專(zhuān)利名稱(chēng)：一種提高碳纖維布張拉性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高碳纖維布張拉性能的方法。
背景技術(shù)：
在結(jié)構(gòu)表面用樹(shù)脂等粘結(jié)劑粘貼連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料(Fiber ReinforcedPolymer，F(xiàn)RP)的加固方法，作為一種新型有效的土木建筑結(jié)構(gòu)加固增強(qiáng)技術(shù)最近被越來(lái)越廣泛應(yīng)用，特別是比強(qiáng)度和比模量高的碳纖維在實(shí)際結(jié)構(gòu)加固增強(qiáng)中的使用量特別大，由于該施工方法具有良好的施工性及優(yōu)良的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛地認(rèn)可和應(yīng)用，現(xiàn)已漸漸取代傳統(tǒng)的加固方法而成為主要的加固施工方法。連續(xù)纖維復(fù)合材料的預(yù)應(yīng)力加固即PC加固技術(shù)已經(jīng)得到廣泛研究，并不斷取得進(jìn)展，實(shí)驗(yàn)表明預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在提高結(jié)構(gòu)的性能及抑制結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)展等方面有顯著的效果，能夠達(dá)到實(shí)際的施工要求。
然而，當(dāng)將連續(xù)纖維材料含浸硬化后的FRP復(fù)合材料粘貼在表面存在一定凹凸的混凝土表面時(shí)，即使在實(shí)驗(yàn)室也很難得到理想的粘結(jié)性能，而且含浸后的FRP缺乏柔韌性而不能彎曲從而增加了運(yùn)輸?shù)确矫娴碾y度。因而，將無(wú)含浸的纖維布拉伸含浸后用樹(shù)脂粘貼在結(jié)構(gòu)上的加固增強(qiáng)技術(shù)可以作為解決上述問(wèn)題的一個(gè)有效方法。但是，通過(guò)發(fā)明者的大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于長(zhǎng)度為2m的普通碳纖維布，當(dāng)張拉到其含浸布的張拉強(qiáng)度的10％時(shí)，便開(kāi)始出現(xiàn)逐漸的纖維斷裂，當(dāng)拉伸到其含浸布張拉強(qiáng)度的30-40％時(shí)整個(gè)纖維布便會(huì)斷裂，并隨著試件長(zhǎng)度的增加其張拉強(qiáng)度還進(jìn)一步的降低。而對(duì)于普通玻璃纖維，無(wú)含浸布也只能張拉到其含浸布張拉強(qiáng)度的30-40％，但在整體斷裂之前幾乎沒(méi)有出現(xiàn)纖維的先期斷裂，而無(wú)含浸玻璃纖維布中纖維的斷裂集中在其張拉強(qiáng)度的30-40％范圍之內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)便實(shí)用的提高碳纖維布張拉性能的方法。
本發(fā)明所提供的提高碳纖維布張拉性能的方法，是將碳纖維布與一種或幾種高延性纖維布進(jìn)行混雜，所述高延性纖維布的極限拉伸應(yīng)變大于所述碳纖維布的極限拉伸應(yīng)變，并在達(dá)到其極限張拉應(yīng)變之前不出現(xiàn)明顯的逐漸斷裂現(xiàn)象。
其中，碳纖維布與高延性纖維布的層數(shù)比可為5∶1-15。
常用的高延性纖維布可選用E玻璃纖維布、玄武巖纖維布、T玻璃纖維布和聚乙烯纖維布等，但其前提條件是1)此類(lèi)高延性纖維布在無(wú)含浸狀態(tài)下的極限拉伸應(yīng)變應(yīng)至少要大于無(wú)含浸碳纖維布的極限張拉應(yīng)變，通常大于9000με；2)在達(dá)到其極限張拉應(yīng)變之前，不出現(xiàn)明顯的逐漸斷裂現(xiàn)象，即幾乎處于無(wú)損狀態(tài)。
為了保證更均勻的對(duì)混雜后的纖維布進(jìn)行張拉，碳纖維布與高延性纖維布還可進(jìn)行部分含浸。所述含浸的間隔長(zhǎng)度為400mm-3000mm，含浸的間隔數(shù)沒(méi)有特定的限制，可根據(jù)實(shí)際的工況條件而定。
