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對(duì)目前所有環(huán)境作用帶來(lái)的FRP老化的機(jī)理進(jìn)行了的詳細(xì)討論，并給出了未來(lái)對(duì)FRP拉擠型材耐久性研究的建議；收集并整理了迄今為止體量最大、類(lèi)別最全面的耐久性數(shù)據(jù)庫(kù)，包括134篇文獻(xiàn)中的1900余個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)庫(kù)可以進(jìn)一步作為開(kāi)發(fā)FRP耐久性預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)。

注：本文的數(shù)據(jù)都是指拉擠制品（pultruded）的數(shù)據(jù)。

2、走進(jìn)復(fù)材拉擠型材

所謂纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced-Polymer Composites, 簡(jiǎn)稱(chēng)FRP或復(fù)材)，就是由增強(qiáng)纖維材料（玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等），與基體材料經(jīng)過(guò)纏繞，模壓或拉擠等成型工藝而形成的復(fù)合材料。FRP拉擠型材，就是由拉擠工藝連續(xù)生產(chǎn)的長(zhǎng)條形FRP制品。

FRP按照纖維、基體材料不同而分為很多種類(lèi)，雖性能各有一定差異，但普遍具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，在建筑、交通、制造業(yè)等領(lǐng)域中都有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。

FRP在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用歷史較為短暫，現(xiàn)有研究已表明FRP的力學(xué)性能在長(zhǎng)期環(huán)境作用下會(huì)表現(xiàn)出不同程度的下降，因此，對(duì)其耐久性的研究將直接影響FRP的設(shè)計(jì)和使用，也對(duì)未來(lái)推廣FRP材料具有重要的意義。

土木工程結(jié)構(gòu)往往具有長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的設(shè)計(jì)使用壽命，而在試驗(yàn)室環(huán)境下FRP的耐久性試驗(yàn)僅能進(jìn)行數(shù)十個(gè)月。因此，為了測(cè)試FRP的耐久性，常在試試驗(yàn)試驗(yàn)室內(nèi)利用有限的時(shí)間進(jìn)行加速老化試驗(yàn)來(lái)模擬FRP在數(shù)十年后的表現(xiàn)。自然界的風(fēng)吹雨打等因素，對(duì)FRP的老化起決定性作用的包括：浸水/潮濕、浸堿溶液、浸酸溶液、高/低溫、紫外輻射、凍融循環(huán)、干濕循環(huán)及其組合作用。

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，就有很多相關(guān)的試驗(yàn)，總結(jié)起來(lái)，主要是以下幾個(gè)方面：

·溶液條件：浸水條件下FRP的老化嚴(yán)重。水的入侵會(huì)導(dǎo)致纖維和樹(shù)脂的界面破壞，從而影響FRP的力學(xué)性能；浸水時(shí)間的增長(zhǎng)、堿性環(huán)境和高溫環(huán)境都會(huì)加劇復(fù)材的腐蝕。

·水的溶解作用：水對(duì)FRP的溶解作用受到多方面影響，如溫度、孔隙率等。

·外部應(yīng)力作用：短期來(lái)看，纖維在外部應(yīng)力下被拉直，有利于FRP強(qiáng)度的增強(qiáng)；但長(zhǎng)期來(lái)看，外加應(yīng)力會(huì)增加FRP的吸水率，導(dǎo)致材料的加速老化。

·高溫：高溫對(duì)FRP的抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量損失和抗沖擊能力都有顯著的影響。

·低溫：?jiǎn)渭兊蜏貤l件的影響較小，但在潮濕環(huán)境下，低溫和水入侵的共同作用會(huì)導(dǎo)致FRP內(nèi)部產(chǎn)生裂紋以及纖維和樹(shù)脂的界面分離，不利于材料耐久性。

·自然環(huán)境：自然條件下FRP往往面臨多種環(huán)境條件的復(fù)合作用。溫度、水和紫外線的共同作用下，F(xiàn)RP的后固化效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致彈模增大；同時(shí)海水中FRP的侵蝕問(wèn)題往往比陸地上更為嚴(yán)重。

·試驗(yàn)因素：全世界范圍內(nèi)的FRP耐久性試驗(yàn)具有較大的離散度，因此難以直接從試驗(yàn)中得到一個(gè)通用的結(jié)論。FRP材料的離散度主要體現(xiàn)在：

