纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）的耐久性

楊勇新（中冶建筑研究總院有限公司，北京100088）

隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）加固修復(fù)結(jié)構(gòu)這項(xiàng)技術(shù)的普及，加固土木結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用量急劇增長(zhǎng)，對(duì)FRP材料的需求巨大,需求量的增加刺激了FRP材料的研發(fā)和生產(chǎn)，F(xiàn)RP的種類(lèi)也越來(lái)越多，各種產(chǎn)品的性能差異較大。要保證被加固結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，首先要保證加固修復(fù)用FRP材料的質(zhì)量。FRP加固修復(fù)后的結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中，除了承受外部載荷的作用外，還要經(jīng)受各種使用環(huán)境的考驗(yàn)，如溫度和濕度變化、紫外線(xiàn)照射以及化學(xué)介質(zhì)腐蝕等破壞因素的影響，這些環(huán)境因素一方面可能會(huì)影響材料本身的物理力學(xué)性能，另一方面可能會(huì)影響FRP材料與結(jié)構(gòu)的界面的粘結(jié)性能。因此對(duì)于用FRP加固修復(fù)的暴露在惡劣環(huán)境的結(jié)構(gòu)（如港口工程、橋梁結(jié)構(gòu)和化工建筑等），更應(yīng)關(guān)注其耐久性問(wèn)題。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)FRP材料及其加固構(gòu)件的耐久性研究越來(lái)越多，但是在腐蝕與老化的評(píng)價(jià)認(rèn)證技術(shù)、產(chǎn)品與試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)、老化與腐蝕檢測(cè)設(shè)備等方面都沒(méi)有統(tǒng)一，因此在數(shù)據(jù)和結(jié)論方面無(wú)法進(jìn)行共享和參考，導(dǎo)致我國(guó)FRP耐久性研究較其他國(guó)家相對(duì)落后。本文主要介紹了近年來(lái)“國(guó)家工程中心”在FRP耐久性方面的研究?jī)?nèi)容。

1 目前的試驗(yàn)研究

從2003年開(kāi)始，“國(guó)家工程中心”先后開(kāi)展了FRP材料及其加固材料在自然環(huán)境、紫外線(xiàn)照射環(huán)境、干濕交變循環(huán)環(huán)境、海水浸泡環(huán)境、濕熱老化環(huán)境,酸堿鹽腐蝕環(huán)境等條件下的耐久性試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)FRP材料力學(xué)性能、樹(shù)脂材料力學(xué)性能、FRP材料和混凝土粘結(jié)性能、FRP材料加固混凝土構(gòu)件承載力性能等進(jìn)行評(píng)估，對(duì)FRP材料及其制品在不同環(huán)境條件下的性能變化有了初步的掌握。

1.1 自然環(huán)境

近年來(lái)，“國(guó)家工程中心”分別對(duì)常見(jiàn)的6種FRP材料、2種粘結(jié)樹(shù)脂材料進(jìn)行了在自然老化下的耐久性研究。試驗(yàn)條件為無(wú)防護(hù)自然老化和有防護(hù)自然老化；試驗(yàn)地點(diǎn)（環(huán)境）包括北京、新疆、福建和山東等地。通過(guò)對(duì)一定老化時(shí)間后FRP材料和樹(shù)脂材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)量其拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、彈性模量，觀察破壞形態(tài)等，考察FRP材料的力學(xué)性能隨時(shí)間的變化規(guī)律[1-8]，目前已進(jìn)行5年，獲得初步結(jié)論。

1.2 紫外線(xiàn)照射

紫外線(xiàn)老化是影響FRP及其制品耐久性的環(huán)境因素之一。通過(guò)對(duì)2種粘結(jié)形式的FRP與混凝土的粘結(jié)性能進(jìn)行了紫外線(xiàn)老化試驗(yàn)研究和分析，考察CFRP與混凝土拉伸剪切強(qiáng)度和正拉粘結(jié)強(qiáng)度隨老化時(shí)間的變化特征，對(duì)比有無(wú)防護(hù)對(duì)正拉粘結(jié)強(qiáng)度的影響，初步結(jié)果表明：紫外線(xiàn)對(duì)CFRP與混凝土的拉伸剪切強(qiáng)度的影響較大，防護(hù)能有效減緩CFRP與混凝土的正拉粘結(jié)性能在紫外線(xiàn)作用下的劣化[9]。

