GFRP板材熱性能分析①

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(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引 言

近年來，異形曲面幕墻逐步進(jìn)入大眾視野，由于技術(shù)與成本等因素的影響，傳統(tǒng)幕墻材料難以滿足要求。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Glass-Fibre-Reinforced Polymer，簡稱GFRP) 是由玻璃纖維與基體材料按比例以一定工藝混合成型的高性能新型材料應(yīng)運(yùn)而生[1]。GFRP材料力學(xué)性能突出，同時(shí)由于其特殊的熱性能，使其在曲面加工成型方面具有顯著優(yōu)勢[2]，因此在建筑領(lǐng)域有很大的發(fā)展前景，如夢露大廈和德國DZ銀行[3]。依托為福州某商業(yè)廣場造型，該結(jié)構(gòu)的建筑標(biāo)高9.8m，俯視角度整體呈現(xiàn)為外徑43m的圓形，用于覆蓋三個(gè)柱中部直徑約25m的圓形下沉式廣場。該項(xiàng)目作為國內(nèi)首次全GFRP立面結(jié)構(gòu)，其主要有兩個(gè)難點(diǎn)，其一為曲面熱加工成型工藝的溫控精度，其二為材料本身存在環(huán)氧樹脂所導(dǎo)致的抗火性能缺陷。主要針對抗火性能通過Abaqus數(shù)值模擬與不燃性試驗(yàn)尋找解決方案。

1 材料制備與DMA實(shí)驗(yàn)

1.1 GFRP材料制備

采用真空輔助樹脂傳遞模塑(簡稱VARTM)加工方式。該工藝是將增強(qiáng)材料置于已完成的真空裝置中，在一定壓力與溫度下通過抽入樹脂(基質(zhì))與復(fù)合材料充分融合浸潤，通過固化與后固化得到材料。

實(shí)驗(yàn)采用的VARTM工藝為常溫固化脫模，2h成型，24h固化，70℃后固化，玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，按±45°方向鋪設(shè)，基質(zhì)為環(huán)氧樹脂。添加劑為粉末阻燃劑。玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，實(shí)驗(yàn)方案布置如圖1，實(shí)驗(yàn)板材如圖2。

圖1 VARTM實(shí)驗(yàn)方案

圖2 GFRP板材試件

1.2 DMA實(shí)驗(yàn)

動態(tài)熱機(jī)械分析(DMA)實(shí)驗(yàn)是用以測量粘彈性材料的力學(xué)性能與時(shí)間、溫度或頻率的關(guān)系。 DMA的實(shí)驗(yàn)原理：作為基質(zhì)的高聚物是一種粘彈性材料，一方面像彈性材料具有儲存機(jī)械能的特性，另一方面又像粘液一般會損耗能量而不儲存能量。當(dāng)這種材料變形時(shí)，一部分能量變成位能，另一部分變成熱損耗。當(dāng)溫度升高時(shí)，材料貯能模量、損耗模量和力學(xué)損耗角均會發(fā)生變化，尤其在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(Tg)附近存在突變，因此通過DMA實(shí)驗(yàn)可測定該GFRP板的Tg以此確定曲面加工溫度區(qū)間。

圖3 DMA實(shí)驗(yàn)設(shè)備：DMA Q800

圖4 貯能模量-溫度曲線

選用DMA Q800試驗(yàn)機(jī)如圖3，截取GFRP標(biāo)準(zhǔn)試件的名義尺寸為84.8mm×12.7mm×4.5mm，共5組，選取第三組Y3得右側(cè)貯能模量溫度曲線，貯能模量表示黏彈性材料在形變過程中由于彈性形變而儲存的能量。由圖4可以看出在溫度70-80℃范圍內(nèi)貯能模量到達(dá)峰值，以此確定該GFRP材料Tg范圍為70-80℃。當(dāng)溫度大于100℃，貯能模量下降趨于穩(wěn)定。因此該材料熱加工溫度可選取100-120℃。對于整體板材點(diǎn)位溫度本文不做詳細(xì)描述。

