复合式预应力碳纤维板抗冲击性能的试验研究

区锡祥 ,朱万旭 ,庞忠华

（1.柳州欧维姆机械股份有限公司，广西 柳州 545006；2.广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林 541004；3.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004）

碳纤维板材具有高强、轻质、耐腐蚀特性，被广泛应用于民用各领域。随着预应力碳纤维板技术研究各方面的日趋成熟，薛伟辰[1]等人对预应力碳纤维板加固构件的设计进行了理论研究、彭晖[2、3]、尚守平[4、5]等人对被加固构件的受弯、疲劳、长期徐变性能及加固系统的应力损失进行了试验研究，应用碳纤维板加固后构件的刚度和强度明显提高；尚守平[6]、陈小英[7]和朱万旭[8]对碳纤维板与混凝土的黏结性能、锚具锚固性能进行有限元分析及性能试验；国内外使用碳纤维板加固补强普通钢筋混凝土桥梁的工程日益增多，但在推广应用的同时，也暴露了一些缺点，主要表现为，虽然预应力碳纤维板强度高，但碳纤维板是各向异性材料，抗横向冲击性能差，运输和施工过程中难免发生磕碰损伤。隐蔽式的损伤可能会导致张拉过程中突然断裂，工程应用中曾发生过这种现象。更加危险的是，有损伤的碳纤维板在张拉过程中并没有发生断裂，而是在长期使用过程中，在各种荷载和环境的耦合作用下损伤累积扩大，造成碳纤维板突然断裂，从而导致补强梁可能存在的安全隐患。因此，研究碳纤维复合材料冲击损伤的问题具有重要的现实意义。

现以工程加固常用规格宽50 mm、厚3 mm的碳纤维板为对象，研发冲击试验装置对其进行冲击试验，并在纤维板冲击受损后进行拉伸试验。分析不同高度的冲击损伤对碳纤维板承载性能的影响，对比在碳纤维板中加入高强钢丝后，复合的碳纤维板抗冲击性能的变化，以更好地保障采用预应力碳纤维板加固施工的工程安全。

1 试验装置

根据试验用碳纤维板尺寸，设计了专用冲击装置，由基座、支柱、导轨和落锤等组成。其结构示意图如图1所示，实物照片如图2所示。基座通过地脚螺栓与地面固定以保证装置稳定；基座和两个支柱组成装置的框架系统，导轨是两根光滑实心圆柱体，落锤与导轨之间为间隙配合，安装过程要求保证支柱、导轨的平行度和它们与基座的垂直度，以保证落锤下落过程为自由落体冲击。落锤的V形碰撞底面做半径为R1mm的倒圆弧处理，以保证落下后与基座对心碰撞，工作时以人工方式将落锤提升至设定高度，释放后使其自由落体，冲击试验板。

图1 冲击装置示意图

图2 冲击装置实物

2 试验方案

试验共用8根截面尺寸均为50 mm×3 mm的碳纤维板，其中4根为纯碳纤维板（CFRP），分别编号为 CFRP-0、CFRP-1、CFRP-2、CFRP-3；另外 4 根为加入15根直径为1 mm高强钢丝的碳纤维板（SCFRP），高强钢丝的体积掺量为7.85%，分别编号为SCFRP-0、SCFRP-1、SCFRP-2、SCFRP-3.

2.1 冲击试验

为选择一个合适的试验冲击高度，先对两类碳纤维板进行了一系列落锤高度的尝试性冲击试验，落锤高度则在0.1 m~2 m范围每隔0.1 m取一个高度值。通过试验发现，当落锤高度达到1.4 m时，纯碳纤维板直接被冲断；当落锤高度达到1.7 m时耦合钢丝碳纤维板也被直接被冲断。在对比了不同高度的冲击对碳纤维板的损伤情况后，考虑落锤高度在0.5 m时，碳纤维板强度按标准强度计算还剩余70%左右，处于工程安全的临界状态，因此选择落锤高度为0.5 m进行抗冲击性能对比试验。

