[发明专利]一种测量复材管环向弹性模量和泊松比的试验方法

说明书

本发明公开了一种测量复材管环向弹性模量和泊松比的新型试验方法，称之为弧形试件拉伸试验方法。本方法通过张拉沿复材管环向截取的弧形试件来测取复材管的环向弹性模量和泊松比，其中固定弧形试件端部的两个楔形式自锁夹具分别通过一个专门设计的单向铰与拉伸试验机相连，用以吸纳试验初始阶段弧形试件的平面外弯曲变形。另外，本试验方法对弧形试件的制备、拉伸试验装置、拉伸加载制度、环向弹性模量和泊松比计算方法，以及本试验方法的适用范围等都给出了具体而明确的规定。本发明操作简单，测量结果准确，适用性广，属于纤维增强复合材料拉伸试验技术领域。

技术领域

本发明涉及纤维增强复合材料测试技术领域，尤其涉及的是一种测量纤维增强复合材料管环向弹性模量和泊松比的新型试验方法。

背景技术

纤维增强复合材料因其很高的比强度和优异的耐腐蚀性能，近年来作为一种混凝土约束材料被广泛应用于土木工程领域，其中最典型的应用为：复材管约束混凝土柱。其中，复材管既可以采用湿铺法手工制作，也可以直接采用复材缠绕管。考虑到纤维缠绕技术的生产自动化和良好的质量控制，以及施工的便捷性，在新建的复材约束混凝土柱中，复材缠绕管是最佳的选择。

在复材管约束混凝土柱中，纤维的铺陈方向与管轴向的夹角一般接近90度，这就意味着：在轴向压力的作用下，混凝土的横向膨胀能有效地被接近环向布置的纤维所约束，从而构件的强度和延性被有效地提高。

复材管约束混凝土柱受压破坏的模态以复材管的纤维沿环向被拉断、混凝土被压碎为基本特征。因此，对于复材管而言，其沿环向的拉伸性能(包括环向极限拉伸应变、环向弹性模量和泊松比)，特别是环向弹性模量对于复材管约束混凝土的受力性能有着决定性的影响。在测量复合材料弹性模量的试验方法中，除了传统的直条形片材拉伸试验、分裂盘试验和水压试验外，世界各国的学者也提出了各种各样的试验方法，但是现有的这些方法在实际使用中都存在着一定的局限性，特别在测量复材管环向弹性模量的问题上，仍然没有一个准确便捷的解决方案，还有待改进和发展。本专利为解决这个问题，依据现有的技术条件，提出了一个针对于测量复材管环向弹性模量和泊松比简易可行、结果可靠、适用性广的试验方法。

直条形片材拉伸试验测量纤维增强复合材料的拉伸性能在很多国家和地区的试验规范里都有明确的阐述，例如《聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法》[ASTM D3039/D3039M-14(2014)]、《土木工程加固用纤维增强复合材料拉伸性能标准试验方法》[ASTMD7565/D7565 M-10(2017)]、《定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》[GB/T3354(2014)]、《纤维增强复合材料弹性常数测试方法》[GB/T 32376(2015)]等等。但是，该试验方法主要是针对连续的单向纤维增强复合材料平板，无法用于复材缠绕管。而对于采用湿铺法手工制作的复材管，虽然可以制作出相同材料和相同铺层的直条形片材试件进行拉伸试验，但是由于两者之间曲率的差别，以及制作方法的不同，采用直条形片材拉伸试验所测得的拉伸性能可能会高估复材约束混凝土中复合材料所表现的实际性能。

相较而言，分裂盘试验采用了环形试件，相对完整地保持了管材的原有形状，也广泛应用于测量复材管的环向拉伸性能，如《塑料或增强塑料管表观环向拉伸强度标准试验方法》[ASTM D2290-16(2016)]和《塑料管道系统——玻璃纤维增强热固塑料管表观初始周向拉伸强度试验方法》[ISO 8521(2009)]。在分裂盘试验中，为减少试件与分裂盘之间的摩擦力对试验结果的不利影响，环形试件的测试段应尽可能靠近两个半圆形分裂盘的间隙处。但是，随着拉力的施加，两个分裂盘逐渐分离，在试件的测试段上将产生无法避免的弯曲现象，因此无法获取准确的复材管环向弹性模量和环向拉伸极限应变。针对这个问题，人们对分裂盘试验方法提出了许多种改进措施，例如让试件的测试段远离分裂盘的间隙处，以消除试件弯曲对测试结果的影响，但这样的处理却带来了另外一个问题：试件与分裂盘之间的摩擦力使得试件上产生沿圆周方向分布的拉伸应力梯度，导致无法获取测试段准确的拉伸应力，从而也无法测得准确的复材管环向拉伸性能。