纖維增強復合材料(FRP)特性

王蘭彩

土木工程學科的發展,很大程度上依賴于性能優異的新材料的應用與發展。如對于傳統的鋼筋,應尋找一種強度高、重量輕和耐久性好的新材料來替代。傳統的配筋混凝土結構普遍面臨著鋼筋銹蝕、混凝土老化等問題,結構耐久性和抗疲勞性不好,處于惡劣環境下的混凝土橋梁更是如此。對既有結構的加固、維修與改造,應以具有比強度高、施工快捷、施工后結構承載力明顯提高等優異性能的材料所代替[1,4]。復合材料是由兩種或兩種以上性質不同而互補的材料組成,具有比組成材料更優越的綜合性能。纖維增強復合材料(FRP)問世于20世紀40年代。FRP筋是以纖維為增強材料,以合成樹脂為基體材料,并摻入適量輔助劑,經拉擠成型形成的新型復合材料,具有高強、輕質、抗腐蝕和耐疲勞等優點。纖維分有機纖維和無機纖維兩種,抗拉強度和彈性模量都較高。纖維可以分為碳纖維(Carbon Fiber Reinforced Polymer,簡稱CFRP)、玻璃纖維(Glass Fiber Reinforced Polymer,簡稱GFRP)、芳綸纖維(Aramid Fiber Reinforced Polymer,簡稱AFRP),還有其他諸如聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維等[5];常用的基體材料有不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、乙烯基酯樹脂等[6]。

1 FRP材料的類型

1)碳纖維(CFRP)。碳纖維按原材料類型分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、中間相瀝青(MP)基碳纖維、粘膠(人造絲, RAYON)基碳纖維、酚醛基及其他碳纖維[7,8]。聚丙烯腈纖維是以丙烯腈(AN)為主要鏈接結構單元的聚合物經過紡絲加工而制成的纖維;中間相瀝青基碳纖維是通過熱聚合高芳香含量的同性瀝青得到的具有中間相或液晶結構的瀝青,將其進行紡絲加工而制成的纖維。腈基碳纖維原絲彈性模量低(300GPa左右)而極限應變高,瀝青基碳纖維則正好相反(彈性模量可達800 GPa)。目前,世界上強度最高的碳纖維原絲是日本東麗公司生產的 T1000,其抗拉強度達到了7.02GPa,拉伸模量為293GPa[8]。CFRP的比強度可達鋼材的 20倍,容重僅為鋼材的 1/5,很適合用于超大跨徑橋梁中。CFRP和AFRP的疲勞性能好,為鋼材的3倍,其疲勞極限可達靜荷載的70%～80%。新型的FRP產品PBO-FRP除具有高強CFRP相近的力學性能外,還表現出更好的物理性能, DFRP也具有良好的物理性能,抗拉極限應變可達到3.5%,延性很好[12]。

2)芳綸纖維(AFRP)。芳綸纖維是芳香聚酰胺纖維的簡稱,由苯二甲酸和苯二胺合成,是人造有機纖維,于 1971年由美國杜邦公司發明。芳綸纖維的密度比碳纖維小,且低導電;剛性、受拉韌性好,極限延伸率比碳纖維高,但在潮濕的環境中松弛率也較大;芳綸纖維的彈性模量和抗拉強度均比碳纖維低,其抗拉強度為2 600MPa～3 500MPa,彈性模量為83 GPa～186 GPa;芳綸纖維的力學性能受紫外線直接照射會降低。芳綸纖維主要有兩類:一類是聚對苯二甲酰對苯二胺(PPDA)纖維,如美國杜邦公司的Kevlar-49,荷蘭恩卡公司的Twaron HM,中國的芳綸1414等;另一類是聚對苯甲酰胺(PBA)纖維,如Kevlar-29,芳綸14等[9]。

3)玻璃纖維(GFRP)。玻璃纖維強度高、松弛率低、絕緣性能好。但其彈性模量低,且在堿性、潮濕環境和長期荷載作用下性能降低較大[5]。應用較多的玻璃纖維主要有E-glass和S-glass兩種[10]。E-glass的強度和彈性模量較低,其抗拉強度為2 300MPa～3 900MPa,彈性模量為74 GPa～87 GPa,但由于價格較低,E-glass玻璃纖維被廣泛使用;S-glass強度高,剛度和極限延伸率大,但價格較高。為了改善玻璃纖維的性能,出現了C-glass,AR-glass等具有一些特殊性能的玻璃纖維,使得玻璃纖維的耐酸、耐堿性能得到了一定程度的改善,但這些玻璃纖維的價格偏高[5]。

2 FRP筋的特性

2.1 FRP筋的彈性模量

影響FRP筋彈性模量的直接因素是晶粒的取向度,而熱處理中的張力是影響這種取向性的主要因素。FRP筋的彈性模量除了是材料的固有屬性 E0的函數外,它還是微晶沿纖維軸取向度的函數。取向度越高,碳纖維的彈性模量越大。對于強度而言,情況要復雜一些,一般是隨著熱處理溫度的升高,強度出現一個峰值,在峰值以前,強度隨著熱處理溫度提高而增加,達到峰值以后,隨著熱處理溫度的提高,強度逐漸下降[13]。

2.2 FRP筋的應力松弛

應力松弛是材料保持長度不變,應力隨時間增長而降低的現象。目前生產廠家所測試的松弛和徐變紀錄僅局限在 100 h范圍內。在松弛試驗中,若試件伸長量保持恒定,則可以測出荷載隨時間遞減,是時間的函數。從一定時間的常溫松弛試驗結果可推斷出100 h后的松弛應變。AFRP在空氣中和堿性液體中的松弛應變分別為15%和20%～25%,CFRP筋在100 h后的應力松弛損失約為3%,同鋼筋相差不大。試驗表明,CFRP筋的長期應力松弛很小,在一般性設計中可忽略不計,但對重要工程,為保險起見,應力損失可采用 3%[6]。

