摘要本文主要進(jìn)行了CFRP材料浸漬于堿溶液、浸漬于鹽溶液及經(jīng)人工老化后的力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)證實(shí)，上述幾種長(zhǎng)期環(huán)境條件作用對(duì)CFRP的極限強(qiáng)度影響不大，但能顯著降低CFRP的極限延伸率，堿溶液浸漬、鹽溶液浸漬顯著降低了CFRP的彈性模量，而人工老化則幾乎沒什么影響。試驗(yàn)結(jié)果分析證明，應(yīng)用于加固結(jié)構(gòu)分析的CFRP的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，可應(yīng)用線彈性關(guān)系。

　　關(guān)鍵詞海洋環(huán)境，碳纖維，力學(xué)性能，試驗(yàn)

　　一、前言

　　碳纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)中的補(bǔ)強(qiáng)材料，對(duì)其力學(xué)性能的研究是研究CFRP加固結(jié)構(gòu)性能的重要基礎(chǔ)內(nèi)容之一。由于外界環(huán)境對(duì)材料性能一般都有一定影響，所以對(duì)材料力學(xué)性能的研究一般包括對(duì)其短期力學(xué)性能和長(zhǎng)期力學(xué)性能的研究。在對(duì)CFRP應(yīng)用于海工混凝土結(jié)構(gòu)加固的研究時(shí)，由于海洋環(huán)境條件屬于嚴(yán)酷環(huán)境，因此除要CFRP短期力學(xué)性能外，還要根據(jù)CFRP所處環(huán)境條件對(duì)材料性能的影響，研究其在環(huán)境條件作用下的耐久性能。

　　根據(jù)海洋環(huán)境條件下CFRP有可能經(jīng)歷的環(huán)境條件作用，本文對(duì)CFRP分別進(jìn)行了以下耐久性試驗(yàn)：

　　(1)人工海水浸漬：在海港碼頭的水下區(qū)，外包加固的CFRP受到海水的長(zhǎng)期浸泡;在浪濺區(qū)和潮位變動(dòng)區(qū)，外包的CFRP則受到海水干濕循環(huán)的交互作用;

　　(2)堿溶液浸漬：眾所周知，混凝土材料是呈堿性的，外包CFRP的內(nèi)表面與混凝土面直接接觸，因此CFRP也受到堿性作用;

　　(3)人工加速老化：處于暴露狀態(tài)的外包CFRP，也會(huì)受到陽光中紫外線的照射，再加上干濕循環(huán)的作用，這些環(huán)境作用一般用室內(nèi)人工加速老化來模擬。

　　二、試驗(yàn)概況

　　1、試驗(yàn)用材料

　　(1)碳纖維片材：采用CymaxL200-C0.111型碳纖維布。

　　(2)浸漬樹脂：采用了市場(chǎng)上比較常見的AralditeXH130A/B(雙組分)浸漬環(huán)氧樹脂，A:B=3:1。

　　2、試件制備

　　按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1][2]的標(biāo)準(zhǔn)制作方法制備碳纖維復(fù)合材料拉伸試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試件，試件的構(gòu)造如圖1所示。短期力學(xué)性能試件在養(yǎng)護(hù)后7天，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

　　

 

　　3、模擬侵蝕性環(huán)境作用

　　室內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要模擬以下幾種環(huán)境條件環(huán)境：

　　(1)堿溶液浸漬：堿溶液的配制，其主要組分和比例是：1L的去離子水中，118.5gCa(OH)，0.9gNaOH，4.2gKOH。將制備好的CFRP標(biāo)準(zhǔn)試件浸漬于密閉容器中的堿溶液里(見圖2)，浸漬時(shí)間為3個(gè)月。

　　(2)鹽溶液的浸漬：由于自然界中海水的濃度一般3-3.5%之間，因此配制了濃度為3.5%的溶液作為人工海水。將制備好的CFRP標(biāo)準(zhǔn)試件浸漬于密閉容器中的鹽溶液里(見圖3)，浸漬時(shí)間為3個(gè)月。