2 GFRP材料火災(zāi)數(shù)值模擬

對GFRP進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬[4]，使用Abaqus有限單元分析軟件，建立復(fù)合材料模型，模型如圖5所示。該模型尺寸為400mm x 400mm，共8層，每層厚度0.6mm，總厚度為4.8mm；各層加強(qiáng)方向按照±45°堆疊。網(wǎng)格采用熱傳遞DS8，玻爾茲曼常數(shù)為5.67e-8。擬采用單面接觸加熱，材料和外界初始溫度均為293K，材料熱輻射率取0.9。向火面熱對流系數(shù)取為25，背火面熱對流系數(shù)取為8。對GFRP板進(jìn)行熱傳遞瞬態(tài)分析模型如圖5。

圖5 復(fù)合材料模型

圖6 升溫曲線

圖7 無阻燃劑試件

圖8 不燃性試驗(yàn)爐

分別進(jìn)行有阻燃劑和無阻燃劑模擬實(shí)驗(yàn)，模擬得到升溫曲線圖6所示，外界按照IS0834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，GFRP-W1為無阻燃劑升溫曲線，GFRP-Y1為表面設(shè)置1mm阻燃劑升溫曲線。

3 GFRP材料火災(zāi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M

實(shí)驗(yàn)材料選用上述工藝制備玻纖含量約70%的GFRP板材兩塊，其中一塊添加10%含量阻燃劑，另一塊板不添加阻燃劑。見圖7和圖8，按照試驗(yàn)方法將分別將兩塊板加工成標(biāo)準(zhǔn)圓柱狀試樣各兩組，經(jīng)過狀態(tài)調(diào)節(jié)后進(jìn)行試驗(yàn)。選用建筑不燃性試驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)前后分別對試樣進(jìn)行稱重，調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度約為750℃左右。

首先進(jìn)行未添加阻燃劑的W1、W2兩組實(shí)驗(yàn)。將試樣固定后迅速放入爐內(nèi)，爐內(nèi)溫度、試樣中心和表面溫度的具體變化曲線如圖9。未添加阻燃劑的兩組試驗(yàn)現(xiàn)象基本相同。當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間約為60s時(shí)，試樣開始燃燒，燃燒狀況較為劇烈且持續(xù)時(shí)間較長，當(dāng)時(shí)間約為600s時(shí)燃燒逐漸停止，不再有燃燒現(xiàn)象出現(xiàn)。后取出試件，試件為通紅狀態(tài)，冷卻后可明顯看出為層狀玻纖，上附有黑色疑似碳化，進(jìn)行稱重最終損失質(zhì)量約為30%。

然后進(jìn)行添加阻燃劑的Y1、Y2兩組實(shí)驗(yàn)。將試樣放入爐內(nèi)后，約在60s時(shí)開始燃燒。燃燒大概可分為三個(gè)過程，初始時(shí)開始燃燒，燃燒狀態(tài)并不劇烈，不間斷出現(xiàn)自熄滅現(xiàn)象并伴隨黑煙產(chǎn)生，此狀態(tài)持續(xù)約90s；隨后燃燒情況類似未添加試件，持續(xù)大約150s；隨后又進(jìn)入燃燒抑制狀態(tài)，燃燒不劇烈，火焰不間斷自熄，伴隨黑煙生成，這種狀態(tài)持續(xù)約300s左右。最終在600s左右時(shí)完全熄滅，試驗(yàn)結(jié)束后剩余物質(zhì)與未添加阻燃劑類似，質(zhì)量損失率約為25%。溫升曲線如圖10。

圖9 無阻燃劑升溫曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示無阻燃劑試樣質(zhì)量損失率在30%左右，有阻燃劑試樣質(zhì)量損失率在25%左右。爐內(nèi)溫升200℃左右，火焰持續(xù)時(shí)間無阻燃劑約為500s，有阻燃劑約為300s，具體信息如表1所示。

