纤维增强复合材料(FRP)特性

王兰彩

土木工程学科的发展,很大程度上依赖于性能优异的新材料的应用与发展。如对于传统的钢筋,应寻找一种强度高、重量轻和耐久性好的新材料来替代。传统的配筋混凝土结构普遍面临着钢筋锈蚀、混凝土老化等问题,结构耐久性和抗疲劳性不好,处于恶劣环境下的混凝土桥梁更是如此。对既有结构的加固、维修与改造,应以具有比强度高、施工快捷、施工后结构承载力明显提高等优异性能的材料所代替[1,4]。复合材料是由两种或两种以上性质不同而互补的材料组成,具有比组成材料更优越的综合性能。纤维增强复合材料(FRP)问世于20世纪40年代。FRP筋是以纤维为增强材料,以合成树脂为基体材料,并掺入适量辅助剂,经拉挤成型形成的新型复合材料,具有高强、轻质、抗腐蚀和耐疲劳等优点。纤维分有机纤维和无机纤维两种,抗拉强度和弹性模量都较高。纤维可以分为碳纤维(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP)、玻璃纤维(Glass Fiber Reinforced Polymer,简称GFRP)、芳纶纤维(Aramid Fiber Reinforced Polymer,简称AFRP),还有其他诸如聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维等[5];常用的基体材料有不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂等[6]。

1 FRP材料的类型

1)碳纤维(CFRP)。碳纤维按原材料类型分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、中间相沥青(MP)基碳纤维、粘胶(人造丝, RAYON)基碳纤维、酚醛基及其他碳纤维[7,8]。聚丙烯腈纤维是以丙烯腈(AN)为主要链接结构单元的聚合物经过纺丝加工而制成的纤维;中间相沥青基碳纤维是通过热聚合高芳香含量的同性沥青得到的具有中间相或液晶结构的沥青,将其进行纺丝加工而制成的纤维。腈基碳纤维原丝弹性模量低(300GPa左右)而极限应变高,沥青基碳纤维则正好相反(弹性模量可达800 GPa)。目前,世界上强度最高的碳纤维原丝是日本东丽公司生产的 T1000,其抗拉强度达到了7.02GPa,拉伸模量为293GPa[8]。CFRP的比强度可达钢材的 20倍,容重仅为钢材的 1/5,很适合用于超大跨径桥梁中。CFRP和AFRP的疲劳性能好,为钢材的3倍,其疲劳极限可达静荷载的70%～80%。新型的FRP产品PBO-FRP除具有高强CFRP相近的力学性能外,还表现出更好的物理性能, DFRP也具有良好的物理性能,抗拉极限应变可达到3.5%,延性很好[12]。

2)芳纶纤维(AFRP)。芳纶纤维是芳香聚酰胺纤维的简称,由苯二甲酸和苯二胺合成,是人造有机纤维,于 1971年由美国杜邦公司发明。芳纶纤维的密度比碳纤维小,且低导电;刚性、受拉韧性好,极限延伸率比碳纤维高,但在潮湿的环境中松弛率也较大;芳纶纤维的弹性模量和抗拉强度均比碳纤维低,其抗拉强度为2 600MPa～3 500MPa,弹性模量为83 GPa～186 GPa;芳纶纤维的力学性能受紫外线直接照射会降低。芳纶纤维主要有两类:一类是聚对苯二甲酰对苯二胺(PPDA)纤维,如美国杜邦公司的Kevlar-49,荷兰恩卡公司的Twaron HM,中国的芳纶1414等;另一类是聚对苯甲酰胺(PBA)纤维,如Kevlar-29,芳纶14等[9]。

3)玻璃纤维(GFRP)。玻璃纤维强度高、松弛率低、绝缘性能好。但其弹性模量低,且在碱性、潮湿环境和长期荷载作用下性能降低较大[5]。应用较多的玻璃纤维主要有E-glass和S-glass两种[10]。E-glass的强度和弹性模量较低,其抗拉强度为2 300MPa～3 900MPa,弹性模量为74 GPa～87 GPa,但由于价格较低,E-glass玻璃纤维被广泛使用;S-glass强度高,刚度和极限延伸率大,但价格较高。为了改善玻璃纤维的性能,出现了C-glass,AR-glass等具有一些特殊性能的玻璃纤维,使得玻璃纤维的耐酸、耐碱性能得到了一定程度的改善,但这些玻璃纤维的价格偏高[5]。

2 FRP筋的特性

2.1 FRP筋的弹性模量

影响FRP筋弹性模量的直接因素是晶粒的取向度,而热处理中的张力是影响这种取向性的主要因素。FRP筋的弹性模量除了是材料的固有属性 E0的函数外,它还是微晶沿纤维轴取向度的函数。取向度越高,碳纤维的弹性模量越大。对于强度而言,情况要复杂一些,一般是随着热处理温度的升高,强度出现一个峰值,在峰值以前,强度随着热处理温度提高而增加,达到峰值以后,随着热处理温度的提高,强度逐渐下降[13]。

2.2 FRP筋的应力松弛

应力松弛是材料保持长度不变,应力随时间增长而降低的现象。目前生产厂家所测试的松弛和徐变纪录仅局限在 100 h范围内。在松弛试验中,若试件伸长量保持恒定,则可以测出荷载随时间递减,是时间的函数。从一定时间的常温松弛试验结果可推断出100 h后的松弛应变。AFRP在空气中和碱性液体中的松弛应变分别为15%和20%～25%,CFRP筋在100 h后的应力松弛损失约为3%,同钢筋相差不大。试验表明,CFRP筋的长期应力松弛很小,在一般性设计中可忽略不计,但对重要工程,为保险起见,应力损失可采用 3%[6]。

