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原始文獻(xiàn)：TianQiao Liu, Xing Liu, Peng Feng,A comprehensive review on mechanical properties of pultruded FRP composites subjected to long-term environmental effects,Composites Part B: Engineering,2020,107958

 

01 本文做了什么

 

本文全面總結(jié)了FRP拉擠型材在各種長期環(huán)境作用下的力學(xué)性能的老化表現(xiàn)，其中環(huán)境因素包括浸水/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)和綜合自然環(huán)境；

對目前所有環(huán)境作用帶來的FRP老化的機(jī)理進(jìn)行了的詳細(xì)討論，并給出了未來對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、類別最全面的耐久性數(shù)據(jù)庫，包括134篇文獻(xiàn)中的1900余個數(shù)據(jù)點，該數(shù)據(jù)庫可以進(jìn)一步作為開發(fā)FRP耐久性預(yù)測模型的基礎(chǔ)。

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

 

02 走進(jìn)復(fù)材拉擠成型材

 

所謂纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced-Polymer Composites, 簡稱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)的長條形FRP制品。

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

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)性能在長期環(huán)境作用下會表現(xiàn)出不同程度的下降，因此，對其耐久性的研究將直接影響FRP的設(shè)計和使用，也對未來推廣FRP材料具有重要的意義。

土木工程結(jié)構(gòu)往往具有長達(dá)數(shù)十年的設(shè)計使用壽命，而在試驗室環(huán)境下FRP的耐久性試驗僅能進(jìn)行數(shù)十個月。因此，為了測試FRP的耐久性，常在試試驗試驗室內(nèi)利用有限的時間進(jìn)行加速老化試驗來模擬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，就有很多相關(guān)的試驗，總結(jié)起來，主要是以下幾個方面：

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

·水的溶解作用：水對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)；但長期來看，外加應(yīng)力會增加FRP的吸水率，導(dǎo)致材料的加速老化。

·高溫：高溫對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：單純低溫條件的影響較小，但在潮濕環(huán)境下，低溫和水入侵的共同作用會導(dǎo)致FRP內(nèi)部產(chǎn)生裂紋以及纖維和樹脂的界面分離，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)會導(dǎo)致彈模增大；同時海水中FRP的侵蝕問題往往比陸地上更為嚴(yán)重。

·試驗因素：全世界范圍內(nèi)的FRP耐久性試驗具有較大的離散度，因此難以直接從試驗中得到一個通用的結(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)生在樹脂、樹脂與纖維的界面以及纖維；

2.纖維和樹脂種類繁多，不同的FRP常由不同搭配及比例的纖維和樹脂組成，因此試驗結(jié)果會有差異；

3.FRP生產(chǎn)工藝不同，會導(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？

 

03 老化機(jī)理

 

既然FRP在環(huán)境作用下會發(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。

 

 

1在浸水/潮濕條件下的老化機(jī)理

 

 

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機(jī)纖維不會吸水，但樹脂吸水引起的微裂紋會在樹脂和纖維界面擴(kuò)張，最終導(dǎo)致纖維開裂。有機(jī)纖維吸水會直接導(dǎo)致纖維的膨脹和開裂。

 

·樹脂基體：環(huán)境中的水主要就通過滲透和毛細(xì)現(xiàn)象入侵到FRP中。水入侵后會引起樹脂的膨脹，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，它會導(dǎo)致材料永久性損壞。

 

·纖維-樹脂基體界面：界面為水的進(jìn)入提供了方便的通道，對于界面質(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引起界面的溶脹和微裂紋的擴(kuò)散。此外，纖維-基體會發(fā)生脫膠，部分基體材料可能會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)入樹脂基體和纖維-基體界面可能會進(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。

 

2在酸堿溶液條件下的老化機(jī)理

 

堿性和酸性溶液會以類似于水入侵的方式老化FRP材料。兩種溶液都可以通過滲透作用進(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FRP材料的力學(xué)性能影響更大。

 

3在高溫條件下的老化機(jī)理

 

 

高溫的降解機(jī)理

 

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

高溫會影響FRP的樹脂基體的粘彈性。當(dāng)環(huán)境溫度接近或高于FRP的玻璃轉(zhuǎn)化溫度時，樹脂基體軟化，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。

 

4在紫外線輻射下的老化機(jī)理

 

FRP在紫外線輻射下易發(fā)生化學(xué)降解，衰老從“皮膚”開始。紫外輻照會導(dǎo)致樹脂基體表面氧化，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，對力學(xué)性能的影響幾乎可以忽略不計。

 

5在凍融循環(huán)條件下的老化機(jī)理

 

