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玻璃鋼復合材料拉擠型材耐久性概述(一)

時間：2022/10/11 8:30:04 瀏覽量：

一、走進復材拉擠型材
所謂纖維增強復合材料(Fiber Reinforced-Polymer Composites, 簡稱FRP或復材)，就是由增強纖維材料（玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等），與基體材料經過纏繞，模壓或拉擠等成型工藝而形成的復合材料。FRP拉擠型材，就是由拉擠工藝連續生產的長條形FRP制品。

FRP拉擠型材

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，但普遍具有輕質高強的特點，在建筑、交通、制造業等領域中都有相當的優勢。
FRP在土木工程領域的應用歷史較為短暫，現有研究已表明FRP的力學性能在長期環境作用下會表現出不同程度的下降，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。
土木工程結構往往具有長達數十年的設計使用壽命，而在試驗室環境下FRP的耐久性試驗僅能進行數十個月。因此，為了測試FRP的耐久性，常在試驗室內利用有限的時間進行加速老化試驗來模擬FRP在數十年后的表現。自然界的風吹雨打等因素，對FRP的老化起決定性作用的因素有：浸水/潮濕、浸堿溶液、浸酸溶液、高/低溫、紫外輻射、凍融循環、干濕循環及其組合作用等。
自20世紀70年代以來，就有很多相關的試驗，總結起來，主要是以下幾個方面：
>溶液條件：浸水條件下FRP的老化嚴重。水的入侵會導致纖維和樹脂的界面破壞，從而影響FRP的力學性能；浸水時間的增長、堿性環境和高溫環境都會加劇復材的腐蝕。
>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。
>外部應力作用：短期來看，纖維在外部應力下被拉直，有利于FRP強度的增強；但長期來看，外加應力會增加FRP的吸水率，導致材料的加速老化。
>高溫：高溫對FRP的抗壓強度、質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，但在潮濕環境下，低溫和水入侵的共同作用會導致FRP內部產生裂紋以及纖維和樹脂的界面分離，不利于材料耐久性。
>自然環境：自然條件下FRP往往面臨多種環境條件。溫度、水和紫外線的共同作用下，FRP的后固化效應會導致彈模增大；同時海水的侵蝕問題往往比陸地上更為嚴重。
>試驗因素：全世界范圍內的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論。FRP材料的離散度主要體現在：
1.老化機理復雜，FRP的腐蝕可能發生在樹脂、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，因此試驗結果會有差異；
3.FRP生產工藝不同，會導致材料的纖維含量、材料的組織結構等產生差異，從而對材料的力學性能和耐久性能產生影響。
那么，大家關心的FRP拉擠型材的耐久性究竟怎樣呢？

二、老化機理
既然FRP在環境作用下會發生老化，那么老化具體是如何發生的呢？
導致老化有外因也有內因，在不同因素的作用下，其老化機理也有所不同。

1、在浸水/潮濕條件下的老化機理

FRP在浸水或高濕度環境下的老化機理

>纖維：碳纖維和玻璃纖維等無機纖維不會吸水，但樹脂吸水引起的微裂紋會在樹脂和纖維界面擴張，最終導致纖維開裂。有機纖維吸水會直接導致纖維的膨脹和開裂。
>樹脂基體：環境中的水主要通過滲透和毛細現象入侵到FRP中。水入侵后會引起樹脂的膨脹，產生微裂紋。此外，水入侵使材料產生塑化和水解，導致材料軟化等。當干燥后，材料的塑化是部分可逆的，但水解是不可逆的，它會導致材料永久性損壞。
>纖維-樹脂基體界面：界面為水的進入提供了方便的通道，對于界面質量較差的FRP材料，該通道效應更為明顯。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散。此外，纖維-基體會發生脫膠，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材料的層間剪切強度。
>水入侵的影響：水進入樹脂基體和纖維-基體界面可能會進一步加寬初始裂紋，并產生新的裂紋和空隙，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入材料，之后在基體和纖維-基體界面中引起溶脹，導致微裂紋的形成和傳播，從而降低了材料的強度和彈模。根據現有研究數據，通常堿性溶液對FRP材料的力學性能影響更大。

3、在高溫條件下的老化機理

高溫的降解機理

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；而高溫單獨作用也會影響FRP的力學性能。
高溫會影響FRP的樹脂基體的粘彈性。當環境溫度接近或高于FRP的玻璃轉化溫度時，樹脂基體軟化，不能在纖維和基體之間傳遞應力，從而導致基體彈模降低和纖維-基體界面劣化。因此，在高溫下，FRP材料的失效模式受纖維控制，表現為纖維束的突然脆性斷裂。

4、在紫外線輻射下的老化機理
FRP在紫外線輻射下易發生化學降解，衰老從“皮膚”開始。紫外輻照會導致樹脂基體表面氧化，破壞分子之間的化學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械性能僅限于材料內約10μm深度，對力學性能的影響幾乎可以忽略不計。

5、在凍融循環條件下的老化機理
水和凍融循環的耦合作用可以使浸泡的材料產生老化，但是干燥的材料在凍融循環下的老化常可以忽略。有試驗表明，凍融循環下的GFRP材料（玻璃鋼）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，凍融循環對FRP材料的力學性能沒有明顯的不利影響。

6、在干濕循環條件下的老化機理
干濕循環對FRP的老化機理與水溶液所引起的老化機理相似，本質上是水或水基溶液引發了老化過程。

7、在自然條件下的老化機理
自然條件下FRP的老化往往是以上各個機理的共同作用。

總結起來，引起FRP老化的長期環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理之后，讓我們來看看具體的試驗數據吧。
未完，接下頁，玻璃鋼復合材料拉擠型材耐久性概述（二）

文章來源：FengSLab

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