2.3 FRP筋的徐變

FRP筋在高持續荷載下也會像混凝土那樣因為徐變斷裂而破壞。徐變系數是在荷載不變的情況下徐變與彈性應變的比值。AFRP的徐變系數為16.5%,并且高溫會加速AFRP的老化。AFRP在 600℃時從加載到發生斷裂的時間只有 200 h的 1/15～1/10。試驗研究表明,當 FRP筋的持續荷載超過極限抗拉強度的75%～85%時,壽命會受影響,如果FRP筋束所處的環境會腐蝕纖維或基體,其徐變斷裂的壽命會更短。FRP筋張拉力控制在50%～60%之內,徐變引起的斷裂可能性極小。因此,目前將作用于FRP筋束的長期荷載限定在其靜力抗拉強度的50%～60%,從而降低初始預應力容許值[6]。

2.4 FRP筋的疲勞性能

FRP筋有良好的抗疲勞性能。循環疲勞試驗表明,碳纖維筋有良好的抗疲勞性,平均應力是極限強度的 61%,最小應力是極限強度的55%,最大應力是實際限度的 64%。這種纖維筋的彈性模量在疲勞試驗后沒有改變[6]。在三種纖維筋中,碳纖維筋的抗拉強度和彈性模量最高,抗剪強度介于玻璃纖維和阿拉米德纖維之間,其長期特性如松弛、徐變及斷裂應力等對預應力構件的影響很小,非常適合作預應力筋使用。

2.5 FRP耐久性

材料耐久性是指材料在物理作用、化學作用及生物作用下,經久不易破壞也不易失去其原有性能的性質,它反映了材料的一種綜合性質,如抗凍性、抗風化性、抗化學侵蝕性、疲勞性能、沖擊韌性等。玻璃纖維(GFRP)和芳綸纖維(AFRP)長期置于高堿性的環境也會被腐蝕。玻璃纖維(CFRP)耐酸、堿、鹽、干濕循環以及其他化學物質的能力明顯優于GFRP和AFRP;由于化學物質和環境導致FRP材料腐蝕的程度主要取決于五點:浸潤樹脂的類型、化學物質的類型、纖維所受的拉應力大小、化學物質的濃度、與化學物質接觸的時間和溫度。高溫和潮氣、降雨和強烈的太陽輻射等對玻璃纖維(GFRP)的力學性能和電性能影響很大。

水和濕氣環境的GFRP中玻璃纖維的表面出現裂縫及其質量有所下降的現象。在 350℃時,CFRP材料仍有其正常溫度下持荷能力的35%,抗拉彈性模量的40%,而AFRP則分別為15%和40%。在 FRP材料浸泡吸水后,并長時間暴露于 -18℃的低溫或暴露于凍溶循環的環境下,FRP材料的基體材料和纖維與基體間的粘結都會退化。其結果是FRP的強度下降,FRP筋材的彈性模量卻沒有變化。研究表明,當GFRP吸水后,臨界溫度將下降。

2.6 FRP筋材的應力腐蝕性能

應力腐蝕破壞FRP筋的機理:FRP材料在化學介質中受到應力作用的條件下,當侵蝕性介質滲透到FRP筋材界面上粘結不良處或裂紋處時,將引起界面粘結力的削弱或破壞;在一定應力水平下,界面發生脫粘、剝落等破壞現象的可能性增大,這些破壞為介質進一步侵蝕開通了捷徑。化學介質的侵入導致 FRP筋中微裂紋的生成和擴展,還會引起大尺寸裂紋的擴展和傳播,介質與FRP的纖維進行離子交換,離子交換使FRP筋材表面收縮而產生內應力、降低纖維的強度,在低于正常強度的應力作用下,纖維就會斷裂。總之,FRP筋的破壞是侵蝕介質和應力禍合雙重作用的結果。侵蝕介質降低FRP的力學性能,使其容易被應力破壞。

國內學者王書法等在應力腐蝕對玻璃纖維的斷裂韌性和蠕變性能試驗研究中也指出,在應力腐蝕下玻璃纖維的斷裂韌性、蠕變強度、蠕變極限和蠕變模量都降低。

3 FRP纖維筋應用中存在的一些問題

1)錨固問題。由于碳筋橫向抗剪強度低,不能使用傳統的錨具,需研發專門的錨具。2)張拉問題。碳筋的彈性模量低于高強鋼筋,張拉時碳筋的伸長量大,容易造成張拉設備行程不夠。3)轉折角問題。碳筋橫向強度低,導致碳筋的抗折性能差,而且過大的轉折角還會降低材料的強度,容易發生徐變而引起材料失效。4)溫度影響。碳筋的溫度膨脹系數與混凝土存在著差別,有的甚至為負值,因此在計算預應力損失、確定初始張拉力時需考慮溫度影響。5)老化問題。雖然碳筋耐腐蝕性好,但也存在著老化問題:當碳筋受到水浸泡、紫外線照射、化學介質等因素時,其強度會有不同程度地降低。6)防護措施。碳筋耐熱性差,當溫度超過 60℃時碳筋的強度會有所降低,超過 120℃,強度會顯著降低。此外,碳筋容易由于人為破壞等外部影響而發生斷裂,因此碳筋在防火、防護措施等方面應特別注意。

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