本發(fā)明通過(guò)將碳纖維布和高延性纖維布進(jìn)行混雜，利用普通高延性纖維布較高的極限應(yīng)變和良好延性，在碳纖維受力逐漸出現(xiàn)斷裂時(shí)，高延性纖維布處在相對(duì)比較低的應(yīng)力狀態(tài)還具有充分的被張拉余量，可以充分承擔(dān)由于碳纖維逐漸斷裂所轉(zhuǎn)移的載荷和產(chǎn)生的沖擊，從而有效地提高無(wú)含浸碳纖維布的張拉性能，能達(dá)到其設(shè)計(jì)值的60％以上，極限應(yīng)變達(dá)到9000～10000με。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單實(shí)用，所用的高延性纖維布成本低廉，可以廣泛應(yīng)用于土建、交通及能源結(jié)構(gòu)加固等領(lǐng)域。


圖1為高延性纖維布的載荷-應(yīng)變曲線(xiàn)；圖2為混雜纖維布的尺寸構(gòu)造圖；圖3為混雜纖維布的載荷-應(yīng)變曲線(xiàn)；圖4為混雜纖維布的載荷-應(yīng)變曲線(xiàn)；圖5為最大載荷及其分散性圖；圖6為斷裂應(yīng)變及其分散性圖；圖7為計(jì)算的斷裂應(yīng)變圖；圖8為混雜纖維布的尺寸構(gòu)造圖；圖9A、圖9B為混雜纖維布的尺寸構(gòu)造圖；圖10為混雜纖維布的載荷-應(yīng)變曲線(xiàn)；圖11為含浸間隔數(shù)與斷裂應(yīng)變曲線(xiàn)；圖12為試件1D1C1的載荷-應(yīng)變曲線(xiàn)。
具體實(shí)施例方式
一、實(shí)驗(yàn)材料碳纖維布選用較普通的PAN系高強(qiáng)度碳纖維布(C1)；2m長(zhǎng)的無(wú)含浸碳纖維布只能張拉到其設(shè)計(jì)強(qiáng)度的30～40％，而且當(dāng)張拉到其設(shè)計(jì)強(qiáng)度的10％時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)微觀(guān)斷裂損傷。
這里所用的普通高延性纖維布，是指那些不具有特別的抗沖擊性能且在無(wú)含浸狀態(tài)下的張拉強(qiáng)度在相應(yīng)FRP復(fù)合材料張拉強(qiáng)度50％以下的纖維布，不適合進(jìn)行單獨(dú)的張拉，但其張拉極限應(yīng)變是碳纖維1.5倍以上。常用的纖維布有，E玻璃纖維布(記作EG)，玄武巖(Basalt)纖維布(記作B)，比E玻璃纖維布具有更高拉伸強(qiáng)度和極限應(yīng)變的高強(qiáng)度T玻璃纖維布(記作TG)，以及極限應(yīng)變更大且具有高抗沖擊性能的高強(qiáng)度聚乙烯纖維布(Dyneema5))(記作D)，這些布均為單向連續(xù)纖維布。
上述纖維布的性能列于表1。
表1不同纖維布的性能

上述高延性纖維布的載荷-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖1所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將無(wú)含浸的E玻璃纖維、T玻璃纖維和玄武巖纖維布的拉伸性能與各自的含浸后FRP的相應(yīng)設(shè)計(jì)性能相比，發(fā)現(xiàn)這些試件的彈性模量大致相同；無(wú)含浸E玻璃纖維布(EG)的張拉強(qiáng)度比為66.2～71.1％(斷裂應(yīng)變?yōu)?2455～13367με左右)，無(wú)含浸T玻璃纖維布(TG)的為5 1.0～53.3％(斷裂應(yīng)變?yōu)?6014～16736με左右)，無(wú)含浸玄武巖纖維布(B)的為64.0～67.0％(斷裂應(yīng)變?yōu)?2032～12596με左右)。
而高強(qiáng)度聚乙烯纖維布其平均拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的84.0％(相當(dāng)于25872με左右)，具有更好的張拉延展性。
從研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些普通高延性纖維布并沒(méi)有特別高的沖擊吸收能力，表明不能張拉到實(shí)用的載荷(應(yīng)力)水平。但是，1)與碳纖維布不同，在達(dá)到最終的斷裂前沒(méi)有出現(xiàn)微觀(guān)的斷裂，2)其無(wú)含浸布的斷裂應(yīng)變可達(dá)到12000με以上。
