醫(yī)院應(yīng)急建筑與特殊結(jié)構(gòu)用碳纖維復(fù)合材料的性能研究

王姣 趙立華

摘 要：基于醫(yī)院基建工程中項(xiàng)目質(zhì)量管控的需要，研究了醫(yī)院基建用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)在靜載剪切作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并考察了電偶腐蝕和非對(duì)稱疲勞對(duì)CFRP/鋼試件承載能力和斷裂模式的影響。結(jié)果表明，在電偶腐蝕和疲勞條件下，粘接層中含有芳綸纖維和不含芳綸纖維試件的載荷-位移曲線與無腐蝕+無疲勞試件相似；相較于不含芳綸纖維的試件，無腐蝕+無疲勞、腐蝕和疲勞試件的峰值荷載都相對(duì)含有芳綸纖維試件較大。無腐蝕+無疲勞條件下含有芳綸纖維和不含芳綸纖維試件的平均峰值荷載都高于腐蝕和疲勞條件下試件，且含有芳綸纖維的平均峰值荷載都高于不含芳綸纖維試件，腐蝕或者疲勞時(shí)間越長(zhǎng)，則對(duì)應(yīng)試件的平均峰值荷載越小。

關(guān)鍵詞：醫(yī)院基建；CFRP/鋼；腐蝕；疲勞；粘接性能

中圖分類號(hào)：TU712.3;TQ342+.742

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2023）07-0167-04

Performance study of carbon fiber composite materials for hospital emergency buildings and special structures

WANG Jiao1，ZHAO Lihua2

（1.The Fourth Hospital of Hebei Medical University，Shijiazhuang 050051，China;

2.North China University of Science and Technology，Tangshan 063210，Hebei China

）

Abstract：Based on the needs of project quality control in hospital infrastructure projects，the stress-strain curves of carbon fiber reinforced composite （CFRP）/steel composite structures used in hospital infrastructure projects under static load shear were studied，and the effects of galvanic corrosion and asymmetric fatigue on the load-carrying capacity and fracture mode of CFRP/steel specimens were investigated.The results show that under the conditions of galvanic corrosion and fatigue，the load displacement curves of the specimens with and without aramid fibers in the bonding layer are similar to those of the specimens without corrosion and fatigue.Compared with the specimen without aramid fiber，the peak load of non corrosion+non fatigue，corrosion and fatigue specimens is larger than that of the specimen with aramid fiber.The average peak load of the specimen containing aramid fiber and the specimen without aramid fiber under non corrosion+non fatigue conditions are higher than those under corrosion and fatigue conditions，and the average peak load of the specimen containing aramid fiber is higher than that of the specimen without aramid fiber.The longer the corrosion or fatigue time is，the smaller the average peak load of the specimen will be.

Key words：hospital infrastructure;CFRP/steel;corrosion;fatigue;adhesion property

在基于項(xiàng)目質(zhì)量管控的基礎(chǔ)上，新時(shí)期的醫(yī)院基建管理不能簡(jiǎn)單地模仿其他公共建筑管理模式，有必要從現(xiàn)實(shí)需求出發(fā)建立一套適應(yīng)于現(xiàn)代化發(fā)展需求的衛(wèi)生服務(wù)體系，如醫(yī)院基建結(jié)構(gòu)需要采用特殊的結(jié)構(gòu)形式［1］，以適應(yīng)輕質(zhì)、快速高效和戶外建立方艙臨時(shí)隔離點(diǎn)等發(fā)展需要，在此基礎(chǔ)上，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）/鋼板結(jié)構(gòu)形式由于可以發(fā)揮碳纖維和鋼板各自優(yōu)勢(shì)［2-3］，如碳纖維的高強(qiáng)韌性、高比剛度和耐疲勞性能，鋼板作為基建材料具有易加工和施工便捷等優(yōu)點(diǎn)［4］，可用于基于項(xiàng)目質(zhì)量管控的醫(yī)院基建用材。然而，在實(shí)際應(yīng)用過程中，醫(yī)院基建用CFRP/鋼板結(jié)構(gòu)需要承受酸雨、往復(fù)周期荷載等作用，而CFRP/鋼板結(jié)構(gòu)在腐蝕和疲勞作用下的承載能力變化及其作用規(guī)律不清楚［5-6］。基于醫(yī)院基建工程中項(xiàng)目質(zhì)量管控的需要，研究了醫(yī)院基建用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)在靜載剪切作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并考察了電偶腐蝕和非對(duì)稱疲勞對(duì)CFRP/鋼試件承載能力和斷裂模式的影響，結(jié)果將有助于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的開發(fā)并推動(dòng)其在醫(yī)院基建中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）、鋼板，具體參數(shù)如表1所示。

