纖維增強復(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）

隨著纖維增強復(fù)合材料（FRP）加固修復(fù)結(jié)構(gòu)這項技術(shù)的普及，加固土木結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用量急劇增長，對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的種類也越來越多，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，如溫度和濕度變化、紫外線照射以及化學(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影響材料本身的物理力學(xué)性能，另一方面可能會影響FRP材料與結(jié)構(gòu)的界面的粘結(jié)性能。因此對于用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)注其耐久性問題。

近年來，國內(nèi)對FRP材料及其加固構(gòu)件的耐久性研究越來越多，但是在腐蝕與老化的評價認證技術(shù)、產(chǎn)品與試驗方法標(biāo)準(zhǔn)、老化與腐蝕檢測設(shè)備等方面都沒有統(tǒng)一，因此在數(shù)據(jù)和結(jié)論方面無法進行共享和參考，導(dǎo)致我國FRP耐久性研究較其他國家相對落后。本文主要介紹了近年來“國家工程中心”在FRP耐久性方面的研究內(nèi)容。

1 目前的試驗研究

從2003年開始，“國家工程中心”先后開展了FRP材料及其加固材料在自然環(huán)境、紫外線照射環(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研究，通過對FRP材料力學(xué)性能、樹脂材料力學(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)件承載力性能等進行評估，對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，“國家工程中心”分別對常見的6種FRP材料、2種粘結(jié)樹脂材料進行了在自然老化下的耐久性研究。試驗條件為無防護自然老化和有防護自然老化；試驗地點（環(huán)境）包括北京、新疆、福建和山東等地。通過對一定老化時間后FRP材料和樹脂材料進行拉伸試驗，測量其拉伸強度、伸長率、彈性模量，觀察破壞形態(tài)等，考察FRP材料的力學(xué)性能隨時間的變化規(guī)律[1-8]，目前已進行5年，獲得初步結(jié)論。

1.2 紫外線照射

紫外線老化是影響FRP及其制品耐久性的環(huán)境因素之一。通過對2種粘結(jié)形式的FRP與混凝土的粘結(jié)性能進行了紫外線老化試驗研究和分析，考察CFRP與混凝土拉伸剪切強度和正拉粘結(jié)強度隨老化時間的變化特征，對比有無防護對正拉粘結(jié)強度的影響，初步結(jié)果表明：紫外線對CFRP與混凝土的拉伸剪切強度的影響較大，防護能有效減緩CFRP與混凝土的正拉粘結(jié)性能在紫外線作用下的劣化[9]。

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

1.3 干濕交變

“國家工程中心”分別對常見的幾種FRP材料和粘結(jié)樹脂材料進行了在干濕循環(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)氧類粘結(jié)樹脂等。通過在不同的老化時間下獲得的拉伸強度、伸長率、彈性模量等力學(xué)性能，尋找相應(yīng)材料的力學(xué)性能隨時間的變化規(guī)律。

近兩年，又對玄武巖纖維復(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)等隨時間的變化規(guī)律[10]。

1.4 海水浸泡

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

1.5 濕熱條件

對5種FRP材料、2種浸漬樹脂及FRP材料加固構(gòu)件進行了濕熱老化下的耐久性試驗?？疾煸跐駸嶙兓h(huán)境下各種材料及制品的力學(xué)、物理等性能隨時間的變化規(guī)律[11]。

1.6 酸堿鹽環(huán)境

在試驗過程中分別對常用的FRP布、FRP板、FRP筋以及其他制品進行了酸堿鹽環(huán)境下性能變化規(guī)律的測試，初步結(jié)果表明，不同種類的纖維及其FRP材料制品對不同的酸堿鹽介質(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 耐久性評價方法

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，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時間，若對少數(shù)的幾種材料進行自然老化試驗尚可以做到，但目前FRP材料種類有很多種，要評價各種材料的在自然環(huán)境作用下的耐久性，通過對每種材料都進行自然老化試驗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來評價材料的耐久性能。

