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摘 要：模擬研究了海洋環(huán)境(鹽水浸漬、鹽溶液干濕循環(huán)、凍融循環(huán)單獨或耦合作用)下碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)片材的耐久性。結(jié)果表明：在海洋環(huán)境中快速老化后，CFRP片材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系仍呈典型的線性關(guān)系；CFRP片材抗拉強度下降幅度大，延伸率次之，彈性模量小；多因素耦合作用對CFRP片材抗拉強度和彈性模量的影響遠遠大于單一因素作用。
關(guān)鍵詞；碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)；鹽水浸漬；鹽溶液干濕循環(huán)；凍融循環(huán)；耐久性
碳纖維增強復(fù)臺材料(CFRP)是由連續(xù)增強碳纖維和樹脂基體組成的復(fù)合材料，與傳統(tǒng)加固材料相比，CFRP具有抗拉強度高、自重輕、施工方便等優(yōu)點，故在混凝土加固領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，相比CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究，其耐久性方面的研究卻有限。但在實際工程中，外界環(huán)境對其長期力學(xué)性能影響很大，因而其耐久性問題不可忽視．
混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境一般為大氣環(huán)境、海洋環(huán)境等。因我國海岸線很長，大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)集中于沿海地區(qū)，CFRP片材在這類環(huán)境結(jié)構(gòu)中的運用日漸增多，故本文針對海洋環(huán)埔(鹽水浸漬、鹽溶液干濕循環(huán)、凍融循環(huán)單獨及耦合作用)下CFRP片材的耐久性進行了試驗研究。
1 試驗
1.1 材料
采用臺灣巨瀚科技股份有限公司的UCP―200 g CFRP布和GEL600樹脂，它們的性能分別見表1，2。參照《定向纖維增強塑料拉伸性能實驗方法》(GB／T 3354―1999)規(guī)定，CFRP片材試件制作完成后在室溫下養(yǎng)護1周，然后再進行不同條件下的快速老化試驗，每組試件不少于3個。
1.2 快速老化試驗
以鹽漬老化(SW)模擬海水浸泡情況，采用10％(質(zhì)量分數(shù)，下同)NaCl溶液加速試件腐蝕。
凍融循環(huán)(FT)試驗參照GBJ 82―85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行。試件中心溫度分別控制在(-17±2)℃和(8±2)℃，每次凍融循環(huán)時間為3 h，其中凍2 h，融1 h。
以鹽溶液干濕循環(huán)(DW)模擬海水環(huán)境中的潮汐作用，采用10％Nacl溶液加速試件腐蝕，將試件在10％NaCl溶液中浸泡2 h，取出后放在室溫下干燥4 h，此即為一個干濕循環(huán)。
多因素耦臺快速老化試驗有2種――凍融循環(huán)和鹽漬老化耦合試驗(FTSW)、凍融循環(huán)和干濕循環(huán)耦合試驗(FTDW)，其中凍融循環(huán)的溫度和時間同上。
1.3 力學(xué)性能試驗
在試件中心處按照標準方法粘貼應(yīng)變片(型號為BQ120(6.4 mm x 3.5 mm))，然后在拉伸試驗機上進行拉伸試驗，測試內(nèi)容包括CFRP試件破壞荷載、拉伸變形量、應(yīng)變等，前2種試驗數(shù)據(jù)由計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集，應(yīng)變則通過應(yīng)變片由應(yīng)變儀采集。
2 試驗結(jié)果與分析
2.1 試驗結(jié)果
CFRP片材試件的破壞方式主要有3種。第1種是翹曲破壞，即在試件表面褶皺處發(fā)生整體斷裂脆性破壞，這種破壞的試件其各種力學(xué)性能都很低，屬于失敗試件，所占的比例極少，產(chǎn)生的原因是因為涂抹的試件在固化過程中沒有放平，固化后形成翹曲，使試件褶皺處纖維處于拉剪復(fù)合受力狀態(tài)，從而發(fā)生脆性破壞，第2種是劈裂斷裂破壞，這種破壞通常先是局部絲斷裂，接著周圍的粘結(jié)膠體劈裂，隨后其他的絲斷裂，斷裂的程度較大，試件破壞后CFRP片材斷成很多小段，沒有明顯的破壞面，其破壞形態(tài)見圖1(a)。第3種是整體斷裂破壞，即在試件中部或中部附近(如中上部或中下部)發(fā)生破壞，破壞面比較明顯、平整，其破壞形態(tài)見圖1(b)。