1.老化機(jī)理復(fù)雜，F(xiàn)RP的腐蝕可能發(fā)生在樹(shù)脂、樹(shù)脂與纖維的界面以及纖維；

2.纖維和樹(shù)脂種類(lèi)繁多，不同的FRP常由不同搭配及比例的纖維和樹(shù)脂組成，因此試驗(yàn)結(jié)果會(huì)有差異；

3.FRP生產(chǎn)工藝不同，會(huì)導(dǎo)致材料的纖維含量、材料的組織結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生差異，從而對(duì)材料的力學(xué)性能和耐久性能產(chǎn)生影響。

那么，大家關(guān)心的FRP拉擠型材的耐久性究竟怎樣呢？

3、老化機(jī)理

既然FRP在環(huán)境作用下會(huì)發(fā)生老化，那么老化具體是如何發(fā)生的呢？

導(dǎo)致老化有外因也有內(nèi)因，在不同因素的作用下，其老化機(jī)理也有所不同。

FRP在浸水或高濕度環(huán)境下的老化機(jī)理

·纖維：碳纖維和玻璃纖維等無(wú)機(jī)纖維不會(huì)吸水，但樹(shù)脂吸水引起的微裂紋會(huì)在樹(shù)脂和纖維界面擴(kuò)張，最終導(dǎo)致纖維開(kāi)裂。有機(jī)纖維吸水會(huì)直接導(dǎo)致纖維的膨脹和開(kāi)裂。

·樹(shù)脂基體：環(huán)境中的水主要就通過(guò)滲透和毛細(xì)現(xiàn)象入侵到FRP中。水入侵后會(huì)引起樹(shù)脂的膨脹，產(chǎn)生微裂紋。此外，水入侵使材料產(chǎn)生塑化和水解，導(dǎo)致材料軟化等。當(dāng)干燥后，材料的塑化是部分可逆的，但水解是不可逆的，它會(huì)導(dǎo)致材料永久性損壞。

·纖維-樹(shù)脂基體界面：界面為水的進(jìn)入提供了方便的通道，對(duì)于界面質(zhì)量較差的FRP材料，該通道效應(yīng)更為明顯。沿纖維-基體界面吸收的水會(huì)引起界面的溶脹和微裂紋的擴(kuò)散。此外，纖維-基體會(huì)發(fā)生脫膠，部分基體材料可能會(huì)溶解在入侵界面的水中，直接降低了FRP材料的層間剪切強(qiáng)度。

·水入侵的影響：水進(jìn)入樹(shù)脂基體和纖維-基體界面可能會(huì)進(jìn)一步加寬初始裂紋，并產(chǎn)生新的裂紋和空隙，從而允許將額外的水吸收到FRP材料中，加劇降解機(jī)制。水的入侵會(huì)影響纖維為主的性能，即拉伸性能，并顯著降低基體和界面為主的性能，即彎曲和剪切性能。

堿性和酸性溶液會(huì)以類(lèi)似于水入侵的方式老化FRP材料。兩種溶液都可以通過(guò)滲透作用進(jìn)入材料，之后在基體和纖維-基體界面中引起溶脹，導(dǎo)致微裂紋的形成和傳播，從而降低了材料的強(qiáng)度和彈模。根據(jù)現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)，通常堿性溶液對(duì)FRP材料的力學(xué)性能影響更大。

高溫的降解機(jī)理

高溫與溶液共同作用時(shí)，能夠加速水、堿、酸溶液引起的老化作用；而高溫單獨(dú)作用也會(huì)影響FRP的力學(xué)性能。

高溫會(huì)影響FRP的樹(shù)脂基體的粘彈性。當(dāng)環(huán)境溫度接近或高于FRP的玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，樹(shù)脂基體軟化，不能在纖維和基體之間傳遞應(yīng)力，從而導(dǎo)致基體彈模降低和纖維-基體界面劣化。因此，在高溫下，F(xiàn)RP材料的失效模式受纖維控制，表現(xiàn)為纖維束的突然脆性斷裂。

FRP在紫外線輻射下易發(fā)生化學(xué)降解，衰老從“皮膚”開(kāi)始。紫外輻照會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂基體表面氧化，破壞分子之間的化學(xué)鍵并影響材料的表面光澤。 然而，由于紫外線輻射而降低的機(jī)械性能僅限于材料內(nèi)的10μm深度，對(duì)力學(xué)性能的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

