0 引 言

玄武岩纤维(BFRP)是以玄武岩矿石为原料,经过一系列工艺过程生产出的丝状产品,具有力学强度高、化学稳定性好、耐温、隔音、电绝缘等优异性能,是一种低成本、高性能的新型优质增强材料[1-3]。玄武岩纤维网格以玄武岩纤维为原料,编织成网格状,再经过表面涂覆处理、烘干成型[4]。玄武岩纤维网格作为建筑加固用材具有广泛的应用前景,其抗拉强度、弹性模量等基本力学性能与测定时试样的形状、加载速度等有关,目前,国内外对纤维网格作为结构加固用材基本力学性能的试验方法尚无统一的规范[4-8],适用于纤维复合材料测试的国内外规范中对应应变速率各不相同(表1),依据其建议的试件尺寸和加载速度,对应的应变速率范围为1.96×10-4～8.33×10-3 s-1。一般认为,应变速率小于10-4s-1属于低应变速率(属静态加载),10-4～102 s-1属于中等应变速率(属准动态加载),大于102 s-1属于高应变速率(属动态加载)[9]。上述规范所限定的应变速率范围为准动态加载,为地震作用下的应变速率范围。大量研究结果表明,加载速度对复合材料的力学参数影响很大,是影响试验结果的重要因素[10-15]。在已有研究报道中,文献[10]指出塑料土工格栅的拉伸强度和拉伸模量随加载速度的降低而降低,且与加载速度的自然对数函数线性相关,峰值应变随加载速度的增加而增加;文献[11]和[14]指出对同一种网格,加载速度越大,极限拉伸强度越大,同一种材料在不同的加载速度下可能会出现合格与不合格两种截然不同的结果;文献[15]指出纤维复合板材的泊松比对加载速度不敏感,但弹性模量和极限强度随着加载速度的增加而增加。玄武岩纤维网格作为加筋材料,拉伸性能指标的测试技术及测试结果的准确性是影响工程安全使用的重要因素。针对建筑结构正常使用状态的受力情况(属静态加载范围)与目前规范建议的应变速率范围的不同,本文在静态加载与准动态加载范围内,对3种不同规格型号的玄武岩纤维网格材料在不同应变速率下的基本力学性能进行了试验研究,并分析了纤维网格的表观特征、纤维束初始波状弯曲、纤维束面积、网格尺寸、浸渍程度对玄武岩纤维网格基本抗拉力学性能的影响及原因,为该材料作为建筑加固用材的基本力学性能、结构设计和材料生产提供参考。

表1 我国现行的复合材料拉伸性能测试标准(规程)

 

Table 1 Current test standards (codes) for the tensile properties of FRP

  

标准(规程)材料应变速率/s-1玄武岩纤维及其制品(JT/T776.3—2010)玄武岩纤维土工格栅8.33×10-3土工合成材料测试规程(SL235—2012)各类土工格栅3.33×10-3公路工程土工合成材料试验规程(JTGE50—2006)各类土工格栅、土工加筋带3.33×10-3单边或多边拉伸法网格拉伸性能测定的标准试验方法(ASTM6637—2011)不同宽度的带状网格1.67×10-3增强材料机织物试验方法(GB/T7689.5—2013)玻璃纤维机织物8.33×10-3纤维增强塑料拉伸性能试验方法(GB1447—2005-T)纤维增强塑料1.96×10-4玻璃纤维土工格栅(GB/T21825—2008)玻璃纤维土工格栅4.76×10-3

