纤维增强复合材料（FRP）的耐久性

杨勇新（中冶建筑研究总院有限公司，北京100088）

随着纤维增强复合材料（FRP）加固修复结构这项技术的普及，加固土木结构的工程应用量急剧增长，对FRP材料的需求巨大,需求量的增加刺激了FRP材料的研发和生产，FRP的种类也越来越多，各种产品的性能差异较大。要保证被加固结构的安全性和耐久性，首先要保证加固修复用FRP材料的质量。FRP加固修复后的结构在使用过程中，除了承受外部载荷的作用外，还要经受各种使用环境的考验，如温度和湿度变化、紫外线照射以及化学介质腐蚀等破坏因素的影响，这些环境因素一方面可能会影响材料本身的物理力学性能，另一方面可能会影响FRP材料与结构的界面的粘结性能。因此对于用FRP加固修复的暴露在恶劣环境的结构（如港口工程、桥梁结构和化工建筑等），更应关注其耐久性问题。

近年来，国内对FRP材料及其加固构件的耐久性研究越来越多，但是在腐蚀与老化的评价认证技术、产品与试验方法标准、老化与腐蚀检测设备等方面都没有统一，因此在数据和结论方面无法进行共享和参考，导致我国FRP耐久性研究较其他国家相对落后。本文主要介绍了近年来“国家工程中心”在FRP耐久性方面的研究内容。

1 目前的试验研究

从2003年开始，“国家工程中心”先后开展了FRP材料及其加固材料在自然环境、紫外线照射环境、干湿交变循环环境、海水浸泡环境、湿热老化环境,酸碱盐腐蚀环境等条件下的耐久性试验研究，通过对FRP材料力学性能、树脂材料力学性能、FRP材料和混凝土粘结性能、FRP材料加固混凝土构件承载力性能等进行评估，对FRP材料及其制品在不同环境条件下的性能变化有了初步的掌握。

1.1 自然环境

近年来，“国家工程中心”分别对常见的6种FRP材料、2种粘结树脂材料进行了在自然老化下的耐久性研究。试验条件为无防护自然老化和有防护自然老化；试验地点（环境）包括北京、新疆、福建和山东等地。通过对一定老化时间后FRP材料和树脂材料进行拉伸试验，测量其拉伸强度、伸长率、弹性模量，观察破坏形态等，考察FRP材料的力学性能随时间的变化规律[1-8]，目前已进行5年，获得初步结论。

1.2 紫外线照射

紫外线老化是影响FRP及其制品耐久性的环境因素之一。通过对2种粘结形式的FRP与混凝土的粘结性能进行了紫外线老化试验研究和分析，考察CFRP与混凝土拉伸剪切强度和正拉粘结强度随老化时间的变化特征，对比有无防护对正拉粘结强度的影响，初步结果表明：紫外线对CFRP与混凝土的拉伸剪切强度的影响较大，防护能有效减缓CFRP与混凝土的正拉粘结性能在紫外线作用下的劣化[9]。

相对于碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料，玄武岩纤维具有价格较低和性能适中的特点，且属于具有我国自主知识产权的一种新型纤维材料，为了有效的推进玄武岩纤维的开发与应用，“国家工程中心”对玄武岩纤维材料及其加固混凝土构件进行了紫外线照射环境下的耐久性研究，初步结果表明，紫外线直接照射环境对试件的性能有一定的影响。

1.3 干湿交变

“国家工程中心”分别对常见的几种FRP材料和粘结树脂材料进行了在干湿循环条件下的耐久性研究，包括碳纤维布、芳纶布、玻璃纤维布、碳纤维板、环氧类粘结树脂等。通过在不同的老化时间下获得的拉伸强度、伸长率、弹性模量等力学性能，寻找相应材料的力学性能随时间的变化规律。

