預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具組裝件老化試驗分析

龐忠華， 覃巍巍， 李 翔， 盧小芬

（柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545005）

碳纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料（CFRP）由于強(qiáng)度與比模量大、密度小、耐久性好等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域[1]。近年來用于橋梁加固時普遍采用的夾片式預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具由碳纖維板、錨具通過夾片頂壓錨固的方式組裝成為碳纖維板錨具組裝件，施加預(yù)應(yīng)力后再粘貼于橋梁梁板底面或側(cè)面，其需在有應(yīng)力狀態(tài)下長期使用且受自然環(huán)境下的空氣、溫度、濕度影響較大。目前的研究［1～5］只是單一的研究濕、熱或濕熱作用下材料的性能，對濕熱環(huán)境耦合疲勞等應(yīng)力作用下復(fù)合材料老化的研究不夠充分。

為了研究溫度、濕度對預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具的影響，本文通過熱空氣人工加速老化試驗，模擬碳纖維板錨具組裝件在實際工況存在一定應(yīng)力的長期負(fù)載，探討其組裝件整體的長期可靠性及使用壽命。

1 預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具錨固機(jī)理

為了研究使用壽命，首先簡要分析錨具的錨固機(jī)理。在夾片式錨具中，夾片和錨板錐孔是構(gòu)成預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具的錨固單元，依靠碳纖維板與夾片之間的咬合以及夾片與錨板錐孔內(nèi)壁的摩擦來傳遞預(yù)應(yīng)力[6]。見圖1。

圖1 錨固單元

夾片式碳纖維板錨具的錨固過程分頂壓組裝、張拉和放張3個階段，放張階段結(jié)束后，碳纖維板錨固完成。近年來還出現(xiàn)在夾片與碳纖維板之間的接觸面涂抹環(huán)氧類膠黏劑的工藝，膠黏劑可將夾片與碳纖維板之間的微細(xì)空間填充密實并提供一定的黏結(jié)力，起到輔助錨固作用；但其錨固可靠性仍主要依賴夾片與錨板之間、夾片與碳纖維板之間的摩擦力、夾持力，仍屬于機(jī)械式錨固。

2 預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具壽命推算

錨板、夾片、碳纖維板、膠黏劑在長期受力狀態(tài)下，任一零件出現(xiàn)性能下降均可能導(dǎo)致錨具組裝件錨固性下降，甚至失效；而在高溫條件下，各種材料的老化速度會明顯加快，特別是碳纖維板、膠黏劑此類高分子材料對溫度的變化較金屬材料更為明顯。因此，在合適的試驗溫度下，將錨具組裝件的抗拉性能（拉伸力）數(shù)值變化看作時間函數(shù)，每隔一定時間取出試樣進(jìn)行測試并對測試結(jié)果進(jìn)行評估，在測試結(jié)果未達(dá)到試驗終止指標(biāo)的情況下，繼續(xù)該步驟直至所測性能達(dá)到臨界值，從而得出在該溫度下的老化失效時間。

選擇3 個溫度進(jìn)行試驗，以失效時間的對數(shù)對選定溫度（絕對溫度）的倒數(shù)作圖，所得到的直線可以外推到錨具組裝件在使用溫度下的失效時間（即壽命）。試驗原理基于阿累尼烏斯（Arrhenius）公式。溫度是影響化學(xué)反應(yīng)速率的基本因素之一，溫度越高，反應(yīng)速率越快。速率常數(shù)k與溫度T 的函數(shù)關(guān)系可用阿累尼烏斯公式描述

其微分形式

其不定積分形式

式中：k 為反應(yīng)速率常數(shù)，min-1；A 為指前因子，min-1；Ea為活化能，J/mol；T為熱力學(xué)溫度，K；R為摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）。

式中：Fx（t）為表示反應(yīng)程度的函數(shù)；t為反應(yīng)時間。

不同反應(yīng)溫度，以不同反應(yīng)速率和反應(yīng)時間，經(jīng)相同的反應(yīng)機(jī)理達(dá)到相同的反應(yīng)程度時，其性能一致，即Fx（t）為一定值，把式（3）帶入式（4）

合并常數(shù)項后，以對數(shù)表示

式中：B 為材料耐熱關(guān)系或圖線上時間極限的交點(diǎn)，給定溫度后為定值。

式（6）體現(xiàn)了失效時間與溫度之間的關(guān)系，是壽命推算的依據(jù)。數(shù)據(jù)處理以所選錨具組裝件在相同預(yù)應(yīng)力負(fù)載下的測試值對時間的對數(shù)作圖，用插入法得出該溫度下性能達(dá)到臨界值時的老化時間（即失效時間）；同理得出每個試驗溫度下的失效時間。以失效時間的對數(shù)與溫度的倒數(shù)作圖，所得到的直線可以外推到試樣在儲存或使用溫度下的失效時間，即壽命。

3 預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具老化試驗

3.1 試驗依據(jù)

1）按照GB/T 7142—2002《塑料長期熱暴露后時間-溫度極限的測定》進(jìn)行老化試驗及壽命推算。

2）根據(jù)GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》確定碳纖維板的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，以提供錨具組裝件的靜載試驗標(biāo)準(zhǔn)值。

