环氧树脂及其复合材料的固体颗粒冲蚀磨损

王彦平，龚 卓，王起才

（1.兰州交通大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070）

兰新铁路沿线穿越五大风区［1］.风区地段强风携带的砂粒对铁路混凝土桥梁、桥墩迎风侧产生了严重的冲蚀磨损，造成梁墩表面的水泥剥落、微裂纹加速扩展，从而降低了混凝土结构的耐久性，不仅影响其使用寿命，也给列车的行车安全造成重大隐患［2－3］.因此，研究风沙流环境下混凝土桥梁、桥墩的冲蚀防护材料，对于高风蚀地区混凝土桥梁在役期的质量保障具有重要的现实意义.

目前，人们对水工混凝土冲蚀防护材料的研究较为深入［4－5］，而对于风沙流环境（气固两相流）下，混凝土桥梁、桥墩冲蚀防护材料的研究还未见报道.本文采用气流挟砂喷射法，模拟戈壁风沙流环境，对玻璃纤维（碳纤维）环氧树脂复合材料进行冲蚀试验，研究环氧树脂基复合材料的冲蚀行为，探讨其冲蚀机制，并验证环氧树脂基复合材料用于戈壁风沙流环境混凝土桥梁、桥墩冲蚀防护的可行性.

1 试验

1.1 试验材料

纯环氧树脂试样的制备：将中蓝晨光化工研究院有限公司生产的A71－1建筑胶黏剂（甲组分）与改性脂肪胺固化剂按质量比3∶1混合，搅拌均匀，缓慢浇注到聚四氟乙烯模具中，待其聚合、交联24h后脱模，室温放置14d，将其裁剪成尺寸为100mm×100mm×3mm 的试样备用.

采用手糊成型法制备单向玻璃纤维和碳纤维环氧树脂复合材料：将A71－1建筑胶黏剂（甲组分）与改性脂肪胺固化剂按质量比3∶1混合，搅拌均匀，浸渍江苏九鼎新材料股份有限公司生产的EDW227（90°）无碱单向玻璃纤维和上海圣固纤维复合材料有限公司生产的SG－220－012－300单向碳纤维，制成单向玻璃纤维、碳纤维环氧树脂复合材料，24h后脱模，室温放置14d，将其裁剪成尺寸为100 mm×100mm×3mm 的试样备用.

1.2 冲蚀试验

试验装置原理参见文献［2］.采用有棱角且平均直径为325～425μm 的石英砂为冲蚀颗粒，试验参数见表1.对于单向复合材料，根据纤维取向，冲蚀分为平行冲蚀（喷嘴轴线在试样表面的投影平行于纤维方向，记为Pa）和垂直冲蚀（喷嘴轴线在试样表面的投影垂直于纤维方向，记为Pe）.

表1 试验参数Table 1 Test parameters

冲蚀磨损试验前，将试样在丙酮中清洗干净，干燥后在精度0.001g的电子天平上称重，待冲蚀试验完成后，用吹尘枪吹掉试样表面的灰尘，重新称重，以确定冲蚀质量.冲蚀率按式（1）计算.

式中：ER为冲蚀率，mg／g；Δm 为试样的质量损失，mg；MP为砂流量，g／min；t为冲蚀时间，min.

1.3 冲蚀后试样表面形貌观察

为了分析环氧树脂及其复合材料的冲蚀机理，对冲蚀后的试样表面进行喷金，然后用JSM－5600LV 低真空扫描电子显微镜（日本电子光学公司）观察表面形貌.

2 试验结果及讨论

2.1 冲蚀角的影响

试验表明，材料的冲蚀率和粒子的冲蚀角有密切关系.典型塑性材料（如纯金属和合金）最大冲蚀率的冲蚀角为15°～30°；典型脆性材料（如陶瓷和玻璃）最大冲蚀率的冲蚀角为90°；纤维增强复合材料的冲蚀行为表现出半塑性材料的冲蚀特征，最大冲蚀率的冲蚀角为45°～60°［6］.

在风沙流速率为26m／s的条件下，单向玻璃纤维环氧树脂（UD－GF／EP）、单向碳纤维环氧树脂（UD－CF／EP）和纯环氧树脂（Neat EP）试样冲蚀率随冲蚀角度的变化曲线见图1.从图1 可以看出，3种材料均表现出半塑性材料的冲蚀特征，UD－GF／EP复合材料的最大冲蚀率出现在60°角，而UDCF／EP复合材料和Neat EP 的最大冲蚀率出现在45°角.改性环氧树脂表现出半塑性材料的冲蚀行为，当其受到风沙流的冲蚀时，能够发生较大的弹性变形和塑性变形，从而有效吸收砂粒的动能，减缓风沙流的冲蚀作用.从图1还可以看出，纤维的加入在一定程度上降低了改性环氧树脂的冲蚀抗力［7］.然而，在结构工程应用上，除了考虑其冲蚀抗力外，还要考虑其他力学性能以及工程成本.此外，用纯改性环氧树脂做混凝土桥梁、桥墩风沙流防护材料时，现场施工性能不好，容易产生流挂，涂覆层难以达到有效厚度；而采用纤维增强环氧树脂不仅可提高涂覆层的抗拉强度，而且还可改善施工性能，使涂覆层容易达到有效厚度.