相對(duì)于碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料，玄武巖纖維具有價(jià)格較低和性能適中的特點(diǎn)，且屬于具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種新型纖維材料，為了有效的推進(jìn)玄武巖纖維的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，“國(guó)家工程中心”對(duì)玄武巖纖維材料及其加固混凝土構(gòu)件進(jìn)行了紫外線(xiàn)照射環(huán)境下的耐久性研究，初步結(jié)果表明，紫外線(xiàn)直接照射環(huán)境對(duì)試件的性能有一定的影響。

1.3 干濕交變

“國(guó)家工程中心”分別對(duì)常見(jiàn)的幾種FRP材料和粘結(jié)樹(shù)脂材料進(jìn)行了在干濕循環(huán)條件下的耐久性研究，包括碳纖維布、芳綸布、玻璃纖維布、碳纖維板、環(huán)氧類(lèi)粘結(jié)樹(shù)脂等。通過(guò)在不同的老化時(shí)間下獲得的拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、彈性模量等力學(xué)性能，尋找相應(yīng)材料的力學(xué)性能隨時(shí)間的變化規(guī)律。

近兩年，又對(duì)玄武巖纖維復(fù)合材料及玄武巖纖維布加固混凝土構(gòu)件進(jìn)行了干濕交變環(huán)境下的耐久性研究，主要考察其承載力、破壞形態(tài)等隨時(shí)間的變化規(guī)律[10]。

1.4 海水浸泡

對(duì)5種FRP材料、2種浸漬樹(shù)脂及FRP材料加固構(gòu)件進(jìn)行了海水浸泡下的耐久性試驗(yàn)，考察在海洋環(huán)境下各種材料及制品的力學(xué)、物理等性能隨時(shí)間的變化規(guī)律。

1.5 濕熱條件

對(duì)5種FRP材料、2種浸漬樹(shù)脂及FRP材料加固構(gòu)件進(jìn)行了濕熱老化下的耐久性試驗(yàn)。考察在濕熱變化環(huán)境下各種材料及制品的力學(xué)、物理等性能隨時(shí)間的變化規(guī)律[11]。

1.6 酸堿鹽環(huán)境

在試驗(yàn)過(guò)程中分別對(duì)常用的FRP布、FRP板、FRP筋以及其他制品進(jìn)行了酸堿鹽環(huán)境下性能變化規(guī)律的測(cè)試，初步結(jié)果表明，不同種類(lèi)的纖維及其FRP材料制品對(duì)不同的酸堿鹽介質(zhì)侵蝕有不同的抵抗能力，且總體上都具有較高的相應(yīng)耐久性能[12]。

2 耐久性評(píng)價(jià)方法

研究FRP材料或FRP與結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能的耐久性最終目的要評(píng)估FRP加固修復(fù)的土木結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境作用的使用壽命，而FRP材料在自然環(huán)境下老化時(shí)，其性能的衰減是緩慢的，要得其在自然環(huán)境下老化的性能衰減模型是需要很長(zhǎng)時(shí)間，若對(duì)少數(shù)的幾種材料進(jìn)行自然老化試驗(yàn)尚可以做到，但目前FRP材料種類(lèi)有很多種，要評(píng)價(jià)各種材料的在自然環(huán)境作用下的耐久性，通過(guò)對(duì)每種材料都進(jìn)行自然老化試驗(yàn)的方法顯然是不可取的。因此人們常常用人工快速老化試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)材料的耐久性能。

圖1 自然老化試件擺放示意

為了從大量已知材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到未知FRP材料、浸漬樹(shù)脂及FRP-混凝土粘結(jié)性能的耐久性，我們提出了一種評(píng)價(jià)其耐久性的理論方法。在此評(píng)價(jià)方法中建立了單一快速試驗(yàn)環(huán)境和復(fù)合快速試驗(yàn)環(huán)境下FRP名義力學(xué)性能衰減模型，在分析快速和自然老化試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)，提出并計(jì)算了單一和復(fù)合加速因子。通過(guò)名義力學(xué)性能平均衰減速率這一指標(biāo)建立了從未知材料到已知材料的映射關(guān)系，對(duì)未知材料進(jìn)行耐久性評(píng)價(jià)。通過(guò)此方法可以用快速試驗(yàn)結(jié)果來(lái)預(yù)測(cè)FRP在自然環(huán)境作用下的壽命[13-14]。

