混杂碳纤维_玄武岩纤维塑料筋的张拉力学性能.docx

832014年第8期玻璃钢/复合材料混杂碳纤维/玄武岩纤维塑料筋的张拉力学性能曹升虎1，吴智深2*，马凯1，汪昕2(1.西安理工大学土木建筑工程学院，西安710048;2.东南大学城市工程科学技术研究院，南京210096)摘要:实验研究了碳纤维、玄武岩纤维及其不同混杂比增强乙烯基树脂复合筋的张拉力学性能。结果表明，混杂复合筋的断裂应变随玄武岩纤维含量的增加逐渐增大，且均大于单一碳纤维复合筋的断裂应变，呈现正的混杂效应;弹性模量则随碳纤维相对含量的增大而增大，基本符合混合定律，而混杂筋的拉伸强度的实验值则高于理论值。关键词:碳纤维;玄武岩纤维;混杂复合材料;力学性能;混杂比;混杂效应中图分类号:文献标识码:文章编号:1003－0999(2014)08－0083－05TB332A1引言实际上某些性能在获得正混杂效应的同时，另一些性能可能产生负效应，而且大小不同。近年来，新兴的玄武岩纤维及其复合材料性能的研究和应用，引起了人们的极大兴趣。这种玄武岩纤维是以天然玄武岩矿石为原料，将其破碎后加入1450～1500°C的高温熔炉中，通过铂铑合金拉丝漏板制成的新型高技术性连续纤维。由于它的力学性能近于E玻璃纤维而更具有化学稳定性和更宽泛的使用温度，且其成本与E玻璃纤维相当而远低于纤维增强聚合物(FiberＲeinforcedPolymer，简称FＲP)复合材料以其轻质、高强、优良的耐腐蚀性和易设计、施工方便等突出优点而成为现代土木工程领域中最具应用价值和前景的现代复合材料之一。近年来，碳纤维复合筋材、玻璃纤维复合筋材代替易腐蚀的钢筋已被逐渐用在混凝土结构中［1］。但是单一纤维复合材料或因纤维本身成本昂贵，或因变形能力不足、刚度不够等因素而令其进一步的应用受到限制。例如，碳纤维的强度、模量优于E-玻璃纤维而其延伸率不足后者的70%，但其价格几乎是E-玻璃纤维的10倍。这种高成本、低延伸率的缺点极大地限制了它在土木工程界的广泛应用。而E-玻璃纤维尽管成本低廉，但其不足钢材1/4的刚度又使其加固的弯曲结构容易产生过大的变形。要克服这种单一纤维性能的不足，混杂技术是解决这一问题的有效途径。通过将具有不同强度、刚度和断裂延伸率的纤维混杂，发挥不同纤维各自的优势，扬长避短，可以优化复合材料的综合力学性能，以获得合理的性价比［2］。已有的关于碳/玻璃纤维混杂复合材料性能的文献［3～7］表明，不同纤维在混杂过程中会出现不满足混合定律的混杂效应，即混杂复合材料的强度、刚度、延伸率、模量等力学性能值偏离以单一纤维复合材料为基础，按照混合定律计算出的性能值的现象。通常把高于混合定律计算值的称为正混杂效应;低于计算值的称为负混杂效应。［8，9］碳纤维。因而其复合材料的设计和应用近来成［10～14］为研究的热点。本文对碳纤维、玄武岩纤维及其不同混杂比增强的乙烯基树脂复合筋的张拉力学性能进行了实验研究，测试了它们的张拉强度、模量和破坏断裂应变，分析了混杂筋产生的混杂效应。其结果可为工程应用和设计提供技术支持和理论指导。22.1实验材料及试件该实验所用的筋材有碳纤维塑料筋(CFＲP)、玄武岩纤维塑料筋(BFＲP)及由碳纤维、玄武岩按一定体积比混杂(夹芯混杂，亦即C型混杂)而成的两种塑料筋(C/BFＲP)，共4组。这些筋材经由纤维含浸乙烯基酯树脂高温拉挤成型，直径均为6mm，纤维体积分数介于70%～75%之间。其中两种混杂纤维塑料筋按碳纤维、玄武岩纤维体积分数比1∶3和1∶1制成。图1为这些筋材的外观及截面图。收稿日期:基金项目:作者简介:通讯作者:2014-03-18国家自然基金;校博士启动金(118-211301)曹升虎(1972-)，男，博士，主要从事复合材料方面的研究。吴智深(1961-)，教授，博导，主要从事复合材料、结构及防灾减灾工程、工程力学等方面的研究。FＲP/CM2014.No.884混杂碳纤维/玄武岩纤维塑料筋的张拉力学性能2014年8月种塑料筋材拉伸试验的应力-应变关系曲线如图3所示。图4为拉伸破坏后的试件。(a)图1FＲP筋材外观及截面Fig.1ThesurfaceandsectionofdifferentFＲPtendons为避免塑料筋材直接夹在材料试验机夹头上测试产生的拉脱、压碎和抽芯现象，依据JSCE-E531［15］标准，每一试件端部经钢质圆管和膨胀水泥锚固而成，见图2。(b)图2FＲP筋材张拉试件Fig.2SchematicofFＲPspecimen测试张拉力学性能的这4组筋材，每组设计5个试件，共计20个试件。这些试件分别标注如