图1 冲蚀角度对环氧树脂及其复合材料冲蚀率的影响Fig.1 Influence of impingement angle on erosion rate of EP and its composites

改性环氧树脂复合材料受到冲蚀时，其表面的环氧树脂发生脱落，增强纤维直接暴露于风沙流环境中，由于增强环氧树脂的玻璃纤维和碳纤维是典型的脆性材料，不能有效吸收风沙流的冲击能量，容易发生断裂.特别是玻璃纤维，其抗拉强度低于碳纤维，更容易冲蚀断裂.因此，UD－GF／EP 复合材料的最大冲蚀率出现角度比UD－CF／EP复合材料大.另外，复合材料在90°角冲蚀下，表面的环氧树脂冲蚀脱落，玻璃纤维和碳纤维直接受到砂粒的冲击，很容易发生弯曲断裂、流失，因此，在90°角冲蚀时，冲蚀率也较高.

混凝土桥梁、桥墩为脆性材料，当其受到风沙流的冲蚀时，其最大冲蚀率出现在90°角［2－3］.在冲蚀速率v为26m／s，冲蚀角为90°，冲蚀时间相同的条件下，混凝土的冲蚀率大约是复合材料冲蚀率的6～7倍，是环氧树脂冲蚀率的40 倍；在极端冲蚀速率（v＝35m／s，相当于12级风速）下45°角方向冲蚀相同的时间，混凝土的冲蚀率大约是复合材料冲蚀率的3～4倍，是环氧树脂冲蚀率的5倍.因此，改性环氧树脂复合材料是强风沙流环境下混凝土桥梁、桥墩冲蚀防护的有效材料.

2.2 冲蚀速率的影响

图2 环氧树脂及其复合材料的冲蚀率随冲蚀速率的变化Fig.2 Variation of erosion rate of EP and its composites with impact velocity（impingement angle＝45°，exposure time＝6min）

各试样在冲蚀角为45°，砂流量为75g／min，冲蚀时间为6min的条件下，冲蚀率随冲蚀速率的变化曲线见图2.由图2 可见，环氧树脂及其复合材料的冲蚀率随冲蚀速率的增加而增大.应用指数定律ER＝kvn（其中n为速率指数，k为其他变量影响的比例常数）对试验数据进行最小二乘法拟合，结果见表2.由表2可见，在45°角冲蚀时，速率指数为2.1～2.8.Harsha等［8］研究了各冲蚀角下纯聚醚酰亚胺及其5 种复合材料的速率指数，认为对每一种材料而言n随冲蚀角的变化幅度不大，且冲蚀角较小时，对应于n 值的下限，冲蚀角较大时，对应于n值的上限.Pool等［9］认为呈现半塑性冲蚀行为的聚合物材料，其速率指数在2.0～3.0之间，而呈现脆性冲蚀行为的聚合物复合材料，其速率指数在3.0～5.0 之间.因此，环氧树脂及其复合材料表现出半塑性材料的冲蚀行为，这与文献［9］的结果相一致.

表2 环氧树脂及其复合材料冲蚀率的拟合参数Table 2 Fitting parameters of erosion rate for EP and its composites

由图2还可以看出，环氧树脂的冲蚀抗力最佳，单向玻璃纤维增强环氧树脂复合材料垂直冲蚀时的冲蚀抗力最差，而碳纤维增强环氧树脂复合材料的冲蚀抗力居中.单向玻璃纤维和碳纤维增强环氧树脂复合材料垂直冲蚀的冲蚀率均高于平行冲蚀的冲蚀率.

2.3 冲蚀时间的影响

Barkoula等［10］认为，脆性材料冲蚀时，试样的冲蚀量随冲蚀时间的增加线性增加；塑性材料冲蚀时，在冲蚀初期，由于一些冲蚀颗粒嵌入到冲蚀材料中，导致试样质量增加.这段时间通常叫做孕育期，一旦越过孕育期，试样的冲蚀量随冲蚀时间的增加线性增加.

单向玻璃（碳）纤维增强环氧树脂复合材料在冲蚀角度为45°，冲蚀速率为26m／s的条件下，垂直冲蚀和平行冲蚀时冲蚀量随冲蚀时间的变化曲线见图3.由图3可见，复合材料的冲蚀量随冲蚀时间的增加呈线性增加，没有出现孕育期，呈现半塑性材料的冲蚀特点，这主要归因于纤维和基体之间的良好黏结.此外，冲蚀方向也影响冲蚀量，在冲蚀时间相同时，单向玻璃纤维增强环氧树脂复合材料垂直冲蚀的冲蚀量明显高于平行冲蚀的冲蚀量，而单向碳纤维增强环氧树脂复合材料垂直冲蚀的冲蚀量与平行冲蚀的冲蚀量相差无几.