二、層間鋪層混雜布的制備層間混雜布的部分含浸的成型過(guò)程如下所示①將放置在易剝離的塑料薄膜上的連續(xù)纖維布在設(shè)定的含浸位置以0.5g/m2/l層的環(huán)氧樹(shù)脂用量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行雙面含浸；②在按上述方法含浸的同時(shí)，將高強(qiáng)度纖維布和高延性纖維布按順序進(jìn)行層間鋪層混雜；③然后，在上面覆蓋一層易剝離的塑料薄膜，并從上面開(kāi)始在均勻施加壓力的同時(shí)用脫泡滾筒除去含浸處的氣泡。此時(shí)，在操作過(guò)程中要注意不要讓樹(shù)脂流到?jīng)]有含浸的部分。在上述的工序完成之后，用橡膠加熱毯在60℃溫度下進(jìn)行大約3個(gè)小時(shí)的加熱養(yǎng)護(hù)，此時(shí)的加熱溫度應(yīng)控制在70℃以下，如果超過(guò)了這個(gè)溫度容易引起混雜纖維布出現(xiàn)一定的折皺現(xiàn)象；等加熱3個(gè)小時(shí)半硬化后，再在80℃的溫度下加熱養(yǎng)護(hù)3個(gè)小時(shí)使其完全硬化。最后，將試件冷卻到室溫，將試件的端部用樹(shù)脂粘貼上鋼板并用螺栓固定后在80℃的溫度下進(jìn)行加熱養(yǎng)護(hù)3個(gè)小時(shí)，等樹(shù)脂充分硬化后進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。
按照表2制作出幾種不同的混雜布，表中，C1表示碳纖維布，EG代表E玻璃纖維布，TG代表T玻璃纖維布，B代表玄武巖纖維布；1EG1C1表示為含有1層E玻璃纖維布和1層碳纖維布，其他與此類(lèi)似；每種混雜布制作三個(gè)試件。
表2不同試件的組成

上述每個(gè)試件的寬度為80mm，長(zhǎng)度為2m，每隔400mm進(jìn)行含浸長(zhǎng)度為50mm的部分含浸，含浸區(qū)域以外的部分層與層之間處于非粘接狀態(tài)，其尺寸構(gòu)造如圖2所示，圖中11為無(wú)含浸(干)的纖維布，長(zhǎng)度為400mm；12為含浸部分，長(zhǎng)度為50mm；13為試件的端部，用于固定于測(cè)試儀器中，長(zhǎng)度為350mm。
三、測(cè)試結(jié)果對(duì)混雜纖維布進(jìn)行張拉試驗(yàn)，根據(jù)拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所有試件的斷裂情況大致相同，在達(dá)到最大載荷前沒(méi)有聽(tīng)到纖維微觀(guān)斷裂而發(fā)出的聲音和發(fā)現(xiàn)由于纖維的部分微觀(guān)斷裂而出現(xiàn)的載荷下降等現(xiàn)象。在達(dá)到最大載荷時(shí)，無(wú)含浸的碳纖維和高延性纖維同時(shí)完全斷裂。
每種混雜纖維布的載荷-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖3和圖4所示，其中所用的載荷值和拉應(yīng)變值為三個(gè)試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。在這些圖中沒(méi)發(fā)現(xiàn)載荷的突然降低，在達(dá)到最大載荷的瞬間試件突然斷裂即載荷降低到零，與觀(guān)察到的結(jié)果一致。但是，從每種混雜組合的3個(gè)試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在張拉應(yīng)變上存在比較大的分散性，為了更明確的進(jìn)行研究和考察，有必要對(duì)這些性能的分散性進(jìn)行評(píng)定。
層間混雜FRP布的平均彈性模量Eave與高強(qiáng)度纖維布的彈性模量Es，斷面積As，高延性纖維布的彈性模量Ed，斷面積以及總面積A(＝As+Ad)之間的關(guān)系可以用式(1)來(lái)表示Eave＝(EsAs+EdAd)/A(1)但是，該公式只能在纖維出現(xiàn)斷裂前適用。在此，高強(qiáng)度纖維布和高延性纖維布的拉伸強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變分別用σs，σd，εs，εd來(lái)表示，由于σs＞σd，εs＜εd，高強(qiáng)度纖維布早斷裂，在斷裂瞬間混雜材料所承擔(dān)的載荷為混雜材料所能夠承擔(dān)的最大載荷，記作Pmax，可以通過(guò)下式(2)求得，Pmax＝εs(EsAs+EdAd)(2)關(guān)于式(2)，Eave在發(fā)生部分?jǐn)嗔亚盀橐欢ㄖ担詫?shí)驗(yàn)所得到的載荷最大值與Pmax的比值也意味著在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所得到的斷裂應(yīng)變與FRP復(fù)合材料斷裂應(yīng)變的比值。
