耐堿玻璃纖維與樹脂界面剪切強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測定

1、耐堿玻璃纖維與樹脂界面剪切強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測定對于海洋、道路及鹽害地區(qū)中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),由于受到種種侵蝕介質(zhì)的作用,往往會出現(xiàn)混凝土開裂剝落、鋼筋銹蝕等多種病害,對其的養(yǎng)護(hù)維修需要花費(fèi)大量的人力、物力,而鋼筋銹蝕更是多年來未解決的一大難題,是使結(jié)構(gòu)喪失原有承載力,難以達(dá)到其預(yù)期使用壽命的主要因素.參照發(fā)達(dá)國家經(jīng)驗(yàn),有人預(yù)計(jì),21世紀(jì)我國將出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)維修高潮,并將持續(xù)相當(dāng)長一段時間,維修費(fèi)用達(dá)千億之巨.因此,研究開發(fā)新的高性能加強(qiáng)材替代或部分替代鋼筋,徹底解決鋼筋銹蝕問題是當(dāng)務(wù)之急,具有十分重要的科學(xué)意義.目前替代鋼筋的主要材料之一為玻璃纖維筋,簡稱GRP筋.人們對GRP筋有過一些研究1,但并未

2、推廣,原因在于它是由耐堿玻璃纖維和乙烯基脂樹脂組成的復(fù)合材料,其性能受很多因素影響,如何對玻璃纖維筋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并沒有一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).但我們知道纖維與樹脂間界面剪切強(qiáng)度是復(fù)合材料設(shè)計(jì)的重要指標(biāo),會對復(fù)合材料的性能產(chǎn)生重要影響.對于無堿玻璃纖維人們進(jìn)行過許多研究,如鄧傳斌等就用SFM法研究了無堿玻璃纖維和環(huán)氧樹脂間剪切強(qiáng)度2,張士華等對偶聯(lián)劑處理對玻璃纖維/尼龍復(fù)合材料力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究3,而對于耐堿玻璃纖維人們研究較多的是加入耐堿纖維的混合物的性能4-5,而對耐堿玻璃纖維與乙烯基脂樹脂間界面剪切強(qiáng)度的研究并不多見,因此本文在SFM實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,對此進(jìn)行了研究,得出了一些結(jié)論,希望能為此領(lǐng)域

3、的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ).1實(shí)驗(yàn)原理和方法目前常用的測定復(fù)合材料截面剪切強(qiáng)度的方法是單纖維實(shí)驗(yàn)法,而最有效的三種實(shí)驗(yàn)方法4是單纖維拔出法(SFP),單纖維埋入法(SFM),單纖維壓出法(SFO).SFP對測量界面的各種力學(xué)參數(shù)比較有效;SFM法則常用于研究界面各種動態(tài)特性和各種影響因素;SFO則適合測定真實(shí)復(fù)合材料界面性能.,本文主要采用SFM法來研究基體物理和力學(xué)性能與界面剪切強(qiáng)度的關(guān)系.用SFM法測定纖維/樹脂復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的基本原理如下:首先是將纖維埋于基體樹脂中,制成標(biāo)準(zhǔn)試樣,在萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上對試件施加載荷進(jìn)行單向拉伸,隨著外載的增加,纖維段受到的軸向拉應(yīng)力也增加,當(dāng)纖維段受到的軸向拉

4、應(yīng)力超過纖維段的軸向拉伸強(qiáng)度時,纖維段將發(fā)生斷裂,持續(xù)增加外載,上述過程重復(fù)發(fā)生,直到纖維段長度短到纖維不再發(fā)生斷裂為止,稱此時為實(shí)驗(yàn)飽和狀態(tài),此時的最大不斷纖維段長度為極限纖維段長度lc.令為纖維與基體界面的剪切強(qiáng)度,D為纖維直徑,為該長度下纖維軸向拉伸強(qiáng)度.根據(jù)最終平衡關(guān)系有5:=D /2lc(1)由于極限纖維段長度難以量測,人們通常用名義纖維段通過各種載荷傳遞模型,如Cox模型、Nairn模型等來計(jì)算,我們這里采用鄧傳斌等提出的模型6,界面剪切強(qiáng)度表示為:=KD /2l (2)其中K=0.9為修正因子; l為名義纖維斷裂長度,可以通過測定實(shí)驗(yàn)飽和階段的纖維段斷頭數(shù)來測得.2材料力學(xué)性能測

