摘要：通过对两种不同环氧树脂内衬层的玄武岩纤维复合管道（BFRP管道）的抗压试验研究，探究BFRP管的破坏模式，观察试验过程中的现象，测定其极限抗压强度和刚度，并根据试验结果绘制了BFRP管道的荷载-位移曲线，并分析不同环氧树脂内衬层对BFRP管道抗压性能的影响。结果表明：BFRP管道的荷载-位移曲线近似为线性，破坏时没有明显预兆，且不存在屈服平台，属于典型的脆性材料；不同环氧树脂内衬层的BFRP管道的极限抗压强度不同，且刚度及刚度因子也存在差异。
关键词：BFRP管道；力学性能；应变分析；破坏模式
引言
玄武岩纤维增强树脂基复合材料是一种新型复合材料，具有轻质高强、成本低廉、耐腐蚀性能好、耐电磁等优点特性，鉴于其优良特性，玄武岩纤维增强树脂基复合材料广泛应用于建筑、航空航天、军事等领域[1-4]。而玄武岩纤维复合管道（BFRP管道）属于玄武岩纤维复材中的一种型材，备受青睐。但目前对于BFRP管道的抗压试验研究较少，且针对不同内衬层的BFRP管道的抗压试验研究少之又少。本文对两种不同内衬层的BFRP管道进行抗压试验研究，探究不同内衬层对BFRP管道破坏模式、试验现象及力学性能的差异性。
1 试验概况
1.1 BFRP管道试件的设计
本试验所用的BFRP管道分别由四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司及贵州石鑫玄武岩实业有限公司所提供，具体试验设计如下表1所示，两种内衬层的环氧树脂相关性能参数如下表2所示。
表1 试验设计及相关尺寸
表2 环氧树脂A、B类各项性能指标
1.2 试验仪器及步骤
1）试验仪器
压力试验机采用微机伺服控制万能试验机，最大量程为300kN，位移计为最大量程为3mm，应变测试系统采用JM3812多功能静态应变仪，具体试验相关仪器如下图1所示，本试验严格按照GB/T5352-2005《纤维增强热固性塑料管平行板外载性能试验方法》进行。
a压力试验机 b静态应变仪 c位移计
图1 相关试验仪器
2）试验步骤
（1）安装测试试样，调试仪器等相关准备工作（2）安装位移计，并连接静态应变仪（3）加载方式采用连续位移加载，加载速度为10mm/min（4）开始试验，并实时观察并记录试验数据及相关试验现象（5）加载至试件破坏，记录最大荷载值及试件的破坏模式（6）测定试件的极限荷载、刚度、刚度因子及荷载-位移曲线。具体相关试验过程如下图2所示。
（a）环氧树脂A类管道 （b）环氧树脂B类管道
图2 试验过程
2 实验结果与分析
2.1试验现象与破坏模式
总的来说，无论哪种内衬层的BFRP管道试件在压缩过程中，均表现出随着荷载的不断增加，BFRP管道加载方向上的径向位移不断加大，垂直于加载方向上的径向位移逐渐减小。加载初期，只表现出BFRP管道形状的压缩，随着荷载的不断增加，伴随着连续不断的嘶响声，当试件变形量达到一定程度时，嘶响声频繁出现且增大，伴随着“啪”的一声巨响，试件发生破坏，加载停止。
环氧树脂A类的BFRP管道，虽发生巨大声响，试验机停止加载，但仅仅出现局部外层压曲破坏。而环氧树脂B类管道的内衬层发生明显破坏，在加载点及与加载点垂直的方向上均发现不同程度的内衬层剥离现象，且在与加载点垂直的方向上，可见两条明显的裂纹，具体两种内衬层的BFRP管道破坏模式如下图3所示。
（a）环氧树脂A类管道 （b）环氧树脂B类管道
图3 试验结果
2.2 力学性能
通过试验确定所有BFRP管道的极限抗压强度、最大变形量，并按下列公式计算BFRP管道的5%及10%的刚度、刚度因子，具体试验结果如下表3所示。
刚度按式（1）计算：
（1）
—与管径变化量
相对应的管刚度，单位为兆帕（MPa）；
—与管径变化量
相对应的线荷载，单位为牛顿每毫米（N/mm）；
—管径变化量，单位为毫米（mm）。
刚度因子按式（2）计算：
（2）
—与管刚度相
对应的刚度因子，单位为兆帕·立方毫米（MPa·mm3）；
—同式（1）；
—平均半径，单位为毫米（mm）；
—平均外径，单位为毫米（mm）；
—试样平均内径（对有内衬层管材，试样平均内径应加上两倍的内衬层厚度），单位为毫米（mm）；
—试样平均壁厚（对有内衬层管材，试样平均壁厚应减去内衬层厚度），单位为毫米（mm）；
表3 BFRP管道的力学性能
由表3可知，环氧树脂A类的BFRP管道极限荷载的平均值为13.92KN，并发生81.93mm的变形量；而环氧树脂B类的BFRP管道极限荷载的平均值为17KN，仅发生77.33mm的变形量。可见，B类BFRP管道具有更高抵抗变形的能力，且B类BFRP管道5%及10%的刚度及刚度因子均大于A类BFRP管道，表明，环氧树脂B类的BFRP管道具有更高的刚度。
根据压缩试验试件受力全过程的实测结果，绘制BFRP管道的荷载-位移曲线图，环氧树脂A类及B类管道的荷载-位移曲线具体如下图4所示。
（a）环氧树脂A类管道 （b）环氧树脂B类管道
图4 BFRP管道荷载-位移曲线
由图4分析可知，两种不同内衬层的BFRP管道荷载-位移曲线均表现为线性增长，所有BFRP管道压缩试验得到的曲线基本重合，可见，试验的准确性。荷载-位移曲线没有明显的屈服阶段，属于典型的脆性材料。比较图4中（a）（b）两图可知，环氧树脂A类管道的极限荷载小于环氧树脂B类管道，而A类管道发生的最大变形量且大于B类管道，表明环氧树脂A类管道抵抗变形的能力较小，刚度较小。
3 结论
采用电液伺服万能试验机对BFRP管道进行压缩试验时，BFRP管道发生的破坏模式均为压曲破坏，所有BFRP管道试件在压缩过程中，均发出“嘶”响声，伴随着“啪”的一声巨响，BFRP管道试件发生破坏，压曲破坏前没有发生明显的预兆，破坏发生突然，因此，BFRP管道属于脆性材料。由两种不同内衬层的BFRP管道试验结果可知，内衬层不同，BFRP管道的极限荷载、最大变形量、刚度及刚度因子均存在差异，由试验结果可知，内衬层为B类的BFRP管道具有更高的刚度，即抵抗变形的能力更强。
参考文献：
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[5] GB/T5352-2005纤维增强热固性塑料管平行板外载性能试验方法，[S] 北京：中国国家标准化管理委员会，2005.
论文作者:李梦依1
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/23
标签：管道论文; 玄武岩论文; 刚度论文; 环氧树脂论文; 内衬论文; 荷载论文; 位移论文; 《基层建设》2019年第13期论文;