不同碳纖維復(fù)合材料在水利工程中的應(yīng)用性能比較

中圖分類號(hào)：TQ342+.742 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）07-0072-04

Abstract：In order to improve the application performance of carbon fiber composite materials in hydraulic engineering，the peak load and failure morphology of five types of carbon fiber reinforced polymer （CFRP）-steel specimens （fatigue-free，galvanic corrosion，and fatigue specimens）were compared and analyzed.The results showed that the peak load of the aramid fiber specimens in the adhesive layer was higher than that of the aramid fiber specimens in the adhesive layer under the same service environment.Both corosion and fatigue had an adverse effct on the peak load of the composites，and galvanic corrosion had a greater impact on the peak load than fatigue. Compared withthe non-corrosive and fatigue-free ammonia-doped porous carbon fiber （NCNF）specimens，the average peak load of the adhesivelayer withand without aramid fiber was reduced tovarying degrees.Thecohesion failureof the bonding layer occurred inallfive types of composite specimens，and the failure mode of the fatigue specimens was the cohesion failureof the joint layerandthe CFRP interlayer failure.Theadhesive layerof thecomposite test piece was stil a weak area.

Key words：carbon fiber composite materials;steel;corrosion;fatigue;breaking talk mode

碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）是兩種或兩種以上不同性質(zhì)的物質(zhì)復(fù)合而成的材料[1]。通常情況下是由鏈狀碳原子在聚合物樹(shù)脂基體結(jié)構(gòu)中組成，其特點(diǎn)包括強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好等[2-3]。在使用時(shí)由于CFRP是一種復(fù)合材料而克服了單一材料的某些弱點(diǎn)，在現(xiàn)代水利工程中可以與鋼結(jié)構(gòu)材料組合在一起作為結(jié)構(gòu)材料使用[4]。CFRP－鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)材料以強(qiáng)度高、比模量高等力學(xué)性能優(yōu)點(diǎn)，雖然在現(xiàn)代工程中已有較為成功的應(yīng)用，如用于體育館、大跨度高層建筑等領(lǐng)域，但是應(yīng)用于水利工程中方面的報(bào)道較少[5-7]。由于水利工程的腐蝕、疲勞等服役環(huán)境的特殊性，CFRP-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)材料在水利工程中的使用性能是值得研究的課題[8]。為了研究碳纖維增強(qiáng)聚合物－鋼試件在水利工程服役環(huán)境下的使用性能，對(duì)比分析了5種類型的碳纖維增強(qiáng)聚合物-鋼試件（無(wú)疲勞無(wú)腐蝕、電偶腐蝕、疲勞試樣）的峰值荷載、破壞形貌，研究結(jié)果將有助于碳纖維增強(qiáng)聚合物-鋼試件在現(xiàn)代水利工程中的應(yīng)用。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

1試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料主要包括：CFRP層合板（湖南諾方斯新材料有限公司，抗拉強(qiáng)度2530MPa、伸長(zhǎng)率1.75% 線密度 198g/km ，厚度 0.26mm ）；Q345鋼板（寶山鋼鐵股份有限公司，屈服強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 、斷后伸長(zhǎng)率 36% ）；E－51雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂（深圳市匯特化工有限公司，環(huán)氧當(dāng)量188g/eq ）、Kevlar49型芳綸纖維（南陽(yáng)中特芳綸實(shí)業(yè)有限公司，抗拉強(qiáng)度3530MPa、斷后伸長(zhǎng)率2.3% ）。

試驗(yàn)設(shè)備主要包括：HRY48-120/3型熱壓機(jī)、X2XJ9510型西馬特微型銑床立式鉆銑床、GNT100型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、S-4800型鎢燈絲掃描電子顯微鏡。

由圖1可知，對(duì)于含芳綸纖維的試件，C72試件的峰值荷載分別為14、16和 12kN ;C24試件的峰值荷載分別為17、22和 18kN ;NCFC試件的峰值荷載分別為24、25和 23kN ;F24試件的峰值荷載分別為20、23和 21kN ;F72試件的峰值荷載分別為17、16和 16kN 。由此可見(jiàn)，無(wú)疲旁無(wú)腐蝕條件下含芳綸纖維的試件的峰值荷載最大，其次為F24試件，且3組試件的測(cè)試結(jié)果較為接近，表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1.2復(fù)合材料試件制備

結(jié)合水利工程實(shí)際服役環(huán)境，共設(shè)計(jì)了5種類型的試件：無(wú)疲勞無(wú)腐蝕、電偶腐蝕（ 24h 和72h）、疲勞試樣（ 24h 和72h），分別簡(jiǎn)稱為NCNF、C24/C72、F24/F72。制備CFRP/鋼復(fù)合材料單搭接接頭試件，其中鋼板和CFRP層合板長(zhǎng)度分別為180、300mm ，寬度都為 25mm ，厚度分別為4、0.26mm （單層），層數(shù)分別為1層和10層，有效粘接長(zhǎng)度為 180mm 。