5、定及試樣制作2.1材料本實(shí)驗(yàn)采用的耐堿玻璃纖維為陜西華特玻璃纖維有限公司生產(chǎn)的直徑為14.5m的纖維,樹脂采用無錫光明化工廠生產(chǎn)的BRT3002乙烯基脂樹脂,促進(jìn)劑為環(huán)烷酸鈷液,固化劑為過氧化環(huán)乙酮,各組實(shí)驗(yàn)材料的配比及相應(yīng)強(qiáng)度、彈性摸量見表1.2.2單絲纖維強(qiáng)度測定分別測定耐堿玻璃纖維在10mm, 20mm, 30mm長度下的斷裂強(qiáng)度及變形.試件制樣方法如下:在坐標(biāo)紙上刻出寬10mm及所需測定長度的窗口,將纖維用膠固定于紙兩端,見圖1,使用纖維電子強(qiáng)力儀進(jìn)行拉伸,速度為0. 01mm/min,拉伸時剪斷兩邊紙框,每組測50個樣品,取有效平均值.2.3數(shù)脂彈性模量的測定按“塑料拉伸性能試樣試驗(yàn)

6、方法”對表1各組試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn),試件形狀尺寸如圖2所示(圖中單位為mm).經(jīng)過試驗(yàn),各組試件彈性模量值見表1.2.4SFM法標(biāo)準(zhǔn)試樣的制作試樣形狀尺寸如圖3(圖中單位為mm).標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣制作步驟如下:將纖維束放入烘箱中在120下干燥2 h除去纖維表面污物,然后從其中截出長度200mm一段纖維;從纖維束中小心抽取一根單纖維并固定于硅橡膠模中央.在纖維單絲兩端施加10 g預(yù)拉力;將裝有乙烯基脂樹脂的燒杯放水浴中加熱到60左右,保持15min以排出其中氣泡,然后在空氣中冷卻到室溫;在室溫下按規(guī)定比例在樹脂中加入促進(jìn)劑,再加入合適比例固化劑,攪拌均勻后倒入硅橡膠模中,對于A、B、C組試件分別在40

7、、30、20min脫模,在室溫下固化24 h即可.2.5實(shí)驗(yàn)步驟將制成的單纖維標(biāo)準(zhǔn)試樣在萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上以1.5mm/min的加載速度施加拉力,直至拉斷,每組制作10個有效試件,在顯微鏡下記錄各試件的斷頭數(shù).3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論3.1單絲纖維長度與強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系:不同長度L(mm)的纖維有不同的斷裂強(qiáng)度(GPa),二者的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示,可以看到數(shù)據(jù)具有較好的線性,且隨纖維長度增加強(qiáng)度不斷下降,擬合直線方程可以表示為:=1.14-0.023L (3)根據(jù)纖維長度,由公式就可以計(jì)算出某長度下纖維斷裂強(qiáng)度.纖維長度與模量的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示,可以看到隨著纖維長度的增加,模量略有減小,但線性程度較差,除10 mm時模量較高, 20 mm與30 mm時模量基本接近.3.2促進(jìn)劑、固化劑含量對基體強(qiáng)度、彈性模量的影響由表1我們可以看出,隨著促進(jìn)劑和固化劑含量的增加,基體的強(qiáng)度和彈性模量都有所增加,材料的脆性增強(qiáng)、塑性降低.4結(jié)論1)耐堿玻璃纖維單絲抗拉強(qiáng)度隨纖維段長度增加而減小,二者呈線性關(guān)系,擬合直線方程為:=1.14-0.023L2)耐堿玻璃纖維彈性模量