腐蝕環境對纖維增強復合材料cfrp復合體及粘結劑力學性能的影響

纖維增強材料（frp）通常包括纖維增強材料（cfrp）、纖維纖維增強材料（afrp）和纖維增強材料（gfrp）。與傳統混凝土材料或木材相比，這種新材料具有輕重、強度高、施工方便等優點。然而，由于該材料的長期應用和結構的加固和加固，它的耐久性尚未得到證實。由于大量暴露在室外或惡劣環境下的結構，如橋梁結構，它受到環境的腐蝕，并且會發生疾病。如果加固這種結構，加固材料的長期效果對加固材料的長期影響非常重要。根據國外相關數據，frp的耐久性好，gfrp的性能略差，而awp是兩者之一。然而，中國沒有關于frp耐久性的全面報道。與frp本身的耐久性相比，試驗中使用的填充介質、堿性、提取物、濕熱環境、人工加速老化等不利環境對frp及其粘接力的學術性能的影響。1試驗總結1.1動態結構膠的制備本試驗采用工程加固中比較常用的GFRP和CFRP的片材以及粘結劑澆鑄體試件.GFRP片材有2種:國產單向高強度耐堿GFRP片材和美國產GFRP片材.CFRP片材由南京某單位進口單絲編織而成.粘結劑采用美國進口GFRP專用膠和沈陽某單位研制橋梁動態結構膠.所有FRP試件(除特殊說明外)均預先涂抹所選用的粘結劑,其中:國產GFRP片材用膠量為0.7～0.8kg/m2;進口GFRP片材用膠量為0.9～1.0kg/m2;CFRP片材用膠量為0.4～0.5kg/m2.片材的具體制作方法是:把FRP片材放在鋪有塑料布的桌面上,按照規定的比例配制粘結劑,然后均勻地涂抹在FRP片材上,將預涂粘結劑的FRP片材放在室溫條件下固化3d后,裁剪成設計的寬度,再進行環境曝露試驗或拉伸試驗.筆者對所選用的FRP片材進行了基本物理力學性能試驗,3種材料的應力-應變關系均呈線性變化,試驗結果見表1.表1中的各試件將作為浸水試驗、凍融試驗、濕熱老化試驗和耐堿性試驗中的對比試件,而人工加速老化試驗則采用粘結劑澆鑄體試件進行.1.2試驗方法和數據FRP的拉伸試驗參照《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》(GB/T3354—1999)進行,FRP片材、夾具的尺寸如圖1所示.因為在夾具的端部容易產生應力集中,為防止FRP片材在夾具的端部發生破壞,因此在夾具的兩端各加了1個FRP壓條,經試驗驗證,FRP片材破壞的位置基本在中部附近,滿足了該試驗方法中對纖維布拉伸試驗破壞形態的要求.試驗時用4個半圓形截面的鋼夾具將長350mm、厚10～15mm的FRP片材(經粘結劑浸漬)的兩端固定,放入夾具套中,并用固定螺絲旋緊固定.夾具套與荷載傳感器采用螺栓連接.每組試驗采用5個試件,試驗結果取其有效數據的平均值.拉伸試驗中拉力通過傳感器來控制,纖維布的應變則通過自制弓形應變計來測量.所有數據由計算機自動采集后,直接繪制FRP的應力-應變關系圖.2種粘結劑的力學性能試驗分別采用拉伸試驗、壓縮試驗和彎曲試驗,樹脂澆鑄體的試驗參考《樹脂澆鑄體拉伸性能試驗方法》(GB/T2568—1995)、《樹脂澆鑄體壓縮性能試驗方法》(GB/T2569—1995)、《樹脂澆鑄體彎曲性能試驗方法》(GB/T2570—1995)進行.1.3耐堿性試驗浸水試驗參照《玻璃纖維增強塑料耐水性試驗方法》(GB2575—89)進行,用以考察水環境對FRP片材物理力學性能的影響.將FRP片材預涂粘結劑,在室溫下固化后放入23℃的自來水中,30d后測定其抗拉強度、彈性模量、極限應變.凍融循環試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GBJ82—85)中抗凍性能試驗的快凍法進行.將FRP片材預涂粘結劑,在室溫下固化后放入凍融試驗箱中.