碳纤维与玻璃纤维增强聚合物复合材料耐久性_李趁趁.pdf

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1、第 41卷 第 2期2009年 2月 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY Vo l 141 N o12Feb.2009 碳纤维与玻璃纤维增强聚合物复合材料耐久性李趁趁1,高丹盈1,黄承逵2(1.郑州大学 土木工程学院,郑州 450001,E-mai:l lcc0506 ;2.大连理工大学 土木水利学院,大连 116024)摘 要:通过快速碳化、模拟海水潮汐作用的干湿循环、冻融循环作用以及纵向拉伸试验,研究了特定环境对碳纤维与玻璃纤维增强聚合物复合材料(CFRP与 GFRP)纵向受拉性能的影响.试验结果表明:CFR

2、P在这三种环境下强度变化不大,弹性模量有所提高,延伸率在干湿循环下略有降低.GFRP的力学性能在这三种环境下也都有不同程度的退化.湿度或水分和温度变化是影响 FRP性能的重要环境因素.关键词:碳纤维;玻璃纤维;复合材料;碳化;干湿循环;冻融循环;耐久性中图分类号:TU53213;TU50216 文献标识码:A 文章编号:0367-6234(2009)02-0150-05Durability of carbon and glass fiber reinforced poly mer compositesLIChen-chen1,GAO Dan-ying1,HUANG Cheng-kui2(1.C

3、ivilEngineering Institute,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou 450001,China,E-mai:llcc0506 ;2.School ofC ivil&Hydraulic Engineering,DalianUniversity ofTechnology,Dalian 116024,China)Abstract:Effects of special environment on longitudinal tension properties of carbon fiber reinforced polymercomposite(CFRP)a

4、nd glass fiber reinforced polymer composite(GFRP)were studied by carbonization,we-t drycycles si mulating tidal effect of seawater,freze-ethaw cycles and longitudinal tension tes.t Results show that thetensile strength of CFRP changes little;the elasticmodulus increases under these three kinds of en

5、viron mentalconditions;and the elongation decreases after we-t dry cycles in salt solution.Mechanical perfor mance ofGFRPdegrades to different degrees under these three kinds of environ mental conditions.The variation of moisture orwater,and temperature is i mportant for longitudinal tension propert

6、y of FRP.Carbonization,li m ited ti mes offreeze-thaw cycles andwe-t dry cycles have a little effect on longitudinal tension properties of CFRP andGFRP.Key words:carbon fiber;glass fiber;composite;carbonization;we-t dry cycles;freeze-thaw cycles;durability收稿日期:2007-06-20.基金项 目:国 家 重 大 基 础 研究 前 期 研 究

7、 专 项 资 助 项目(2004CCA04100).作者简介:李趁趁(1977),女,博士,讲师;高丹盈(1962),男,教授,博士生导师;黄承逵(1941),男,教授,博士生导师.纤维增强聚合物(F iber Reinforced Polymer,FRP)复合材料由于轻质高强、施工便捷、无磁性等优点已广泛应用于土木、水利与港口等工程领域.随着应用的深入,FRP加固混凝土结构的长期耐久性引起了人们的关注,国内外研究人员对 FRP在不同条件下的耐久性进行了许多研究 1-5.不同研究人员在不同环境下试验结果不同,即使环境中存在相同的环境因素比如都有水分存在,也不一定得到统一的结果,加上相同环境下试

8、验数据还比较缺乏,无法进行统计.本文尽量采用 5水工混凝土试验规程6中规定的标准环境来进行研究,通过纤维片材的纵向拉伸试验,研究工程中常用的加固材料 CFRP 和 GFRP 在碳化、盐溶液干湿循环、冻融循环作用下的耐久性,为 CFRP和 GFRP的耐久性研究提供试验数据与理论基础.1 材料CFRP采用上海产碳纤维布,GFRP采用南京产高性能玻璃纤维布,粘接树脂采用南京产浸渍树脂,纤维布和粘接树脂的性能参数见表 1.试件设计与制作参照 5纤维增强塑料性能试验方法总则 6GB1446-83与 5定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法 6GB/T3354中规定进行 6,试件尺寸如图 1所示.表 1 碳纤维

9、布、玻璃纤维布和浸渍树脂的性能参数材料性能参数数值抗拉强度/M Pa3489弹性模量/GPa218碳纤维布伸长率/%1187名义厚度/mm0112抗拉强度/M Pa2040玻璃纤维布弹性模量/GPa93 11伸长率/%214名义厚度/mm01169拉伸剪切强度/M Pa24129拉伸强度/M Pa40112压缩强度/M Pa73162浸渍树脂弯曲强度/M Pa72195正拉粘结强度/M Pa4144且混凝土拉坏弹性模量/M Pa260517伸长率/%2145图 1 FRP试件2 环境条件与方法快速碳化参照5水工混凝土试验规程 6中的混凝土碳化试验方法进行,箱内的二氧化碳浓度保持在(20?3)%