制備過(guò)程中先制備芳綸纖維薄膜，然后對(duì)鋼板進(jìn)行拋丸處理和表面除銹，采用丙酮/環(huán)氧樹(shù)脂溶液對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的鋼板進(jìn)行浸潤(rùn)處理，在室溫下待丙酮完全揮發(fā)；將質(zhì)量比3：1的環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑攪拌均勻后對(duì)CFRP和鋼板進(jìn)行粘接；采用熱壓機(jī)進(jìn)行壓制[10]，參數(shù)為壓力 0.6MPa 、時(shí)間設(shè)定為4h;采用微型銑床進(jìn)行加工制備成所需尺寸的試樣。

1.3 測(cè)試方法

采用GNT100型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)復(fù)合材料試件進(jìn)行拉伸，測(cè)試溫度為25℃，加載速率為0.2mm/min ;為了模擬水利工程中的服役環(huán)境，在自制的電偶腐蝕試驗(yàn)裝置中對(duì)復(fù)合材料試件進(jìn)行了電偶腐蝕試驗(yàn)[11]。采用S－4800 型鎢燈絲掃描電子顯微鏡進(jìn)行形貌觀察。

1 23試樣編號(hào)

由圖2可知，F(xiàn)24試件的峰值荷載分別為19、18和 17kN ，F(xiàn)72試件的峰值荷載分別為13、14和11kN 。由此可見(jiàn)，無(wú)疲勞無(wú)腐蝕條件下不含芳綸纖維的試件的峰值荷載也最大，其次為F24試件，且3組試件的測(cè)試結(jié)果較為接近，表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。整體而言，對(duì)于相同服役環(huán)境下的試件，粘接層含芳綸纖維試件的峰值荷載要高于粘接層不含芳綸纖維試件，且無(wú)疲勞無(wú)腐蝕條件下復(fù)合材料試件的峰值荷載最大。此外，腐蝕和疲勞都會(huì)對(duì)復(fù)合材料的峰值荷載造成不利影響，且相較于電偶腐蝕，疲勞對(duì)試件峰值荷載的影響相對(duì)較小，這主要是因?yàn)楦g和疲勞都會(huì)對(duì)復(fù)合材料試件造成損傷，且前者的損傷程度更大，如會(huì)在纖維復(fù)合材料或者鋼板表面形成腐蝕坑而降低承載能力，造成最終峰值荷載下降[12-14]

由圖3可知，對(duì)于C24試件，含芳綸纖維試件的平均峰值荷載相較不含芳綸纖維試件高出 21.3% ：對(duì)于NCFC試件，含芳綸纖維試件的平均峰值荷載相較不含芳綸纖維試件高出 19.6% ；對(duì)于F24試件，含芳綸纖維試件的平均峰值荷載相較不含芳綸纖維試件高出 16.8% ；對(duì)于F72試件，含芳綸纖維試件的平均峰值荷載相較不含芳綸纖維試件高出27.7% 。對(duì)于不同服役環(huán)境的相同試件，含芳綸纖維的F72試件的平均峰值荷載相較NCFC試件下降32% 、不含芳綸纖維的F72試件的平均峰值荷載相較NCFC試件下降 36.1% ，含芳綸纖維的F24試件的平均峰值荷載相較NCFC試件下降 12.2% ，含芳綸纖維的C72試件的平均峰值荷載相較NCFC試件下降41.3% 、不含芳綸纖維的C72試件的平均峰值荷載相較NCFC試件下降 38.9% ，含芳綸纖維的C24試件的平均峰值荷載相較NCFC 試件下降 21.1% [15]

2.2 失效界面形態(tài)

對(duì)于無(wú)疲勞無(wú)腐蝕試樣，粘接層含芳綸纖維和粘接層不含芳綸纖維試樣的界面破壞形式都為粘接層內(nèi)聚破壞；對(duì)于電偶腐蝕 24h 試樣，粘接層含芳綸纖維和粘接層不含芳綸纖維試樣的界面破壞形式都為粘接層內(nèi)聚破壞；對(duì)于電偶腐蝕 ^72h 試樣，粘接層含芳綸纖維和粘接層不含芳綸纖維試樣的界面破壞形式都為粘接層內(nèi)聚破壞；對(duì)于疲勞 24h 試樣，粘接層含芳綸纖維和粘接層不含芳綸纖維試樣的界面破壞形式都為粘接層內(nèi)聚破壞 + CFRP層間失效；對(duì)于疲勞 ^72h 試樣，粘接層含芳綸纖維和粘接層不含芳綸纖維試樣的界面破壞形式都為粘接層內(nèi)聚破壞 + CFRP層間失效。5種類型的復(fù)合材料試件都發(fā)生了粘接層內(nèi)聚破壞，這也就說(shuō)明復(fù)合材料試件的粘接層仍然是薄弱的區(qū)域[16-18]，雖然在制備過(guò)程中采用環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑將時(shí)間進(jìn)行了粘接，但是無(wú)法改變復(fù)合材料受力過(guò)程中的薄弱區(qū)域。

