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碳纤维增强复合材料力学性能的试验与分析李苏苏 陈凤山 刘 毅(大连理工大学 土木水利学院 大连 116024)摘 要:通过盐溶液浸渍试验、碱溶液浸渍试验及人工加速老化试验,研究碳纤维增强复合材料(CFRP)在腐蚀环境条件下的力学性能,进行CFRP拉伸试验的应力-应变曲线分析及力学性能显著性分析。研究表明,CFRP具有良好的耐腐蚀性,在腐蚀环境中拉伸强度无显著变化,伸长率有显著变化;拉伸弹性模量在盐、碱溶液浸渍环境下有显著变化,在人工加速老化环境下无显著变化。关键词:碳纤维增强复合材料 腐蚀 力学性能EXPERIMENT AND ANALYSIS OF LONG2TIME MECHANICAL PROPERTIES OFCARBON FIBER REINFORCED POLYMERLi SusuChen FengshanLiu Y i(Civil and Water Conservancy School,Dalian University of TechnologyDalian116024)Abstract:Based on the salt solution pickling test,alkali solution pickling test and accelerated aging test,the mechanicalproperties of CFRP under corrosive environment were studied.The stress2strain curve of CFRP was analyzed and thesignificance of mechanical properties of CFRP was tested.The test results indicate that CFRP shows good corrosionresistance.The tensile strength of CFRP had no significant change in the corrosive environments.The extensibility of CFRPhas significant changes in the corrosive environments.The elastic modulus of CFRP has significant changes in the saltsolution pickling condition and alkali solution pickling condition,there is no significant changes in the accelerated agingcondition.Keywords:carbon fiber reinforced polymercorrosionmechanical properties第一作者:李苏苏 男 1980年7月出生 硕士研究生E-mail:lss0035 收稿日期:2006-04-18 碳纤维增强复合材料(CFRP)与传统混凝土材料或钢材相比,具有质量轻、强度高、易施工等优点,尤其适合于已有结构的补强加固。但由于这种材料应用在土木结构补强加固上的时间不长,其耐久性能尚未得到充分证实。在海洋环境下,钢筋混凝土结构会受到环境的腐蚀而产生病害。当对这类结构进行加固时,加固材料的耐久性能对于加固的长期效果至关重要。国外相关资料表明,碳纤维增强复合材料的耐久性能较好,但是国内对此还没有比较全面的研究报道。鉴于此,本课题分别做了普通环境和腐蚀环境条件下CFRP力学性能的大样本试验研究,测定其拉伸强度、拉伸弹性模量和断裂伸长率。腐蚀试验主要是模拟海洋环境分别在碱溶液浸渍、盐溶液浸渍及人工加速老化环境条件下制作试样。最后分析了CFRP的应力-应变曲线,并进行参数假设检验,比较普通环境和腐蚀环境条件下CFRP的力学性能,研究是否在拉伸强度、拉伸弹性模量和断裂伸长率上存在着显著差异。1 试验概况111 试验材料1)碳纤维片材:采用Cymax L200-C型碳纤维片材,该片材使用了离散系数极低的12K T700航空级碳纤维纱束,纬向无交叉,经向顺直,碳纤维布表面有各向同性的玻璃纤维贴面。2)浸渍树脂:Araldite XH 130AB环氧树脂粘胶,AB=31。112 试样制作由于碳纤维织物脆性强、耐压性能差等特点,织物在拉伸时,会被拉伸仪钳口挤压而破坏,而非被拉断。目前国外普遍采用的方法是将碳纤维织物用环氧树脂浸渍,制成碳纤维 环氧复合片材,端头粘贴增强片再进行拉伸。试样形状为长矩形。图1为碳纤维增强复合材料拉伸试样。