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?？梢院雎浴Ｓ性囼灡砻?，凍融循環(huán)下的GFRP材料的彎曲剛度不降反升，這是由于樹脂基體在低溫下的硬化行為所致。因此，凍融循環(huán)對FRP材料的力學(xué)性能沒有明顯的不利影響。

 

6在干濕循環(huán)條件下的老化機(jī)理

 

干濕循環(huán)對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)了老化過程。

 

7在自然條件下的老化機(jī)理

 

自然條件下FRP的老化往往是以上各個機(jī)理的共同作用。

總結(jié)起來，引起FRP老化的長期環(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，讓我們來看看具體的試驗數(shù)據(jù)吧。

 

04 數(shù)據(jù)來說話

 

基于以上最受關(guān)注的八種環(huán)境條件以及從試驗中收集到的數(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)果可點擊文末閱讀全文獲取。

 

1在浸水/潮濕條件下的老化分析

 

 

FRP在浸水/潮濕、酸堿溶液條件下試驗的時間和溫度統(tǒng)計

 

根據(jù)目前的試驗數(shù)據(jù)，大多數(shù)溶液條件下的耐久性試驗（包括浸水、浸堿溶液、浸酸溶液）的時間都在一年以內(nèi)，試驗溫度通常為20、40、60和80℃。對于浸水/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)在實際環(huán)境中的服役溫度。但是，較短的試驗時間可能會影響耐久性試驗結(jié)果的可靠性。由于樹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的試驗時間才能完全體現(xiàn)，本文基于現(xiàn)有研究的結(jié)果、綜合了多國研究人員的建議，推薦了最短的試驗時間，即18個月。

 

 

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

 

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

 

2在堿性溶液條件下的老化分析

 

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

從下圖可以看出，試驗數(shù)據(jù)離散度較大，無法得到能指導(dǎo)設(shè)計的結(jié)論；而且，在現(xiàn)有的試驗數(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中并未完全完成所導(dǎo)致的。因此，建議在未來進(jìn)行時間更長的試驗，以便全面地觀測到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)度與試驗時間的關(guān)系

 

本文將堿溶液的pH值分為了兩類：

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趨勢是，在堿溶液中FRP拉擠型材的力學(xué)性能會隨著試驗時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。

 

3在高/低溫條件下的老化分析

 

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

 

 

探究溫度作用的試驗統(tǒng)計

 

較低的溫度可能會使FRP材料硬化，從而導(dǎo)致力學(xué)性能提高。相反，高溫可能會使樹脂基體軟化，從而破壞其在纖維和基體之間傳遞應(yīng)力的能力。總的來說，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)度與試驗溫度的關(guān)系

 

04在自然條件下的老化分析

 

 

探究自然條件影響的試驗統(tǒng)計

 

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)有試驗中，最短的暴露時間為100 天，而最長的暴露時間為8年。自然條件包括試驗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)境會對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)的實際使用環(huán)境來選擇并進(jìn)行加速老化試驗。

 

05 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)

 

在過去的十年中，F(xiàn)RP拉擠型材的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)正在全球不同的國家和/或地區(qū)建立，例如筆者主編的國家標(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

 

但各國現(xiàn)有的工程設(shè)計標(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)計方法，進(jìn)一步考慮所有類型的環(huán)境作用對FRP拉擠型材的影響。

 

06 建議與展望

 

FRP拉擠型材耐久性能優(yōu)越，亟待開展廣泛深入的研究。當(dāng)前的理論預(yù)測模型，但受限于有限的試驗數(shù)據(jù)，并不能廣泛地應(yīng)用于FRP耐久性的預(yù)測；而且，過去幾十年雖然進(jìn)行了眾多耐久性的試驗，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^去20年相關(guān)研究數(shù)據(jù)的總結(jié)和分析，本文建議：

1.對于所有類型的加速老化試驗，建議更長的試驗時間。

2.建議加強(qiáng)對拉擠型材橫向性能和抗壓性能的老化分析。

3.在評估和預(yù)測老化行為時，建議考慮纖維和基體類型、纖維含量和試樣厚度的影響。

4.建議在老化試驗中單獨(dú)考慮每種環(huán)境作用（在未來一段時間內(nèi)，不建議進(jìn)行復(fù)合環(huán)境作用的老化試驗），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)計和使用。

5.建議改進(jìn)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)試驗方法，并在未來開發(fā)更準(zhǔn)確的耐久性預(yù)測模型。

FRP耐久性的研究好比是一張拼圖，國內(nèi)外每一位學(xué)者的試驗，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卷，大力推動FRP材料在未來的廣泛應(yīng)用。