圖2 紫外線(xiàn)老化箱工作示意

3 試驗(yàn)方法

圖3 干濕交變老化試驗(yàn)示意

“國(guó)家工程中心”所進(jìn)行的試驗(yàn)主要參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，對(duì)于沒(méi)有規(guī)范可以借鑒的試驗(yàn)則根據(jù)常規(guī)方法通過(guò)適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，然后形成統(tǒng)一方法，再加以應(yīng)用的。

有關(guān)自然老化試件的放置方法，國(guó)外有多種，常用的有90°面南曝置、45°面南曝置、水平和5°角曝置。通過(guò)參考國(guó)外方法和結(jié)合我國(guó)FRP加固的結(jié)構(gòu)使用條件，試驗(yàn)采用水平曝置方法。有防護(hù)條件為在試件上方搭設(shè)雨棚，防止太陽(yáng)光的直射和雨水的侵蝕；無(wú)防護(hù)為試件完全曝露在自然環(huán)境中。試驗(yàn)圖如圖1所示。

參考國(guó)內(nèi)外相似標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合工程用FRP測(cè)試試件的具體要求，我們?cè)O(shè)計(jì)制造了紫外線(xiàn)環(huán)境老化箱，箱內(nèi)分為3層，每層的頂端等距配置了若干根等光照強(qiáng)度的紫外線(xiàn)燈管，通過(guò)紫外線(xiàn)燈管、間距、照距等參數(shù)的調(diào)節(jié)可以控制紫外線(xiàn)光照強(qiáng)度，如圖2所示。

干濕交變環(huán)境下的條件目前規(guī)定為干燥12小時(shí)、浸濕12小時(shí)為一個(gè)循環(huán)。同時(shí)，還根據(jù)美國(guó)ASTM規(guī)范D1141－98(2003)[15]和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15748－1995《船用金屬材料電偶腐蝕試驗(yàn)方法》[16]規(guī)定，配制相應(yīng)濃度的人工海水。試驗(yàn)圖如圖3所示。

海水浸泡同樣采用干濕交變中使用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)配置人工海水，試驗(yàn)中試件全部浸泡在試驗(yàn)溶液中，待試件到期后進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)。試驗(yàn)圖如圖4所示。

濕熱老化試驗(yàn)在日本ESPEC生產(chǎn)的恒溫恒濕箱(SH-221)中進(jìn)行，試驗(yàn)條件參照GB 50367-2006《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》[17]中關(guān)于濕熱老化性能測(cè)試方法的規(guī)定，溫度50±2℃，相對(duì)濕度95%～100%。老化箱如圖5所示。

關(guān)于FRP材料的拉伸性能測(cè)試，按照CECS 146:2003《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[18]中的規(guī)定，將纖維布用樹(shù)脂浸漬，制成玄武巖纖維復(fù)合片材，端頭粘貼增強(qiáng)片。按照GB/T 3354—1999《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》[19]中的方法，在深圳新三思材料檢測(cè)有限公司生產(chǎn)的微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（CMT7504）上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，加載速率為1～6 mm/min。采用連續(xù)加載，測(cè)定拉伸強(qiáng)度、彈性模量、伸長(zhǎng)率、最大破壞荷載，記錄破壞形式。試驗(yàn)圖如圖6所示。

FRP材料加固鋼筋混凝土構(gòu)件的試驗(yàn)，是在德國(guó)造10MN壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，按照GB 50367-2006《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》[17]中的規(guī)定，主要測(cè)量其承載力、裂縫發(fā)展、破壞形態(tài)等。試驗(yàn)圖如圖7所示。

4 標(biāo)準(zhǔn)

目前已經(jīng)形成的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括建設(shè)工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)體系，其中對(duì)建設(shè)工程用FRP材料或制品的耐久性大都進(jìn)行了規(guī)定，這樣形成了統(tǒng)一的試驗(yàn)測(cè)試方法和評(píng)價(jià)方法，為建設(shè)工程用FRP材料基制品的耐久性研究與應(yīng)用提供了理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