　　

 

　　(3)人工加速老化紫外線照射(耐侯性)：參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3]，對(duì)CFRP進(jìn)行了2000小時(shí)的人工加速老化試驗(yàn)，主要是對(duì)CFRP進(jìn)行氙燈照射和間歇性淋雨(干濕循環(huán))作用(見圖4)。

　　

 

　　4、拉伸試驗(yàn)

　　按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[4]規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，對(duì)所有CFRP試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)設(shè)備為T2002-50KN試驗(yàn)機(jī)(配套相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))，如圖5所示。

　　三、試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　1、環(huán)境條件長(zhǎng)期作用后的CFRP外觀變化

　　各組試件在結(jié)束環(huán)境條件作用后，均用蒸餾水進(jìn)行了表面清洗，以便進(jìn)行外觀檢查。

　　(1)鹽溶液浸漬后：與浸漬前的外觀相比，除極少數(shù)試件有一、兩個(gè)氣泡增加外，大部分試件沒明顯外觀變化。

　　(2)堿溶液浸漬后：與鹽溶液浸漬后的結(jié)果相近，極少數(shù)試件有一、兩個(gè)氣泡增加。此外，有幾個(gè)試件的短部夾片是用鋁片制作的，在經(jīng)歷堿溶液浸漬后被完全腐蝕。大約有1/3的試件有部分表面變黃的現(xiàn)象。

　　(3)人工加速老化后：施行人工老化前后沒有發(fā)現(xiàn)氣泡增加的跡象，但試件的受光面都有明顯的顏色變化，都由原來的藍(lán)色變?yōu)槌潭炔煌�的黃色。

　　2、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

　　圖6中給出了無環(huán)境條件作用、堿溶液浸漬、鹽溶液浸漬后、人工老化條件作用后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)得到的典型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖。

　　(a)無環(huán)境條件作用下(b)堿溶液浸漬后

　　(c)鹽溶液浸漬后(d)人工加速老化后

　　

 

　　從圖6(a)來看，即在無環(huán)境侵蝕作用時(shí)，CFRP的σ-ε關(guān)系曲線可分為三個(gè)階段：

　　①第一階段(即線彈性工作階段)：σ與ε之間符合線彈性的數(shù)量關(guān)系;

　�、诘诙�階段(即彈塑性工作階段)：σ與ε之間稍微表現(xiàn)出一點(diǎn)彈塑性的數(shù)量關(guān)

　　系特征，但塑性成分極小;

　�、鄣谌�階段(即斷裂破壞階段)：表觀現(xiàn)象為CFRP的斷裂，尤其是作為增強(qiáng)材

　　料的碳纖維的斷裂(見圖7)。

　　由圖6(b)、(c)、(d)可以看出，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料受各種環(huán)境條件作用后，仍有較好的整體工作能力，σ-ε曲線仍和無環(huán)境條件作用下的一樣，由三個(gè)階段組成。換句話說，環(huán)境條件作用，基本沒有改變碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的物理性質(zhì)，這與該材料有良好的耐熱性、防腐蝕性等特點(diǎn)相符。但觀察也可以發(fā)現(xiàn)，碳纖維復(fù)合材料受各種環(huán)境作用后，σ-ε曲線的拐點(diǎn)沒有無環(huán)境條件作用時(shí)那樣明顯了，幾乎已經(jīng)看不出拐點(diǎn)的存在，這也說明復(fù)合材料中碳纖維與樹脂基體的粘結(jié)性能減弱了。

　　綜上所述，無論是在對(duì)CFRP加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行短期性能分析時(shí)，還是考慮環(huán)境因素的長(zhǎng)期性能分析時(shí)，CFRP的σ-ε關(guān)系都可視線彈性關(guān)系，這樣做基本不影響分析精度，同時(shí)也可以時(shí)分析計(jì)算大為簡(jiǎn)化。