96Industrial Construction Vol137,No15,2007工业建筑 2007年第37卷第5期 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/表1 碳纤维片材力学性能Table 1Mechanical properties of CFRP碳纤维片材型号面密度(gm-2)计算厚度mm抗拉强度MPa抗拉强度标准值MPa抗拉强度标准差MPa弹性模量GPa延伸率%CymaxL200-C200011114 0533 9453521021051-碳纤维复合材料;2-增强片图1 碳纤维增强复合材料拉伸试样Fig.1Tensile specimen of CFRP1)长度:参照 定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法(G BT 3354-1999)、玻璃纤维增强塑料拉伸性能试验方法(G BT 1447-83),设计试样长度为230mm。2)宽度:对于碳纤维织物,因其中碳纤维束丝按一定密度排列,因此在尺寸设计时主要考虑保证试样中含有的碳纤维束丝为整数根,宽度近似15mm。113 腐蚀环境条件下力学性能试验的试样准备1)碱溶液浸渍:碱溶液的成分为1L的去离子水中,含有11815gCa(OH)2、019gNaOH、412gK OH。试样在密闭容器中浸渍时间为3个月。浸渍完毕取出试样,试样颜色基本无变化,称重发现质量平均增加0106g,有部分试样的增强片大部分已经被腐蚀而脱落。2)盐溶液的浸渍:在含量为315%的NaCl溶液中浸渍3个月。浸渍完毕取出试样,试样颜色基本无变化,称重发现质量平均增加0108g,有大约40%的试样表面出现气泡,或者纤维外露等情况。3)人工加速老化紫外线照射(耐候性):2 000h的加速老化试验。老化设备:LG-72XD型氙灯耐气候试验箱(汉瞻牌);操作方式:连续光照;辐射通量:使试样架平面在290800nm波长的平均辐照度为550Wm2;润湿时间为18min;干燥周期为102min;干燥期间的相对湿度为65%。加速老化完毕取出试样,试样表面呈现土灰色,称重发现质量平均增加0106g,部分试样的增强片脱落。114 试验方法按照“试验方法”(G BT 3354-1999)在T2002-50kN试验机(配套相应的数据采集系统)上进行拉伸试验。试验时试样标距取150mm,拉伸强度和伸长率分别通过荷载传感器和变形传感器由数据采集系统直接获得;弹性模量计算:由数据采集系统取得在试验过程中伸长率015%和115%两点所对应的荷载值,然后确定荷载增量,再结合相应的变形增量计算出拉伸弹性模量。2 试验结果及分析211 计算结果筛选由于进行的是大样本试验,所以试验数据比较多,有可能出现离群值,因此有必要在结果分析之前先进行离群值删除。由于总体的方差未知,因此按照格拉布斯(Grubbs)准则进行检验,显著性水平=0105。离群值删除后的试验样本统计如表2。表2 试验样本统计表Table 2Statistical parameter of the samples试样制作环境抗拉强度伸长率弹性模量样本个数均值MPa修正标准差MPa样本个数均值%修正标准差%样本个数均值GPa修正标准差GPa普通一414 2881052741874321940137-普通二254 32916036516824218001372523513819164碱溶液浸渍354 32418646216035213301193522411412109盐溶液浸渍404 28012853118040213301234022617315154人工加速老化444 38317337819945214301194421319313122212 破坏形态图2为CFRP拉伸破坏的几种形态。试验中没有出现增强片的滑脱破坏。图2右边两个是普通试样,普通试样大部分破坏后试样还比较完整;其他的07工业建筑 2007年第37卷第5期 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/是腐蚀试样,腐蚀试样破坏程度比较严重,多数整体拉断,支离破碎。图2 碳纤维增强复合材料拉伸破坏形态Fig.2Tensile failure status of CFRP213 应力-应变曲线 图3为各种试验环境下拉伸试样的应力-应变曲线图。对于碳纤维增强复合材料,纵向拉伸时碳纤维是脆性破坏,而环氧树脂基体是塑性破坏,并且纤维的断裂应变小于基体的断裂应变。拉伸弹性模量大小依次为:碳纤维碳纤维增强复合材料环氧树脂基体。复合材料的应力-应变曲线处于纤维和基体的应力-应变曲线间,主要分为3个阶段:第一阶段纤维和基体的变形都是弹性的;第二阶段纤维的变形仍是弹性的,但基体的变形是非弹性的;第三阶段纤维脆性断裂,进而复合材料断裂。