编号为CFRP-0和SCFRP-0的碳纤维板作为对照不做冲击，将其余碳纤维板依次放置于冲击装置的底部位置，调整使其中部的位置置于落锤底部，将落锤提升0.5 m后无初速度释放，使其沿导向杆做自由落体。落锤质量为10.48 kg，质心高度为88.89 mm，故冲击能量为Q=mgh=61.72 J.落锤在碳纤维板表面产生冲击伤痕，所有碳板均沿其冲击伤痕方向均匀做5个测点，用精度为0.01的游标卡尺对产生的冲击伤痕点进行测量，测得其数据。

2.2 冲击后碳纤维板张拉

将冲击后的碳纤维板张拉安装成锚具组件，两端通过张拉杆与水平反力架连接，一端为固定，另一端为张拉端加载。安装锚具组件时保证试件的轴线与拉伸装置的轴线一致，通过测量千斤顶活塞的伸长量并考虑锚具内缩量，以计算出碳纤维板的延伸率。采用分级单调加载，前三级荷载，每级20 kN，之后每10 kN为一荷载等级，直至破坏。在每级荷载下观察碳纤维板的变形、开裂情况，特别是碳纤维板上预先产生的冲击破损处的发展变化情况，以及整根碳纤维板的破坏情况。碳纤维板拉伸加载现场图如图3所示。为保护试验过程观察时的安全，设置透明防护罩防止碳纤维板突然开裂时纤维飞溅。

图3 碳板拉伸现场

3 试验现象及结果分析

3.1 冲击损伤分析

碳纤维板冲击后材料损伤测点数据见表1，1-1、1-2、1-3为普通 CFPR 纤维板，2-1、2-2、2-3为加入高强钢丝的复合碳纤维板SCFRP，损伤程度为伤痕深度与碳板厚度之比。分析表中数据可知，在未对碳纤维板施加荷载的条件下，当其表面受到相同能量的冲击时，含高强钢丝的复合碳纤维板的损伤程度比纯碳纤维板的损伤平均深度程度轻，说明钢丝在一定程度上抑制了碳纤维板表面受到冲击荷载时的损伤，并对与钢丝所在同一层面及以下层面的碳纤维丝进行有效的保护。

表1 碳纤维板受损程度数据（单位：mm）

3.2 冲击后拉伸试验

取冲击试验后的碳纤维板进行加载，在初始受力阶段，碳纤维板上被冲击破损的伤痕宽度略有加宽，无其他明显变化；随着荷载等级的增加，冲击破损处的碳板开始出现轻微的翻卷并伴随有一些清脆的响声，这是受冲击处内部被落锤砸伤之处，表面虽然未表现出断裂，但实际上已经形成损伤，随着荷载的增加逐渐断裂并剥离；随着荷载的继续增加，破损处切口层继续剥离，切口里面残余的碳纤维丝渐渐地断裂殆尽，并伴随有不断的响声，碳板逐渐清晰的分为了两层，上部的切口层也剥离得越来越明显，含高强钢丝的复合碳纤维板则清晰的露出内部钢丝，而且上表层还会错位；荷载继续增加时，切口层逐渐完全剥离，错位范围加大，逐渐延伸至锚固端，切口层的碳纤维板已经退出工作；继续加荷，随着荷载增加到一定程度，开始出现比较大的响声，说明未受损的碳纤维丝也开始断裂，而且响声会持续，继续加载至极限状态时，碳纤维板突然断裂，而且声响巨大，断裂的碳纤维板释放出的巨大能量将两侧的碳纤维炸成丝束状四面发散，但之前受到冲击已经断裂的纤维层只是产生几道裂缝，依旧保持片状形态，说明原来已经断裂的纤维层几乎不分担荷载所加在整个碳纤维板上的能量；而加入高强钢丝的复合碳纤维板破坏时和纯碳纤维板相似，钢丝层以上受冲击破坏的碳纤维板层受到冲击发生断裂，破坏时呈片状，几乎不分担产生的能量，钢丝则屈服最终被拉断，钢丝以下的碳纤维层依旧呈丝束状炸裂向四周发散，如图4、5所示。