對(duì)于含芳綸纖維的復(fù)合材料，粘接層界面中可見(jiàn)樹(shù)脂基體、芳綸纖維扯斷形貌，且可見(jiàn)尺寸較短的芳綸纖維較多，這主要是受力過(guò)程中發(fā)生扯斷或者撕裂所致；而脫離的樹(shù)脂則呈碎片形態(tài)。對(duì)于不含芳綸纖維的復(fù)合材料，粘接界面中可見(jiàn)樹(shù)脂基體開(kāi)裂、碳纖維單絲以及纖維從基體中剝離痕跡；相較含芳綸纖維的復(fù)合材料，不含芳綸纖維復(fù)合材料中的樹(shù)脂基體發(fā)生了開(kāi)裂且存在單絲剝離痕跡，這表明在受力過(guò)程中樹(shù)脂基體承受了部分載荷并促使纖維剝離[19-20] O

2.3碳纖維復(fù)合材料在水利工程中的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料在水利工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，主要得益于其優(yōu)異的力學(xué)性能、輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕性和可靠性，以下是一些具體應(yīng)用領(lǐng)域。大壩加固：碳纖維復(fù)合材料可以用于對(duì)老舊大壩的加固和維修，增強(qiáng)其承載能力和抗震性能。水利設(shè)施的修復(fù)：在水渠、泵站等設(shè)施的修復(fù)中，碳纖維復(fù)合材料可以有效地提高結(jié)構(gòu)的耐久性，延長(zhǎng)使用壽命，減少維護(hù)成本?？拐鸺庸蹋涸诘卣鸲喟l(fā)地區(qū)，利用碳纖維復(fù)合材料對(duì)水利工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固可以顯著提高其抗震能力，確保安全。橋梁建設(shè)：在水利工程中，碳纖維復(fù)合材料用于橋梁的設(shè)計(jì)和建造，可以減輕整體結(jié)構(gòu)的重量，同時(shí)保持或提升強(qiáng)度。水管道強(qiáng)化：碳纖維復(fù)合材料可以用于水管道的內(nèi)襯或外包，提升其耐壓性和耐腐蝕性，適應(yīng)多種復(fù)雜的水質(zhì)環(huán)境。防護(hù)設(shè)施：在水利工程中，碳纖維復(fù)合材料可以用于防護(hù)設(shè)施的建設(shè)，如防洪堤和河岸穩(wěn)定，增強(qiáng)其抗沖刷和抗侵蝕能力。監(jiān)測(cè)與傳感器：碳纖維復(fù)合材料還可以與傳感器結(jié)合，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水利工程的狀態(tài)，確保安全運(yùn)行。總的來(lái)說(shuō)，碳纖維復(fù)合材料在水利工程中的應(yīng)用不僅提高了工程的安全性和耐久性，還能降低維護(hù)成本，是未來(lái)水利工程發(fā)展的重要方向之一。

碳纖維復(fù)合材料在水利工程中應(yīng)用過(guò)程中，可能面臨周期性往復(fù)加載造成的疲勞以及外界腐蝕性環(huán)境的侵蝕，這幾種情況下都有可能造成碳纖維復(fù)合材料的表面損傷，進(jìn)而造成復(fù)合材料破壞，整體構(gòu)件服役壽命縮短。從上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，相同服役環(huán)境下的試件，粘接層含芳綸纖維試件的峰值荷載要高于粘接層不含芳綸纖維試件。因此，在選擇碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于水利工程中時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用粘接層含芳綸纖維的碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）-鋼試件。

3結(jié)語(yǔ)

（1）無(wú)疲勞無(wú)腐蝕條件下含芳綸纖維的試件的峰值荷載最大，其次為F24試件，且3組試件的測(cè)試結(jié)果較為接近；對(duì)于相同服役環(huán)境下的試件，粘接層含芳綸纖維試件的峰值荷載要高于粘接層不含芳綸纖維試件，且無(wú)疲勞無(wú)腐蝕條件下復(fù)合材料試件的峰值荷載最大。此外，腐蝕和疲勞都會(huì)對(duì)復(fù)合材料的峰值荷載造成不利影響，且相較于電偶腐蝕，疲勞對(duì)試件峰值荷載的影響相對(duì)較小。

（2）5種類型的復(fù)合材料試件都發(fā)生了粘接層內(nèi)聚破壞;疲勞試樣的破壞模式為接層內(nèi)聚破壞 + CFRP層間失效。復(fù)合材料試件的粘接層仍然是薄弱的區(qū)域。

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