CFRP片材的力學(xué)性能見圖2和表3(表中數(shù)據(jù)為剔出無效值后的平均值；編碼中字母含義見2.2節(jié)，數(shù)字表示時間或循環(huán)次數(shù)．如SW30表示鹽漬老化30 h，DW5表示干濕循環(huán)5次，等等)。由圖2可見，不論是否經(jīng)過海洋環(huán)境老化試驗，CFRP片材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系都呈典型的線性關(guān)系。
2.2 鹽漬老化試驗結(jié)果分析
經(jīng)過鹽漬老化后，CFRP片材表而粘附著許多粉末狀顆粒(Nacl結(jié)晶)，可見到鹽水侵蝕痕跡。
從表3可看出：鹽漬老化后，CFRP片材的三大力學(xué)性能都有所降低，其中抗拉強度下降幅度大。延伸率和彈性模量的下降幅度較小；隨老化時間的延長，三大力學(xué)性能變化的總趨勢均為有所下降，但下降的速度及波動的幅度有所減緩。
2.3 凍融循環(huán)試驗結(jié)果分析
經(jīng)過凍融循環(huán)后的CFRP片材的外觀無明顯變化
由表3可見：凍融循環(huán)對CFRP片材抗拉強度的影響大，對延伸率的影響次之，對彈性模量的影響小；經(jīng)過凍融循環(huán)后，CFRP片材的力學(xué)性能均有所降低，抗拉強度隨凍融循環(huán)次教的增加而下降，下降速度先慢后快，后趨于穩(wěn)定。延伸率的變化有波動，但總趨勢是隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而下降彈性模量的變化比較平緩，下降的幅度小，平均約為7％。
2.4 干濕循環(huán)試驗結(jié)果分析
經(jīng)干濕循環(huán)后，CFRP片材表面粘附了一些粉末狀Nacl結(jié)晶，可觀測到鹽水侵蝕的痕跡。
由表3可見：經(jīng)過干濕循環(huán)后的CFRP片材的三大力學(xué)性能都有所降低；干濕循環(huán)對CFRP片材抗拉強度的影響大，對延伸率的影響次之，對彈性模量的影響小。
2.5 多因素耦合作用結(jié)果分析
由表3可見，多因素耦合作用對CFRP片材力學(xué)性能的影響很大，其中抗拉強度和延伸率降低的幅度遠高于鹽漬老化、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)單獨作用的情況，而彈性模量的下降則不明顯。
多因素耦合作用的結(jié)果并不是各因素單獨作用結(jié)果的簡單疊加，而是各因素相互影響的結(jié)果。但是經(jīng)過各因素耦合作用后，CFRP的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本呈線性關(guān)系(見圖2)。
凍融循環(huán)50次和鹽漬老化150 h后，CFRP片材(FT50SW150試件)抗拉強度和延伸率的下降幅度很大，分別為45.48％和40.11％，說明CFRP片材的抗拉強度大幅度降低，且脆性大幅度提高，凍融循環(huán)50次和干濕循環(huán)25次后，CFRP片材(FT50DW25試件)抗拉強度和延伸率下降幅度分別為25.75％和33.42％，即其抗拉強度大幅度降低，而脆性卻大大提高．
CFRP是一種由增強材料和樹脂基體構(gòu)成的復(fù)合材料，其耐久性除受諸多環(huán)境因素的影響外，還取決于材料自身的組成與結(jié)構(gòu)，本次試驗所得的定性結(jié)論與文獻等結(jié)論相似，但定量結(jié)果有一定差別，究其原因是因為CFRP所用的增強材料和樹脂基體的性能及二者的結(jié)合方式不同所致。
3 結(jié)論
1.除個別失敗試件外．正常的CFRP片材的受拉破壞方式主要為劈裂斷裂破壞和整體斷裂破壞，且應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均呈典型的線性關(guān)系。
2.鹽漬老化對CFRP片材抗拉強度的影響大，對延伸率和彈性模量的影響較小，凍融循環(huán)和干濕循環(huán)對CFRP片材抗拉強度的影響大，對延伸率的影響次之，對彈性模量的影響小，對CFRP片材抗拉強度影響大的是凍融循環(huán)和干濕循環(huán)，對延伸率影響大的是凍融循環(huán)，而彈性模量受3種因素影響的差別不大，多因素耦合作用對CFRP片材抗拉強度和延伸率的影響很大，降低的幅度遠高于幾種因素單獨作用的情況，但并不是這幾種因素單獨作用結(jié)果的簡單疊加。
3.在海洋工程應(yīng)用中，必須考慮CFRP片材的耐久性，尤其應(yīng)對其抗拉強度進行折減。