注:表中应变速率为试验机加载速度/试样计量长度,实际操作过程中由于加载速度包含机械位移在内会造成实际应变率小于表中值

1 实验材料及方法

1.1 实验材料与试件样式

本试验采用的玄武岩纤维网格由江苏绿材谷新材料科技发展有限公司提供,为编织网格,网格所采用的纤维丝均为同种玄武岩纤维丝,依据网格网孔中心距大小,分为5 mm×5 mm、10 mm×10 mm、25 mm×25 mm三种型号,试验前对3种型号的玄武岩纤维网格纤维束采用电镜扫描(SEM)技术,观察树脂浸渍程度,并依据放大后的图像计算单根纤维束的横截面面积,扫描结果见图1。玄武岩纤维网格主要技术规格见表2。由扫描结果可知,3种型号的纤维束截面均呈扁平状形态,纤维丝均呈圆柱状;对比3种型号的纤维束浸渍效果,B组浸渍效果最好,A组其次,C组纤维束外表面部位树脂浸渍效果较好,内部树脂浸渍效果较差以至于核心部位出现中空现象,即C组浸渍效果最差。

单向受拉试样采用单层玄武岩纤维网格片材,试验试件长220 mm、宽40 mm,由一个标距段、两个过渡段和两个夹持段组成,试样示意图见图2。其中,夹持段两侧采用环氧树脂AB胶黏贴40 mm×40 mm的钢板进行加固,为仪器加载头夹持区域;过渡段两侧采用环氧树脂AB胶各黏贴1层玄武岩纤维布进行加固,纤维布延伸至夹持段,增设过渡段目的为避免纤维束在夹持段边缘发生断裂。

1.2 加载制度及试验分组

试验在同济大学工程结构耐久性试验室进行,采用WDW050kN申力万能试验机,采样频率为2 Hz;采用专门定制的引申计采集标距段变形,标距段长度为80 mm,加载装置见图3。试验采用位移控制加载方式,为实现应变速率在静态加载与准动态加载的范围,将加载速度设为3.30×10-3 mm/s、1.67×10-2 mm/s、3.33×10-2 mm/s。材料的实际应变速率通过引申计计算获得,见表3。试验前施加预紧力,将试件拉直。试验试件共分为9组,试验分组详见表3。

本书是阿里巴巴集团前总参谋长曾鸣对互联网时代的重要趋势做出革命性解读的作品，披露了其对于未来商业模式的思考和判断。作者基于在阿里巴巴集团十几年的实践经验，以及对互联网、大数据和人工智能的深入思考，在书中提出了未来30年新的商业模式——智能商业。“网络协同”和“数据智能”是新商业生态系统的D N A，在万物互联的时代，只有智能商业的新物种才能生存和发展。作者曾鸣，现任阿里巴巴集团学术委员会主席，湖畔大学教育长，阿里巴巴商学院院长。2006～2017年担任阿里巴巴集团总参谋长。

  

图1 玄武岩纬向纤维束电镜扫描图Fig.1 SEM image of basalt fibre bundle

表2 玄武岩纤维网格的主要技术规格

 

Table 2 Main index of the basalt fibre grid in test

  

网格型号/mm×mm试样代码经向网孔中心距/mm纬向网孔中心距/mmSEM单束面积①/mm2试件包含纤维束数量试件面积①/mm25A5±15±10.36972.58410×10B10±110±10.32441.29425×25C25±125±13.08226.164

注:①采用电镜扫描3种型号单纤维束横截面,然后通过对应图片面积和比例尺计算得到纤维束截面面积

  

图2 受拉试样示意图Fig.2 Tensile test specimen

  

图3 加载装置图Fig.3 Loading equipment diagram

2 结果与讨论

试验以试件承载力出现明显波动时为试件破坏,由图4和图6可知,A组和B组纤维网格应力-应变曲线分为刚度增长阶段和刚度稳定阶段,E为刚度稳定阶段测得的弹性模量,此时σ1、ε1为刚度增长阶段结束点对应的应力和应变,σ2、ε2为刚度稳定阶段结束点对应的应力和应变,即为极限应力和极限应变;C组纤维网格应力-应变曲线分为刚度稳定阶段和刚度退化段,E为刚度稳定阶段测得的弹性模量,σ2、ε2为刚度稳定阶段结束点对应的应力和应变,即为极限应力和极限应变。试验所得玄武岩纤维网格基本力学参数见表3,表中结果为有效试件试验结果的平均值,每组有效试件为5个。