表1 不燃性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 分析與討論

4.1 GFRP熱加工性能

通過DMA實(shí)驗(yàn)，如圖4中貯能模量在60℃開始快速上升由玻璃態(tài)逐步進(jìn)入玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化區(qū)，在70-80℃出現(xiàn)峰值，即為目標(biāo)材料的Tg，隨后開始快速下降。當(dāng)溫度超過100℃后貯能模量下降趨緩到達(dá)高彈態(tài)橡膠態(tài)，此后溫度升高貯能模量變化較小，由此可以看出該溫度適宜材料二次加工。同時(shí)材料此時(shí)的塑性提高，此后溫度再升高，材料的貯能模量基本不再發(fā)生變化，冷卻后回彈較小。從而可以得出該種材料的理想熱加工溫度即為100℃以上，考慮技術(shù)、成本等因素合理加工區(qū)間為100-120℃。

圖10 有阻燃劑升溫曲線

4.2 GFRP火災(zāi)情況模擬

對于熱加工環(huán)境較為單一，加熱狀態(tài)下主要依靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行傳熱，且加熱溫度固定，火災(zāi)狀態(tài)下，熱傳遞主要依靠熱輻射和熱對流，且外界溫度處于不斷升高狀態(tài)，較為復(fù)雜。

數(shù)值模擬中，選擇單面接觸加熱與實(shí)際火災(zāi)的復(fù)雜情況并不完全相同，參數(shù)選擇存在偏差。由于GFRP材料本身含有作為基質(zhì)的可燃物環(huán)氧樹脂，導(dǎo)致材料升溫較快。另由于背火面平均溫度升高140℃即代表材料喪失隔熱性，由圖6可以看出即在300s左右材料即喪失隔熱性，對比添加阻燃劑與未加阻燃劑兩條升溫曲線，添加阻燃劑可使材料喪失隔熱性時(shí)間延長40%，效果較為顯著。

不燃性試驗(yàn)中由試驗(yàn)結(jié)果表格匯總?cè)缟媳硭荆|(zhì)量損失率均小于35%，但爐內(nèi)溫升(200℃ > 50℃)和火焰持續(xù)時(shí)間(540s，300s > 20s)都不滿足要求，因此不滿足不燃性材料的不燃性試驗(yàn)要求。添加阻燃劑組的燃燒狀態(tài)比起不添加阻燃劑有所改善，火焰持續(xù)時(shí)間大幅度縮短，樣表溫度降低可延緩結(jié)構(gòu)破壞時(shí)間?？赡艽嬖谟捎谠嚰懈钤斐蓸渲糠滞饴┈F(xiàn)象，降低阻燃效果，通過表面加隔熱層可改善阻燃效果。此外燃燒剩余層狀玻纖依然具備一定承載能力。

5 結(jié) 論

通過對GFRP材料熱工性能進(jìn)行數(shù)值模擬和不燃性試驗(yàn)，得出主要結(jié)論如下：

(1)通過DMA試驗(yàn)確定該GFRP材料的貯能模量隨溫度變化曲線，并確定Tg為70-80℃，當(dāng)溫度升至100攝氏度以上時(shí)，材料的貯能模量會下降趨緩，因此可將溫度范圍為100-120℃，可作為異形曲面的加工溫度；

(2)火災(zāi)情況下，使用GFRP材料抗火性能較差，有無阻燃劑試件爐內(nèi)溫升和火焰持續(xù)時(shí)間未能滿足要求。使用阻燃劑可有效延長起火時(shí)間40%左右。試樣質(zhì)量損失小于35%，燃燒完全后剩余玻纖依然有一定承載能力。

(3)由于火災(zāi)情況的復(fù)雜性，研究可作為指導(dǎo)下一步抗火試驗(yàn)的參考依據(jù)，如表面封閉阻燃實(shí)驗(yàn)。文中某些數(shù)值模擬參數(shù)取值為估算值，因此具體數(shù)值結(jié)果與實(shí)際可能存在偏差。

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