腐蚀环境对纤维增强复合材料cfrp复合体及粘结剂力学性能的影响

腐蚀环境对纤维增强复合材料cfrp复合体及粘结剂力学性能的影响

纤维增强材料（frp）通常包括纤维增强材料（cfrp）、纤维纤维增强材料（afrp）和纤维增强材料（gfrp）。与传统混凝土材料或木材相比，这种新材料具有轻重、强度高、施工方便等优点。然而，由于该材料的长期应用和结构的加固和加固，它的耐久性尚未得到证实。由于大量暴露在室外或恶劣环境下的结构，如桥梁结构，它受到环境的腐蚀，并且会发生疾病。如果加固这种结构，加固材料的长期效果对加固材料的长期影响非常重要。根据国外相关数据，frp的耐久性好，gfrp的性能略差，而awp是两者之一。然而，中国没有关于frp耐久性的全面报道。与frp本身的耐久性相比，试验中使用的填充介质、碱性、提取物、湿热环境、人工加速老化等不利环境对frp及其粘接力的学术性能的影响。1试验总结1.1动态结构胶的制备本试验采用工程加固中比较常用的GFRP和CFRP的片材以及粘结剂浇铸体试件.GFRP片材有2种:国产单向高强度耐碱GFRP片材和美国产GFRP片材.CFRP片材由南京某单位进口单丝编织而成.粘结剂采用美国进口GFRP专用胶和沈阳某单位研制桥梁动态结构胶.所有FRP试件(除特殊说明外)均预先涂抹所选用的粘结剂,其中:国产GFRP片材用胶量为0.7～0.8kg/m2;进口GFRP片材用胶量为0.9～1.0kg/m2;CFRP片材用胶量为0.4～0.5kg/m2.片材的具体制作方法是:把FRP片材放在铺有塑料布的桌面上,按照规定的比例配制粘结剂,然后均匀地涂抹在FRP片材上,将预涂粘结剂的FRP片材放在室温条件下固化3d后,裁剪成设计的宽度,再进行环境曝露试验或拉伸试验.笔者对所选用的FRP片材进行了基本物理力学性能试验,3种材料的应力-应变关系均呈线性变化,试验结果见表1.表1中的各试件将作为浸水试验、冻融试验、湿热老化试验和耐碱性试验中的对比试件,而人工加速老化试验则采用粘结剂浇铸体试件进行.1.2试验方法和数据FRP的拉伸试验参照《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》(GB/T3354—1999)进行,FRP片材、夹具的尺寸如图1所示.因为在夹具的端部容易产生应力集中,为防止FRP片材在夹具的端部发生破坏,因此在夹具的两端各加了1个FRP压条,经试验验证,FRP片材破坏的位置基本在中部附近,满足了该试验方法中对纤维布拉伸试验破坏形态的要求.试验时用4个半圆形截面的钢夹具将长350mm、厚10～15mm的FRP片材(经粘结剂浸渍)的两端固定,放入夹具套中,并用固定螺丝旋紧固定.夹具套与荷载传感器采用螺栓连接.每组试验采用5个试件,试验结果取其有效数据的平均值.拉伸试验中拉力通过传感器来控制,纤维布的应变则通过自制弓形应变计来测量.所有数据由计算机自动采集后,直接绘制FRP的应力-应变关系图.2种粘结剂的力学性能试验分别采用拉伸试验、压缩试验和弯曲试验,树脂浇铸体的试验参考《树脂浇铸体拉伸性能试验方法》(GB/T2568—1995)、《树脂浇铸体压缩性能试验方法》(GB/T2569—1995)、《树脂浇铸体弯曲性能试验方法》(GB/T2570—1995)进行.1.3耐碱性试验浸水试验参照《玻璃纤维增强塑料耐水性试验方法》(GB2575—89)进行,用以考察水环境对FRP片材物理力学性能的影响.将FRP片材预涂粘结剂,在室温下固化后放入23℃的自来水中,30d后测定其抗拉强度、弹性模量、极限应变.冻融循环试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GBJ82—85)中抗冻性能试验的快冻法进行.将FRP片材预涂粘结剂,在室温下固化后放入冻融试验箱中.