炭布力学性能的试验研究

上传者：艾玉林
|
上传时间：2015-04-29
|
密次下载

炭布力学性能的试验研究

由于炭布种类繁多,其力学性能差别也较大。在炭布用于实际工程之前,应有一套合理的测试方法,用以测定炭布的拉伸强度及弹性模量等有关的力学性能指标。参照日本的有关试验方法,对国内外的多种炭布和粘接剂进行了系列试验研究。试验发现,炭布在破坏之前能保持较好的线弹性变化,可以认为其应力—应变为线性关系;试件的尺寸对拉伸强度影响很大,即存在尺寸效应;粘接剂的使用有利于炭纤维材料强度的充分发挥,粘接剂的种类对试件的拉伸强度有一定影响。

实践任务

任务要求

1. 了解炭布的实验参数和各项性能指标。

2. 理解实验结果影响因素分析情况。

3. 掌握实验结论。

任务实施

基于炭纤维产品优良的力学性能和多种功能,炭布补强加固混凝土结构技术近年来得到了迅速发展。目前,工程中使用最多的材料是炭纤维片材中的布材,而布材种类较多,其力学性能差别也较大。况且一般生产厂家所提供的产品性能指标多为炭纤维单丝的力学指标,当炭纤维由单丝织成连续织物时,其性能指标是否仍与单丝的指标相同?在炭纤维用于实际工程之前,如何对一批炭布的质量等级进行评定?所有这些都要求有一套合理的方法,用以测定炭纤维布包括拉伸强度

及弹性模量在内的有关性能指标,本文对这一问题进行了探讨。

一、实验

试验材料选用了国内外的炭布,包括CFS-6K、CFC-20国产炭布和HT300日产布,粘接剂分别选用日本、瑞士和国产的四种粘接剂。表1和表2分别为炭纤维材料和粘接剂的主要性能指标。试件的制作参考日本的有关试验方法,在炭布两面均匀涂抹粘接剂,并使其充分渗入单丝之间的空隙。待粘接剂硬化后,将炭布裁成15mm宽、350mm长的细条。随后,在试件(细条)两端粘贴夹具,并在炭布条中部试验区段内贴应变片。夹具尺寸为长100mm、厚1.5mm的金属片,其宽度等同试件的幅宽。考虑到CFS-6K材料有纬向纤维,且纤维束较细,炭纤维布在裁成条状后,很难保证两侧边缘的炭纤维束完全参加工作,所以计算时炭纤维条两侧各减少1mm,取试件宽度为13mm。为防止试件在夹头处破坏,在所有试件的夹头处都做了强化处理。图1为试件的尺寸图,表3为各部分尺寸的建议值和实际取值。每组试件制作3个,试验结果取同组试件结果的平均值。各组试件的试验参数如表4所示。

内容需要下载文档才能查看

内容需要下载文档才能查看内容需要下载文档才能查看

内容需要下载文档才能查看

试验在天津大学土木工程检测中心的300kN液压万能试验机(WE—30型)上进行(部分试验由日本九州产业大学承担),试验过程中连续加载,加载速度控制在1500MPa/min左右。当达到预定的荷载时,记录下试件当时的应变。试验结束后,根据实测的应力—应变值绘出炭布的应力—应变曲线。

二、试验结果与分析

表4列出了试验的试件编号、试验参数及试验的主要结果。根据试验结果,进行以下几个方面的分析:

1.异地试验结果的比较

由两地试验结果的对比可以发现,天津大学(TJU)的试验结果普遍高于日本九州产业大学(KSU)的试验值。如试件CFS-3与试件CFS-5,

其炭纤维材料和粘接剂材料同样都是HT300和日本粘接剂,但天津大学测得的炭布拉伸强度为3501MPa,高于九州产业大学测得的2770MPa。同样,对于试件CFS-6和试件CFS-8,其材料均为CFS-6K和某型建筑结构胶(Ⅰ),但测得的炭纤维布拉伸强度则分别为2005MPa和2136MPa,天津大学的试验结果高出九州产业大学131MPa。分析其原因,认为与两地试验设备、试件夹具和加荷速度等因素有关。对于同一种材料,当采用不同的试件夹具,或选取不同的加荷速度,都会造成试验结果的差异。因此,建立一套固定的、特有的试验方法,对于炭纤维加固修补混凝土结构技术的研究及应用是非常必要的。

2.产品批次的影响

同一厂家生产的同种产品,如果批次不同,其力学性能也存在差别。如试件CFS-2和试件CFS-8的材料选用同一生产厂家的同一种产品,但批次的不同造成试件拉伸强度发生变化,两批次炭布的拉伸强度分别为1801MPa和2136MPa,这一差别是不容忽视的。因而在使用新一批材料时,必须要严格按试验方法对其力学性能进行试验测定。

3.粘接剂的作用

当炭单丝织成织物时,其拉伸强度有所降低。本文认为产生这一结果的原因是,在炭布中各炭单丝很难完全共同承力,因而承受较低的荷载时,一部分应力水平较高的炭纤维丝首先达到其拉伸强度,单丝断裂并退出工作。这部分炭丝退出工作后,必将使未断裂的炭丝的承力程度提高,从而不断地发生炭丝断裂并退出工作,最终造成整个试件破坏。从试验现象中也可以看到,正是由于试件边缘炭丝的断裂