近两年，又对玄武岩纤维复合材料及玄武岩纤维布加固混凝土构件进行了干湿交变环境下的耐久性研究，主要考察其承载力、破坏形态等随时间的变化规律[10]。

1.4 海水浸泡

对5种FRP材料、2种浸渍树脂及FRP材料加固构件进行了海水浸泡下的耐久性试验，考察在海洋环境下各种材料及制品的力学、物理等性能随时间的变化规律。

1.5 湿热条件

对5种FRP材料、2种浸渍树脂及FRP材料加固构件进行了湿热老化下的耐久性试验。考察在湿热变化环境下各种材料及制品的力学、物理等性能随时间的变化规律[11]。

1.6 酸碱盐环境

在试验过程中分别对常用的FRP布、FRP板、FRP筋以及其他制品进行了酸碱盐环境下性能变化规律的测试，初步结果表明，不同种类的纤维及其FRP材料制品对不同的酸碱盐介质侵蚀有不同的抵抗能力，且总体上都具有较高的相应耐久性能[12]。

2 耐久性评价方法

研究FRP材料或FRP与结构粘结性能的耐久性最终目的要评估FRP加固修复的土木结构在自然环境作用的使用寿命，而FRP材料在自然环境下老化时，其性能的衰减是缓慢的，要得其在自然环境下老化的性能衰减模型是需要很长时间，若对少数的几种材料进行自然老化试验尚可以做到，但目前FRP材料种类有很多种，要评价各种材料的在自然环境作用下的耐久性，通过对每种材料都进行自然老化试验的方法显然是不可取的。因此人们常常用人工快速老化试验来评价材料的耐久性能。

图1 自然老化试件摆放示意

为了从大量已知材料试验数据的基础上得到未知FRP材料、浸渍树脂及FRP-混凝土粘结性能的耐久性，我们提出了一种评价其耐久性的理论方法。在此评价方法中建立了单一快速试验环境和复合快速试验环境下FRP名义力学性能衰减模型，在分析快速和自然老化试验结果对应关系时，提出并计算了单一和复合加速因子。通过名义力学性能平均衰减速率这一指标建立了从未知材料到已知材料的映射关系，对未知材料进行耐久性评价。通过此方法可以用快速试验结果来预测FRP在自然环境作用下的寿命[13-14]。

图2 紫外线老化箱工作示意

3 试验方法

图3 干湿交变老化试验示意

“国家工程中心”所进行的试验主要参照国内外相关的规范、标准进行，对于没有规范可以借鉴的试验则根据常规方法通过适当的改进，然后形成统一方法，再加以应用的。

有关自然老化试件的放置方法，国外有多种，常用的有90°面南曝置、45°面南曝置、水平和5°角曝置。通过参考国外方法和结合我国FRP加固的结构使用条件，试验采用水平曝置方法。有防护条件为在试件上方搭设雨棚，防止太阳光的直射和雨水的侵蚀；无防护为试件完全曝露在自然环境中。试验图如图1所示。

参考国内外相似标准，结合工程用FRP测试试件的具体要求，我们设计制造了紫外线环境老化箱，箱内分为3层，每层的顶端等距配置了若干根等光照强度的紫外线灯管，通过紫外线灯管、间距、照距等参数的调节可以控制紫外线光照强度，如图2所示。

干湿交变环境下的条件目前规定为干燥12小时、浸湿12小时为一个循环。同时，还根据美国ASTM规范D1141－98(2003)[15]和中国标准GB/T 15748－1995《船用金属材料电偶腐蚀试验方法》[16]规定，配制相应浓度的人工海水。试验图如图3所示。

海水浸泡同样采用干湿交变中使用的规范和标准配置人工海水，试验中试件全部浸泡在试验溶液中，待试件到期后进行相应的试验。试验图如图4所示。

湿热老化试验在日本ESPEC生产的恒温恒湿箱(SH-221)中进行，试验条件参照GB 50367-2006《混凝土结构加固技术规范》[17]中关于湿热老化性能测试方法的规定，温度50±2℃，相对湿度95%～100%。老化箱如图5所示。

关于FRP材料的拉伸性能测试，按照CECS 146:2003《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》[18]中的规定，将纤维布用树脂浸渍，制成玄武岩纤维复合片材，端头粘贴增强片。按照GB/T 3354—1999《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》[19]中的方法，在深圳新三思材料检测有限公司生产的微控电子万能试验机（CMT7504）上进行拉伸试验，加载速率为1～6 mm/min。采用连续加载，测定拉伸强度、弹性模量、伸长率、最大破坏荷载，记录破坏形式。试验图如图6所示。

