摘要

纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）復(fù)合管由單向連續(xù)玻璃纖維（環(huán)向玻璃）、樹脂（熱固性聚合物乙烯基酯）基體、短切玻璃（不連續(xù)短纖維）以及浸漬于樹脂中的顆粒增強(qiáng)材料組成。這些復(fù)合管根據(jù)其公稱直徑、壓力等級和剛度等級進(jìn)行分類。然而，迄今為止，此類復(fù)合材料的機(jī)械特性尚未得到全面研究。為此，本文提出了一種系統(tǒng)的方法，旨在通過軸向和環(huán)向拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，對其機(jī)械特性進(jìn)行全面的探究。當(dāng)前研究中使用的FRP復(fù)合管，其玻璃纖維沿環(huán)向以約89°角進(jìn)行增強(qiáng)。為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，我們選擇了與每個管道類別相關(guān)的三個批次，這些批次的成分略有差異。每批選取三個試樣，并對每個試樣進(jìn)行兩種類型的測試。每個管材類別共進(jìn)行了18次測試（2種測試類型 × 3個批次 × 3個試樣，即箍向9次測試，軸向9次測試）。因此，針對36種管材類別，共進(jìn)行了648次測試。軸向拉伸試驗(yàn)采用Instron 5569A和Instron 8801萬能試驗(yàn)機(jī)，環(huán)向拉伸試驗(yàn)則使用分盤液壓試驗(yàn)機(jī)。平均拉伸和環(huán)向應(yīng)力及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)差依據(jù)總體標(biāo)準(zhǔn)差（PSD）方程計算，并基于材料成分進(jìn)行繪制。研究結(jié)果顯示，顆粒增強(qiáng)材料成分的增加會導(dǎo)致軸向和環(huán)向拉伸強(qiáng)度降低。然而，增加樹脂、短切玻璃和玻璃纖維的比例，則有助于提升軸向和環(huán)向拉伸強(qiáng)度。

關(guān)鍵字：機(jī)械特性， FRP 復(fù)合管，軸向和環(huán)向拉伸強(qiáng)度，綜合實(shí)驗(yàn)研究

1 試驗(yàn)樣品制備

管道的橫截面圖由三層組成，包括表面層、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)層和襯墊層。表面和襯里是保護(hù)管道外表面和內(nèi)表面免受天氣、紫外線輻射以及腐蝕性和/或磨蝕性工作液影響的層，而增強(qiáng)層則提供機(jī)械強(qiáng)度。

圖1  典型顆粒 FRP 復(fù)合管的橫截面

用于實(shí)驗(yàn)研究的軸向和環(huán)向拉伸試驗(yàn)試樣，嚴(yán)格按照國際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）和美國材料與試驗(yàn)協(xié)會（ASTM）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指南進(jìn)行制備。這些試樣是從測試材料中精準(zhǔn)切割而成，具體如圖2所示。為避免對試樣造成任何損傷，采用了市售的手持式金剛石旋轉(zhuǎn)切割機(jī)進(jìn)行操作。

圖 2.從 FRP 復(fù)合管中提取試樣

用于軸向（縱向）拉伸試驗(yàn)的試樣是根據(jù)ISO 8513 和 ASTM 5083 標(biāo)準(zhǔn)從管道沿縱向切割的平行邊條制備的。這些試樣的寬度為 b = 25 mm，長 l = 300 mm。這些軸向拉伸帶試樣在支撐夾具之間的最小直線長度保持在 100 mm。試樣厚度等于管道的壁厚，壁厚隨不同的測試材料而變化。用于環(huán)狀（圓周）拉伸試驗(yàn)的試樣具有全直徑，厚度等于符合 ISO 8521 和 ASTM D2290 標(biāo)準(zhǔn)的管壁厚度。這些環(huán)向拉伸環(huán)試樣的總寬度為 25 mm，縮小的缺口截面的最小寬度為 15 mm。

圖3.從顆粒 FRP 復(fù)合管上切下的軸向拉伸帶試樣：（a） 3D CAD 模型，（b） 示意圖，（c） 真實(shí)的實(shí)驗(yàn)試樣

圖 4.從顆粒 FRP 復(fù)合管上切下的環(huán)狀拉伸條試樣：（a） 3D CAD 模型，（b） 示意圖，（c） 真實(shí)試樣

2 機(jī)械性能表征

2.1 拉伸試驗(yàn)