各種混雜纖維布的3個(gè)試件的最大載荷、斷裂應(yīng)變以及其分散性分別如圖5和圖6所示。載荷的分散性比較小，但斷裂應(yīng)變的分散性比較大在1000～3000με范圍之內(nèi)，因而為了更明確地把握試件的斷裂應(yīng)變，根據(jù)最大載荷的計(jì)算值求出斷裂應(yīng)變值。將式(2)進(jìn)行變形，并把最大載荷的實(shí)驗(yàn)值Pme代入式(3)，便可以算出斷裂應(yīng)變?chǔ)舠＝Pme/(EsAs+EdAd)(3)根據(jù)上式所算出的斷裂應(yīng)變?nèi)鐖D7所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)所有試件的最終拉伸載荷均超過(guò)了根據(jù)式(2)所求得的相應(yīng)最大載荷理論值(Pmax)的60％，表明這種無(wú)含浸混雜可以大大提高無(wú)含浸碳纖維布的張拉性能，可以將無(wú)含浸碳纖維布的斷裂應(yīng)變提高到9000με以上。
然后對(duì)碳纖維布的混雜量逐漸增加的一組試件1EG-1C1，1EG-2C1和1EG-3C1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較，各自的最大實(shí)驗(yàn)載荷Pme分別達(dá)到了其相應(yīng)最大理論值(Pmax)的60.9％(斷裂應(yīng)變?yōu)?013με左右)，65.4％(9679με左右)，64.2％(9502με左右)，相比碳纖維布只有1層的情況，當(dāng)碳纖維布的層數(shù)為2、3或更多時(shí)更能提高張拉程度。實(shí)驗(yàn)表明即使混雜布中碳纖維的混雜量發(fā)生變化，相對(duì)于Pmax所定義的最大載荷比也沒(méi)有發(fā)生大的變化。1EG-1C1的張拉強(qiáng)度比1EG-2C1和1EG-3C1的張拉強(qiáng)度稍稍低些的事實(shí)表明，對(duì)于碳纖維混雜比比較小的混雜布，材料性能的分散性對(duì)混雜布張拉性能的影響更大。此外，還發(fā)現(xiàn)增加了E玻璃纖維混雜量的試件2EG-1C1的張拉程度與1EG-1C1試件的張拉程度大致相同，由于達(dá)到了碳纖維的潛在斷裂應(yīng)變極限，即使增加高延性纖維的層數(shù)，碳纖維的最大載荷也基本不會(huì)增加。從用比E玻璃纖維斷裂應(yīng)變更大的T玻璃纖維作為高延性纖維的試件1TG-1C1的研究結(jié)果也可以得出同樣的結(jié)論。
采用相同方法將高強(qiáng)度聚乙烯纖維(D)與碳纖維布(C1)混雜制作試件1D1C1，并進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，對(duì)試件1D1C1的拉伸性能進(jìn)行評(píng)定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，載荷-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖12所示，圖中所用的載荷和拉應(yīng)變值是三個(gè)試件的平均值。由于高強(qiáng)度聚乙烯纖維有高度的抗沖擊性能，可以對(duì)碳纖維的微觀(guān)斷裂進(jìn)行更好的抑制，使無(wú)含浸碳纖維的張拉強(qiáng)度達(dá)到其設(shè)計(jì)強(qiáng)度的65.3～69.5％(斷裂應(yīng)變?yōu)?664～10286με左右)，這個(gè)強(qiáng)度比也只是達(dá)到了或稍稍高于碳纖維與通常的高延性纖維混雜張拉強(qiáng)度比的上限值，因而不能期待得到比這更好的無(wú)含浸混雜張拉效果。
四、無(wú)含浸混雜布的長(zhǎng)度尺寸效應(yīng)以400mm的部分含浸的區(qū)間的數(shù)量為參數(shù)，對(duì)1 EG2C1的混雜纖維布進(jìn)行測(cè)試，含浸區(qū)間數(shù)為1，3，6和9分別記作1EG2C1-1NI，1EG2C1-3NI，1EG2C1-6NI和1EG2C1-9NI。這些試件的寬度均為80mm，只是試件的長(zhǎng)度發(fā)生變化。其中，1EGC1-3NI試件尺寸如圖2所示，1EG2C1-1NI、1EG2C1-6NI、1EG2C1-9NI試件的尺寸分別如圖8、圖9A和圖9B所示圖中，21為干的纖維布，長(zhǎng)度為400mm；22為含浸部分，長(zhǎng)度為50mm；23為試件端部，長(zhǎng)度為200mm，用于進(jìn)行張拉測(cè)試時(shí)固定試件用。
在試件的兩端用兩塊鋼板夾住試件，試件和鋼板之間用環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)并用螺栓固定，其中的一塊鋼板與-作為聯(lián)接器的PC鋼筋焊接以便張拉。在另一端安裝測(cè)力元件，然后用千斤頂以5kN/min的速度進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)。在試件的中間含浸部分用無(wú)線(xiàn)應(yīng)變片測(cè)量拉伸應(yīng)變。
