喷射FRP拉伸力学性能的试验与分析

杨　曌，武　鹍，陈　誉，宋淳宸

(1.武汉科技大学城市建设学院， 湖北武汉430065； 2.长江大学， 湖北荆州434023)



喷射FRP拉伸力学性能的试验与分析

杨曌1，武鹍1，陈誉2，宋淳宸1

(1.武汉科技大学城市建设学院， 湖北武汉430065； 2.长江大学， 湖北荆州434023)

摘要：为研究喷射FRP的拉伸力学性能，文中对13组试件进行了单向拉伸力学性能试验，分析其应力—应变曲线、抗拉强度、拉伸弹性模量、断裂伸长率等力学性能指标。研究纤维类型、树脂种类、纤维体积率、纤维长度、试件厚度等因素对喷射FRP力学性能的影响。结果显示：纤维类型和树脂种类对喷射FRP拉伸力学性能的影响十分明显；纤维体积率为20%~25%，纤维长度为40 mm时，喷射FRP能获得较好的力学性能；喷射FRP试件厚度增加并不能持续有效的增强力学性能，不宜过厚。研究表明：为获得较好的力学性能，喷射FRP宜采用碳纤维喷射纱和乙烯基酯树脂加工制作，纤维体积率和长度宜控制在一定范围，且材料厚度不宜过厚。

关键词：喷射FRP；拉伸力学性能；影响因素

0引言

喷射纤维增强复合材料(喷射FRP)是利用纤维喷射成型设备，以压缩空气为动力，将该设备切断的纤维和混合催化剂的树脂材料在喷枪口混合加工制作而成的新型复合材料。欧美、加拿大等西方国家最早将该复合材料应用于土木工程领域[1-2]，国外的研究主要集中在抗拉强度和弹性模量上，研究了玻璃纤维长度对喷射FRP抗拉强度的影响，结果表明，抗拉强度随着纤维长度的增加而增加，且增长趋势逐渐变缓。与传统的纤维布加固方法相比，喷射FRP具有与构件粘结性能好、整体性好、施工速度快、材料性能近似各项同性、适用于各种不规则构件等明显的优点，因而近年来在该领域的研究和应用得到迅速发展[3-4]，国内的研究主要是针对喷射FRP对梁柱节点以及砌体墙加固效果的试验研究，结果表明，喷射FRP能够显著提高加固试件的极限承载力。

目前，喷射FRP的研究还处于起步阶段，存在许多亟需解决的关键问题，特别是对材料的力学性能亟需展开系统性的试验研究工作。当前已有的材料力学性能研究主要针对玻璃纤维增强复合材料(GFRP)，而对于常用的碳纤维增强复合材料(CFRP)、玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)等尚缺乏研究。此外，由于喷射FRP是现场配置而成，其受原材料、施工设备、人员水平、环境等因素影响很大，需要有明确的、考虑各项影响因素的材料性能指标计算方法及质量控制标准。

鉴于此，文中考虑多种影响因素设计试件，研究喷射FRP的拉伸力学性能，测定它们的抗拉强度、拉伸弹性模量、断裂伸长率、泊松比、密度和应力—应变曲线，并分析了纤维类型、树脂种类、纤维体积率、纤维长度、试件厚度等因素对喷射FRP拉伸力学性能的影响。

1实验设计

1.1　材料和设备

结构加固中常用的三种纤维:碳纤维喷射纱、玻璃纤维喷射纱、玄武岩纤维喷射纱。两种树脂分别是乙烯基酯树脂(901树脂)和不饱和聚酯树脂(196树脂)。微机控制电液伺服万能试验机，WAW-100，济南试金集团有限公司。短切喷射成型机(YF-2)，衡水宜丰喷涂机厂,树脂喷射速度3.5~5 kg/min,纤维喷射速度1.5~2 kg/min，喷射纱切断长度10~100 mm。

1.2　试件设计

由于现行的国家规范没有规定喷射FRP拉伸力学性能试件的型式和尺寸，因此本次试验采用的试件型式和尺寸主要依据《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》[5]中规定的原则确定。考虑到本次试验纤维最大长度达到40 mm，若依旧按照规范中规定的10 mm试件宽度取值，会使试件宽度方向的纤维被再次切断，将影响材料拉伸力学性能测试的准确性，因此试验把试件的中间平行段宽度增加到65 mm，试件型式见图1，试件尺寸见表1。

