不同地區(qū)自然環(huán)境下CFRP復合材料的自然老化性能試驗

危成英,王全鳳,楊勇新,羅漪

(華僑大學土木工程學院,福建泉州362021)

不同地區(qū)自然環(huán)境下CFRP復合材料的自然老化性能試驗

危成英,王全鳳,楊勇新,羅漪

(華僑大學土木工程學院,福建泉州362021)

對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)境因素對碳纖維復合材料(CFRP)性能的影響不大,但是對兩種樹脂的影響較大.其中,西北地區(qū)的環(huán)境對復合材料的影響小于華北地區(qū)的環(huán)境對復合材料的影響,華北地區(qū)的環(huán)境對復合材料的影響小于東南地區(qū)的環(huán)境對復合材料的影響.從溫度方面來看,東南地區(qū)的溫度最高,環(huán)境對復合材料產(chǎn)生的影響也最大.

碳纖維復合材料;老化;耐久性;自然環(huán)境;溫度

近年來,人們對建筑物的安全性、適用性和耐久性的要求不斷提高,使得結(jié)構(gòu)的維護和補強加固得到廣泛的重視.然而,有很多因素會縮短現(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?shù)募夹g(shù)措施,對其進行補強加固[1].纖維增強復合材料(FRP)因其輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、施工方便快捷、修復加固效果好等優(yōu)異性能,成為人們優(yōu)選的新型建筑材料[2-4].隨著國內(nèi)結(jié)構(gòu)加固修復行業(yè)不斷走向成熟,有關(guān)FRP加固的研究也在不斷完善[5-10].本文通過對同一批試件在3個不同地區(qū)的自然老化性能的試驗結(jié)果進行對比,得出各個材料在不同地區(qū)的力學性能曲線的變化趨勢.

1 試驗部分

1.1 環(huán)境條件

選擇的試驗地區(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措施,水平曝置.為了更好地統(tǒng)計和管理試件,把試件每隔5個排列整齊,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,試驗中每隔一個月將試件翻轉(zhuǎn)一次.按照計劃,每隔一定時間分別取一組試件進行拉伸性能試驗.

1.2 試樣制作工藝與取樣

由于纖維材料試樣脆性比較強,耐壓性能差,纖維增強復合材料的制作按照CECS 146:2003《碳纖維片材加固修復混凝土結(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)計規(guī)范》中的規(guī)定[12],將浸漬樹脂用模具制樣,養(yǎng)護規(guī)定齡期后進行試驗.

1.3 試驗方法

采用WDW-D100EⅢ型微機控制電子式萬能試驗機進行拉伸試驗,加載速率為2 mm·min-1.采用連續(xù)加載的方法測定抗拉強度、彈性模量、伸長率、應力-應變曲線、最大破壞荷載,并記錄破壞形式.纖維增強復合材料抗拉強度的測定,參考的相關(guān)規(guī)范有我國的國家標準GB/T 3354-1999《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》[13],GB/T 1447-1983《玻璃纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》[14],以及日本的相關(guān)試驗方法[1].

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗環(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)的自然老化試驗周期內(nèi),其平均溫度的曲線如圖1所示.由圖1可見,試驗周期內(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 材料的力學性能

由于各種材料的力學性能絕對數(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個地區(qū)自然老化試驗后,考察CFRP復合材料及其對應的樹脂(CS-1+RE-1,CS-2+ RE-2,RE-1和RE-2)的力學性能變化,分別如圖2,3,4,5所示.圖中:γf,γE,γφ分別表示相對抗拉強度、相對彈性模量和相對伸長率.

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

圖2 CS-1+RE-1力學性能隨時間的變化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個地區(qū)的環(huán)境影響下,材料的抗拉強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率受環(huán)境影響較小,彈性模量甚至有所提高,伸長率有所下降.

圖3 CS-2+RE-2力學性能隨時間的變化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,華北和東南地區(qū)的材料抗拉強度下降幅度很大,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;而東南地區(qū)在前1.5 a下降,之后回升.伸長率方面,經(jīng)過2 a的自然老化后,伸長率都有很大幅度的下降,變化趨勢相似.

圖4 RE-1力學性能隨時間的變化Fig.4 Curve of RE-1 mechanical performances to time

2.2.4 RE-2 由圖5可知,3個地區(qū)的材料抗拉強度變化曲線基本相似,先下降,后趨于平穩(wěn).抗拉強度經(jīng)2 a的老化試驗后下降幅度都較大,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)境對其影響不大,甚至有增大的趨勢,華北地區(qū)老化1 a內(nèi)無影響,而1 a后下降趨勢明顯;東南地區(qū)則一直無明顯變化.伸長率方面,西北和東南地區(qū)變化趨勢相似,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力學性能隨時間的變化Fig.5 Curve of RE-1 mechanical performances to time

3 結(jié)論

通過對同一批次的CFRP復合材料在3個不同地區(qū)的自然老化試驗結(jié)果的力學性能分析,可以得出以下3點結(jié)論.