10、,相对湿度控制在(70?5)%的范围内,温度在(20?5)e,试验碳化天数为 28 d;冻融循环参照5水工混凝土试验规程 6混凝土抗冻性试验方法进行,每次冻融循环时间是 3 h,控制试件中心温度分别在(-17?2)e 和(8?2)e,本试验冻融循环次数分别为 50、75、100次;干湿循环则模拟海水环境中的潮汐作用,为了加速腐蚀,采用 10%的 NaCl溶液,将试件在溶液中浸泡 8 h,然后取出放在室温下干燥 16 h,为了加速干燥,采用电风扇通风;对比环境就是试验室环境.试验时采用 WE-600B液压式万能试验机,试验采用分级加载,级差为 012 kN,破坏之前级差为 011 kN并适当减慢

11、加载速度.测试内容包括FRP试件破坏荷载、破坏应变、延伸率等,试验数据由计算机数据采集系统自动采集.3 结果及分析试样在环境作用之后外观上看没有明显变化,环境作用前后应力应变关系都是线弹性的.计算抗拉强度时试件厚度取表 1中给出的名义厚度,宽度根据实测数值而定,弹性模量取的是应力应变关系的斜率.试验时每种环境下复合材料采用 7个试样,所以每组数据采集有 7 个 样 本(xi,i=1,2,7),取x=Exi/7,Di=|xi-x|.本文利用 Grubbs法剔除异常 数据 7,即 Di 1194 S(剔错 概率为5%,S为样本标准差)时剔除 xi.将异常数据剔除后,平均值取余下数据的平均值,有效数

12、据不得低于 5个.CFRP与 GFRP在每种情况下的抗拉强度 Rt、弹性模量 Et与延伸率 Et如表 2所示,表 2中试件编号 C为 CFRP,G为 GFRP.RT 为室温,CA28为碳化 28 d,FT50为冻融循环 50次,WD50为干湿循环 50次,其余符号含义类推.提高或降低程度是同室温下相应数据比较而得.图 2 图 4是根据表 2绘出的每种环境下 CFRP和 GFRP抗拉强度、弹性模量、延伸率的变化图.311 碳化对 CFRP和 GFRP纵向拉伸性能的影响从表 2和图 2可以看出,CFRP在经过碳化之后,抗拉强度与延伸率没有明显变化,弹性模量提高了 614%.碳化环境中的二氧化碳气体

13、对 CFRP没有不利影响,浸渍树脂在其中的温度和湿度条件下产生了后期固化,这同文献 2,3 的结论有相似的地方.说明这种 CFRP 可以用来加固碳化严重的混凝土结构.对于 GFRP来说,经过碳化作用后,它的抗拉 强度和弹性模量分 别下降了519%和 518%,延伸率变化不大.这可能是因为玻璃纤维布较厚或者是玻璃纤维丝的几何特征、化学成分、表面处理等与碳纤维丝不同,使得经过浸渍后玻璃纤维与浸渍树脂之间不可避免存在的缺陷较碳纤维多,湿气浸入到玻璃纤维与树脂之间的机会也较多,这样就引起玻璃纤维与树脂脱粘而造成的.结果说明,在碳化环境下 CFRP的性能要优于 GFRP的性能.312 冻融循环对 CFR

14、P和 GFRP纵向拉伸性能的影响表 2和图 3显示,冻融对 CFRP 的强度没有负面影响.随着冻融次数的提高,CFRP的强度略有提 高,冻 融 75、100 次 后强 度 提高 315%、412%.弹性模量总体上看有所提高,延伸率变化不明显,这与文献 5的结果有所不同,其结果是#151#第 2期李趁趁,等:碳纤维与玻璃纤维增强聚合物复合材料耐久性冻融 50、100次后强度与延伸率下降在 10%左右.对于 GFRP来说,冻融 50、75次后 GFRP的强度分别降低了 911%和 618%,弹性模量变化没有明显规律,延伸率变小,这与文献 5的结果基本一致;冻融 100次时 GFRP 的强度比室温下

