平面拉伸下聚氨酯裂纹板的裂纹扩展研究

魏超

（湘潭大学土木工程学院）

聚氨酯(PU)作为一种高分子材料，因具有承载力高、硬度范围宽、抗撕裂性能好、粘结力较强、防水性能和耐酸耐震性能较好等优点而在土木工程建筑领域得到广泛应用[1-4]。聚氨酯的物理力学性能常介于橡胶和塑料之间，因此同时具有橡胶的弹性和塑料的硬度[5]。但是，在长期服役过程过，会因为受到复杂的载荷工况和使用环境的影响而产生裂纹或微孔等缺陷，裂纹的萌生和扩展会大大降低材料的使用性能，甚至会发生断裂失效现象，危害人们的生命财产安全。因此，研究聚氨酯裂纹板的力学性能和裂纹扩展规律具有重大的理论价值和现实意义。

刘高冲等[6]研究了在动静态加载条件下聚氨酯弹性体的力学性能，结果表明，聚氨酯弹性体的应力应变关系具有明显的非线性和应变率相关性。姜凯涵[7]归纳总结了现阶段聚氨酯水泥加固混凝土机理的研究进展，具体分析了聚氨酯水泥的研究现状。兰岩松等[8]则是进一步综述了聚氨酯水泥加固钢筋混凝土结构的实验研究，详细地分析了目前对于聚氨酯水泥加固钢筋混凝土结构的研究进程，为聚氨酯水泥加固技术提供了一定的理论和数据支撑。近年来，高分子材料裂纹扩展的研究大多集中于疲劳裂纹的扩展机理，对于静态裂纹扩展的研究相对较少。除此之外，力学性能的实验研究大多针对于均质且不含缺陷的材料。为此，本文采用平面拉伸试验方法，探究了不同拉伸速率下聚氨酯裂纹平板的裂纹扩展行为、应力应变关系以及初始裂纹尖端在刚受到载荷时的变形程度（应变状态），为聚氨酯材料的制造和使用条件的选择提供参考。

1 试验材料尺寸及设备

试验所用材料为广东省东莞市禧成塑胶制品有限公司生产的聚氨酯(PU)板材，样品通过机械加工成含有单边预制裂纹的矩形条状。材料尺寸为[9-10]：长度150mm，宽度20mm，厚度2mm，预制裂纹长度25mm。如图1所示。

图1 试验材料及尺寸

实验所需设备为配备温控箱的M3000 电磁式疲劳试验机和非接触式三维光学测量系统。M3000 电磁式疲劳试验机的载荷量程为0.01N-3000N，实验载荷精度为显示值的±0.5%，最大位移限值为30mm，位移精度为±0.01mm。非接触三维光学测量系统主要用于初始裂纹尖端应变测量。如图2所示。

图2 试验设备

2 试验结果与分析

采用静态测试模式，拉伸速率分别为3mm/min，5mm/min 和7mm/min，对其中一个试样进行黑白散斑喷涂，以便于非接触式三维光学测量系统对裂纹尖端进行应变测量。

图3 为在平面拉伸下聚氨酯裂纹板刚承受荷载时的裂尖变形示意图以及应变云图。

图3 裂尖变形及应变云图

由图3(a)可见，初始裂纹尖端在受到竖直方向的位移载荷时，从宏观角度可以看出，此时裂纹尖端的变形程度最大且较为明显，这是因为裂纹尖端处具有应力奇异性特点，并在受到竖直载荷时会产生较为严重的应力集中现象，裂尖应力越大，则应变越大。图3(b)反映了裂纹尖端处的应变分布，在裂纹尖端处应变最大，越远离尖端其应变越小，整个计算区域的应变近似关于裂纹界面上下对称。因此，从应变云图的分布情况看，也能证明裂纹尖端处具有应力奇异性。

