预应力碳纤维板锚具组装件老化试验分析

庞忠华， 覃巍巍， 李 翔， 卢小芬

（柳州欧维姆机械股份有限公司，广西 柳州 545005）

碳纤维增强高分子复合材料（CFRP）由于强度与比模量大、密度小、耐久性好等特点广泛应用于土木工程领域[1]。近年来用于桥梁加固时普遍采用的夹片式预应力碳纤维板锚具由碳纤维板、锚具通过夹片顶压锚固的方式组装成为碳纤维板锚具组装件，施加预应力后再粘贴于桥梁梁板底面或侧面，其需在有应力状态下长期使用且受自然环境下的空气、温度、湿度影响较大。目前的研究［1～5］只是单一的研究湿、热或湿热作用下材料的性能，对湿热环境耦合疲劳等应力作用下复合材料老化的研究不够充分。

为了研究温度、湿度对预应力碳纤维板锚具的影响，本文通过热空气人工加速老化试验，模拟碳纤维板锚具组装件在实际工况存在一定应力的长期负载，探讨其组装件整体的长期可靠性及使用寿命。

1 预应力碳纤维板锚具锚固机理

为了研究使用寿命，首先简要分析锚具的锚固机理。在夹片式锚具中，夹片和锚板锥孔是构成预应力碳纤维板锚具的锚固单元，依靠碳纤维板与夹片之间的咬合以及夹片与锚板锥孔内壁的摩擦来传递预应力[6]。见图1。

图1 锚固单元

夹片式碳纤维板锚具的锚固过程分顶压组装、张拉和放张3个阶段，放张阶段结束后，碳纤维板锚固完成。近年来还出现在夹片与碳纤维板之间的接触面涂抹环氧类胶黏剂的工艺，胶黏剂可将夹片与碳纤维板之间的微细空间填充密实并提供一定的黏结力，起到辅助锚固作用；但其锚固可靠性仍主要依赖夹片与锚板之间、夹片与碳纤维板之间的摩擦力、夹持力，仍属于机械式锚固。

2 预应力碳纤维板锚具寿命推算

锚板、夹片、碳纤维板、胶黏剂在长期受力状态下，任一零件出现性能下降均可能导致锚具组装件锚固性下降，甚至失效；而在高温条件下，各种材料的老化速度会明显加快，特别是碳纤维板、胶黏剂此类高分子材料对温度的变化较金属材料更为明显。因此，在合适的试验温度下，将锚具组装件的抗拉性能（拉伸力）数值变化看作时间函数，每隔一定时间取出试样进行测试并对测试结果进行评估，在测试结果未达到试验终止指标的情况下，继续该步骤直至所测性能达到临界值，从而得出在该温度下的老化失效时间。

选择3 个温度进行试验，以失效时间的对数对选定温度（绝对温度）的倒数作图，所得到的直线可以外推到锚具组装件在使用温度下的失效时间（即寿命）。试验原理基于阿累尼乌斯（Arrhenius）公式。温度是影响化学反应速率的基本因素之一，温度越高，反应速率越快。速率常数k与温度T 的函数关系可用阿累尼乌斯公式描述

其微分形式

其不定积分形式

式中：k 为反应速率常数，min-1；A 为指前因子，min-1；Ea为活化能，J/mol；T为热力学温度，K；R为摩尔气体常数，8.314 J/（mol·K）。

式中：Fx（t）为表示反应程度的函数；t为反应时间。

不同反应温度，以不同反应速率和反应时间，经相同的反应机理达到相同的反应程度时，其性能一致，即Fx（t）为一定值，把式（3）带入式（4）

合并常数项后，以对数表示

式中：B 为材料耐热关系或图线上时间极限的交点，给定温度后为定值。

式（6）体现了失效时间与温度之间的关系，是寿命推算的依据。数据处理以所选锚具组装件在相同预应力负载下的测试值对时间的对数作图，用插入法得出该温度下性能达到临界值时的老化时间（即失效时间）；同理得出每个试验温度下的失效时间。以失效时间的对数与温度的倒数作图，所得到的直线可以外推到试样在储存或使用温度下的失效时间，即寿命。