上述試件的載荷-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖10所示，其中的的載荷和應(yīng)變值分別為3個(gè)試件的平均值。從圖可以看出，即使試件的長(zhǎng)度尺寸不同，所得到的最大載荷，彈性模量和斷裂應(yīng)變基本相同。根據(jù)式(3)和平均最大載荷所求得的應(yīng)變?nèi)鐖D11所示。
1EG2C1-6NI和1EG2C1-9NI的平均應(yīng)變分別為9679με和9650με，與1EG2C1-3NI的平均應(yīng)變(9664με)大致相同，表明尺寸效應(yīng)對(duì)無(wú)含浸碳纖維所存在的潛在斷裂應(yīng)變的界限幾乎沒(méi)有影響。
五、結(jié)論通過(guò)與比碳纖維布的斷裂應(yīng)變更大的E玻璃纖維布、玄武巖纖維布等進(jìn)行混雜，可以將無(wú)含浸碳纖維布的張拉強(qiáng)度提高到其設(shè)計(jì)強(qiáng)度的60.9～65.4％(斷裂應(yīng)變?yōu)?013～9679με左右)，且與高延性纖維的混雜比沒(méi)有明顯的依存關(guān)系。
對(duì)1EG2C1無(wú)含浸混雜組合進(jìn)行了尺寸效應(yīng)的研究，分別取含浸間隔數(shù)為1，3，6和9，相應(yīng)的試件的長(zhǎng)度分別為600mm，2m，3m和4m，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其平均斷裂應(yīng)變大致相同分別為9072με，9664με，9679με和9650με。因而，從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了尺寸效應(yīng)對(duì)無(wú)含浸碳纖維布潛在的斷裂應(yīng)變界限沒(méi)有明顯的影響。
權(quán)利要求
1.一種提高碳纖維布張拉性能的方法，是將碳纖維布與一種或幾種高延性纖維布進(jìn)行混雜；所述高延性纖維布的極限拉伸應(yīng)變大于所述碳纖維布的極限拉伸應(yīng)變，并在達(dá)到其極限張拉應(yīng)變之前不出現(xiàn)明顯的逐漸斷裂現(xiàn)象。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于碳纖維布與高延性纖維布的層數(shù)比為1∶0.2-3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述高延性纖維布選自E玻璃纖維布、玄武巖纖維布、T玻璃纖維布和聚乙烯纖維布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的方法，其特征在于所述碳纖維布與高延性纖維布進(jìn)行部分含浸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述含浸的間隔長(zhǎng)度為400mm-3000mm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種提高碳纖維布張拉性能的方法。本發(fā)明方法，是將碳纖維布與一種或幾種高延性纖維布進(jìn)行混雜；所述高延性纖維布的極限拉伸應(yīng)變大于所述碳纖維布的極限拉伸應(yīng)變，并在達(dá)到其極限張拉應(yīng)變之前不出現(xiàn)明顯的逐漸斷裂現(xiàn)象。本發(fā)明通過(guò)將碳纖維布和高延性纖維布進(jìn)行混雜，利用高延性纖維布高的極限應(yīng)變，碳纖維的微觀(guān)斷裂及隨后所出現(xiàn)的斷裂快速連續(xù)擴(kuò)展可以有效的被控制，從而有效地提高無(wú)含浸碳纖維布的張拉性能，能達(dá)到其設(shè)計(jì)值的60％以上。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單實(shí)用，所用的高延性纖維布成本低廉，可以廣泛應(yīng)用于土建、交通及能源結(jié)構(gòu)加固等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)D06N7/00GK101089282SQ20061008749
公開(kāi)日2007年12月19日 申請(qǐng)日期2006年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月12日
發(fā)明者吳智深, 巖下健太郎, 岳清瑞, 呂志濤, 楊勇新, 吳剛 申請(qǐng)人:吳智深, 岳清瑞, 呂志濤