图3 复合材料冲蚀量随冲蚀时间的变化Fig.3 Change of mass loss for composites with exposure time（impingement angle＝45°，v＝26m／s）

2.4 冲蚀方位的影响

文献［6，11］表明，斜向冲蚀时，单向纤维增强复合材料冲蚀率呈各向异性，即冲蚀率明显依赖于纤维取向.本文中，UD－GF／EP 和UD－CF／EP 复合材料垂直冲蚀的冲蚀率均高于平行冲蚀的冲蚀率，且UD－GF／EP复合材料更为明显（见图1）.这与文献［6，9－11］的结果相一致.图4为单向纤维复合材料垂直冲蚀和平行冲蚀的冲蚀过程.垂直冲蚀（见图4（a））时，纤维弯曲的横向抗力较低，纤维束容易发生弯曲而断裂；然而，平行冲蚀（见图4（b））时，要使纤维发生弯曲，冲蚀颗粒需在复合材料表面产生压痕，改性环氧树脂由于韧性较高，冲蚀抗力较高，对纤维有冲蚀保护作用，因此平行冲蚀时，复合材料中的纤维并不容易断裂.

图4 单向纤维复合材料垂直冲蚀和平行冲蚀过程示意图Fig.4 Schematic diagrams of erosive process in unidirectional fiber reinforced composites under perpendicular and parallel impact condition

2.5 增强材料的影响

UD－GF／EP复合材料的最大冲蚀率出现在60°角，而UD－CF／EP 复合材料的最大冲蚀率出现在45°角，表明UD－GF／EP 复合材料更倾向于脆性材料，这主要归因于增强纤维本身的强度不同［6］.2种复合材料在冲蚀速率为26m／s，冲蚀时间为6min，冲蚀角分别为60°，30°时的冲蚀量见图5.由图5可见，在60°角冲蚀时，UD－GF／EP 复合材料的冲蚀率高于UD－CF／EP，而在30°角冲蚀时，两者相差无几.这可能是因为小角度冲蚀时，冲蚀主要为环氧树脂基体的切削磨损，而纤维弯曲断裂对冲蚀的贡献较小.

3 冲蚀形貌

图5 不同冲蚀角下CF／EP和GF／EP复合材料的冲蚀量Fig.5 Comparison of mass loss at different impingment angles for CF／EP and GF／EP（v＝26m／s）

图6为UD－GF／EP，UD－CF／EP复合材料在冲蚀角度分别为60°，45°，冲蚀速率为26m／s的条件下，垂直冲蚀和平行冲蚀6min后的表面形貌.由图6可见，UD－GF／EP，UD－CF／EP复合材料的冲蚀涉及基体微裂纹的产生、纤维和基体剥离、纤维的断裂和材料的脱落.垂直冲蚀（见图6（b），（d））时，纤维弯曲的横向抗力较低，纤维束容易发生弯曲而断裂，同时由于颗粒的冲蚀作用，纤维和基体之间产生较大的界面拉应力，从而造成纤维从基体剥离，所以垂直冲蚀时冲蚀率较高；然而，平行冲蚀时（见图6（a），（c）），要使纤维发生弯曲，冲蚀颗粒需在复合材料表面产生压痕，由于改性环氧树脂韧性较大，冲蚀抗力较高，对纤维有冲蚀保护作用，因此平行冲蚀时，复合材料中的纤维并不容易断裂，冲蚀率也较低.

图6 GF／EP，CF／EP复合材料平行冲蚀和垂直冲蚀后的SEM 照片Fig.6 SEM micrographs of GF／EP and CF／EP composite under parallel and perpendicular impact condition（v＝26m／s；impingement angle＝60°and 45°for GF／EP and CF／EP composite respectively）

4 结论

（1）环氧树脂及其复合材料的冲蚀行为表现出半塑性材料的冲蚀特征，当冲蚀角为45°～60°时，其冲蚀率最大.UD－GF／EP复合材料最大冲蚀率的冲蚀角为60°，比UD－CF／EP复合材料的脆性倾向大.

（2）环氧树脂及其复合材料的冲蚀率随冲蚀速率的增加而增大，冲蚀率与冲蚀速率呈指数关系，速率指数为2.1～2.8.

（3）冲蚀方位对冲蚀有显著的影响，在相同的冲蚀条件下，垂直冲蚀的冲蚀率比平行冲蚀高.

（4）复合材料的主要冲蚀机制为微裂纹的产生、纤维的弯曲断裂、纤维与基体剥离以及基体的显微切削.

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