玻璃纤维砂浆管动态劈裂拉伸性能试验研究

李 娜，汪海波，魏善斌，王梦想

(安徽理工大学土木建筑学院，淮南 232001)

纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer/plastics，FRP)作为以高分子环氧树脂为基体、玻璃钢或碳纤维等为增强体而制成的复合材料，由于其具有轻巧、耐腐蚀、抗老化、绝缘等优点而被广泛应用于土木工程中[1-3]。当前，为提高混凝土的各项性能而将FRP广泛应用于混凝土结构工程中，针对FRP约束混凝土也已有诸多研究。

章雪峰等[4]对玻璃纤维增强材料(glass fiber reinforced polymer/plastics，GFRP)管混凝土组合柱进行轴心受压试验，结果表明GFRP管的约束会明显提高组合长柱的极限承载能力；龙跃凌等[5]对GFRP 管约束高强混凝土圆柱进行轴压试验，发现该圆柱的轴压性能存在尺寸效应，且其极限承载力和极限应变均随着壁厚的增大而增大。Rizkalla等[6]提出了一种用以预测 FRP管混凝土柱在轴向荷载作用下的受力性能分析模型。除了上述对FRP管约束混凝土抗压性能的研究，同时也有很多专家针对其抗弯性能及复合力学特性的研究。Hong等[7]通过对FRP管约束混凝土进行受弯试验，研究了FRP管壁厚和纤维缠绕角度对其应力和应变的影响；李杰等[8]对FRP管混凝土组合结构压弯构件进行了非线性全过程分析，讨论了轴压比、长细比、径厚比等对极限水平荷载和极限水平位移的影响；王清湘等[9]研究GFRP管混凝土柱在低周反复荷载下其破坏形态及滞回性能，分析了混凝土强度、轴压比等因素对柱延性的影响；杨刻亚等[10]研究了FRP管混凝土圆形管柱抗震性能，结果表明FRP管混凝土柱具有良好的滞回性能、耗能能力和延性。但目前这些研究主要集中在对FRP管混凝土的轴压、压弯及抗震特性等低应变率力学特性研究上，针对动态力学特性变化规律的研究较少。梁磊等[11]对AFRP约束混凝土进行了多次动态冲击试验，结果表明动态峰值应力对冲击次数不敏感，数值稳定性良好。

目前中外学者针对FRP类材料约束下的混凝土静态力学及动态压缩性能进行了诸多试验，得到了FRP管约束力可以明显改善混凝土性能的结论，但对于FPR管约束混凝土动态劈裂拉伸性能的研究较少，此外，试样的尺寸较小，为了减少误差，现选用材质均匀的砂浆代替混凝土，在该背景下利用直径74 mm的分离式霍普金森杆(SHPB)试验装置系统对FRP砂浆管进行动态劈裂拉伸试验，研究高应变率下FRP管壁厚度对砂浆动态劈裂性能的影响规律。

1 试验概况

1.1 试验装置

试验采用的是安徽理工大学冲击动力学实验室Φ74 mm的SHPB试验装置，试验装置如图1所示。撞击杆长度为0.6 m，直径为37 mm，入射杆和透射杆长度分别为3.2 m和1.8 m，各杆件均由合金钢制成，密度为7.8 g/cm3，弹性模量为210 GPa，纵波波速为5 190 m/s。

1.2 基本原理

通过粘贴在入射杆和透射杆上的应变片测量得到的入射波、反射波和透射波，并结合一维应力波理论和应力应变均匀性假设，即可求得试样的应变率和应变的三波法公式。

(1)

(2)

试样的动态抗拉强度为

(3)

根据应力应变均匀性假定，试样受脉冲作用后两端应力相等，则

εt(t)=εi(t)+εr(t)

(4)

将式(4)代入式(1)～式(3)可得到二波法计算公式为

(5)

(6)

(7)

式中：E0为杆弹性模量，取210 GPa；A0为杆横截面面积；C0为杆弹性纵波波速，取5 190 m/s；εi(t)、εr(t)、εt(t)分别为入射波、反射波、透射波在弹性杆上引起的应变信号；t为应力波持续时间；D、L分别为试样直径和厚度。