图4 给出了平面不同拉伸速率下，聚氨酯裂纹板的时间应力曲线以及名义应力应变曲线。

图4 时间-应力与应力-应变曲线

从图4(a)可知，聚氨酯裂纹板在平面拉伸状态下，拉伸速率对聚氨酯的弹性性能无较大影响，应力应变成正比例关系，即满足胡克定律，此时的应变在0.1 左右，但对聚氨酯的塑性性能有一定影响。拉伸速率对初始裂纹尖端第一次开裂前的变形程度也有不同程度的影响，3mm/min 和5mm/min 的拉伸速率在相同的破坏应力条件下，变形程度相对较小，其应变分别在0.53和0.42左右；而7mm/min 的拉伸速率对应的破坏应力和变形程度均达到最大，其应变在0.68 左右。进一步分析可以得出，在聚氨酯裂纹板完全断裂失效瞬间，不同拉伸速率下整个裂纹板对应的最大应变大小关系为。

从图4(b)可以看出，在平面拉伸状态下，不同的拉伸速率对聚氨酯裂纹板的应力变化有不同的影响，平面拉伸速率越低，聚氨酯裂纹板的应力变化越缓慢。对于裂纹尖端而言，3mm/min 和5mm/min 的拉伸速率使得裂纹尖端的破坏应力在2.75MPa 左右，而7mm/min 的拉伸速率能使得裂尖破坏应力达到3MPa 左右。另外，在5mm/min 和7mm/min 的拉伸速率下，聚氨酯裂纹板的第一次开裂时间几乎相同，均在60s左右，而在3mm/min拉伸速率下，裂纹板的开裂时间相对较长，在120s 左右。进一步分析表明，聚氨酯裂纹板在第一次开裂后，拉伸速率对裂纹扩展的稳定性还有较大影响，3mm/min 和5mm/min 的拉伸速率使得裂纹板在第一次开裂后，应力变化近似呈现出“阶梯”式下降，但3mm/min 的“阶梯”相对较多，说明此拉伸速率下，裂纹扩展的稳定性较低，即裂纹扩展一定长度后停止一段时间，而后继续向前扩展；7mm/min 的拉伸速率下，裂纹第一次开裂后，裂纹扩展的稳定性较好，即裂纹扩展持续稳定增长。另一方面，总体上也可以说明拉伸速率越快，聚氨酯裂纹板的断裂失效时间越短。

图5 是不同拉伸速率下聚氨酯裂纹板的裂纹扩展路径。

图5 裂纹扩展路径

在图5 中，通过实际裂纹扩展路径与水平参考线的对比发现，裂纹均会从平板右侧边界贯穿，而且聚氨酯裂纹板的裂纹扩展路径也会向下偏转，并非是一条水平的扩展路径。将贯穿点到水平参考线的垂直距离定义为路径偏移量，经测量，3mm/min、5mm/min 以及7mm/min拉伸速率分别对应的路径偏移量为2.04mm、2mm 以及1.32mm。因此，当拉伸速率低于5mm/min 时，裂纹扩展路径受拉伸速率的影响较小，而当拉伸速率超过5mm/min时，裂纹扩展路径受拉伸速率的影响较大。

3 结论

通过对聚氨酯裂纹板的平面拉伸试验，以及纵观全文的试验结果与分析，可以得出如下结论：

⑴裂纹尖端的存在会使得聚氨酯材料在受力时，裂尖处容易产生应力集中现象，随着载荷地持续施加会伴随裂纹扩展现象。

⑵在平面拉伸状态下，聚氨酯的裂纹扩展路径并非水平，而会受拉伸速率的影响产生偏移，拉伸速率较快，裂纹偏移量较小，拉伸速率较慢，裂纹偏移量较大。

⑶平面拉伸条件下，拉伸速率对聚氨酯材料弹性变形阶段的力学性能影响不大，对其塑性变形阶段有差异性影响。另外，拉伸速率越慢，其裂纹会呈现出“阶梯”式扩展，即多阶段开裂现象，总体来看，聚氨酯裂纹板完全断裂失效的时间与拉伸速率成正相关性。