  

图4 典型应力-应变曲线Fig.4 Typical stress-strain behavior

2.1 破坏形态

从A组到C组,网格尺寸逐渐增大。B组纤维束面积最小,C组最大。在相同应变速率下,B组纤维束破坏时纤维网格错位较大,纬向纤维束与经向纤维束基本发生分离,大部分纤维束发生断裂现象,其破坏剧烈程度大于A组和C组,弹性模量及应力σ2随应变速率变化波动较大。A组和C组纤维束破坏时网格相对初始状态基本无错位,纬向纤维束与经向纤维束未发生分离;A组纤维束存在切口式和散开状破坏,而C组纤维束仅为散开状破坏;破坏剧烈程度上,A组和C组破坏剧烈程度在试验设定的应变速率范围内差异性不大,C组比A组缓和。由此可知,纤维束面积增大和纤维束间距变小均能提高非受力向纤维束对受力向纤维束的约束作用,降低纤维网格断裂时的破坏剧烈程度与应变速率的相关性。

表3 玄武岩纤维网格力学参数

 

Table 3 Tensile properties of basalt fibre grid

  

试件编号①加载速度/(×10-2mm/s)应变速率②/(×10-4s-1)Fmax③/kN单束纤维承载力/kNE/GPaσ2/MPaε2/%Fmax变异系数/%A-10.330.31.2830.1829.84496.41.897.51A-21.6711.2690.1830.21491.21.913.81A-33.3331.4250.2030.82552.22.046.99B-10.330.30.7460.1933.87576.22.0610.38B-21.6710.6660.1730.04514.92.052.91B-33.3330.7470.1932.58577.12.0410.55C-10.330.34.4542.2326.94584.32.284.55C-21.6714.5002.2528.98643.42.315.10C-33.3334.6282.3128.56625.52.265.99

注:①编号为字母-数字,其中字母代表网格尺寸,同表2;②应变速率为试件破坏前,标距段的引申计实测应变与时间的比值;③Fmax为A组和B组刚度稳定段结束时的荷载,为C组刚度退化段结束时的荷载。

2.2 应力-应变曲线

由图6可知,A组和B组纤维网格应力-应变曲线分为刚度增长阶段和刚度稳定阶段。主要原因是网格中的玄武岩纤维束存在波浪状弯曲现象,见图7,文献[16]也指出由于机织物纱线的弯曲形状,使得其初始弹性模量明显较低,当所有纤维束均被拉直时进入刚度稳定阶段;所以,在受拉初期纤维束的变形由纤维束从波浪状弯曲状态逐渐拉直的变形和纤维束微段受拉产生的变形两部分组成;相较于A组和B组,C组纤维束较硬挺,初始弯曲程度较小,没有明显的刚度增长阶段,但存在刚度退化阶段,主要原因是C组单束纤维面积远大于A组和B组(约为10倍),且纤维束环氧树脂浸渍效果差,发生纤维与树脂剥离破坏,造成宏观应力-应变的退化现象。

7) 主机调速。当主机运行时，根据主车钟令和速度调节曲线计算出给定转速，系统向电喷控制系统发出转速设定指令，由电喷控制系统控制主机调速。

  

图5 玄武岩纤维网格破坏形态Fig.5 Failure patterns of basalt fibre grid

  

图6 试件应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain behavior of specimens

实验组患者的护理总满意率(94.87%)明显高于对照组患者的护理总满意率(71.79%),组间数据比较差异有统计学意义(P<0.05)。见表2.