　　3、極限強(qiáng)度、延伸率、彈性模量等力學(xué)性能指標(biāo)

　　(1)試驗(yàn)結(jié)果

　　表2、3分別給出了浸漬樹脂Araldite浸漬樹脂制作試件的短期性能試驗(yàn)結(jié)果及各種環(huán)境條件作用后的力學(xué)性能結(jié)果。

　　

 

　　(2)比較分析

　　將表3中各種環(huán)境條件作用后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，即稱之為長(zhǎng)期力學(xué)性能的數(shù)據(jù)同表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較(即短期力學(xué)性能)，以分析環(huán)境條件作用對(duì)CFRP力學(xué)性能的影響，比較的結(jié)果見表4。

　　表4CFRP長(zhǎng)期與短期力學(xué)性能的比較

　　

 

　　(3)環(huán)境條件作用后CFRP力學(xué)性能指標(biāo)(包括極限斷裂強(qiáng)度、延伸率、彈性模量)變化的顯著性分析

　　 極限強(qiáng)度：從試驗(yàn)平均值可以明顯看出，三種環(huán)境條件作用下CFRP拉伸極限強(qiáng)度均無顯著變化，說明各種環(huán)境條件作用對(duì)CFRP極限強(qiáng)度影響不大。盡管鹽溶液浸漬后的試件極限強(qiáng)度相對(duì)低些，而人工加速老化試樣的拉伸強(qiáng)度反而有所提高，但極限拉伸強(qiáng)度的期望值幾乎沒什么變化。但方差和變異系數(shù)的顯著變化說明，環(huán)境條件的作用使極限強(qiáng)度的試驗(yàn)值離散性變大了。幾種環(huán)境條件造成離散性的大小順序?yàn)椋蝴}溶液浸漬>堿溶液浸漬>人工加速老化。

　　 伸長(zhǎng)率：從試驗(yàn)均值結(jié)果可以看出，三種腐蝕環(huán)境下的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料伸長(zhǎng)率都顯著降低了，人工海水浸漬和堿溶液浸漬下降了20.75%，人工加速老化下降了17.34%。但外部環(huán)境作用后伸長(zhǎng)率的方差反而變小了。

　　 彈性模量：三種環(huán)境條件作用均造成碳纖維復(fù)合材料彈性模量提高了，說明環(huán)境條件作用對(duì)樹脂基體起到了硬化作用。彈性模量的離散程度都差不多。

　　

 

　　四、結(jié)論

　　基于試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，并通過理論分析得到了以下結(jié)論：

　　(1)無論是對(duì)CFRP進(jìn)行短期力學(xué)性能分析，還是進(jìn)行長(zhǎng)期力學(xué)性能分析，CFRP材料的σ-ε關(guān)系采用線彈性關(guān)系，取值根據(jù)試驗(yàn)確定;

　　(2)堿溶液浸漬、鹽溶液浸漬、人工老化對(duì)CFRP極限強(qiáng)度期望值幾乎沒什么影響;

　　(3)各種環(huán)境條件作用都對(duì)CFRP彈性模量有顯著的提高作用，即對(duì)CFRP材料起到硬化作用;

　　(4)堿溶液浸漬、鹽溶液浸漬、人工老化顯著降低了CFRP的極限延伸率;

　　(5)建議在海工混凝土結(jié)構(gòu)采用CFRP加固計(jì)算時(shí)，材料力學(xué)性能指標(biāo)在試驗(yàn)基礎(chǔ)上取標(biāo)準(zhǔn)值。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(CECS146：2003).2003年5月1日.

　　[2]中華人民共和國(guó)建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材(JG/T167——2004).2005年5月1日.

　　[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候加速試驗(yàn)方法(GB/T14522-1993).中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1993.

　　[4]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法(GB/T3354-1999)》.中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1999.

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