图4 CFRP板破坏

图5 SCFRP板破坏

3.3 试验结果

将各组碳纤维板受力与伸长量制成曲线图，如图6所示，可以看出，无论碳板是否含高强钢丝，其拉力与伸长量均呈线性变化，受损的碳板斜率明显降低，可见受损后其弹性模量有所下降。受损的复合碳板和纯碳板的斜率相差不大，但含钢丝碳板的承载力有所提高。从表2中可以得出，碳板在表面受损情况下，其承载力均降低20%~30%，对比进而得出，含钢丝的碳板的剩余承载力要比纯碳板的高10%左右。

图6 破损碳纤维板力-伸长率曲线

表2 试验与理论数据对比

对比表1和表2发现，CFRP板和SCFRP板测得的冲击损伤程度均为15%左右，而CFRP板的承载能力降低了20%~30%，如果碳板中碳纤维丝在受到张拉力时受力均等，则按损伤程度可以推断其承载力也应降低15%左右，与结果相差比较大。结合试验初期有轻微的崩断声，根据Carins[9]研究发现纤维断裂是影响层合板拉伸强度的主要因素，可以推断当碳纤维板表面受到冲击荷载时，除了肉眼可以观察到的纤维断裂损伤，碳板内部的纤维丝也受到影响而导致部分损伤甚至断裂。对比CFRP板和SCFRP板，根据测得的损伤程度发现，碳板中加入高强钢丝后表面受损程度并无较大改善，但剩余承载力却有明显的提高，表明碳纤维板中高强钢丝对其表面抗冲击保护的程度虽不明显，但对其引起的内部损伤起到的抑制效果比较明显，从而使受到冲击损伤后的剩余承载能力较大幅度的提高，结合损伤程度与承载力发现碳板中钢丝确实可以提高其抗冲击性。

4 结论

通过以上试验可以得出以下结论：

（1）碳纤维板表面即使受到是轻微的冲击损伤，也会使其极限承载力严重的下降，且下降值的大小与受冲击损伤程度呈正相关。

（2）CFRP板和SCFRP板表面受到冲击损伤后，在受到拉伸荷载时，其变形值依旧随着荷载呈线性变化。

（3）碳纤维板中加入高强钢丝可以提高其抗冲击性能，在其表面受到损伤的时候对内部损伤起到了一定的抑制作用，从而相对于纯碳纤维板，有效地提高了其剩余承载力。

试验中得出碳板中加入高强钢丝可以提高其表面抗冲击剪切能力，是以后研究其抗冲击性能的一个重要方向，但本试验是在特定的冲击能量和固定的钢丝掺量下进行的，对于不同型号的碳纤维板以及其中加入钢丝的掺量、直径对其冲击损伤情况和剩余承载能力的影响还有待研究。

[1]薛伟辰，曾 磊，谭 园.预应力CFRP板加固混凝土梁设计理论研究[J].建筑结构学报，2008，25（5）：127-133.

[2]彭 晖，尚守平，金勇俊，等.预应力碳纤维板加固受弯构件的试验研究[J].工程力学，2008，25（5）：142-151.

[3]彭 晖，尚守平，张建仁，等.预应力碳纤维板加固受弯构件的疲劳性能研究[J].土木工程学报，2009，42（8）：42-49.

[4]尚守平，张宝静，吕新飞.预应力碳纤维板加固梁桥长期徐变性能的试验研究[J].公路交通科技，2015，32（5）：68-74.

[5]尚守平，吴建任，张毛心，等.预应力碳纤维板加固系统的预应力损失试验[J].公路交通科技，2012，29（1）：70-76.

[6]尚守平，吴建任，张毛心，等.碳纤维板-混凝土界面黏结性能的试验研究与有限元分析[J].湖南大学学报，2014，41（6）：43-51.

[7]陈小英，李唐宁，陈明政，等.波形齿锚具锚固CFRP片材的力学性能试验研究及锚具体系设计[J].工程力学，2009，26（6）：184-192.

[8]朱万旭，邵 炼，汪 洋.夹片式碳纤维板锚具的有限元分析与试验[J].工程抗震与结构改造，2015，37（2）：97-101.

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