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在過去的三十年里，纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）在土木工程中的應(yīng)用越來越廣泛，因?yàn)榕c混凝土和鋼材等傳統(tǒng)建筑材料相比，F(xiàn)RP具有優(yōu)越的性能。然而，由于越來越多的石油基材料的使用導(dǎo)致了二氧化碳過度的排放，環(huán)境問題日益嚴(yán)重，建筑業(yè)的一個(gè)新趨勢(shì)是減少碳排放。

在生物基復(fù)合材料的制造中，天然纖維可能會(huì)替代合成纖維。但是，耐火性差和高易燃性是FRP，尤其是生物基FRP的兩個(gè)主要問題，限制了其在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

與傳統(tǒng)建筑材料相比，F(xiàn)RP的性能隨著溫度的變化而劇烈波動(dòng)，必須使用規(guī)定的測(cè)試程序進(jìn)行適當(dāng)測(cè)試。雖然目前對(duì)于在環(huán)境溫度下FRP性能的表征已經(jīng)相當(dāng)普遍，但對(duì)于描述在升高溫度下FRP性能的試驗(yàn)方法子相對(duì)較少。

研究進(jìn)展

在最近發(fā)表在開放獲取雜志《Polymer》上的一篇綜述文章中，研究人員討論了高溫下纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料表征的測(cè)試過程。在該項(xiàng)研究中，研究人員討論了各種高溫下評(píng)估FRP材料性能的測(cè)試方法和過程，討論了最合適的試樣環(huán)境、試驗(yàn)制度、試驗(yàn)方法以及與高溫試驗(yàn)相關(guān)的其他問題。

此外，在一項(xiàng)案例研究中，使用典型的FRP試樣證明了建議的試驗(yàn)方法的適用性，還強(qiáng)調(diào)了用于測(cè)量生物基FRP復(fù)合材料高溫性能的特定試驗(yàn)方法的適用性。

研究人員詳細(xì)分析了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)（包括國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM）中定義的試驗(yàn)方法和程序。該團(tuán)隊(duì)描述了在20至600°C的溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)RP（包括生物基FRP）的高溫材料特性的最合適測(cè)試方法。

制造 FRP 試樣的固化系統(tǒng)， (a) 環(huán)氧樹脂填充物、(b) 鋼絲、(c) 鋼框架和 (d) 試樣

通過對(duì)多種測(cè)試方法進(jìn)行審查，評(píng)估了FRP機(jī)械和熱性能。此外，還討論了在高溫下表征FRP重要材料特性的最合適試驗(yàn)方法。

測(cè)試結(jié)果

在20至200°C的溫度范圍內(nèi)，粘合強(qiáng)度侵蝕迅速，近表面安裝（NSM）FRP在200°C時(shí)僅保留其初始強(qiáng)度的20至30%。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，環(huán)氧樹脂在大約400°C的溫度下開始燃燒，導(dǎo)致FRP混凝土粘結(jié)受損。

碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）帶在400°C時(shí)，碳纖維增強(qiáng)塑料棒在300°C時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度最小?；炷猎?0天后和28天后的抗壓強(qiáng)度分別為50 MPa和48 MPa。CFRP試樣的模量和強(qiáng)度在20至300°C之間逐漸降低，在室溫試驗(yàn)中，NSM CFRP條的拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別為1641 MPa和150.8 GPa，而CFRP桿的可比值分別為1577 MPa和130.9 GPa。

高溫下 FRP 復(fù)合材料強(qiáng)度試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置

幾項(xiàng)研究報(bào)告稱，由于生物基復(fù)合材料具有類似的結(jié)構(gòu)，因此可以使用樣本條件、錨固系統(tǒng)、加熱和加載速率以及其他因素的程序和指南對(duì)生物基FRP進(jìn)行性能測(cè)試，以生成20至600°C溫度范圍內(nèi)的合適材料性能數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)中的高溫性能數(shù)據(jù)可用于將相關(guān)性能關(guān)系輸入數(shù)值模型，以預(yù)測(cè)生物基FRP在各種火災(zāi)暴露情況下的性能。

主要結(jié)論

該項(xiàng)研究討論了評(píng)估FRP在高溫下的機(jī)械和熱性能的試驗(yàn)程序和方法。根據(jù)研究文獻(xiàn)，推薦了FRP高溫材料特性的最合適試驗(yàn)程序。在當(dāng)前的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中，未發(fā)現(xiàn)明確的測(cè)試方法或程序適用于在20至600°C的溫度范圍內(nèi)表征生物基和FRP的高溫性能。

為了在20至600°C的溫度范圍內(nèi)表征生物基和傳統(tǒng)FRP復(fù)合材料的材料性能，可以使用基于已發(fā)表文獻(xiàn)和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)方法審查的有效試驗(yàn)程序。案例研究表明，評(píng)估FRP機(jī)械和熱性能的推薦試驗(yàn)方法可用于準(zhǔn)確評(píng)估其高溫性能，而傳統(tǒng)FRP的案例研究表明，推薦的測(cè)試方法能夠捕捉高溫下熱性能和機(jī)械性能的變化。

參考來源：Kodur, V., Venkatachari, S., Matsagar, V. A., et al. Test Methods for Characterizing the Properties of Fiber-Reinforced Polymer Composites at Elevated Temperatures. Polymers 14(9) 1734 (2022).