不同地區(qū)自然環(huán)境下CFRP復(fù)合材料的自然老化性能試驗(yàn)

危成英,王全鳳,楊勇新,羅漪

(華僑大學(xué)土木工程學(xué)院,福建泉州362021)

不同地區(qū)自然環(huán)境下CFRP復(fù)合材料的自然老化性能試驗(yàn)

危成英,王全鳳,楊勇新,羅漪

(華僑大學(xué)土木工程學(xué)院,福建泉州362021)

對(duì)同一批次試件在西北地區(qū)(新疆)、華北地區(qū)(北京)和東南地區(qū)(泉州)的不同環(huán)境條件下,比較分析CFRP復(fù)合材料的自然老化性能的耐久性.結(jié)果表明,東南、華北與西北地區(qū)的自然環(huán)境因素對(duì)碳纖維復(fù)合材料(CFRP)性能的影響不大,但是對(duì)兩種樹脂的影響較大.其中,西北地區(qū)的環(huán)境對(duì)復(fù)合材料的影響小于華北地區(qū)的環(huán)境對(duì)復(fù)合材料的影響,華北地區(qū)的環(huán)境對(duì)復(fù)合材料的影響小于東南地區(qū)的環(huán)境對(duì)復(fù)合材料的影響.從溫度方面來看,東南地區(qū)的溫度最高,環(huán)境對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)生的影響也最大.

碳纖維復(fù)合材料;老化;耐久性;自然環(huán)境;溫度

近年來,人們對(duì)建筑物的安全性、適用性和耐久性的要求不斷提高,使得結(jié)構(gòu)的維護(hù)和補(bǔ)強(qiáng)加固得到廣泛的重視.然而,有很多因素會(huì)縮短現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命,主要包括物理老化、化學(xué)腐蝕等.出現(xiàn)問題的結(jié)構(gòu)有的并不允許將其推倒重建,而只能采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施,對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固[1].纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、施工方便快捷、修復(fù)加固效果好等優(yōu)異性能,成為人們優(yōu)選的新型建筑材料[2-4].隨著國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)加固修復(fù)行業(yè)不斷走向成熟,有關(guān)FRP加固的研究也在不斷完善[5-10].本文通過對(duì)同一批試件在3個(gè)不同地區(qū)的自然老化性能的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得出各個(gè)材料在不同地區(qū)的力學(xué)性能曲線的變化趨勢(shì).

1 試驗(yàn)部分

1.1 環(huán)境條件

選擇的試驗(yàn)地區(qū)為西北地區(qū)(新疆)、華北地區(qū)(北京)和東南地區(qū)(泉州).將試件置于自然環(huán)境條件下的樓頂,完全暴露方式,試樣表面沒有任何防護(hù)措施,水平曝置.為了更好地統(tǒng)計(jì)和管理試件,把試件每隔5個(gè)排列整齊,并用玻璃條夾住兩端,懸空架高,邊緣用磚塊固定住.試驗(yàn)中,由于片材是水平放置,為使試件兩面的老化環(huán)境大體相同,試驗(yàn)中每隔一個(gè)月將試件翻轉(zhuǎn)一次.按照計(jì)劃,每隔一定時(shí)間分別取一組試件進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn).

1.2 試樣制作工藝與取樣

由于纖維材料試樣脆性比較強(qiáng),耐壓性能差,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制作按照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》中的規(guī)定[11],將纖維布用樹脂浸漬,制成纖維復(fù)合片材.樹脂的制作按照GB 50367-2006《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定[12],將浸漬樹脂用模具制樣,養(yǎng)護(hù)規(guī)定齡期后進(jìn)行試驗(yàn).

1.3 試驗(yàn)方法

采用WDW-D100EⅢ型微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),加載速率為2 mm·min-1.采用連續(xù)加載的方法測(cè)定抗拉強(qiáng)度、彈性模量、伸長(zhǎng)率、應(yīng)力-應(yīng)變曲線、最大破壞荷載,并記錄破壞形式.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度的測(cè)定,參考的相關(guān)規(guī)范有我國(guó)的國(guó)家標(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》[13],GB/T 1447-1983《玻璃纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》[14],以及日本的相關(guān)試驗(yàn)方法[1].