15、提高了 1715%,延伸率相应提高 2011%,弹性模量略有提高.仅从冻融次数上来看,CFRP的抗拉强度也是随着冻融次数的增加而增加的.Piyush K.Dutta的研究表明 8,在低温下 FRP复合材料会硬化,聚合物基体本身的类型以及它在低温时的力学性能(刚度或脆性)会大大地影响复合材料在零下温度时的性能.本文认为,冻融时的低温或水分促进了复合材料的后固化,这是有利的一面,而另一方面在温度的升降中水分侵入纤维与基体之间,使得纤维与树脂基体脱粘,产生了不利影响,具体结果就是这二者的综合.表 2 各环境下 CFRP和 GFRP试验结果汇总编号Rt/MPa提高或降低程度Et/GPa提高或降低程度E

16、t/%提高或降低程度CRT3105-28019-11791-CCA283124016%29818614%11795012%CFT503046-119%28910219%11814113%CFT753215315%27110-315%11792010%CFT1003234412%311181110%11758-119%C WD503000-314%30617912%11713-414%C WD1003083-017%27514-210%11676-614%GRT1227-9818-11813-GCA281155-519%9310-518%11847119%GFT501115-911%103154

17、18%11788-114%GFT751144-618%9517-311%11731-415%GFT10014421715%10210313%211782011%GWD501246116%9410-418%210091018%GWD1001230012%9619-119%11854212%图 2 碳化对 CFRP、GFRP抗拉强度、弹性模量、延伸率的影响#152#哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 41卷 图 3 冻融循环对 CFRP、GFRP抗拉强度、弹性模量、延伸率的影响 从试验和已有研究结果看,冻融循环对于FRP的影响不显著,参照 5水工混凝土结构设计规范6,严寒或寒冷条件下的混凝土建

18、筑物要求都不小于循环 100,在冻融循环作用地区使用FRP来加固结构时必须有试验数据作为依据.313 盐溶液中的干湿循环对 CFRP和 GFRP纵向拉伸性能的影响从表 2和图 4可以看出,经过干湿循环作用,CFRP的抗拉强度没有明显变化,弹性模量升高,延伸率降 低,干湿 50 次、100 次时 分别 下降414%、614%,表明 CFRP有脆化趋势.盐溶液中的干湿作用对 GFRP的抗拉强度也没有明显的不利影响,弹性模量略有下降,延伸率有所提高.总之,干湿循环对 CFRP与 GFRP的强度影响不大,使得 CFRP的延性降低,GFRP的延性提高,这与干湿循环后 FRP保持其线弹性特点是一致的.图

19、4 干湿循环对 CFRP、GFRP抗拉强度、弹性模量、延伸率的影响#153#第 2期李趁趁,等:碳纤维与玻璃纤维增强聚合物复合材料耐久性4 结论1)CFRP在这三种环境下强度变化不大,弹性模量有所提高,延伸率在干湿循环下略有降低.GFRP的力学性能在这三种环境下也都有不同程度的退化.总的来看,碳化、有限次数的冻融循环、盐溶液中的干湿循环对 CFRP和 GFRP纵向受拉性能影响不大.2)FRP的耐久性受树脂性能以及树脂与纤维之间粘结性能的影响很大,可以对树脂进行改性来提高 FRP的耐久性.3)碳纤维、玻璃纤维本身在碳化、冻融、海水中干湿循环作用等恶劣环境下的耐久性能需要研究,且应建立一套标准的试

20、验方法来进行试验研究,以提高数据的可比性与可利用性.参考文献:1任慧韬,王阿萍,胡安妮.纤维增强塑料(FRP)用于混凝土构件的耐久性能 C/第二届全国土木工程用纤维增强复合材料(FRP)应用技术学术交流会.北京:清华大学出版社,2002.2 ARMSTRONG K B.Effect of absorbed water in CFRPcomposites on adhesive bonding J.International Jour-nalofAdhesion andAdhesives,1996,16(1):21-28.3WU L X,HOA SV,M I NHTAN T.Effects of

21、W ater onthe Curing and Properties of Epoxy Adhesive U sed forBonding FRP Co mposite Sheet to Concrete J.JournalofApplied Poly mer Science,2004,92(4):2261-2268.4 HULATT J,HOLLAWAY L,THORNE A.Preli m inaryinvestigations on the environmentaleffects on ne w heavy-weight fabrics for use in civil enginee

22、ring J.Compos-ites:PartB,2002,33(6):407-414.5任慧韬.纤维增强复合材料加固混凝土结构基本力学性能和长期受力性能研究 D.大连:大连理工大学,2003.6全国纤维增强塑料标准化技术委员会秘书处.纤维增强塑料(玻璃钢)标准汇编 M.北京:中国标准出版社,1998.7姚谦峰,陈平.土木工程结构试验 M.北京:中国建筑工业出版社,2003.8 DUTTA P K,HU I D.Low-te mperature and freeze-thawdurability of thick co mposites J.Composites:Part B,1996,27B:371-379.(编辑 张 红)#154#哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 41卷