FRP材料加固钢筋混凝土构件的试验，是在德国造10MN压力试验机上进行，按照GB 50367-2006《混凝土结构加固技术规范》[17]中的规定，主要测量其承载力、裂缝发展、破坏形态等。试验图如图7所示。

4 标准

目前已经形成的相关标准包括建设工程行业标准、行业协会标准规程、国家标准规范的标准体系，其中对建设工程用FRP材料或制品的耐久性大都进行了规定，这样形成了统一的试验测试方法和评价方法，为建设工程用FRP材料基制品的耐久性研究与应用提供了理论和应用基础。

5 结论

介绍了近年来“国家工程中心”对FRP材料及其加固构件耐久性的研究情况，以及相应的建设工程用FRP材料及其制品耐久性试验方面的方法和手段，希望通过对这些试验方法和手段的研究和讨论，得到建设工程用FRP材料及其制品统一的腐蚀与老化的评价认证技术、产品与试验方法标准、老化与腐蚀检测设备。

建议选用几种典型的FRP材料在人工加速劣化环境（选对FRP性能影响较大的典型环境）及自然劣化环境作用下进行同步试验，一方面可以研究所选环境对FRP的影响并建立相应环境作用下的FRP性能劣化模型，形成相应的耐久性设计方法；另一方面可以建立FRP人工加速劣化与自然劣化的对应关系，以此来预测工程应用FRP的使用寿命。

[1]岳清瑞,杨勇新,沙吾列提?拜开依.不同环境条件下CFRP自然老化性能试验研究[J].工业建筑,2008,38(2)：1-3

[2]杨勇新,杨萌,赵颜等.华北自然环境条件下表面防护对浸润树脂耐久性能的影响[J].工业建筑,2008,38(2)：10-12

[3]杨萌,杨勇新,廉杰等.华北自然环境条件下浸渍树脂耐久性能对碳纤维片材耐久性影响的试验[J].工业建筑,2008,36(2)：18-20，6

[4]杨勇新,杨萌,赵颜等.华北自然环境条件下表面防护对碳纤维片材耐久性能的影响[J].工业建筑,2008,38(2)：13-14，12

[5]杨萌,杨勇新,赵颜等.华北自然环境条件下碳纤维片材耐久性能的试验研究[J].工业建筑,2008,38(2)：4-6

[6]沙吾列提?拜开依,杨勇新.西北自然环境条件下碳纤维片材耐久性能的试验研究[J].工业建筑,2008,38(2)：7-9

[7]杨勇新,杨萌,赵颜等.西北自然环境条件下浸润树脂耐久性对碳纤维片材耐久性能的影响[J].工业建筑,2008,38(2)：15-17,21

[8]罗漪,王全凤,杨勇新等.华东自然环境下CFRP片材的耐久性能[J].华侨大学学报,2009,30(5)：572-574

[9]杨勇新,郭春红,才鹏等.紫外线对CFRP与混凝土粘结性能的影响[J].工业建筑,2006,36(8)：27-30

[10]陈伟.玄武岩纤维布及其加固钢筋混凝土梁在海洋环境下的耐久性试验研究[D].青岛理工大学硕士学位论文,2009.6

[11]杨勇新,杨萌,赵颜等.玄武岩纤维布的耐久性试验研究[J].工业建筑,2007,37(6)：11-12,7

[12]岳清瑞,彭福明,杨勇新等.碳纤维片材耐久性初步研究[J].工业建筑,2004,34(增刊)：8-11

[13]杨勇新,岳清瑞,郭春红等.FRP耐久性评价方法[J].工业建筑,2006,36(8)：6-9

[14]郭春红.FRP力学性能和FRP及其加固混凝土结构耐久性能的评价研究[D].中冶集团建筑研究总院.结构工程硕士论文.2006

[15]ASTM D1141－98(2003)Standard Practice for the Preparation of Substitute Ocean Water[S].

[16]中华人民共和国标准,GB/T 15748－1995船用金属材料电偶腐蚀试验方法[S].

[17]中华人民共和国标准,GB 50010—2002混凝土结构设计规范[S].

[18]中华人民共和国标准,CECS 146：2003碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程[S].

[19]中华人民共和国标准,GB/T 3354－1999定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法[S].