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)環(huán)境溫度

西北地區(qū)(新疆)[15]、華北地區(qū)(北京)[16]和東南地區(qū)(泉州)的自然老化試驗(yàn)周期內(nèi),其平均溫度的曲線如圖1所示.由圖1可見,試驗(yàn)周期內(nèi),東南地區(qū)、西北地區(qū)和華北地區(qū)的平均氣溫分別為20,10, 15℃,而溫差范圍分別為7～33,-23～32,-8～32℃.由此可見,東南地區(qū)的平均氣溫最高,溫差最小,華北地區(qū)次之,西北地區(qū)的平均氣溫最低,溫差最大.

圖1 不同地區(qū)自然老化試驗(yàn)的平均溫度曲線Fig.1 Average temperature curve of different regions in natural aging test

2.2 材料的力學(xué)性能

由于各種材料的力學(xué)性能絕對(duì)數(shù)值差距很大,為了使各種材料的老化性能具有可比性,采用無量綱處理方法[17].在3個(gè)地區(qū)自然老化試驗(yàn)后,考察CFRP復(fù)合材料及其對(duì)應(yīng)的樹脂(CS-1+RE-1,CS-2+ RE-2,RE-1和RE-2)的力學(xué)性能變化,分別如圖2,3,4,5所示.圖中:γf,γE,γφ分別表示相對(duì)抗拉強(qiáng)度、相對(duì)彈性模量和相對(duì)伸長(zhǎng)率.

2.2.1 CS-1+RE-1 由圖2可以看出,材料的抗拉強(qiáng)度隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì).自然老化2 a后,西北地區(qū)和東南地區(qū)的環(huán)境影響沒有導(dǎo)致材料抗拉強(qiáng)度的降低,而華北地區(qū)的環(huán)境影響使得材料的抗拉強(qiáng)度有較小幅度的下降.材料的彈性模量和伸長(zhǎng)率沒有受到環(huán)境的影響,變化不大,彈性模量甚至有所提高,伸長(zhǎng)率有所下降.

圖2 CS-1+RE-1力學(xué)性能隨時(shí)間的變化Fig.2 Curve of CS-1+RE-1 mechanical perfo rmances to time

2.2.2 CS-2+RE-2 由圖3可以看出,經(jīng)過2 a的自然老化后,在3個(gè)地區(qū)的環(huán)境影響下,材料的抗拉強(qiáng)度都有較小幅度的下降,其中東南地區(qū)較其他兩地的下降幅度較大.材料的彈性模量和伸長(zhǎng)率受環(huán)境影響較小,彈性模量甚至有所提高,伸長(zhǎng)率有所下降.

圖3 CS-2+RE-2力學(xué)性能隨時(shí)間的變化Fig.3 Curve of CS-2+RE-2 mechanical perfo rmances to time

2.2.3 RE-1 由圖4可以看出,在0.5 a時(shí),華北和東南地區(qū)的材料抗拉強(qiáng)度下降幅度很大,西北地區(qū)則沒有變化;之后,西北地區(qū)和東南地區(qū)繼續(xù)下降,而華北地區(qū)則趨于平緩.彈性模量方面,西北地區(qū)變化不大,華北地區(qū)1 a內(nèi)無變化,之后有明顯的下降趨勢(shì);而東南地區(qū)在前1.5 a下降,之后回升.伸長(zhǎng)率方面,經(jīng)過2 a的自然老化后,伸長(zhǎng)率都有很大幅度的下降,變化趨勢(shì)相似.

圖4 RE-1力學(xué)性能隨時(shí)間的變化Fig.4 Curve of RE-1 mechanical performances to time

2.2.4 RE-2 由圖5可知,3個(gè)地區(qū)的材料抗拉強(qiáng)度變化曲線基本相似,先下降,后趨于平穩(wěn).抗拉強(qiáng)度經(jīng)2 a的老化試驗(yàn)后下降幅度都較大,其中東南地區(qū)的下降最大.彈性模量方面,西北地區(qū)環(huán)境對(duì)其影響不大,甚至有增大的趨勢(shì),華北地區(qū)老化1 a內(nèi)無影響,而1 a后下降趨勢(shì)明顯;東南地區(qū)則一直無明顯變化.伸長(zhǎng)率方面,西北和東南地區(qū)變化趨勢(shì)相似,先急劇下降后趨于平穩(wěn);而華北地區(qū)是先急劇下降,然后有較大幅度的上升,2 a后竟然超過初值.

圖5 RE-2力學(xué)性能隨時(shí)間的變化Fig.5 Curve of RE-1 mechanical performances to time

3 結(jié)論

通過對(duì)同一批次的CFRP復(fù)合材料在3個(gè)不同地區(qū)的自然老化試驗(yàn)結(jié)果的力學(xué)性能分析,可以得出以下3點(diǎn)結(jié)論.