每次凍融循環時間是3h,試件中心溫度分別控制在(-17±2)℃和(8±2)℃.凍融循環次數為50,100次.濕熱老化試驗參照《玻璃纖維增強塑料濕熱試驗方法》(GB2574—89)進行.將FRP片材預涂粘結劑,在室溫下固化后放入多功能老化試驗箱中,溫度設定在40℃,相對濕度保持在98%,試驗時間為1000h.耐堿性試驗的堿環境采用飽和的氫氧化鈣堿溶液.試驗在(25±2)℃下進行,周期選為7,30d.具體步驟為:(1)將未涂粘結劑的FRP片材和預涂粘結劑固化的FRP片材分別放入堿溶液中保持7d;(2)將未涂粘結劑的FRP片材和預涂粘結劑固化的FRP片材分別放入堿溶液中保持30d.人工加速老化試驗在氙燈耐氣候試驗機中進行,澆鑄體采用美國進口粘結劑以及沈陽某單位研制的橋梁動態結構膠,試驗參照《塑料實驗室光源曝露試驗方法》(GB/T16422.1—1996)進行.箱體黑板溫度為(45±2)℃,相對濕度為(70±5)%,降雨周期為20,120min,氙燈功率為6kW,曝露時間為1000h.2試驗結果的分析2.1纖維復合材料浸水試驗結果分析浸水試驗的試件編號以及試驗后FRP片材(預涂粘結劑)的抗拉強度、彈性模量和極限應變變化情況參見表2.由表2可知:經過30d的浸水試驗后,CFRP片材的抗拉強度、彈性模量、極限應變均未發生明顯變化;GFRP片材的抗拉強度則下降了10%左右,同時其極限應變也降低了8%,彈性模量未發生明顯變化,表明玻璃纖維材料經過浸水試驗后有一定的變脆趨勢.在文獻介紹的試驗中,預涂環氧基質的GFRP片材進行1000h的浸水試驗后,其強度下降了9.1%.關于水對玻璃纖維的侵蝕作用,文獻通過試驗發現,初生態的玻璃纖維強度比放在潮濕環境里的玻璃纖維強度高得多.關于玻璃纖維被水侵蝕的機理,至今并不完全清楚,比較有代表性的說法是:水中的OH-對玻璃纖維中Si—O鍵的侵蝕作用造成了其強度下降.本次纖維復合材料浸水試驗是在預涂粘結劑后進行的,預涂粘結劑的主要作用是使單獨的纖維絲形成一個整體共同工作,以提高纖維材料的強度和穩定性.粘結劑在一定程度上隔斷了玻璃纖維與水的直接接觸.而有關粘結劑的環境曝露試驗表明,粘結劑在濕氣、曝露的條件下,其強度、彈性模量均會有所下降.筆者分析,GFRP在浸水試驗后強度下降主要是由水對玻璃纖維的侵蝕作用引起的,而預涂粘結劑在潮濕環境下性能退化也是另一個影響因素.2.2彈性模量的影響凍融試驗的試件編號以及試驗后FRP片材(預涂粘結劑)的抗拉強度、彈性模量和極限應變變化情況參見表3.由表3可見:經過50次凍融循環后,CFRP片材的抗拉強度下降了2.1%,經過100次凍融循環后,其抗拉強度下降了4.4%,彈性模量沒有明顯變化;GFRP片材的抗拉強度、極限應變經100次凍融循環后下降較大,在10%左右,彈性模量變化不顯著.因為凍融循環試驗是在浸水環境下進行的,因此應結合表2的結果來分析凍融循環對FRP力學性能的影響.由表2可知,水對CFRP的力學性能基本沒有影響,因此造成CFRP抗拉強度下降的主要因素是凍融循環試驗環境.但這個試驗結果不能反映凍融循環對CFRP單絲性能所帶來的影響,因為復合材料強度的降低也可能是由于預涂粘結劑的性能在凍融環境下退化引起的.經過凍融循環試驗的GFRP抗拉強度與同期的浸水試驗結果相比略有降低,其原因是由于凍融循環對預涂粘結劑性能的影響、水對玻璃纖維強度的影響和凍融循環對玻璃纖維力學性能的影響共同引起的.2.3熱風老化試驗對agfrp片材力學性能的影響濕熱試驗的試件編號以及試驗后FRP片材(預涂粘結劑)的抗拉強度、彈性模量和極限應變變化情況參見表4.由表4可知,經過1000h的濕熱老化試驗后,CFRP片材的抗拉強度、彈性模量、極限應變均未發生明顯的變化,說明濕熱環境對CFRP的力學性能沒有明顯影響.