摘要

纖維增強聚合物（FRP）復合管由單向連續玻璃纖維（環向玻璃）、樹脂（熱固性聚合物乙烯基酯）基體、短切玻璃（不連續短纖維）以及浸漬于樹脂中的顆粒增強材料組成。這些復合管根據其公稱直徑、壓力等級和剛度等級進行分類。然而，迄今為止，此類復合材料的機械特性尚未得到全面研究。為此，本文提出了一種系統的方法，旨在通過軸向和環向拉伸強度實驗，對其機械特性進行全面的探究。當前研究中使用的FRP復合管，其玻璃纖維沿環向以約89°角進行增強。為確保實驗數據的準確性和可靠性，我們選擇了與每個管道類別相關的三個批次，這些批次的成分略有差異。每批選取三個試樣，并對每個試樣進行兩種類型的測試。每個管材類別共進行了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，共進行了648次測試。軸向拉伸試驗采用Instron 5569A和Instron 8801萬能試驗機，環向拉伸試驗則使用分盤液壓試驗機。平均拉伸和環向應力及其相關標準差依據總體標準差（PSD）方程計算，并基于材料成分進行繪制。研究結果顯示，顆粒增強材料成分的增加會導致軸向和環向拉伸強度降低。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向拉伸強度。

關鍵字：機械特性， FRP 復合管，軸向和環向拉伸強度，綜合實驗研究

1 試驗樣品制備

管道的橫截面圖由三層組成，包括表面層、結構增強層和襯墊層。表面和襯里是保護管道外表面和內表面免受天氣、紫外線輻射以及腐蝕性和/或磨蝕性工作液影響的層，而增強層則提供機械強度。

圖1  典型顆粒 FRP 復合管的橫截面

用于實驗研究的軸向和環向拉伸試驗試樣，嚴格按照國際標準組織（ISO）和美國材料與試驗協會（ASTM）的相關標準指南進行制備。這些試樣是從測試材料中精準切割而成，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切割機進行操作。

圖 2.從 FRP 復合管中提取試樣

用于軸向（縱向）拉伸試驗的試樣是根據ISO 8513 和 ASTM 5083 標準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。用于環狀（圓周）拉伸試驗的試樣具有全直徑，厚度等于符合 ISO 8521 和 ASTM D2290 標準的管壁厚度。這些環向拉伸環試樣的總寬度為 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） 真實的實驗試樣

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

2 機械性能表征

2.1 拉伸試驗

軸向拉伸試驗的載荷-延伸結果用于獲取評估軸向拉伸強度（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。基體裂紋和分層是顯著的失效模式，這符合邏輯，因為纖維以89°的角度纏繞，軸向拉伸載荷垂直于纏繞（環）軸。

圖 5.在軸向拉伸試驗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狀拉伸載荷，以及環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的三個批次，這些批次的成分存在細微差異，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復合管在不同壓力和剛度等級下的機械強度變化。

圖 7.LOI 測試樣本：（a）實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行燒失量 （LOI） 測試。執行 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，遠離斷裂區域。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的管道相關的組成材料的成分（見圖 8）。

圖8.LOI 檢測設備和燒焦樣品：（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 （%） 所遵循的計算細節。首先對試樣進行稱重（圖 13a），然后放入坩堝（瓷杯）中，最后轉移到馬弗爐中（圖 13b）。爐內的溫度保持不變，以確保均勻和適度的點火速率。點火過程需要大量時間來確保組成材料的完全燃燒。根據樣品的厚度，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信息

每批的平均拉伸應力和環向應力使用 Eq 計算。 （1）及其相關的標準差是根據 2 個管道類別的總體標準差 （PSD） 方程計算的。

其中，σm,at和σm,ht分別表示與試樣拉伸試驗所獲得的軸向強度和環向強度相對應的平均強度。σn,at和σn,ht則分別代表對應于試樣編號的軸向強度和環向強度。PSD和PSDHT分別表示經受軸向和環向拉伸試驗的試樣數量的標準差。n代表每批樣品的數量，在當前研究中設定為3（n=3）。

對應于不同管道類別的平均軸向和平均環向拉伸強度及其相關標準差如圖9、圖 10、圖11、圖12所示。表2 提供了對應于每種管道類別的平均組成材料以及平均軸向和平均環向拉伸強度。