水和凍融循環(huán)的耦合作用可以使浸泡的材料產(chǎn)生老化，但是干燥的材料在凍融循環(huán)下的老化?？梢院雎?。有試驗(yàn)表明，凍融循環(huán)下的GFRP材料的彎曲剛度不降反升，這是由于樹(shù)脂基體在低溫下的硬化行為所致。因此，凍融循環(huán)對(duì)FRP材料的力學(xué)性能沒(méi)有明顯的不利影響。

干濕循環(huán)對(duì)FRP的老化機(jī)理與水溶液所引起的老化機(jī)理相似，本質(zhì)上是水或水基溶液引發(fā)了老化過(guò)程。

自然條件下FRP的老化往往是以上各個(gè)機(jī)理的共同作用。

總結(jié)起來(lái)，引起FRP老化的長(zhǎng)期環(huán)境作用主要有以上幾種，這些外部條件綜合作用于FRP的纖維、基體、以及界面。在定性地分析了老化機(jī)理之后，讓我們來(lái)看看具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)吧。

4、數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)話(huà)

基于以上最受關(guān)注的八種環(huán)境條件以及從試驗(yàn)中收集到的數(shù)據(jù)，我們可以定量地分析FRP的拉伸、壓縮、彎曲和剪切性能受環(huán)境的影響。由于篇幅限制，在此僅展示部分?jǐn)?shù)據(jù)和分析結(jié)果，更全面更詳細(xì)的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果可點(diǎn)擊文末閱讀全文獲取。

FRP在浸水/潮濕、酸堿溶液條件下試驗(yàn)的時(shí)間和溫度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)目前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，大多數(shù)溶液條件下的耐久性試驗(yàn)（包括浸水、浸堿溶液、浸酸溶液）的時(shí)間都在一年以?xún)?nèi)，試驗(yàn)溫度通常為20、40、60和80℃。對(duì)于浸水/潮濕條件，溫度從20（室溫）到80°C不等，該溫度幅度足以模擬FRP結(jié)構(gòu)在實(shí)際環(huán)境中的服役溫度。但是，較短的試驗(yàn)時(shí)間可能會(huì)影響耐久性試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。由于樹(shù)脂基體的后固化效應(yīng)以及纖維-基體界面和基體在水中緩慢降解的影響需要較長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間才能完全體現(xiàn)，本文基于現(xiàn)有研究的結(jié)果、綜合了多國(guó)研究人員的建議，推薦了最短的試驗(yàn)時(shí)間，即18個(gè)月。

浸水/潮濕條件下，歸一化的殘余抗拉強(qiáng)度與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系

圖中實(shí)線和虛線是在不同溫度下殘余拉伸強(qiáng)度的近似趨勢(shì)線。從上圖可見(jiàn)，來(lái)自不同試驗(yàn)的數(shù)據(jù)較為分散，因此只能觀察到材料的老化趨勢(shì)，即水分會(huì)引起FRP拉擠型材殘余抗拉強(qiáng)度的下降，隨著暴露時(shí)間和溫度的增加，這種下降行為會(huì)更加明顯。

堿性溶液的試驗(yàn)結(jié)果與浸水/潮濕條件下相似：大多數(shù)試驗(yàn)時(shí)間在一年以?xún)?nèi)，這些試驗(yàn)中的暴露溫度通常為20、40、60和80°C。除少數(shù)試驗(yàn)進(jìn)行了1年半到2年半，幾乎所有試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間都較短。

從下圖可以看出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散度較大，無(wú)法得到能指導(dǎo)設(shè)計(jì)的結(jié)論；而且，在現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，還出現(xiàn)了相互嚴(yán)重矛盾的結(jié)果，這是觀察到的老化作用在試驗(yàn)中并未完全完成所導(dǎo)致的。因此，建議在未來(lái)進(jìn)行時(shí)間更長(zhǎng)的試驗(yàn)，以便全面地觀測(cè)到FRP在堿性溶液中的老化行為。

堿性溶液條件下，歸一化的殘余抗拉強(qiáng)度與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系

本文將堿溶液的pH值分為了兩類(lèi)：

（1）pH值約為8的弱堿性溶液，模擬海水或咸水環(huán)境；

（2）pH值約為13的強(qiáng)堿性溶液，模擬混凝土孔隙環(huán)境或其他惡劣的堿性環(huán)境?？傮w趨勢(shì)是，在堿溶液中FRP拉擠型材的力學(xué)性能會(huì)隨著試驗(yàn)時(shí)間和溫度的增加而降低。此外，相比弱堿環(huán)境，強(qiáng)堿環(huán)境可能導(dǎo)致FRP材料發(fā)生更嚴(yán)重的老化。