(1)西北地區(qū)自然暴露環(huán)境條件下,不同的CFRP材料和對應樹脂的抗拉強度伸長率變化規(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,隨著老化時間的延長,碳纖維片材抗拉強度的變化規(guī)律與浸潤樹脂抗拉強度耐久性有一定關(guān)系,且均略有下降;碳纖維片材伸長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間的延長,基本沒有變化.

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

整體看來,3個不同地區(qū)的自然老化試驗對CFRP復合材料的力學性能影響變化不大,3個地區(qū)的力學性能變化顯示出相似的變化趨勢,自然老化試驗后的各種力學性能下降率相似.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,初始一段時間內(nèi)CFRP復合材料抗拉強度、彈性模量和伸長率具有不同的變化,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)境對材料的影響小于華北地區(qū)的環(huán)境對材料的影響,華北地區(qū)的環(huán)境對材料的影響小于東南地區(qū)的環(huán)境對材料的影響.

從溫度方面分析來看,主要是因為東南地區(qū)的溫度最高,溫度的高低對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,復合材料力學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)部的擴散能力也加大,同時高溫下高分子鏈的熱運動加劇,分子間的作用力減弱,自由體積增大,有利于水分的進入.復合材料在水氣作用下,基體發(fā)生溶脹塑化且水氣擴散至基體與纖維的界面,造成基體強度下降,界面脫粘.

其他因素的作用效果由于暫時沒有更多的數(shù)據(jù)可以證明,將在以后更進一步的研究中探討.

[1] 趙彤,謝劍.碳纖維布補強加固混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)[M].天津:天津大學出版社,2001:1-18.

[2] 陳小兵,顏子涵,岳清瑞,等.碳纖維材料加固鋼筋混凝土梁的試驗研究[J].工業(yè)建筑,1998,28(11):6-10.

[3] 吳剛,安琳,呂志濤.碳纖維布用于鋼筋混凝土梁抗彎加固的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2000,30(7):3-6.

[4] 楊勇新,岳清瑞.碳纖維布加固混凝土梁截面剛度計算[J].工業(yè)建筑,2001,31(9):1-4.

[5] 楊勇新.碳纖維布與混凝土的粘結(jié)性能及其加固混凝土受彎構(gòu)件的破壞機理研究[D].天津:天津大學,2001:9-118.

[6] 郭春紅,岳清瑞,楊勇新,等.碳纖維布增強復合材料力學性能評價[J].工業(yè)建筑,2006,36(2):95-98.

[7] 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.

[8] 任慧韜,姚謙峰,胡安妮.纖維增強復合材料的耐久性能試驗研究[J].建筑材料學報,2005,8(5):520-526.

[9] 楊亞文.碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料的吸濕行為[J].機械制造,2005,43(486):71-72.

[10] 楊勇新,莊榮忠.FRP與木材的界面粘結(jié)性能研究現(xiàn)狀[J].玻璃鋼/復合材料,2008(6):53-56.

[11] 中國建筑標準化協(xié)會.CECS 146:2003碳纖維片材加固修復混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]:北京:中國計劃出版社, 2007.

[12] 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50367-2006混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[13] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 3354-1999定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法[S].北京:中國標準出版社, 1999.

[14] 國家建筑材料工業(yè)局.GB/T 1447-1983玻璃纖維增強塑料拉伸性能試驗方法[S].北京:中國標準出版社, 1984.

[15] 楊勇新,楊萌,趙顏,等.西北自然環(huán)境條件下浸漬樹脂耐久性對碳纖維片材耐久性能的影響[J].工業(yè)建筑.2008, 38(2),15-17.

[16] 楊萌,楊勇新,廉杰,等.華北自然環(huán)境條件下浸漬樹脂耐久性對碳纖維片材耐久性能影響的試驗[J].工業(yè)建筑, 2008,38(2),18-20.

[17] 岳清瑞,楊勇新,郭春紅,等.浸漬樹脂快速老化與自然老化試驗對應關(guān)系[J].工業(yè)建筑,2006,36(8):1-5.

[18] 楊勇新,郭春紅,才鵬,等.紫外線對CFRP與混凝土粘結(jié)性能的影響[J].工業(yè)建筑,2006,36(8):18-20.

[19] 肇研,梁朝虎.聚合物基復合材料自然老化壽命預估方法[J].航空材料學報,2001,21(2):55-58.

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)力學的研究.E-mail:qfwang@hqu.edu.cn.

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目(2004AA 336010);國家科技攻關(guān)(國際合作)項目(2005DFBA 0002)