9)

根據表2可直觀看出變量為壁厚時，極差為2.23，變量為沖擊氣壓時，極差為4.45，顯然沖擊氣壓對動態劈裂拉伸強度的影響效果明顯高于壁厚對動態劈裂拉伸強度的影響效果。

表2 動態劈裂抗拉強度極差分析

2.4 劈裂破壞特性分析

由于篇幅限制，只對FRP管壁厚為5 mm的不同沖擊氣壓沖擊后的試驗結果進行分析，典型試樣破壞形態如圖4所示。

圖4 試樣破壞形態

由圖4可知，FRP砂漿管的破壞形態符合劈裂準則，試樣沿徑向劈裂，將核心砂漿沿徑向一分為二，外側的FRP管外觀仍保持完整。FRP管壁厚度為5 mm，當沖擊氣壓為0.4 MPa時，試樣加載方向只出現一條貫穿裂縫。沖擊氣壓增加到0.5 MPa時，在端部貫穿裂縫附近有少量細小裂縫。繼續增加沖擊氣壓到0.6 MPa，除了加載方向出現一條貫穿裂縫，在試樣的加載端部有小塊砂漿脫落。直到沖擊氣壓增加到0.7 MPa時，試樣加載端部有較大塊砂漿脫落，這是因為隨著沖擊氣壓的增加，壓桿兩端對試樣施加的應力逐漸增大，直到大過核心砂漿的抗拉強度，砂漿表面的微裂紋開始裂開并擴展開來，因此會有局部破碎的現象出現。可以看出隨著沖擊氣壓的增大，試樣破壞程度越大。

3 結論

通過對不同管壁厚度的FRP砂漿管進行單軸動態劈裂拉伸試驗，得到以下結論。

(1)由于試樣外側FRP管約束力的作用，沖擊過程中核心砂漿由一維應力轉變為平面應力狀態，動態應力-應變曲線出現兩個波峰，即“雙峰”現象，且第二個應力峰值比第一個應力峰值高出1.92%～28.41%。

(2)試樣動態劈裂拉伸強度隨著FRP管壁厚度的增加而增加，而應變變化規律與之相反。在同一壁厚下，其動態劈裂抗拉強度與沖擊速度呈線性關系，在壁厚2～5 mm，擬合直線斜率隨壁厚的增大而減小，說明應變率效應隨之減弱。

(3)在動態劈裂拉伸試驗中，試樣的破裂方式是從中心向四周擴展。當沖擊氣壓較小時，試樣在加載方向出現一條貫穿裂縫，沒有砂漿塊脫落，而隨著沖擊氣壓的增加，除了加載方向出現一條貫穿裂縫，在試塊的加載端部有小塊砂漿脫落，且氣壓越大，這種脫落現象就越明顯。