图1　试件型式和平面布置

名称符号长度/mm总长A310端头宽度B85端部加强片长度C80夹具间距离D150中间平行段长度E60工作段长度F50中间平行段宽度G65

1.3　试验方法

试件在温度25 ℃，相对湿度52%的条件下由专业的技术人员加工制作而成，如图2所示。按照《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》进行试验，每组试验制作6个试件，并保证最终试验有效试件不少于5个。依据微机控制电液伺服万能试验机的操作说明调整仪器，并进行一次试车。试验加载速度按照规范“7.2.1”中的规定进行，加载速度2 mm/min，以恒定的速度加载直至试件破坏。记录试件破坏荷载及破坏形态，绘制应力—应变曲线。

2试验结果及分析

2.1　拉伸破坏形态

喷射FRP拉伸破坏分为三个阶段。① 应力增长明显而应变增长缓慢阶段。随着荷载的增加试件开始发出轻微的劈裂声，此后裂缝开始从边缘部位产生，应力—应变曲线出现第一个拐点。② 应变增长明显而应力增长缓慢阶段。此阶段裂缝显著增加，劈裂破坏声频率明显加快，裂缝逐渐由边缘向中部扩展，劈裂声达到最大时，试件达到承载力极限状态而破坏。从破坏界面可以看出，树脂先于纤维材料破坏，纤维材料已经露出，但仍有部分拉结，如图3所示。③ 应变基本不增长而应力急剧下降阶段。此阶段劈裂声开始减小，试件出现贯通裂缝。常见的三种试件拉伸破坏形态如图4所示，这种裂纹破坏是明显的裂纹扩展模式，属于脆性破坏。

图3　纤维部分拉结破坏Fig.3　Fiber partial tensile failure

(a) 水平裂缝破坏　　　　　　　　　(b) 斜裂缝破坏　　　　　　　　　(c) 多重裂缝破坏

2.2　应力和应变

依据万能试验机绘制出的荷载—变形曲线(p-ΔL曲线)并结合在试件拉伸方向粘贴的电阻应变片绘制应力—应变曲线(σ-ε曲线)。喷射FRP拉伸力学性能统计详见表2。

根据已有试验研究成果[6-11]确定了影响喷射FRP拉伸力学性能的5个主要因素，即纤维类型、树脂种类、纤维体积率、纤维长度、喷射厚度。利用文中设计的试验对5个影响因素采用SPSS数学分析软件进行统计分析，按照主成分分析法计算每个因子对原始数据的贡献率。结果表明，影响喷射FRP拉伸力学性能的5个主要因素按照贡献大小依次是：喷射厚度(29.211%)、纤维体积率(21.372%)、纤维长度(20.938%)、纤维类型(14.717%)、树脂种类(13.762%)。

2.3　不同纤维类型对喷射FRP拉伸力学性能的影响

本试验采用碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维三种不同的纤维类型对比其拉伸力学性能。从表2可知，试件G-1、C-1、B-1和G-2、C-2、B-2仅仅是纤维类型不同。在抗拉强度方面，C-1最高为93.4MPa，G-1其次为91.3MPa，B-1最低为83.9MPa。在拉伸弹性模量方面，其差异较为明显，C-1、G-1比B-1分别提高54.4%、248%。其断裂伸长率从高到低依次为B-1(2.6%)、G-1(2.4%)、C-1(2.1%)。

从分析结果可以看出，喷射CFRP在抗拉强度和弹性模量方面优势明显，但其断裂伸长率较低，脆性破坏更加明显。

表2　喷射FRP拉伸力学性能统计表

2.4　不同树脂种类对喷射FRP拉伸力学性能的影响

试验中分别测试了乙烯基酯树脂和不饱和聚酯树脂对碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维三种喷射FRP拉伸力学性能的影响。碳纤维和玻璃纤维在两种树脂作用下，乙烯基酯树脂基体的抗拉强度和拉伸弹性模量的优势明显，C-1与C-2、G-1与G-2相比，其抗拉强度分别提高29.2%、26.5%，拉伸弹性模量分别提高77.3%、10.4%。但是对于玄武岩纤维，B-2比B-1的抗拉强度和弹性模量，分别提高4.76%、85%，这与其余两种纤维材料恰好相反。分析其原因可能是玄武岩纤维与不饱和聚酯树脂的浸润效果更好，所以性能更好。断裂伸长率则表现则较为一致，三种纤维材料中乙烯基酯树脂的断裂伸长率明显低于不饱和聚酯树脂。