a-普通环境试验;b-碱溶液浸渍试验;c-盐溶液浸渍试验;d-人工加速老化试验图3 各组试样应力-应变曲线Fig.3The stress2strain curves of each set of specimens 第一阶段是弹性直线段;第二阶段与第一阶段之间有一拐点,该拐点可看作基体发生屈服时的应力点。因为复合材料纤维体积分数一般较高,且纤维的模量又比基体高得多,所以第二阶段的应力-应变关系取决于纤维的力学性能,表现为一近似的直线关系,其斜率与第一阶段直线相差不大。从图3中可以看出曲线的拐点,且第二阶段的近似直线斜率稍微比第一阶段的小些,符合上述解释。第三阶段为断裂段,由于碳纤维极限应变小于树脂基体的极限应变,纤维先于基体断裂。然而,纤维断裂成短纤维后并没有完全失效,它对复合材料的强度仍然有贡献,此时基体能够把纤维断裂端的应力重新传递到周围纤维上。断裂过程中不仅是纤维断裂,还包括基体开裂、纤维拔出、界面脱粘和分层等,裂缝扩展和损伤积累综合作用下最终宏观发生断裂破坏。总体来说,由于第一阶段和第二阶段的斜率很相近,一般当作一条近似直线处理。而碳纤维增强复合材料在破坏之前能保持很好的线弹性变化,在碳纤维布补强加固混凝土结构的计算分析中,可以认为其应力-应变为线性关系,该直线的斜率即为碳纤维增强复合材料的拉伸弹性模量。由图3中曲线可以看出,碳纤维增强复合材料受腐蚀后仍有完好的工作能力,应力-应变曲线仍与普通环境下一样,都由3个阶段组成,腐蚀环境基本没有改变碳纤维增强复合材料的物理性质,与该材料有良好的耐热性、防腐蚀性等特点相符,但观察可以发现腐蚀后复合材料的应力-应变曲线的拐点提前出现了,说明树脂基体提前进入塑性变形,且拐点没有普通试样曲线中的明显,说明复合材料中的碳纤维与树脂基体的粘结性能减弱了。214 腐蚀环境条件下CFRP力学性能显著性分析可以认为,碳纤维增强复合材料的强度、伸长率和弹性模量是服从正态分布的,且总体的期望和方差均未知,随着两个方差的相等或不相等,选取的检验统计量精确服从t-分布或近似服从t-分布,因此在进行两个正态总体参数的假设检验时,首先要对两个总体的方差进行检验5。显著性差异分析结果如表3。215 假设检验结论以上对碳纤维增强复合材料腐蚀条件下力学性能的假设检验是在显著性水平=0105的条件下进行的,即最后判断结果的准确性的概率至少有0195。通过试验分析得出如下结论:1)试验表明,3种腐蚀环境下的碳纤维增强复合材料拉伸强度均无显著变化,说明腐蚀对碳纤维17碳纤维增强复合材料力学性能的试验研究 李苏苏,等 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/表3 碳纤维增强复合材料力学性能显著性差异分析结果表Table 3The results of significance test formechanical properties of CFRP试样制作环境拉伸强度伸长率拉伸弹性模量碱溶液浸渍无显著差异有显著差异有显著差异盐溶液浸渍无显著差异有显著差异有显著差异人工加速老化无显著差异有显著差异无显著差异增强复合材料的拉伸强度影响不是很大;从均值上来看,变化也不大,盐溶液浸渍的试样拉伸强度相对低了些,而人工加速老化试样的拉伸强度反而有所提高,文献6也得出类似的结论;但是3种腐蚀环境下的修正样本方差都明显大于普通环境下的,关系为:盐溶液浸渍碱溶液浸渍人工加速老化,其中盐溶液浸渍下的修正样本标准差为531180,而普通环境下第一组的修正样本标准差仅为274187,说明腐蚀环境下强度值的离散性变大了。因为碳纤维增强复合材料的拉伸强度主要取决于碳纤维的强度,而碳纤维良好的抗腐蚀能力保证了拉伸强度没有发生显著变化。此外虽然碳纤维腐蚀程度较低,仅在试样表面产生个别气泡以及碳纤维外露的缺陷,但仍相应降低了复合材料的拉伸强度,而腐蚀后没有产生这些缺陷的试样仍然保持普通试样的特性,这就增大了强度的离散性。其中盐溶液浸渍后的试样有很多都产生气泡,因此平均强度值也就低些,离散性也最大。2)3种腐蚀环境下的碳纤维增强复合材料伸长率均有显著变化;从均值上看,伸长率都变小了,盐溶液浸渍和碱溶液浸渍下降20175%,人工加速老化下降17134%,腐蚀会降低复合材料的变形能力;从方差来看,腐蚀后伸长率的离散性反而变小了,说明腐蚀对复合材料伸长率的影响还是很普遍的。3)在碱溶液和盐溶液浸渍下复合材料的弹性模量有显著变化,而在人工加速老化下无显著变化;从均值上看,3种腐蚀环境均造成碳纤维增强复合材料的弹性模量变小了;弹性模量的离散程度相差不多。在腐蚀试样的应力-应变曲线中,拐点提前出现,整个曲线的大部分属于树脂基体处于塑性变形的第二阶段,所以在计算弹性模量时第二部分所占的影响也增大,有可能是弹性模量计算值降低的原因。