每次冻融循环时间是3h,试件中心温度分别控制在(-17±2)℃和(8±2)℃.冻融循环次数为50,100次.湿热老化试验参照《玻璃纤维增强塑料湿热试验方法》(GB2574—89)进行.将FRP片材预涂粘结剂,在室温下固化后放入多功能老化试验箱中,温度设定在40℃,相对湿度保持在98%,试验时间为1000h.耐碱性试验的碱环境采用饱和的氢氧化钙碱溶液.试验在(25±2)℃下进行,周期选为7,30d.具体步骤为:(1)将未涂粘结剂的FRP片材和预涂粘结剂固化的FRP片材分别放入碱溶液中保持7d;(2)将未涂粘结剂的FRP片材和预涂粘结剂固化的FRP片材分别放入碱溶液中保持30d.人工加速老化试验在氙灯耐气候试验机中进行,浇铸体采用美国进口粘结剂以及沈阳某单位研制的桥梁动态结构胶,试验参照《塑料实验室光源曝露试验方法》(GB/T16422.1—1996)进行.箱体黑板温度为(45±2)℃,相对湿度为(70±5)%,降雨周期为20,120min,氙灯功率为6kW,曝露时间为1000h.2试验结果的分析2.1纤维复合材料浸水试验结果分析浸水试验的试件编号以及试验后FRP片材(预涂粘结剂)的抗拉强度、弹性模量和极限应变变化情况参见表2.由表2可知:经过30d的浸水试验后,CFRP片材的抗拉强度、弹性模量、极限应变均未发生明显变化;GFRP片材的抗拉强度则下降了10%左右,同时其极限应变也降低了8%,弹性模量未发生明显变化,表明玻璃纤维材料经过浸水试验后有一定的变脆趋势.在文献介绍的试验中,预涂环氧基质的GFRP片材进行1000h的浸水试验后,其强度下降了9.1%.关于水对玻璃纤维的侵蚀作用,文献通过试验发现,初生态的玻璃纤维强度比放在潮湿环境里的玻璃纤维强度高得多.关于玻璃纤维被水侵蚀的机理,至今并不完全清楚,比较有代表性的说法是:水中的OH-对玻璃纤维中Si—O键的侵蚀作用造成了其强度下降.本次纤维复合材料浸水试验是在预涂粘结剂后进行的,预涂粘结剂的主要作用是使单独的纤维丝形成一个整体共同工作,以提高纤维材料的强度和稳定性.粘结剂在一定程度上隔断了玻璃纤维与水的直接接触.而有关粘结剂的环境曝露试验表明,粘结剂在湿气、曝露的条件下,其强度、弹性模量均会有所下降.笔者分析,GFRP在浸水试验后强度下降主要是由水对玻璃纤维的侵蚀作用引起的,而预涂粘结剂在潮湿环境下性能退化也是另一个影响因素.2.2弹性模量的影响冻融试验的试件编号以及试验后FRP片材(预涂粘结剂)的抗拉强度、弹性模量和极限应变变化情况参见表3.由表3可见:经过50次冻融循环后,CFRP片材的抗拉强度下降了2.1%,经过100次冻融循环后,其抗拉强度下降了4.4%,弹性模量没有明显变化;GFRP片材的抗拉强度、极限应变经100次冻融循环后下降较大,在10%左右,弹性模量变化不显著.因为冻融循环试验是在浸水环境下进行的,因此应结合表2的结果来分析冻融循环对FRP力学性能的影响.由表2可知,水对CFRP的力学性能基本没有影响,因此造成CFRP抗拉强度下降的主要因素是冻融循环试验环境.但这个试验结果不能反映冻融循环对CFRP单丝性能所带来的影响,因为复合材料强度的降低也可能是由于预涂粘结剂的性能在冻融环境下退化引起的.经过冻融循环试验的GFRP抗拉强度与同期的浸水试验结果相比略有降低,其原因是由于冻融循环对预涂粘结剂性能的影响、水对玻璃纤维强度的影响和冻融循环对玻璃纤维力学性能的影响共同引起的.2.3热风老化试验对agfrp片材力学性能的影响湿热试验的试件编号以及试验后FRP片材(预涂粘结剂)的抗拉强度、弹性模量和极限应变变化情况参见表4.由表4可知,经过1000h的湿热老化试验后,CFRP片材的抗拉强度、弹性模量、极限应变均未发生明显的变化,说明湿热环境对CFRP的力学性能没有明显影响.