軸向拉伸試驗(yàn)的載荷-延伸結(jié)果用于獲取評估軸向拉伸強(qiáng)度（σ）所需的峰值軸向拉伸載荷值。圖 5 展示了軸向拉伸試樣的典型破壞模式?；w裂紋和分層是顯著的失效模式，這符合邏輯，因?yàn)槔w維以89°的角度纏繞，軸向拉伸載荷垂直于纏繞（環(huán)）軸。

圖 5.在軸向拉伸試驗(yàn)中觀察到的典型失效模式：（a） 斷裂試樣，（b） 分層， （c） 基體開裂

圖 6展示了環(huán)向拉伸試樣的典型破壞模式。纖維斷裂成為顯著的失效特征，表現(xiàn)為纖維在試樣縮小的橫截面處徹底斷裂。鑒于施加于圓周及垂直于軸線的環(huán)狀拉伸載荷，以及環(huán)狀纏繞拉伸試樣的半徑因素，所觀察到的斷裂模式顯得合乎情理。

圖6.在環(huán)向拉伸試樣中觀察到的典型失效模式

2.2 成分的影響

如前所述，我們選取了與每個管道類別相關(guān)的三個批次，這些批次的成分存在細(xì)微差異，并且每批次挑選了三個樣品以考量測試的可變性。鑒于組成材料的同一性、匹配的纏繞方向，以及纖維纏繞過程中使用的CNC機(jī)器的精確控制，通過分析組成材料的成分，能夠更深入地理解顆粒FRP復(fù)合管在不同壓力和剛度等級下的機(jī)械強(qiáng)度變化。

圖 7.LOI 測試樣本：（a）實(shí)際測試樣本的圖像和 （b）2D CAD 模型

馬弗爐和高精度天平用于執(zhí)行燒失量 （LOI） 測試。執(zhí)行 LOI 測試以評估組成材料的含量。用于 LOI 測試的試樣是從測試的軸向拉伸帶試樣中取回的，遠(yuǎn)離斷裂區(qū)域。如圖 7 所示，這些試樣的寬度為 b = 25 （mm），長 l = 25 （mm），有助于了解與每個測試類別對應(yīng)的管道相關(guān)的組成材料的成分（見圖 8）。

圖8.LOI 檢測設(shè)備和燒焦樣品：（a）馬弗爐，（b） 電子天平，（c）剩余的燒焦殘留物

表 1 說明了評估不同組成材料的成分 （%） 所遵循的計算細(xì)節(jié)。首先對試樣進(jìn)行稱重（圖 13a），然后放入坩堝（瓷杯）中，最后轉(zhuǎn)移到馬弗爐中（圖 13b）。爐內(nèi)的溫度保持不變，以確保均勻和適度的點(diǎn)火速率。點(diǎn)火過程需要大量時間來確保組成材料的完全燃燒。根據(jù)樣品的厚度，此過程最多需要 2-5 （h）。灼燒后，讓燒焦的殘渣冷卻，用鑷子分離殘渣中的不同成分，并在高精度天平中稱重。

表1.LOI 測試的典型計算詳細(xì)信息

每批的平均拉伸應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力使用 Eq 計算。 （1）及其相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)差是根據(jù) 2 個管道類別的總體標(biāo)準(zhǔn)差 （PSD） 方程計算的。

其中，σm,at和σm,ht分別表示與試樣拉伸試驗(yàn)所獲得的軸向強(qiáng)度和環(huán)向強(qiáng)度相對應(yīng)的平均強(qiáng)度。σn,at和σn,ht則分別代表對應(yīng)于試樣編號的軸向強(qiáng)度和環(huán)向強(qiáng)度。PSD和PSDHT分別表示經(jīng)受軸向和環(huán)向拉伸試驗(yàn)的試樣數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)差。n代表每批樣品的數(shù)量，在當(dāng)前研究中設(shè)定為3（n=3）。

對應(yīng)于不同管道類別的平均軸向和平均環(huán)向拉伸強(qiáng)度及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)差如圖9、圖 10、圖11、圖12所示。表2 提供了對應(yīng)于每種管道類別的平均組成材料以及平均軸向和平均環(huán)向拉伸強(qiáng)度。