对FRP复合管力学性能的全面实验性研究（上）

摘要

纤维增强聚合物（FRP）复合管由单向连续玻璃纤维（环向玻璃）、树脂（热固性聚合物乙烯基酯）基体、短切玻璃（不连续短纤维）以及浸渍于树脂中的颗粒增强材料组成。这些复合管根据其公称直径、压力等级和刚度等级进行分类。然而，迄今为止，此类复合材料的机械特性尚未得到全面研究。为此，本文提出了一种系统的方法，旨在通过轴向和环向拉伸强度实验，对其机械特性进行全面的探究。当前研究中使用的FRP复合管，其玻璃纤维沿环向以约89°角进行增强。为确保实验数据的准确性和可靠性，我们选择了与每个管道类别相关的三个批次，这些批次的成分略有差异。每批选取三个试样，并对每个试样进行两种类型的测试。每个管材类别共进行了18次测试（2种测试类型 × 3个批次 × 3个试样，即箍向9次测试，轴向9次测试）。因此，针对36种管材类别，共进行了648次测试。轴向拉伸试验采用Instron 5569A和Instron 8801万能试验机，环向拉伸试验则使用分盘液压试验机。平均拉伸和环向应力及其相关标准差依据总体标准差（PSD）方程计算，并基于材料成分进行绘制。研究结果显示，颗粒增强材料成分的增加会导致轴向和环向拉伸强度降低。然而，增加树脂、短切玻璃和玻璃纤维的比例，则有助于提升轴向和环向拉伸强度。

关键字：机械特性， FRP 复合管，轴向和环向拉伸强度，综合实验研究

1 试验样品制备

管道的横截面图由三层组成，包括表面层、结构增强层和衬垫层。表面和衬里是保护管道外表面和内表面免受天气、紫外线辐射以及腐蚀性和/或磨蚀性工作液影响的层，而增强层则提供机械强度。

图1  典型颗粒 FRP 复合管的横截面

用于实验研究的轴向和环向拉伸试验试样，严格按照国际标准组织（ISO）和美国材料与试验协会（ASTM）的相关标准指南进行制备。这些试样是从测试材料中精准切割而成，具体如图2所示。为避免对试样造成任何损伤，采用了市售的手持式金刚石旋转切割机进行操作。

图 2.从 FRP 复合管中提取试样

用于轴向（纵向）拉伸试验的试样是根据ISO 8513 和 ASTM 5083 标准从管道沿纵向切割的平行边条制备的。这些试样的宽度为 b = 25 mm，长 l = 300 mm。这些轴向拉伸带试样在支撑夹具之间的最小直线长度保持在 100 mm。试样厚度等于管道的壁厚，壁厚随不同的测试材料而变化。用于环状（圆周）拉伸试验的试样具有全直径，厚度等于符合 ISO 8521 和 ASTM D2290 标准的管壁厚度。这些环向拉伸环试样的总宽度为 25 mm，缩小的缺口截面的最小宽度为 15 mm。

图3.从颗粒 FRP 复合管上切下的轴向拉伸带试样：（a） 3D CAD 模型，（b） 示意图，（c） 真实的实验试样

图 4.从颗粒 FRP 复合管上切下的环状拉伸条试样：（a） 3D CAD 模型，（b） 示意图，（c） 真实试样

2 机械性能表征

2.1 拉伸试验

轴向拉伸试验的载荷-延伸结果用于获取评估轴向拉伸强度（σ）所需的峰值轴向拉伸载荷值。图 5 展示了轴向拉伸试样的典型破坏模式。基体裂纹和分层是显著的失效模式，这符合逻辑，因为纤维以89°的角度缠绕，轴向拉伸载荷垂直于缠绕（环）轴。

图 5.在轴向拉伸试验中观察到的典型失效模式：（a） 断裂试样，（b） 分层， （c） 基体开裂

图 6展示了环向拉伸试样的典型破坏模式。纤维断裂成为显著的失效特征，表现为纤维在试样缩小的横截面处彻底断裂。鉴于施加于圆周及垂直于轴线的环状拉伸载荷，以及环状缠绕拉伸试样的半径因素，所观察到的断裂模式显得合乎情理。

图6.在环向拉伸试样中观察到的典型失效模式

2.2 成分的影响

如前所述，我们选取了与每个管道类别相关的三个批次，这些批次的成分存在细微差异，并且每批次挑选了三个样品以考量测试的可变性。鉴于组成材料的同一性、匹配的缠绕方向，以及纤维缠绕过程中使用的CNC机器的精确控制，通过分析组成材料的成分，能够更深入地理解颗粒FRP复合管在不同压力和刚度等级下的机械强度变化。

图 7.LOI 测试样本：（a）实际测试样本的图像和 （b）2D CAD 模型

马弗炉和高精度天平用于执行烧失量 （LOI） 测试。执行 LOI 测试以评估组成材料的含量。用于 LOI 测试的试样是从测试的轴向拉伸带试样中取回的，远离断裂区域。如图 7 所示，这些试样的宽度为 b = 25 （mm），长 l = 25 （mm），有助于了解与每个测试类别对应的管道相关的组成材料的成分（见图 8）。

图8.LOI 检测设备和烧焦样品：（a）马弗炉，（b） 电子天平，（c）剩余的烧焦残留物

表 1 说明了评估不同组成材料的成分 （%） 所遵循的计算细节。首先对试样进行称重（图 13a），然后放入坩埚（瓷杯）中，最后转移到马弗炉中（图 13b）。炉内的温度保持不变，以确保均匀和适度的点火速率。点火过程需要大量时间来确保组成材料的完全燃烧。根据样品的厚度，此过程最多需要 2-5 （h）。灼烧后，让烧焦的残渣冷却，用镊子分离残渣中的不同成分，并在高精度天平中称重。

表1.LOI 测试的典型计算详细信息

每批的平均拉伸应力和环向应力使用 Eq 计算。 （1）及其相关的标准差是根据 2 个管道类别的总体标准差 （PSD） 方程计算的。

其中，σm,at和σm,ht分别表示与试样拉伸试验所获得的轴向强度和环向强度相对应的平均强度。σn,at和σn,ht则分别代表对应于试样编号的轴向强度和环向强度。PSD和PSDHT分别表示经受轴向和环向拉伸试验的试样数量的标准差。n代表每批样品的数量，在当前研究中设定为3（n=3）。

对应于不同管道类别的平均轴向和平均环向拉伸强度及其相关标准差如图9、图 10、图11、图12所示。表2 提供了对应于每种管道类别的平均组成材料以及平均轴向和平均环向拉伸强度。