习近平总书记指出：卫生与健康事业是一项极其崇高也非常特殊的事业。城市公立医院需要在提高资源利用率、改善服务可及性和服务质量方面，发挥主导作用[14]。我院在开展医务志愿者服务工作中，通过志愿助人服务、志愿关怀服务、志愿环卫服务为病人提供良好的就诊体验，有利于增加病人医院就诊意向，提高病人就诊满意度；医护人员志愿公益义诊，开展公益活动，有利于提高居民就医可及性[15-16]和健康生活意识和行为；为社区居民提供与其医疗保险计划相关联的综合性健康服务[17]，有利于提高服务质量与服务连续性[18]。

2型糖尿病患者外周血液指标的变化及其与颈动脉硬化的相关性…………………… 赵梁燕 高倩 陈将南 等（3）360

  

图7 A组单根纤维束图Fig.7 Basalt fibre bundle of group A

  

图8 预应力值百分比Fig.8 Percentage of prestress to failure strength

2.3 弹性模量、破坏强度与应变

由图9(b)可知,3种型号的网格应力σ2均大于490 MPa,其中,A组和B组应力呈先降低后增加的趋势,C组应力出现先增加后降低的趋势。

应变速率从3.33×10-5 s-1增加到3.33×10-4 s-1时,对比3种型号的玄武岩纤维网格拉伸试验结果,由图9(a)可知,3种型号的网格的弹性模量在26～34 GPa之间,其中A组弹性模随应变速率的增加呈现增长趋势,呈现的正相关性;B组弹性模量出现先降低后增长的趋势,最大弹性模量与最小弹性模量相差11.29%;C组弹性模量整体小于A组和B组,并在应变速率从3.33×105 s-1增加到1×10-4 s-1时,出现增长趋势,最大弹性模量与最小弹性模量相差7.02%。B组和C组的弹性模量与应变速率的相关性规律不明显。

3种型号的网格虽然均为玄武岩纤维网格,但其材料属性与应变速率相关性存在明显的差异性,其原因是材料属性受纤维束面积、网格尺寸、树脂浸渍程度等因素的影响。

由图9(c)可知,3种型号的网格ε2均大于1.8%,小于2.5%;从试验结果看,3种型号网格ε2变化比较平稳,A组网格ε2变化了7.39%,B组网格ε2变化了0.91%,C组网格ε2变化了2.25%。C组网格ε2明显大于A组和B组,且3种型号的网格ε2与应变速率无明显的相关性。

  

图9 力学性能与应变速率关系Fig.9 Tensile properties variation with respect to strain rate

2.4 纤维束面积、网格尺寸、树脂浸渍程度的影响

在试验过程中,发现玄武岩纤维网格在达到50%的极限荷载时发出断断续续的纤维丝拉断声,随着荷载增加,拉断声愈来愈密集,部分试件出现纤维束外表面断裂并伴随着清脆的绷断声,随后,试件达到极限荷载,发生脆性破坏。试件破坏后继续加载,发现在较短的时间内,纤维束依次发生断裂并伴随着清脆的绷断声,各纬向纤维束的破坏顺序具有随机性,最先破坏位置多数发生在经向与纬向纤维束交节点处,经分析是受拉时节点处应力集中,导致纤维束在节点处最先发生破坏。从纤维束的破坏模式看,主要分切口式(图5(a)、图5(b))和散开状(图5(c)、图5(d))。当纤维束浸渍效果较好,纤维丝协同工作性能好,纤维束易发生切口式破坏;当纤维束浸渍程度不足时,纤维束内外部纤维丝协同受力性能差,外部纤维丝受力大于内部纤维丝,纤维束易发生散开状破坏,且这种现象随着纤维束面积增加而表现的更加明显。图5(e)-图5(g)为3种型号的玄武岩纤维网格破坏位置处的电镜扫描图。从纤维单丝破坏模式看,有纤维丝与基体间脱粘现象(图5(f))和纤维丝断裂(图5(e)、图5(g))。