1.2 試件制作

共設(shè)計(jì)了3種不同類型醫(yī)院基建用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）/鋼結(jié)構(gòu)試件，包括無腐蝕無疲勞試件（NCNF）、電偶腐蝕試件、疲勞加載試件，其中電偶腐蝕時(shí)間設(shè)定為24 h和72 h，分別記為C24和C72；疲勞加載時(shí)間設(shè)定為24 h和72 h，分別記為F24和F72。對(duì)于每種類型的試件，在設(shè)計(jì)時(shí)都使用了2種粘接層結(jié)構(gòu)，包括含有芳綸纖維和不含芳綸纖維。

每組試樣共制備3組平行樣，分別以-1、-2和-3標(biāo)識(shí)。試驗(yàn)過程中，首先對(duì)無腐蝕+無疲勞試件進(jìn)行加載，然后對(duì)腐蝕試件進(jìn)行加載（先加速電偶24 h和72 h，再靜載拉伸）、最后再進(jìn)行疲勞加載（先疲勞24 h和72 h，再靜載拉伸）。電偶腐蝕試驗(yàn)［7］所采用的電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%NaCl溶液，電流密度為165 mA/m2、陰極為普通鋼板，測(cè)試過程中陰極與拋丸鋼板連接，時(shí)間為24＼，72 h；疲勞試樣為非對(duì)稱疲勞［8］，頻率0.4 Hz、振幅1.0 kN、應(yīng)力比0.8，疲勞24 h和72 h對(duì)應(yīng)的疲勞循環(huán)次數(shù)為43 200和129 600次。

1.3 試件加載

在MTS 810型液壓私服萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試件進(jìn)行了靜載剪切拉伸試樣，加載速率為0.1 mm/min，采用DEWESoft 7.0動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測(cè)試應(yīng)變數(shù)據(jù)［9］，頻率為50 Hz；采用華為P40手機(jī)拍攝斷裂試樣的宏觀形貌。

2 結(jié)果與分析

圖1為無腐蝕+無疲勞條件下粘接層中含有芳綸纖維和不含芳綸纖維試件的載荷-位移曲線。對(duì)比分析可知，在加載早期階段，粘接層中含有芳綸纖維和不含芳綸纖維試件的荷載都會(huì)隨著位移增加而快速增大，少數(shù)試樣在加載過程中出現(xiàn)滑脫現(xiàn)象而使得曲線并不平滑；隨著位移的增加，試件的荷載增加速率會(huì)減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值荷載后，試件的荷載快速下降并伴隨著咔嚓的響聲，此時(shí)外加荷載已經(jīng)超過試件的承載能力，粘接層內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生裂紋并發(fā)生斷裂失效。相較而言，無腐蝕+無疲勞條件下粘結(jié)層中含有芳綸纖維試件的極限位移要高于不含芳綸纖維試件，這主要是因?yàn)樵谡辰訉又屑尤敕季]纖維后，可以起到一定的僑聯(lián)作用［10-11］，增強(qiáng)試件的承載能力和變形能力。

圖2為腐蝕24 h條件下粘接層中含有芳綸纖維和不含芳綸纖維試件的載荷-位移曲線，圖3為腐蝕72 h條件下粘接層中含有芳綸纖維和不含芳綸纖維試件的載荷-位移曲線，圖4為疲勞24 h條件下粘接層中含有芳綸纖維和不含芳綸纖維試件的載荷-位移曲線，圖5為疲勞72 h條件下粘接層中含有芳綸纖維和不含芳綸纖維試件的載荷-位移曲線。對(duì)比分析可知，在腐蝕、疲勞條件下，粘接層中含有芳綸纖維和不含芳綸纖維試件的載荷-位移曲線都較為相似，即開始階段的荷載都會(huì)隨著位移增加而快速增大，少數(shù)試樣由于發(fā)生滑脫而使得荷載-位移曲線不平滑，在到達(dá)峰值荷載后，試件的荷載會(huì)快速下降。此外，對(duì)比分析可知，不同條件下粘接層中含有芳綸纖維和不含芳綸纖維試件的峰值荷載、極限位移等都存在明顯差異。

圖6為粘接層中含有芳綸纖維和不含芳綸纖維試件的峰值荷載。對(duì)于含有芳綸纖維的第1組試件，無腐蝕+無疲勞試件的峰值荷載為24 kN，C24和C72試件的峰值荷載分別為14、17 kN，F(xiàn)24和F72試件的峰值荷載分別為20、17 kN；對(duì)于含有芳綸纖維的第2組試件，無腐蝕+無疲勞試件的峰值荷載為25 kN，C24和C72試件的峰值荷載分別為16、22 kN，F(xiàn)24和F72試件的峰值荷載分別為23 kN和16 kN；對(duì)于含有芳綸纖維的第3組試件，無腐蝕+無疲勞試件的峰值荷載為23 kN，C24和C72試件的峰值荷載分別為12、18 kN，F(xiàn)24和F72試件的峰值荷載分別為23 kN和16 kN。相較于不含芳綸纖維的試件，無論是無腐蝕+無疲勞試件，腐蝕24 h和腐蝕72 h試件，還是疲勞24 h和疲勞72 h試件，含有芳綸纖維試件的峰值荷載都相對(duì)較大，這主要與粘結(jié)層中加入芳綸纖維后，可以起到一定的僑聯(lián)作用，增強(qiáng)試件的承載能力和變形能力有關(guān)。