1.3 试样制备

水泥选用42.5普通硅酸盐水泥，砂选用粒径为0.3 ～1.25 mm河砂，水选用自来水。砂浆配合比为水泥∶砂∶水=1∶1∶0.4。

试验采用的试样：FRP管外径为74 mm，高度为38 mm，壁厚分别为2、3、4、5 mm。为了保证试样的质量，混凝土的制作过程严格符合相关规范的要求。

试样制作过程：根据配合比，准备好所用的水泥、砂和水，首先投入水泥、河砂在搅拌机中混合均匀，再依次注入自来水并进行充分搅拌；把FRP管放进钢模固定好之后，再把搅拌充分的试样原料浇筑于FRP管中；随后，把试样放置于振动台上振捣，密实振动成型后，用抹刀抹平，刮去多余的砂浆；静置24 h后进行编号、脱模；脱模取出试样后，把试样放在恒温恒湿养护箱中养护，28 d后取出后将试样的上下表面打磨满足其平整度要求，随后进行试验。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

采用SHPB试验装置系统对FRP砂浆管试样进行动态劈裂拉伸试验，根据相关试验情况[12]，选取0.4、0.5、0.6、0.7 MPa 4种冲击气压。每组加载条件选择4个试样，以应力-应变曲线第一个峰值应力为试样的动态劈裂拉伸强度，而峰值应力则取应力-应变曲线应力的最大值。试验原始参数和计算结果如表1所示。

表1 FRP砂浆管劈裂试验结果

2.2 FRP管混凝土应力-应变曲线

采用二波法原理处理SHPB试验数据，得到不同冲击气压、FRP管壁厚的各个试样的应力-应变关系曲线，如图2所示。

图2 不同冲击气压下的应力-应变曲线

对图2进行分析，发现FRP管混凝土动态应力-应变曲线大致可以分为4个阶段。

(1)第一阶段：应力-应变曲线的斜率基本保持不变，试样应力随着应变线性增长，由于此阶段的荷载并未使裂纹扩展为宏观裂缝，使原来的裂纹变形处于稳定状态，试样产生微小压缩变形。

(2)第二阶段：应变率逐渐减小，直到应力达到第一个峰值。曲线的斜率呈减小趋势，应力随着应变的增加继续增加，增加幅度降低，试样的微裂缝持续增长，最后应力达到第一个峰值，试样核心砂浆达到抗拉强度。

(3)第三阶段：“双峰”之间，由于外侧FRP管的约束作用，试样微裂缝的扩展受到限制，应力随着应变降低；随着应力的继续增加，即使外侧有FRP管的约束作用，试样的持续应变增大。

(4)第四阶段：第二个应力峰值之后，应变率为负，试样已完全破坏，应力随试样应变的增加而迅速降低。

通过图2可看出，相同工况下的FRP砂浆管试样其动态应力-应变曲线形状基本一致，且均出现“双峰”现象，同时发现第二个应力峰值高出第一个应力峰值1.92%～28.41%。当FRP管壁厚相同时，试样动态劈裂拉伸强度随着冲击气压的增大而上升，且应变也呈现同样的规律。而当冲击气压相同时，随着FRP管壁厚的增加，可以观察到其动态劈裂拉伸强度不断上升，但动态应变不断下降。

FRP砂浆管由FRP管和砂浆两种材料组成，在动态冲击试验前期，两种材料受力状况互不干扰，冲击波首先作用到外侧的FRP管上，随后通过FRP管传播到砂浆上，砂浆在冲击波的作用下率先达到抗拉强度，表现在动态应力应变曲线即为第一个波峰。冲击后期，微裂缝不断扩展发育，由于FRP管延性明显优于砂浆，所以在FRP管约束作用下砂浆的受力状态发生改变，且该约束效果随着变形的加剧而愈发显著。在这种约束作用下核心砂浆由一维应力状态转变为平面应力状态，其强度也由此得到了提升[13-15]。应力状态的改变表现在动态应力-应变曲线即为“双峰”现象。