圖1 自然老化試件擺放示意

為了從大量已知材料試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到未知FRP材料、浸漬樹脂及FRP-混凝土粘結(jié)性能的耐久性，我們提出了一種評價其耐久性的理論方法。在此評價方法中建立了單一快速試驗環(huán)境和復(fù)合快速試驗環(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結(jié)果對應(yīng)關(guān)系時，提出并計算了單一和復(fù)合加速因子。通過名義力學(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，對未知材料進行耐久性評價。通過此方法可以用快速試驗結(jié)果來預(yù)測FRP在自然環(huán)境作用下的壽命[13-14]。

圖2 紫外線老化箱工作示意

3 試驗方法

圖3 干濕交變老化試驗示意

“國家工程中心”所進行的試驗主要參照國內(nèi)外相關(guān)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)進行，對于沒有規(guī)范可以借鑒的試驗則根據(jù)常規(guī)方法通過適當(dāng)?shù)母倪M，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。通過參考國外方法和結(jié)合我國FRP加固的結(jié)構(gòu)使用條件，試驗采用水平曝置方法。有防護條件為在試件上方搭設(shè)雨棚，防止太陽光的直射和雨水的侵蝕；無防護為試件完全曝露在自然環(huán)境中。試驗圖如圖1所示。

參考國內(nèi)外相似標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合工程用FRP測試試件的具體要求，我們設(shè)計制造了紫外線環(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度的紫外線燈管，通過紫外線燈管、間距、照距等參數(shù)的調(diào)節(jié)可以控制紫外線光照強度，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、浸濕12小時為一個循環(huán)。同時，還根據(jù)美國ASTM規(guī)范D1141－98(2003)[15]和中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15748－1995《船用金屬材料電偶腐蝕試驗方法》[16]規(guī)定，配制相應(yīng)濃度的人工海水。試驗圖如圖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，試驗中試件全部浸泡在試驗溶液中，待試件到期后進行相應(yīng)的試驗。試驗圖如圖4所示。

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

關(guān)于FRP材料的拉伸性能測試，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，將纖維布用樹脂浸漬，制成玄武巖纖維復(fù)合片材，端頭粘貼增強片。按照GB/T 3354—1999《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》[19]中的方法，在深圳新三思材料檢測有限公司生產(chǎn)的微控電子萬能試驗機（CMT7504）上進行拉伸試驗，加載速率為1～6 mm/min。采用連續(xù)加載，測定拉伸強度、彈性模量、伸長率、最大破壞荷載，記錄破壞形式。試驗圖如圖6所示。

FRP材料加固鋼筋混凝土構(gòu)件的試驗，是在德國造10MN壓力試驗機上進行，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，主要測量其承載力、裂縫發(fā)展、破壞形態(tài)等。試驗圖如圖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)會標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程、國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)體系，其中對建設(shè)工程用FRP材料或制品的耐久性大都進行了規(guī)定，這樣形成了統(tǒng)一的試驗測試方法和評價方法，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“國家工程中心”對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方面的方法和手段，希望通過對這些試驗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價認證技術(shù)、產(chǎn)品與試驗方法標(biāo)準(zhǔn)、老化與腐蝕檢測設(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)境作用下進行同步試驗，一方面可以研究所選環(huán)境對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)計方法；另一方面可以建立FRP人工加速劣化與自然劣化的對應(yīng)關(guān)系，以此來預(yù)測工程應(yīng)用FRP的使用壽命。

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[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研究[J].工業(yè)建筑,2008,38(2)：4-6

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[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耐久性評價方法[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)耐久性能的評價研究[D].中冶集團建筑研究總院.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]中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn),GB/T 15748－1995船用金屬材料電偶腐蝕試驗方法[S].

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

[18]中華人民共和國標(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]中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn),GB/T 3354－1999定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法[S].