經過濕熱老化試驗后,GFRP片材的抗拉強度、彈性模量、極限應變均有不同程度的下降,其中:采用沈陽產粘結劑作為浸漬膠的玻璃纖維片材(G1SWT)抗拉強度下降了26%、彈性模量下降了12%;采用美國產粘結劑作為浸漬膠的玻璃纖維片材(G1AWT)抗拉強度下降了16%,彈性模量下降了17%同表2,3試驗結果不同的是,GFRP片材的彈性模量在濕熱環境下出現了下降,說明玻璃纖維單絲的力學性能受到了濕熱環境的影響.試驗表明:CFRP比GFRP具有更好的耐濕熱老化性能.2.4u3000gfrp片材在強堿液中的穩定性試件類型、耐堿性試驗前后的抗拉強度、彈性模量、極限應變情況參見表5.因為本試驗采用的GFRP片材是高強耐堿材料,因此本試驗對GFRP的耐堿性能進行了驗證.表5的試驗結果說明:未預涂粘結劑的國產GFRP片材在強堿溶液中放置7,30d后其抗拉強度分別下降了22%,74%;未預涂粘結劑的美國進口GFRP片材在強堿溶液中放置7,30d后其抗拉強度分別下降了37%,84%;而經過粘結劑預涂的國產GFRP片材在強堿溶液中放置7,30d后其抗拉強度下降了16%,52%;經過粘結劑預涂的美國進口GFRP片材在強堿溶液中放置7,30d后其抗拉強度下降了23%,25%.以上結果和文獻中的結論基本一致.同時該試驗結果說明,預涂粘結劑可有效地減輕堿溶液對玻璃纖維的侵蝕作用.有關堿環境對玻璃纖維侵蝕的機理,在20世紀60年代推廣玻璃纖維增強混凝土研究工作時,便已經有詳細的討論.而堿環境對CFRP影響的試驗結果和文獻上介紹的試驗結果不盡相同.在筆者進行的堿溶液侵蝕CFRP試驗中,未經過粘結劑預涂的CFRP片材在強堿溶液中放置7,30d后,其抗拉強度下降了26%,35%,彈性模量下降了8%,23%,而經過粘結劑預涂的CFRP片材在強堿溶液中放置7,30d后,其抗拉強度和彈性模量基本保持不變.這一方面說明堿溶液對CFRP片材也具有一定的侵蝕作用,另一方面說明粘結劑能夠有效地防止堿溶液對CFRP的腐蝕.在實際的加固應用中,一般用粘結劑將FRP粘貼在混凝土或其他結構物的表面,因此粘結劑對FRP具有保護作用,同時對FRP的外表面再進行防護處理,可降低大氣中各種污染物對加固材料的腐蝕作用.2.5人工加速老化試驗人工加速老化試驗后測量粘結劑澆鑄體試件的拉伸強度、拉伸模量、壓縮強度、壓縮模量、彎曲強度,其結果參見表6.未經人工加速老化試驗的粘結劑澆鑄體試件呈淡黃色,半透明狀;經過人工加速老化試驗后的粘結劑澆鑄體試件顏色略有加重,透明度有所降低.經過人工加速老化試驗后試件的拉伸應力-應變曲線近似成線性關系,和對比試件相同.由表6可知,人工加速老化試驗并沒有降低材料的拉伸強度,反而使其略有提高,但材料拉伸模量均出現了不同程度的降低.經過人工加速老化試驗后,試件的壓縮應力-應變曲線在達到最大壓縮強度前近似成線性關系,而達到最大壓縮強度后,試件的承載能力下降,變形迅速增加.人工加速老化試驗后,試件的壓縮強度下降了15%左右,壓縮模量下降了10%左右.人工加速老化試驗后,試件的彎曲強度略有降低,其下降幅度平均為3%左右.3物理環境對cfrp片材力學性能的影響1.經過浸水試驗后,GFRP的抗拉強度、極限應變有下降趨勢,其彈性模量基本不變,表明水能夠引起玻璃纖維的脆化;CFRP經過浸水試驗后,其力學性能基本保持不變.2.CFRP和GFRP經過凍融循環試驗后,其抗拉強度、極限應變均有不同程度的降低,而彈性模量基本保持不變,這表明凍融循環能夠引起這2種纖維材料的脆化.3.濕熱老化環境對CFRP的力學性能基本沒有影響,卻使GFRP的抗拉強度、彈性模量、極限應變均有不同程度的下降.4.強堿環境對GFRP的力學性能影響較大,浸泡在強堿中30d后,2種GFRP片材的抗拉強度僅為原來的1/4和1/6,而粘結劑能有效地減少堿溶液對玻璃纖維的侵蝕作用,經過粘結劑預