3 预应力碳纤维板锚具老化试验

3.1 试验依据

1）按照GB/T 7142—2002《塑料长期热暴露后时间-温度极限的测定》进行老化试验及寿命推算。

2）根据GB 50728—2011《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》确定碳纤维板的抗拉强度标准值，以提供锚具组装件的静载试验标准值。

3）按照GB/T 14370—2015《预应力筋用锚具、夹具和连接器》进行锚具的静载锚固性能试验，以测试锚具组装件的拉伸力。

3.2 评价指标

工程上使用的关键指标为碳纤维板的抗拉强度（即拉伸力或张拉力），故选择碳纤维板的抗拉性能（拉伸力）作为寿命推算试验过程及终止评价指标，而拉伸力可通过锚具组装件的静载锚固性能试验测试出来。

3.3 试验设备

13 t千斤顶（配油泵）、热老化试验箱、万能电子拉力试验机等。

3.4 试件规格及数量

选取50 mm×3.0 mm 的碳纤维板，抗拉强度为2 400 MPa，标准破断力为360 kN，按热老化试验箱的空间确定碳板长度，制作成45套锚具组装件。

3.5 试验温度

试验室温度为23 ℃；相对湿度50%；经过前期预试验，确定了热老化试验箱温度分别为100、110、130℃。

3.6 预应力加载

对每组碳纤维板锚具组装件施加40%的预应力，即张拉力为144 kN。加载时通过小型千斤顶、张拉杆、张拉挡板组成的张拉系统对锚具组装件进行预应力的施加，张拉至144 kN 时锁死锁紧螺母，保持预应力，随后撤去千斤顶。

3.7 临界值

以选择的抗拉强度（拉伸力）下降到标准值的50%（180 kN）为临界值，当被测性能达到临界值时即判为失效，此时对应的老化时间即为失效时间。

3.8 试验步骤

1）为了确定人工加速老化试验最高温度，需进行预试验，要求在最高试验温度时，所选测试性能达到临界值的时间不低于200 h。根据预试验确定的最高试验温度Th，向下选取3个热老化试验温度，相邻温度间隔10～20 ℃，分别为T1、T2、T3。

2）热老化前，对一定数量的试样进行状态调节并在标准环境下进行原始性能测试。

3）根据选定的应力负载条件，碳板锚具组装件施加预应力后，放入到老化箱中，老化箱由温度传感器监测温度并自动保温，当温度稳定在设定温度±1 ℃范围内时，开始计时。

4）老化试验每进行到一段规定时间，取出试件进行状态调节，在标准环境下进行锚具组装件拉伸力的测试，通过定制的夹具将两端锚具准确夹紧，随后在万能拉力试验机上进行拉伸试验，测出加速老化后残余的拉伸力。

5）当某一试验温度下样品指定性能达到临界值时，停止该温度下的试验；当该试验样品选取的3个温度下的指定性能均达到指定的临界值时，该试样的老化试验结束，评价寿命。

3.9 试验结果

1）当拉伸力由标准破断力360 kN 下降至180 kN时，即认为锚具组装件的张拉力、锚固性已无法满足要求，判定为失效。见表1。

表1 老化试验的失效时间

2）以老化时间为横坐标、拉伸力为纵坐标，以失效拉伸力180 kN为失效直线，将整个试验过程数据绘制成老化试验的曲线，见图2。

图2 老化曲线

3）以选定的试验温度（绝对温度）倒数为横坐标、以失效时间对数为纵坐标，绘制拉伸性能回归曲线，见图3。

图3 拉伸性能回归曲线

从试件的拉伸性能回归直线得出相应的公式

式中：纵坐标y=logt，t 的单位为周；横坐标x=1/（T×10-3），T为热力学温度。

由此推算锚具组装件在25 ℃室温下使用寿命约为3 907 周（75 a），在50 ℃下使用寿命约为3 104 周（59 a）。

4 结论

试验研究表明，采用夹片式机械锚固的预应力碳纤维板锚具组装件，在施加40%标准破断力的预应力条件下，经过人工加速老化，至抗拉强度（拉伸力）保持率为50%碳板标准破断力的终止指标（临界值）时，其使用寿命在25 ℃下为75 a，在50 ℃下为59 a。

本次试验所设定的条件与预应力碳板锚具组装件的实际应用工况高度一致，其结果具有较强的参考价值；证明碳板锚具组装件在桥梁加固应用中具有较高的可靠性、安全性。