(1)西北地區(qū)自然暴露環(huán)境條件下,不同的CFRP材料和對(duì)應(yīng)樹脂的抗拉強(qiáng)度伸長(zhǎng)率變化規(guī)律有不相同的相關(guān)性;而樹脂的彈性模量變化對(duì)CFRP材料彈性模量的影響不明顯.

(2)華北地區(qū)自然暴露環(huán)境條件下,隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng),碳纖維片材抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律與浸潤(rùn)樹脂抗拉強(qiáng)度耐久性有一定關(guān)系,且均略有下降;碳纖維片材伸長(zhǎng)率和彈性模量的變化受樹脂耐久性能的影響不明顯.其中,碳纖維片材的彈性模量隨著自然老化時(shí)間的延長(zhǎng),基本沒有變化.

(3)東南地區(qū)自然環(huán)境對(duì)CFRP兩種碳纖維影響不大,對(duì)樹脂的力學(xué)性能影響較大,樹脂有明顯變脆的趨勢(shì),其力學(xué)性能隨老化時(shí)間的衰減多數(shù)具有一致的規(guī)律性.即在老化開始一段時(shí)間內(nèi),力學(xué)性能衰減較快;其后,衰減緩慢或不再衰減.

整體看來,3個(gè)不同地區(qū)的自然老化試驗(yàn)對(duì)CFRP復(fù)合材料的力學(xué)性能影響變化不大,3個(gè)地區(qū)的力學(xué)性能變化顯示出相似的變化趨勢(shì),自然老化試驗(yàn)后的各種力學(xué)性能下降率相似.但是,兩種樹脂的各種性能則表現(xiàn)出較大差別.

在不同的自然老化環(huán)境中,初始一段時(shí)間內(nèi)CFRP復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度、彈性模量和伸長(zhǎng)率具有不同的變化,可能提高,也可能降低,但以后漸漸趨于平穩(wěn),這與樹脂本身的固化快慢有關(guān)[18-19].

從環(huán)境條件的因素方面看,總體來說,西北地區(qū)的環(huán)境對(duì)材料的影響小于華北地區(qū)的環(huán)境對(duì)材料的影響,華北地區(qū)的環(huán)境對(duì)材料的影響小于東南地區(qū)的環(huán)境對(duì)材料的影響.

從溫度方面分析來看,主要是因?yàn)闁|南地區(qū)的溫度最高,溫度的高低對(duì)材料的各種性能將產(chǎn)生不同的影響.通常情況下,溫度具有加速老化的作用,老化溫度越高,復(fù)合材料力學(xué)性能的下降速度越快、幅度越大.這是由于溫度越高,水蒸氣氣壓越大,水蒸氣向內(nèi)部的擴(kuò)散能力也加大,同時(shí)高溫下高分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)加劇,分子間的作用力減弱,自由體積增大,有利于水分的進(jìn)入.復(fù)合材料在水氣作用下,基體發(fā)生溶脹塑化且水氣擴(kuò)散至基體與纖維的界面,造成基體強(qiáng)度下降,界面脫粘.

其他因素的作用效果由于暫時(shí)沒有更多的數(shù)據(jù)可以證明,將在以后更進(jìn)一步的研究中探討.

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Experimental Investigation on Environmental Aging Durability of CFRP in Different Regions

W EICheng-ying,WANG Quan-feng, YANG Yong-xin,LUO Yi
(College of Civil Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

The experiment of natural aging durability of carbon fiber reinforced p lastic(CFRP)from the same batch of specimens in the Northwest region(Xinjiang),No rth China(Beijing)and the Southeast region(Quanzhou)under different environmental conditions is carried out.The result show s that the effect of environment in the three regions on the CFRP is little,but the effecton two resins isobvious.The rank of environmental effect from large to small is:southeast, north,northwest China.The temperature in southeast China is the highest,then its effect on the CFRP is the greatest.

carbon-fibre reinforced plastic;natural aging;durability;environment;temperature

TU 528.582.02

A

(責(zé)任編輯:錢筠 英文審校:方德平)

1000-5013(2010)05-0557-05

2009-11-09

王全鳳(1945-),男,教授,主要從事工程結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究.E-mail:qfwang@hqu.edu.cn.

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2004AA 336010);國(guó)家科技攻關(guān)(國(guó)際合作)項(xiàng)目(2005DFBA 0002)