模拟海洋环境条件下碳纤维复合材料力学性能试验研究
摘要本文主要进行了CFRP材料浸渍于碱溶液、浸渍于盐溶液及经人工老化后的力学性能试验。试验证实，上述几种长期环境条件作用对CFRP的极限强度影响不大，但能显著降低CFRP的极限延伸率，碱溶液浸渍、盐溶液浸渍显著降低了CFRP的弹性模量，而人工老化则几乎没什么影响。试验结果分析证明，应用于加固结构分析的CFRP的应力-应变关系，可应用线弹性关系。
关键词海洋环境，碳纤维，力学性能，试验
一、前言
碳纤维复合材料作为结构中的补强材料，对其力学性能的研究是研究CFRP加固结构性能的重要基础内容之一。由于外界环境对材料性能一般都有一定影响，所以对材料力学性能的研究一般包括对其短期力学性能和长期力学性能的研究。在对CFRP应用于海工混凝土结构加固的研究时，由于海洋环境条件属于严酷环境，因此除要CFRP短期力学性能外，还要根据CFRP所处环境条件对材料性能的影响，研究其在环境条件作用下的耐久性能。
根据海洋环境条件下CFRP有可能经历的环境条件作用，本文对CFRP分别进行了以下耐久性试验：
(1)人工海水浸渍：在海港码头的水下区，外包加固的CFRP受到海水的长期浸泡;在浪溅区和潮位变动区，外包的CFRP则受到海水干湿循环的交互作用;
(2)碱溶液浸渍：众所周知，混凝土材料是呈碱性的，外包CFRP的内表面与混凝土面直接接触，因此CFRP也受到碱性作用;
(3)人工加速老化：处于暴露状态的外包CFRP，也会受到阳光中紫外线的照射，再加上干湿循环的作用，这些环境作用一般用室内人工加速老化来模拟。
二、试验概况
1、试验用材料
(1)碳纤维片材：采用CymaxL200-C0.111型碳纤维布。
(2)浸渍树脂：采用了市场上比较常见的AralditeXH130A/B(双组分)浸渍环氧树脂，A:B=3:1。
2、试件制备
按照国家标准[1][2]的标准制作方法制备碳纤维复合材料拉伸试验的标准试件，试件的构造如图1所示。短期力学性能试件在养护后7天，进行拉伸试验。
3、模拟侵蚀性环境作用
室内实验主要模拟以下几种环境条件环境：
(1)碱溶液浸渍：碱溶液的配制，其主要组分和比例是：1L的去离子水中，118.5gCa(OH)，0.9gNaOH，4.2gKOH。将制备好的CFRP标准试件浸渍于密闭容器中的碱溶液里(见图2)，浸渍时间为3个月。
(2)盐溶液的浸渍：由于自然界中海水的浓度一般3-3.5%之间，因此配制了浓度为3.5%的溶液作为人工海水。将制备好的CFRP标准试件浸渍于密闭容器中的盐溶液里(见图3)，浸渍时间为3个月。
(3)人工加速老化紫外线照射(耐侯性)：参照国家标准[3]，对CFRP进行了2000小时的人工加速老化试验，主要是对CFRP进行氙灯照射和间歇性淋雨(干湿循环)作用(见图4)。
4、拉伸试验
按照国家标准[4]规定的标准试验方法，对所有CFRP试件进行拉伸试验。拉伸试验设备为T2002-50KN试验机(配套相应的数据采集系统)，如图5所示。
三、试验结果及分析
1、环境条件长期作用后的CFRP外观变化
各组试件在结束环境条件作用后，均用蒸馏水进行了表面清洗，以便进行外观检查。
(1)盐溶液浸渍后：与浸渍前的外观相比，除极少数试件有一、两个气泡增加外，大部分试件没明显外观变化。
(2)碱溶液浸渍后：与盐溶液浸渍后的结果相近，极少数试件有一、两个气泡增加。此外，有几个试件的短部夹片是用铝片制作的，在经历碱溶液浸渍后被完全腐蚀。大约有1/3的试件有部分表面变黄的现象。
(3)人工加速老化后：施行人工老化前后没有发现气泡增加的迹象，但试件的受光面都有明显的颜色变化，都由原来的蓝色变为程度不同的黄色。
2、应力-应变关系
图6中给出了无环境条件作用、碱溶液浸渍、盐溶液浸渍后、人工老化条件作用后进行拉伸试验得到的典型应力-应变关系图。
(a)无环境条件作用下(b)碱溶液浸渍后
(c)盐溶液浸渍后(d)人工加速老化后
从图6(a)来看，即在无环境侵蚀作用时，CFRP的σ-ε关系曲线可分为三个阶段：