2.5　不同纤维体积率对喷射FRP拉伸力学性能的影响

试验分别按照15%(G-3)、20%(G-1)、25%(G-4)、30%(G-5)的纤维体积率与乙烯基酯树脂混合，研究其拉伸力学性能。

由图5可知，喷射FRP的抗拉强度并没有随着纤维体积率的提高而呈现递增趋势。G-1的抗拉强度相比G-3、G-4、G-5分别提高10.5%、13.7%、34.9%。纤维体积率为20%时试件的抗拉强度最高。观察拉伸弹性模量与纤维体积率之间的关系，二者并没有表现出明显的线性关系或者二次曲线的关系，其拉伸弹性模量依次为33.3 GPa、31.8 GPa、36.7 GPa、30.4 GPa。从试验结果仅能看出，纤维体积率对拉伸弹性模量的影响不大，没有明显的差异，纤维体积率为25%时试件的拉伸弹性模量最大，其值为36.7 GPa。从纤维体积率与断裂伸长率间的关系可以看出，纤维体积率为25%时试件的断裂伸长率最大，其值为2.4%。

喷射FRP的纤维体积率越高，断裂伸长率也越高。这是因为随着纤维体积率的提高，玻璃纤维承担荷载的能力逐渐增大，试件断口截面拔出的纤维逐渐增加，进而导致断裂伸长率的提高。但是当纤维体积率超过25%以后，材料抗拉强度开始下降。这说明过高的纤维体积率导致玻璃纤维和乙烯基酯树脂之间发生凝聚，此时部分纤维中的羟基形成分子内和分子间氢键，减弱了纤维和树脂共同作用的能力，降低了喷射FRP的拉伸力学性能，进而导致抗拉强度和拉伸弹性模量也下降。

图5　纤维体积率与喷射FRP拉伸力学性能的关系

2.6　不同纤维长度对喷射FRP拉伸力学性能的影响

比较4种纤维长度15 mm(G-6)、20 mm(G-7)、30 mm(G-1)、40 mm(G-8)的变化对喷射FRP拉伸力学性能的影响。结合表3和图6可以看出，随着纤维长度的增加，喷射FRP的抗拉强度和拉伸弹性模量同样也在增加。G-8的抗拉强度相比G-1、G-7、G-6分别提高10.7%、16.2%、29.6%，G-8的拉伸弹性模量相比G-1、G-7、G-6分别提高20.4%、20.4%、41.3%。同样的，喷射FRP的断裂伸长率也近似的随着纤维的长度增加而增加。

从上述的分析中可以发现，本次试验最佳的纤维长度是40 mm。纤维的长度越长，喷射FRP的拉伸应力也就越大，能够更好地发挥纤维材料的抗拉强度。从图7试件拉断的截面可以看出，较短的纤维在达到最大应力时断口截面没有明显的拔出情况，如图7(a)所示。较长的纤维在断裂时明显可以看出纤维在断口处拉拔的痕迹，如图7(b)所示。纤维的长度越长，纤维拔出现象越明显，这恰好能够充分发挥纤维材料的拉伸力学性能。

图6　不同纤维长度的喷射FRP的应力—应变曲线Fig.6　Stress-strain curves of sprayed FRP with different fiber length

(a) 断口纤维未拔出　　　(b) 断口纤维拔出

图7不同纤维长度的喷射FRP试件断口形貌

Fig.7The fracture morphology of sprayed FRP specimen with different fiber length

2.7　不同试件厚度对喷射FRP拉伸力学性能的影响

选择G-1(4 mm)与G-9(7 mm)两种不同厚度的喷射FRP试件，比较其对试件拉伸力学性能的影响。从理论上分析厚度的变化并不会影响材料的应力和应变关系，但是试验情况并不是这样的。9 mm厚度的试件相比4 mm厚度的试件在抗拉强度、拉伸弹性模量、断裂伸长率这三个主要的拉伸力学性能都有不同程度的下降。这是因为试件厚度的增加导致材料宏观尺寸增加，结构缺陷发生的概率同样也在增加，进而导致材料的拉伸力学性能降低。

2.8　方向性

为了测试喷射FRP是否具有各项同性的性质，试件在平面内按照0°、45°、90°三个方向切割。通过比较表2中每组6个试件的拉伸力学性能(抗拉强度、拉伸弹性模量、断裂伸长率),尽管其性能有一定的离散性，但是并没有表现出因试件切割方向不同而导致的材料性能差异。此外泊松比在0.62～1.26范围内且大多数数值接近1，故可以判断喷射FRP具有近似各项同性的性质。

3结语

①碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维都能够提高喷射FRP的拉伸力学性能。在基体是乙烯基酯树脂的情况下，喷射CFRP在抗拉强度、拉伸弹性模量方面要明显优于喷射BFRP和喷射GFRP。在基体是不饱和聚酯树脂的情况下，喷射BFRP的拉伸力学性能要优于其余两种纤维材料。