3）按照GB/T 14370—2015《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》進(jìn)行錨具的靜載錨固性能試驗，以測試錨具組裝件的拉伸力。

3.2 評價指標(biāo)

工程上使用的關(guān)鍵指標(biāo)為碳纖維板的抗拉強(qiáng)度（即拉伸力或張拉力），故選擇碳纖維板的抗拉性能（拉伸力）作為壽命推算試驗過程及終止評價指標(biāo)，而拉伸力可通過錨具組裝件的靜載錨固性能試驗測試出來。

3.3 試驗設(shè)備

13 t千斤頂（配油泵）、熱老化試驗箱、萬能電子拉力試驗機(jī)等。

3.4 試件規(guī)格及數(shù)量

選取50 mm×3.0 mm 的碳纖維板，抗拉強(qiáng)度為2 400 MPa，標(biāo)準(zhǔn)破斷力為360 kN，按熱老化試驗箱的空間確定碳板長度，制作成45套錨具組裝件。

3.5 試驗溫度

試驗室溫度為23 ℃；相對濕度50%；經(jīng)過前期預(yù)試驗，確定了熱老化試驗箱溫度分別為100、110、130℃。

3.6 預(yù)應(yīng)力加載

對每組碳纖維板錨具組裝件施加40%的預(yù)應(yīng)力，即張拉力為144 kN。加載時通過小型千斤頂、張拉桿、張拉擋板組成的張拉系統(tǒng)對錨具組裝件進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的施加，張拉至144 kN 時鎖死鎖緊螺母，保持預(yù)應(yīng)力，隨后撤去千斤頂。

3.7 臨界值

以選擇的抗拉強(qiáng)度（拉伸力）下降到標(biāo)準(zhǔn)值的50%（180 kN）為臨界值，當(dāng)被測性能達(dá)到臨界值時即判為失效，此時對應(yīng)的老化時間即為失效時間。

3.8 試驗步驟

1）為了確定人工加速老化試驗最高溫度，需進(jìn)行預(yù)試驗，要求在最高試驗溫度時，所選測試性能達(dá)到臨界值的時間不低于200 h。根據(jù)預(yù)試驗確定的最高試驗溫度Th，向下選取3個熱老化試驗溫度，相鄰溫度間隔10～20 ℃，分別為T1、T2、T3。

2）熱老化前，對一定數(shù)量的試樣進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)并在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行原始性能測試。

3）根據(jù)選定的應(yīng)力負(fù)載條件，碳板錨具組裝件施加預(yù)應(yīng)力后，放入到老化箱中，老化箱由溫度傳感器監(jiān)測溫度并自動保溫，當(dāng)溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度±1 ℃范圍內(nèi)時，開始計時。

4）老化試驗每進(jìn)行到一段規(guī)定時間，取出試件進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行錨具組裝件拉伸力的測試，通過定制的夾具將兩端錨具準(zhǔn)確夾緊，隨后在萬能拉力試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗，測出加速老化后殘余的拉伸力。

5）當(dāng)某一試驗溫度下樣品指定性能達(dá)到臨界值時，停止該溫度下的試驗；當(dāng)該試驗樣品選取的3個溫度下的指定性能均達(dá)到指定的臨界值時，該試樣的老化試驗結(jié)束，評價壽命。

3.9 試驗結(jié)果

1）當(dāng)拉伸力由標(biāo)準(zhǔn)破斷力360 kN 下降至180 kN時，即認(rèn)為錨具組裝件的張拉力、錨固性已無法滿足要求，判定為失效。見表1。

表1 老化試驗的失效時間

2）以老化時間為橫坐標(biāo)、拉伸力為縱坐標(biāo)，以失效拉伸力180 kN為失效直線，將整個試驗過程數(shù)據(jù)繪制成老化試驗的曲線，見圖2。

圖2 老化曲線

3）以選定的試驗溫度（絕對溫度）倒數(shù)為橫坐標(biāo)、以失效時間對數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制拉伸性能回歸曲線，見圖3。

圖3 拉伸性能回歸曲線

從試件的拉伸性能回歸直線得出相應(yīng)的公式

式中：縱坐標(biāo)y=logt，t 的單位為周；橫坐標(biāo)x=1/（T×10-3），T為熱力學(xué)溫度。

由此推算錨具組裝件在25 ℃室溫下使用壽命約為3 907 周（75 a），在50 ℃下使用壽命約為3 104 周（59 a）。

4 結(jié)論

試驗研究表明，采用夾片式機(jī)械錨固的預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具組裝件，在施加40%標(biāo)準(zhǔn)破斷力的預(yù)應(yīng)力條件下，經(jīng)過人工加速老化，至抗拉強(qiáng)度（拉伸力）保持率為50%碳板標(biāo)準(zhǔn)破斷力的終止指標(biāo)（臨界值）時，其使用壽命在25 ℃下為75 a，在50 ℃下為59 a。

本次試驗所設(shè)定的條件與預(yù)應(yīng)力碳板錨具組裝件的實際應(yīng)用工況高度一致，其結(jié)果具有較強(qiáng)的參考價值；證明碳板錨具組裝件在橋梁加固應(yīng)用中具有較高的可靠性、安全性。