2.3 FRP筋的徐变

FRP筋在高持续荷载下也会像混凝土那样因为徐变断裂而破坏。徐变系数是在荷载不变的情况下徐变与弹性应变的比值。AFRP的徐变系数为16.5%,并且高温会加速AFRP的老化。AFRP在 600℃时从加载到发生断裂的时间只有 200 h的 1/15～1/10。试验研究表明,当 FRP筋的持续荷载超过极限抗拉强度的75%～85%时,寿命会受影响,如果FRP筋束所处的环境会腐蚀纤维或基体,其徐变断裂的寿命会更短。FRP筋张拉力控制在50%～60%之内,徐变引起的断裂可能性极小。因此,目前将作用于FRP筋束的长期荷载限定在其静力抗拉强度的50%～60%,从而降低初始预应力容许值[6]。

2.4 FRP筋的疲劳性能

FRP筋有良好的抗疲劳性能。循环疲劳试验表明,碳纤维筋有良好的抗疲劳性,平均应力是极限强度的 61%,最小应力是极限强度的55%,最大应力是实际限度的 64%。这种纤维筋的弹性模量在疲劳试验后没有改变[6]。在三种纤维筋中,碳纤维筋的抗拉强度和弹性模量最高,抗剪强度介于玻璃纤维和阿拉米德纤维之间,其长期特性如松弛、徐变及断裂应力等对预应力构件的影响很小,非常适合作预应力筋使用。

2.5 FRP耐久性

材料耐久性是指材料在物理作用、化学作用及生物作用下,经久不易破坏也不易失去其原有性能的性质,它反映了材料的一种综合性质,如抗冻性、抗风化性、抗化学侵蚀性、疲劳性能、冲击韧性等。玻璃纤维(GFRP)和芳纶纤维(AFRP)长期置于高碱性的环境也会被腐蚀。玻璃纤维(CFRP)耐酸、碱、盐、干湿循环以及其他化学物质的能力明显优于GFRP和AFRP;由于化学物质和环境导致FRP材料腐蚀的程度主要取决于五点:浸润树脂的类型、化学物质的类型、纤维所受的拉应力大小、化学物质的浓度、与化学物质接触的时间和温度。高温和潮气、降雨和强烈的太阳辐射等对玻璃纤维(GFRP)的力学性能和电性能影响很大。

水和湿气环境的GFRP中玻璃纤维的表面出现裂缝及其质量有所下降的现象。在 350℃时,CFRP材料仍有其正常温度下持荷能力的35%,抗拉弹性模量的40%,而AFRP则分别为15%和40%。在 FRP材料浸泡吸水后,并长时间暴露于 -18℃的低温或暴露于冻溶循环的环境下,FRP材料的基体材料和纤维与基体间的粘结都会退化。其结果是FRP的强度下降,FRP筋材的弹性模量却没有变化。研究表明,当GFRP吸水后,临界温度将下降。

2.6 FRP筋材的应力腐蚀性能

应力腐蚀破坏FRP筋的机理:FRP材料在化学介质中受到应力作用的条件下,当侵蚀性介质渗透到FRP筋材界面上粘结不良处或裂纹处时,将引起界面粘结力的削弱或破坏;在一定应力水平下,界面发生脱粘、剥落等破坏现象的可能性增大,这些破坏为介质进一步侵蚀开通了捷径。化学介质的侵入导致 FRP筋中微裂纹的生成和扩展,还会引起大尺寸裂纹的扩展和传播,介质与FRP的纤维进行离子交换,离子交换使FRP筋材表面收缩而产生内应力、降低纤维的强度,在低于正常强度的应力作用下,纤维就会断裂。总之,FRP筋的破坏是侵蚀介质和应力祸合双重作用的结果。侵蚀介质降低FRP的力学性能,使其容易被应力破坏。

国内学者王书法等在应力腐蚀对玻璃纤维的断裂韧性和蠕变性能试验研究中也指出,在应力腐蚀下玻璃纤维的断裂韧性、蠕变强度、蠕变极限和蠕变模量都降低。

3 FRP纤维筋应用中存在的一些问题

1)锚固问题。由于碳筋横向抗剪强度低,不能使用传统的锚具,需研发专门的锚具。2)张拉问题。碳筋的弹性模量低于高强钢筋,张拉时碳筋的伸长量大,容易造成张拉设备行程不够。3)转折角问题。碳筋横向强度低,导致碳筋的抗折性能差,而且过大的转折角还会降低材料的强度,容易发生徐变而引起材料失效。4)温度影响。碳筋的温度膨胀系数与混凝土存在着差别,有的甚至为负值,因此在计算预应力损失、确定初始张拉力时需考虑温度影响。5)老化问题。虽然碳筋耐腐蚀性好,但也存在着老化问题:当碳筋受到水浸泡、紫外线照射、化学介质等因素时,其强度会有不同程度地降低。6)防护措施。碳筋耐热性差,当温度超过 60℃时碳筋的强度会有所降低,超过 120℃,强度会显著降低。此外,碳筋容易由于人为破坏等外部影响而发生断裂,因此碳筋在防火、防护措施等方面应特别注意。

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