②基于不同的树脂种类对喷射FRP拉伸力学性能的影响。当采用碳纤维和玻璃纤维时，乙烯基酯树脂基体的材料拉伸力学性能更好。当采用玄武岩纤维时，不饱和聚酯树脂基体的材料拉伸力学性能更好。

③不同纤维体积率对喷射FRP拉伸力学性能的增强效果是不一样的，当纤维体积率在20%~25%时，材料的抗拉强度、拉伸弹性模量、断裂伸长率达到最佳效果。

④不同纤维长度的喷射FRP拉伸力学性能差别明显，纤维长度越长，拉伸力学性能越高。本次试验中最佳的纤维长度是40 mm。

⑤喷射FRP厚度的增加导致了材料宏观尺寸的增加，加大了材料缺陷发生的概率，从而导致材料的拉伸力学性能随着厚度的增加而降低。

⑥喷射FRP具有近似各项同性的性质。

参考文献:

[1]LEE H K, HAUSMANN R L, SEAMAN W C.Effectiveness of retrofitting damaged concrete beams with sprayed fiber-reinforced polymer coating[J]. Journal of Reinforced Plastics & Composites, 2008, 27(12):1269-1286.

[2]BOYD A J, LIANG N, GREEN P S, et al.Sprayed FRP repair of simulated impact in prestressed concrete girders[J]. Construction and Building Materials, 2008, 22(3): 411-416.

[3]YANG Zhao, WU Cai.Analysis on the seismic performance of RC frame beam-column joints strengthened by sprayed FRP [J]. Applied Mechanics and Materials, 2014, 578-579:835-838.

[4]谷倩,张广海,蒋华,等.喷射 GFRP 抗震加固开门洞砌体墙试验研究[J]. 华中科技大学学报: 自然科学版, 2011, 39(9): 102-107.

[5]GB/T 1447-2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法[S]. 北京: 中国标准出版社, 2005.

[6]周乾, 闫维明, 纪金豹, 等.CFRP 加固古建筑榫卯节点振动台试验[J]. 广西大学学报: 自然科学版, 2011, 36(1): 37-44.

[7]张智.喷射GFRP加固砌体结构抗震性能试验研究与理论分析[D]. 武汉理工大学土木工程与建筑学院, 2010.

[8]BOYD A J.Rehabilitation of reinforced concrete beams with sprayed glass giber reinforced polymers[D]. Doctoral Thesis, The University of British Columbia, 2000.

[9]王彬, 杨勇新, 岳清瑞, 等.复合理论预测国产碳纤维复合材料筋拉伸强度的离散性研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2014(12): 63-67.

[10]王自柯.国产碳纤维及其增强树脂基复合材料的结构与性能研究[D]. 哈尔滨工业大学土木工程学院, 2012.

[11]彭雨佳.喷射混杂 BF/CFRP 加固震损混凝土框架柱抗震性能的试验研究[D]. 武汉理工大学土木工程与建筑学院, 2013.

(责任编辑唐汉民梁碧芬)

Experiment and analysis of tensile properties of sprayed FRP

YANG Zhao1, WU Kun1, CHEN Yu2, SONG Chun-chen1

(1.Institute of Urban Construction, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China;

2.Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

Abstract:To study the tensile properties of sprayed FRP, 13 groups of specimens were tested for their tensile properties, and the index of stress-strain curve, tensile strength, elastic modulus, elongation and other mechanical properties were analyzed. Influence of fiber type, resin type, fiber volume fraction, fiber length, specimen thickness and other factors on the mechanical properties of sprayed FRP was studied. The results show that the effect of fiber type and resin type on the tensile properties of sprayed FRP is very obvious; that, when the fiber volume fraction is 20%~25% and the fiber length is 40 mm, sprayed FRP demonstrates better mechanical properties; that the mechanical properties of sprayed FRP specimens cannot be effectively enhanced with the increase of the thickness of specimens, and the sprayed FRP should not be too thick. In order to obtain better mechanical properties, sprayed FRP had better be produced by carbon fiber sprayed yarn and vinyl ester resin, the volume ratio and length of fiber should be limited to a certain range, and the thickness of the material should not be too thick.

Key words:sprayed fiber reinforced polymer；tensile mechanical properties；influencing factors

中图分类号：TU502

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2015)06-1345-07

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2015.1345

通讯作者：杨曌(1977—)，男，湖北武汉人，武汉科技大学副教授，博士; E-mail: yzwh77@163.com。

基金项目：湖北省自然科学基金资助项目(2011CDB232)

收稿日期：2015-10-19；

修订日期：2015-11-10