2.3 动态劈裂拉伸强度变化

通过表1得到FRP砂浆管动态劈裂强度与壁厚、冲击速度的关系及动态强度极差分析结果，如图3、表2所示。

图3 试件动态劈裂强度与试验条件的关系

从图3可知，动态劈裂拉伸强度与冲击速度呈正相关。可以看出在壁厚相同时，随着冲击速度的增大，其动态劈裂拉伸强度均有不同程度的增加。通过计算发现当壁厚为2 mm时，随着冲击气压的增大，其动态劈裂拉伸强度分别提高了32.11%、63.16%、81.19%；壁厚为3 mm时，动态劈裂拉伸强度分别提高了15.99%、22.27%、33.26%；壁厚为4 mm时，动态劈裂拉伸强度分别提高了12.17%、25.49%、27.94%；壁厚为5 mm时，动态劈裂拉伸强度分别提高了5.36%、10.37%、28.37%。

观察图3发现其动态强度-冲击速度拟合直线的斜率随着壁厚的增加在不断减小，壁厚为2 mm时斜率达到2.43，随着壁厚增加到3 mm和4 mm时斜率大小差异不大，但壁厚达到5 mm斜率降至0.98。说明试样动态应变率效应随着壁厚的增加在逐渐减小，这种现象表明FRP管对混凝土动态劈裂强度的增加起到了正面提升的作用。

极差分析的计算公式为

(8)

(9)

根据表2可直观看出变量为壁厚时，极差为2.23，变量为冲击气压时，极差为4.45，显然冲击气压对动态劈裂拉伸强度的影响效果明显高于壁厚对动态劈裂拉伸强度的影响效果。

表2 动态劈裂抗拉强度极差分析

2.4 劈裂破坏特性分析

由于篇幅限制，只对FRP管壁厚为5 mm的不同冲击气压冲击后的试验结果进行分析，典型试样破坏形态如图4所示。

图4 试样破坏形态

由图4可知，FRP砂浆管的破坏形态符合劈裂准则，试样沿径向劈裂，将核心砂浆沿径向一分为二，外侧的FRP管外观仍保持完整。FRP管壁厚度为5 mm，当冲击气压为0.4 MPa时，试样加载方向只出现一条贯穿裂缝。冲击气压增加到0.5 MPa时，在端部贯穿裂缝附近有少量细小裂缝。继续增加冲击气压到0.6 MPa，除了加载方向出现一条贯穿裂缝，在试样的加载端部有小块砂浆脱落。直到冲击气压增加到0.7 MPa时，试样加载端部有较大块砂浆脱落，这是因为随着冲击气压的增加，压杆两端对试样施加的应力逐渐增大，直到大过核心砂浆的抗拉强度，砂浆表面的微裂纹开始裂开并扩展开来，因此会有局部破碎的现象出现。可以看出随着冲击气压的增大，试样破坏程度越大。

3 结论

通过对不同管壁厚度的FRP砂浆管进行单轴动态劈裂拉伸试验，得到以下结论。

(1)由于试样外侧FRP管约束力的作用，冲击过程中核心砂浆由一维应力转变为平面应力状态，动态应力-应变曲线出现两个波峰，即“双峰”现象，且第二个应力峰值比第一个应力峰值高出1.92%～28.41%。

(2)试样动态劈裂拉伸强度随着FRP管壁厚度的增加而增加，而应变变化规律与之相反。在同一壁厚下，其动态劈裂抗拉强度与冲击速度呈线性关系，在壁厚2～5 mm，拟合直线斜率随壁厚的增大而减小，说明应变率效应随之减弱。

(3)在动态劈裂拉伸试验中，试样的破裂方式是从中心向四周扩展。当冲击气压较小时，试样在加载方向出现一条贯穿裂缝，没有砂浆块脱落，而随着冲击气压的增加，除了加载方向出现一条贯穿裂缝，在试块的加载端部有小块砂浆脱落，且气压越大，这种脱落现象就越明显。