经过湿热老化试验后,GFRP片材的抗拉强度、弹性模量、极限应变均有不同程度的下降,其中:采用沈阳产粘结剂作为浸渍胶的玻璃纤维片材(G1SWT)抗拉强度下降了26%、弹性模量下降了12%;采用美国产粘结剂作为浸渍胶的玻璃纤维片材(G1AWT)抗拉强度下降了16%,弹性模量下降了17%同表2,3试验结果不同的是,GFRP片材的弹性模量在湿热环境下出现了下降,说明玻璃纤维单丝的力学性能受到了湿热环境的影响.试验表明:CFRP比GFRP具有更好的耐湿热老化性能.2.4u3000gfrp片材在强碱液中的稳定性试件类型、耐碱性试验前后的抗拉强度、弹性模量、极限应变情况参见表5.因为本试验采用的GFRP片材是高强耐碱材料,因此本试验对GFRP的耐碱性能进行了验证.表5的试验结果说明:未预涂粘结剂的国产GFRP片材在强碱溶液中放置7,30d后其抗拉强度分别下降了22%,74%;未预涂粘结剂的美国进口GFRP片材在强碱溶液中放置7,30d后其抗拉强度分别下降了37%,84%;而经过粘结剂预涂的国产GFRP片材在强碱溶液中放置7,30d后其抗拉强度下降了16%,52%;经过粘结剂预涂的美国进口GFRP片材在强碱溶液中放置7,30d后其抗拉强度下降了23%,25%.以上结果和文献中的结论基本一致.同时该试验结果说明,预涂粘结剂可有效地减轻碱溶液对玻璃纤维的侵蚀作用.有关碱环境对玻璃纤维侵蚀的机理,在20世纪60年代推广玻璃纤维增强混凝土研究工作时,便已经有详细的讨论.而碱环境对CFRP影响的试验结果和文献上介绍的试验结果不尽相同.在笔者进行的碱溶液侵蚀CFRP试验中,未经过粘结剂预涂的CFRP片材在强碱溶液中放置7,30d后,其抗拉强度下降了26%,35%,弹性模量下降了8%,23%,而经过粘结剂预涂的CFRP片材在强碱溶液中放置7,30d后,其抗拉强度和弹性模量基本保持不变.这一方面说明碱溶液对CFRP片材也具有一定的侵蚀作用,另一方面说明粘结剂能够有效地防止碱溶液对CFRP的腐蚀.在实际的加固应用中,一般用粘结剂将FRP粘贴在混凝土或其他结构物的表面,因此粘结剂对FRP具有保护作用,同时对FRP的外表面再进行防护处理,可降低大气中各种污染物对加固材料的腐蚀作用.2.5人工加速老化试验人工加速老化试验后测量粘结剂浇铸体试件的拉伸强度、拉伸模量、压缩强度、压缩模量、弯曲强度,其结果参见表6.未经人工加速老化试验的粘结剂浇铸体试件呈淡黄色,半透明状;经过人工加速老化试验后的粘结剂浇铸体试件颜色略有加重,透明度有所降低.经过人工加速老化试验后试件的拉伸应力-应变曲线近似成线性关系,和对比试件相同.由表6可知,人工加速老化试验并没有降低材料的拉伸强度,反而使其略有提高,但材料拉伸模量均出现了不同程度的降低.经过人工加速老化试验后,试件的压缩应力-应变曲线在达到最大压缩强度前近似成线性关系,而达到最大压缩强度后,试件的承载能力下降,变形迅速增加.人工加速老化试验后,试件的压缩强度下降了15%左右,压缩模量下降了10%左右.人工加速老化试验后,试件的弯曲强度略有降低,其下降幅度平均为3%左右.3物理环境对cfrp片材力学性能的影响1.经过浸水试验后,GFRP的抗拉强度、极限应变有下降趋势,其弹性模量基本不变,表明水能够引起玻璃纤维的脆化;CFRP经过浸水试验后,其力学性能基本保持不变.2.CFRP和GFRP经过冻融循环试验后,其抗拉强度、极限应变均有不同程度的降低,而弹性模量基本保持不变,这表明冻融循环能够引起这2种纤维材料的脆化.3.湿热老化环境对CFRP的力学性能基本没有影响,却使GFRP的抗拉强度、弹性模量、极限应变均有不同程度的下降.4.强碱环境对GFRP的力学性能影响较大,浸泡在强碱中30d后,2种GFRP片材的抗拉强度仅为原来的1/4和1/6,而粘结剂能有效地减少碱溶液对玻璃纤维的侵蚀作用,经过粘结剂预