为克服纤维束初始波浪状弯曲对材料弹性参数测量的影响,试验中通常采用拉伸试验前施加预紧力的方法。文献[4]指出试样在最终加紧前,应在试件上施加2.0±0.2 N/tex的预张力,文献[17]则指出应施加2.0±0.2 cN/tex的预张力,两者相差102倍。本次试验,以20 N作为初始预紧力。从应力应变曲线发现,A组和B组仍存在初始弯曲问题。以刚度稳定阶段的起始应力可获得各试件为克服初始波浪状弯曲所需施加的预应力,则应施加预应力在极限应力的6.08%～14.39%之间,各组应施加应力平均值及变异系数见图8。所需施加预应力范围较大的主要原因是纤维束的初始弯曲程度差异较大,初始弯曲程度的差异性将给通过弹性参数预测网格在结构中的应力状态造成误差。

借助电镜扫描图像分析各型号纤维束的树脂浸渍程度。C组树脂浸渍效果差,纤维束内部存在中空现象(图1(c)),内外部纤维丝受力不均匀,发生散开状破坏,同时内外部纤维丝之间相互滑动导致应变ε2较大;A组和B组树脂浸渍效果比C组均匀(图1(a)、图1(b)),单根纤维束内外纤维丝受力较均匀,在破坏过程中纤维束主要为切口式破坏,同时,纤维丝之间未发生滑动,所以A组和B组纤维网格应变ε2小于C组。因此,树脂浸渍程度效果影响纤维束内外部纤维丝协同工作性能,进而影响玄武岩纤维网格的破坏模式与峰值应变[18-19]。

(1) 玄武岩纤维网格在单轴受拉时纤维束依次发生破坏,各纬向纤维束的破坏顺序具有随机性,破坏位置多数发生在经向与纬向纤维束交节点处,破坏形态主要分为切口式和散开状两种破坏模式,破坏时纤维丝出现脱黏和断裂两种破坏模式。

3 结 论

B组和A组的弹性模量明显大于C组,且B组的弹性模量大于A组,由此可知,纤维网格弹性模量受纤维束浸渍程度和纤维束面积的共同影响,且随着纤维束面积增大和浸渍效果降低而降低。

(2) 对较柔软纤维束(A组和B组),受纤维编织工艺影响,试验试件纤维束存在初始弯曲,应力-应变曲线出现刚度逐渐增长的初始阶段和应力-应变为线性关系的刚度稳定阶段。以刚度稳定阶段的起始应力作为克服初始波浪状弯曲所需施加的预应力,则应施加预应力在极限应力的6.08%～14.39%之间。

(3) 单束纤维截面面积和网格尺寸大小影响纤维束受力向断裂破坏程度,截面面积增大或减小网格尺寸可降低纤维脆性破坏的剧烈程度。在采用同种树脂和纤维的前提下,树脂浸渍程度影响纤维与树脂的协同工作性能,直接反映在纤维网格复合材料的应变ε2、弹性模量和破坏模式上。

(4)不同网格的速率相关性并不相同,从本次试验三组规格的试验结果可知,纤维网格复合材料极限应变受应变速率影响较小,弹性模量及峰值应力在0.3×10-4 ～1×10-4 s-1区间变化幅度较大,规律并不统一,在1×10-4 ～3×10-4s-1区间变化趋势较平稳,呈现略微增长的趋势。因此,建议材性测试的应变率区间设定在1×10-4～3×10-4s-1区间。

玄武岩纤维具有强度高、耐高温、耐化学腐蚀以及性价比高等众多优点,但影响纤维网格材料力学性能的因素较多,在产品规格要求,加工工艺控制及试验方法的差异性将引起产品力学性能差异,将影响产品的设计和利用效率。其在我国作为建筑加固用材依旧处于初期,尤其在玄武岩网格方面,国内研究甚少。对玄武岩纤维网格作为建筑加固用材需要进行更深入的研究。

历史以来陶瓷文化和陶瓷创作艺术，都是在一个共同点上展示其在不同年代的时代背景和风貌，蕴含着本民族特有的中华民族的精神气质、思想感情和惊人的创造力，并给予作品崇高的审美情感，才具备永恒的艺术收藏价值，使得古老文明的中国陶瓷与现代陶瓷艺术创作在世界艺术林海中独树一帜！

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