圖7為粘接層中含有芳綸纖維和不含芳綸纖維試件的平均峰值荷載統(tǒng)計(jì)結(jié)果。對(duì)于無腐蝕、無疲勞條件下的試件，含有芳綸纖維和不含芳綸纖維試件的平均峰值荷載相對(duì)較大；相較于無腐蝕+無疲勞條件下試件，含有芳綸纖維試件C24和C72的平均峰值荷載分別下降21.1%和41.3%，不含有芳綸纖維試件C24和C72的平均峰值荷載分別下降22.2%和38.9%；相較于無腐蝕+無疲勞條件下試件，含有芳綸纖維試件F24和F72的平均峰值荷載分別下降12.2%和32.0%，不含有芳綸纖維試件F24和F72的平均峰值荷載分別下降10.1%和36.3%。由此可見，無腐蝕+無疲勞條件下含有芳綸纖維和不含芳綸纖維試件的平均峰值荷載都高于腐蝕和疲勞條件下試件，且含有芳綸纖維的平均峰值荷載都高于不含芳綸纖維試件，腐蝕或者疲勞時(shí)間越長(zhǎng)，則對(duì)應(yīng)試件的平均峰值荷載越小。這也與粘接層中加入了具有高強(qiáng)度、良好韌性的芳綸纖維后，可以起到一定的僑聯(lián)作用，在斷裂過程中可以抑制裂紋擴(kuò)展、提升斷裂耗能［12-13］，增強(qiáng)試件的承載能力和變形能力有關(guān)。

表2為醫(yī)院基建用碳纖維/鋼復(fù)合材料的斷裂模式統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

由表2可見，無疲勞+無腐蝕模式下試件的斷裂模式為粘接層內(nèi)聚失效；進(jìn)一步觀察了腐蝕24 h和腐蝕72 h條件下試件的斷裂模式，發(fā)現(xiàn)試件的斷裂模式仍然為粘接層內(nèi)聚失效，而疲勞24 h和疲勞72 h時(shí)試件的斷裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)檎辰訉觾?nèi)聚失效+CFRP層間失效。整體而言，對(duì)于翼緣基建用碳纖維/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)，粘接層仍然是整體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，這主要是因?yàn)殡m然在制作試件的過程中嚴(yán)格了各項(xiàng)工序制度，但是環(huán)氧樹脂和固化劑的粘接作用仍然有限，在粘結(jié)劑自身粘接強(qiáng)度較低的前提下，在受到外加荷載時(shí)，裂紋將有限在碳纖維/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的界面粘接層萌生及擴(kuò)展［14］；對(duì)于疲勞時(shí)間，其斷裂模式為粘接層內(nèi)聚失效+CFRP層間失效，這主要是因?yàn)槠谶^程中試件受到往復(fù)低應(yīng)力荷載作用，CFRP層合板在交變荷載作用下會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部粘接層的剪切破壞［15］，因此碳纖維/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的承載能力會(huì)相對(duì)單一腐蝕條件下更高，此時(shí)的斷裂破壞需要同時(shí)承受粘接層內(nèi)聚失效和CFRP層間失效作用。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）相較于不含芳綸纖維的試件，無論是無腐蝕+無疲勞試件，腐蝕24 h和腐蝕72 h試件，還是疲勞24 h和疲勞72 h試件，含有芳綸纖維試件的峰值荷載都相對(duì)較大；

（2）無腐蝕+無疲勞條件下含有芳綸纖維和不含芳綸纖維試件的平均峰值荷載都高于腐蝕和疲勞條件下試件，且含有芳綸纖維的平均峰值荷載都高于不含芳綸纖維試件，腐蝕或者疲勞時(shí)間越長(zhǎng)，則對(duì)應(yīng)試件的平均峰值荷載越小；

（3）無疲勞+無腐蝕模式下試件的斷裂模式為粘結(jié)層內(nèi)聚失效，腐蝕24 h和腐蝕72 h條件下試件的斷裂模式仍然為粘接層內(nèi)聚失效，而疲勞24 h和疲勞72 h時(shí)試件的斷裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)檎辰訉觾?nèi)聚失效+CFRP層間失效。

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