典型的試驗(yàn)條件包括將FRP材料暴露于高溫或低溫的空氣中，試驗(yàn)溫度從-100到700℃不等，大多數(shù)測(cè)試是在200°C以下的溫度下進(jìn)行的。

探究溫度作用的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

較低的溫度可能會(huì)使FRP材料硬化，從而導(dǎo)致力學(xué)性能提高。相反，高溫可能會(huì)使樹(shù)脂基體軟化，從而破壞其在纖維和基體之間傳遞應(yīng)力的能力?？偟膩?lái)說(shuō)，殘余抗拉強(qiáng)度和溫度呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān)。

歸一化的殘余抗拉強(qiáng)度與試驗(yàn)溫度的關(guān)系

探究自然條件影響的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

自然條件是多種條件的結(jié)合，協(xié)同影響FRP拉擠型材的力學(xué)性能?，F(xiàn)有試驗(yàn)中，最短的暴露時(shí)間為100 天，而最長(zhǎng)的暴露時(shí)間為8年。自然條件包括試驗(yàn)室條件下模擬的自然環(huán)境、瑞士的季節(jié)性條件、葡萄牙的城市環(huán)境以及沙特阿拉伯的干旱環(huán)境。世界各地的環(huán)境會(huì)對(duì)FRP拉擠型材的力學(xué)性能有不同的影響。因此，建議根據(jù)要FRP結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用環(huán)境來(lái)選擇并進(jìn)行加速老化試驗(yàn)。

5、現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)

在過(guò)去的十年中，F(xiàn)RP拉擠型材的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)正在全球不同的國(guó)家和/或地區(qū)建立，例如筆者主編的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《結(jié)構(gòu)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉擠型材》GB/T 31539中，考慮了四種耐久性能。

標(biāo)準(zhǔn)截圖

但各國(guó)現(xiàn)有的工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚未能涵蓋所有可能影響FRP材料性能的環(huán)境因素。因此，本文建議改進(jìn)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步考慮所有類(lèi)型的環(huán)境作用對(duì)FRP拉擠型材的影響。

6、建議與展望

FRP拉擠型材耐久性能優(yōu)越，亟待開(kāi)展廣泛深入的研究。當(dāng)前的理論預(yù)測(cè)模型，但受限于有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并不能廣泛地應(yīng)用于FRP耐久性的預(yù)測(cè)；而且，過(guò)去幾十年雖然進(jìn)行了眾多耐久性的試驗(yàn)，但結(jié)果往往不能進(jìn)行相互比較、從而得出統(tǒng)一的結(jié)論?；趯?duì)過(guò)去20年相關(guān)研究數(shù)據(jù)的總結(jié)和分析，本文建議：

1.對(duì)于所有類(lèi)型的加速老化試驗(yàn)，建議更長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間。

2.建議加強(qiáng)對(duì)拉擠型材橫向性能和抗壓性能的老化分析。

3.在評(píng)估和預(yù)測(cè)老化行為時(shí)，建議考慮纖維和基體類(lèi)型、纖維含量和試樣厚度的影響。

4.建議在老化試驗(yàn)中單獨(dú)考慮每種環(huán)境作用（在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，不建議進(jìn)行復(fù)合環(huán)境作用的老化試驗(yàn)），以便真正摸清材料的老化機(jī)理、指導(dǎo)FRP結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和使用。

5.建議改進(jìn)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，并在未來(lái)開(kāi)發(fā)更準(zhǔn)確的耐久性預(yù)測(cè)模型。

FRP耐久性的研究好比是一張拼圖，國(guó)內(nèi)外每一位學(xué)者的試驗(yàn)，都是為其添上重要的一塊。我們相信，隨著學(xué)術(shù)界的共同努力，和社會(huì)各界的鼎力支持，F(xiàn)RP耐久性的研究終將合成一副美麗的畫(huà)卷，大力推動(dòng)FRP材料在未來(lái)的廣泛應(yīng)用。

回顧歷史：我國(guó)的科技工作者早在44年前就對(duì)FRP耐久性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，僅以本文向老一輩科技工作者致敬。