介紹了近年來(lái)“國(guó)家工程中心”對(duì)FRP材料及其加固構(gòu)件耐久性的研究情況，以及相應(yīng)的建設(shè)工程用FRP材料及其制品耐久性試驗(yàn)方面的方法和手段，希望通過(guò)對(duì)這些試驗(yàn)方法和手段的研究和討論，得到建設(shè)工程用FRP材料及其制品統(tǒng)一的腐蝕與老化的評(píng)價(jià)認(rèn)證技術(shù)、產(chǎn)品與試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)、老化與腐蝕檢測(cè)設(shè)備。

建議選用幾種典型的FRP材料在人工加速劣化環(huán)境（選對(duì)FRP性能影響較大的典型環(huán)境）及自然劣化環(huán)境作用下進(jìn)行同步試驗(yàn)，一方面可以研究所選環(huán)境對(duì)FRP的影響并建立相應(yīng)環(huán)境作用下的FRP性能劣化模型，形成相應(yīng)的耐久性設(shè)計(jì)方法；另一方面可以建立FRP人工加速劣化與自然劣化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以此來(lái)預(yù)測(cè)工程應(yīng)用FRP的使用壽命。

[1]岳清瑞,楊勇新,沙吾列提?拜開(kāi)依.不同環(huán)境條件下CFRP自然老化性能試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2008,38(2)：1-3

[2]楊勇新,楊萌,趙顏等.華北自然環(huán)境條件下表面防護(hù)對(duì)浸潤(rùn)樹(shù)脂耐久性能的影響[J].工業(yè)建筑,2008,38(2)：10-12

[3]楊萌,楊勇新,廉杰等.華北自然環(huán)境條件下浸漬樹(shù)脂耐久性能對(duì)碳纖維片材耐久性影響的試驗(yàn)[J].工業(yè)建筑,2008,36(2)：18-20，6

[4]楊勇新,楊萌,趙顏等.華北自然環(huán)境條件下表面防護(hù)對(duì)碳纖維片材耐久性能的影響[J].工業(yè)建筑,2008,38(2)：13-14，12

[5]楊萌,楊勇新,趙顏等.華北自然環(huán)境條件下碳纖維片材耐久性能的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2008,38(2)：4-6

[6]沙吾列提?拜開(kāi)依,楊勇新.西北自然環(huán)境條件下碳纖維片材耐久性能的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2008,38(2)：7-9

[7]楊勇新,楊萌,趙顏等.西北自然環(huán)境條件下浸潤(rùn)樹(shù)脂耐久性對(duì)碳纖維片材耐久性能的影響[J].工業(yè)建筑,2008,38(2)：15-17,21

[8]羅漪,王全鳳,楊勇新等.華東自然環(huán)境下CFRP片材的耐久性能[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào),2009,30(5)：572-574

[9]楊勇新,郭春紅,才鵬等.紫外線(xiàn)對(duì)CFRP與混凝土粘結(jié)性能的影響[J].工業(yè)建筑,2006,36(8)：27-30

[10]陳偉.玄武巖纖維布及其加固鋼筋混凝土梁在海洋環(huán)境下的耐久性試驗(yàn)研究[D].青島理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.6

[11]楊勇新,楊萌,趙顏等.玄武巖纖維布的耐久性試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2007,37(6)：11-12,7

[12]岳清瑞,彭福明,楊勇新等.碳纖維片材耐久性初步研究[J].工業(yè)建筑,2004,34(增刊)：8-11

[13]楊勇新,岳清瑞,郭春紅等.FRP耐久性評(píng)價(jià)方法[J].工業(yè)建筑,2006,36(8)：6-9

[14]郭春紅.FRP力學(xué)性能和FRP及其加固混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的評(píng)價(jià)研究[D].中冶集團(tuán)建筑研究總院.結(jié)構(gòu)工程碩士論文.2006

[15]ASTM D1141－98(2003)Standard Practice for the Preparation of Substitute Ocean Water[S].

[16]中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn),GB/T 15748－1995船用金屬材料電偶腐蝕試驗(yàn)方法[S].

[17]中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn),GB 50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[18]中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn),CECS 146：2003碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[19]中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn),GB/T 3354－1999定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法[S].