①第一阶段(即线弹性工作阶段)：σ与ε之间符合线弹性的数量关系;
②第二阶段(即弹塑性工作阶段)：σ与ε之间稍微表现出一点弹塑性的数量关
系特征，但塑性成分极小;
③第三阶段(即断裂破坏阶段)：表观现象为CFRP的断裂，尤其是作为增强材
料的碳纤维的断裂(见图7)。
由图6(b)、(c)、(d)可以看出，碳纤维增强复合材料受各种环境条件作用后，仍有较好的整体工作能力，σ-ε曲线仍和无环境条件作用下的一样，由三个阶段组成。换句话说，环境条件作用，基本没有改变碳纤维增强复合材料的物理性质，这与该材料有良好的耐热性、防腐蚀性等特点相符。但观察也可以发现，碳纤维复合材料受各种环境作用后，σ-ε曲线的拐点没有无环境条件作用时那样明显了，几乎已经看不出拐点的存在，这也说明复合材料中碳纤维与树脂基体的粘结性能减弱了。
综上所述，无论是在对CFRP加固结构进行短期性能分析时，还是考虑环境因素的长期性能分析时，CFRP的σ-ε关系都可视线弹性关系，这样做基本不影响分析精度，同时也可以时分析计算大为简化。
3、极限强度、延伸率、弹性模量等力学性能指标
(1)试验结果
表2、3分别给出了浸渍树脂Araldite浸渍树脂制作试件的短期性能试验结果及各种环境条件作用后的力学性能结果。
(2)比较分析
将表3中各种环境条件作用后的各项数据，即称之为长期力学性能的数据同表2中的数据进行比较(即短期力学性能)，以分析环境条件作用对CFRP力学性能的影响，比较的结果见表4。
表4CFRP长期与短期力学性能的比较
(3)环境条件作用后CFRP力学性能指标(包括极限断裂强度、延伸率、弹性模量)变化的显著性分析
极限强度：从试验平均值可以明显看出，三种环境条件作用下CFRP拉伸极限强度均无显著变化，说明各种环境条件作用对CFRP极限强度影响不大。尽管盐溶液浸渍后的试件极限强度相对低些，而人工加速老化试样的拉伸强度反而有所提高，但极限拉伸强度的期望值几乎没什么变化。但方差和变异系数的显著变化说明，环境条件的作用使极限强度的试验值离散性变大了。几种环境条件造成离散性的大小顺序为：盐溶液浸渍>碱溶液浸渍>人工加速老化。
伸长率：从试验均值结果可以看出，三种腐蚀环境下的碳纤维增强复合材料伸长率都显著降低了，人工海水浸渍和碱溶液浸渍下降了20.75%，人工加速老化下降了17.34%。但外部环境作用后伸长率的方差反而变小了。
弹性模量：三种环境条件作用均造成碳纤维复合材料弹性模量提高了，说明环境条件作用对树脂基体起到了硬化作用。弹性模量的离散程度都差不多。
四、结论
基于试验的基础上，并通过理论分析得到了以下结论：
(1)无论是对CFRP进行短期力学性能分析，还是进行长期力学性能分析，CFRP材料的σ-ε关系采用线弹性关系，取值根据试验确定;
(2)碱溶液浸渍、盐溶液浸渍、人工老化对CFRP极限强度期望值几乎没什么影响;
(3)各种环境条件作用都对CFRP弹性模量有显著的提高作用，即对CFRP材料起到硬化作用;
(4)碱溶液浸渍、盐溶液浸渍、人工老化显著降低了CFRP的极限延伸率;
(5)建议在海工混凝土结构采用CFRP加固计算时，材料力学性能指标在试验基础上取标准值。
参考文献
[1]中国工程建设标准化协会.碳纤维片材加固混凝土结构技术规程(CECS146：2003).2003年5月1日.
[2]中华人民共和国建筑工业行业标准.结构加固修复用碳纤维片材(JG/T167——2004).2005年5月1日.
[3]中华人民共和国国家标准.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(GB/T14522-1993).中国建筑工业出版社,1993.
[4]中华人民共和国国家标准.《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法(GB/T3354-1999)》.中国建筑工业出版社,1999.
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