弹性模量计算值降低还有可能是试验中夹具与试样增强片之间产生滑移程度不同造成的。3 结 论本文对碳纤维增强复合材料在普通环境和腐蚀环境条件下的力学性能进行了一些研究,结论表明碳纤维增强复合材料具有良好的抗腐蚀能力,但是环境的腐蚀会对其力学性能造成一些影响。1)3种腐蚀环境对CFRP拉伸强度均无显著影响,其中盐溶液浸渍影响稍大,人工老化强度有所提高。2)3种腐蚀环境对CFRP拉伸强度均有显著影响,腐蚀普遍会降低复合材料的变形能力。3)2种腐蚀溶液浸渍对CFRP拉伸弹性模量有显著影响,人工加速老化无显著影响,但拉伸弹性模量都有所降低。参考文献1G BT 14522-1993 机械工业产品用塑料、涂料、橡胶材料人工气候加速试验方法2 刘智敏.不确定度及其实践.北京:中国标准出版社,20003 乔生儒.复合材料细观力学性能.西安:西北工业大学出版社,19974 赵 桐,谢 剑.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术.天津:天津大学出版社,20015 滕素珍.数理统计.大连:大连理工大学出版社,2000:165-1956 任慧韬,姚谦峰,胡安妮.纤维增强复合材料的耐久性能试验研究.建筑材料学报,2005,8(5):520-526(上接第64页)终桩长也大于静压桩,但极限承载力未必大于经历过较高预压力的静压桩。4)静压桩一般难以进入到锤击桩所能贯入的硬质土层中,但适当的超载预压方法可以保证静压桩提供不低于锤击桩的单桩承载力,因较高的超载预压力以及合适的持荷时间减小了桩端土在载荷试验中的蠕变和残余变形。参考文献1Yu F.Behavior of Large CapacityJacked Piles:Ph.D.Thesis.HongK ong:The University of Hong K ong,20042BCP Committee.Field Tests on Piles in Sand.Soils Foundations,1971,11(2):29-493 史佩栋.实用桩基工程手册.北京:中国建筑工业出版社,19994 沈保汉.桩基础讲座系列之18:静压桩.建筑技术,2001,30(10):40-425Yu F,Chan S T,Yeung M R,et al.Behaviour of Jacked Pile in HongK ongProc.12th Pan2American Conf.Soil Mech.Geotech.Engrg.,Boston:20036Lee P K K,ThamL G,Chan S T,Recent Field Studyon the Behaviourof Jacked Piles.The Structural Engineer,2004(10):19-227YangJ,ThamL G,Lee P K K,et al.Behaviour of Jacked and DrivenPiles in Sandy Soil,Gotechnique,2006:56(4):245-2598YangJ,ThamL G,Lee P K K,et al.Observed Performance of LongSteel H2Piles Jacked into Sandy Soils.J.Geotech.Geoenvir.Engrg.,ASCE,2006,132(1):24-359BS4:Past 1.H2Pile Products,199310GEO“Pile Design and Construction.The CivilEngineering andDevelopment Department of HKSARG,199611Ng C W W.Yau TL Y,Li J H M.et al.New Failure Load Criterionfor Large Diameter Bored Piles in Weathered Geomaterials.J.Geotech.Geoenvir.Engrg.,ASCE,2001,127(6):488-49812Li KS,Ho N CL,ThamL G,et al.Case Studies of Jacked Piling inHong K ong.Research Report.Hong K ong:Centre for Research&Professional Development and The University of Hong K ong,200327工业建筑 2007年第37卷第5期 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/
