碳纤维性能研究

关键词： 开环 聚乳酸 生物 性能

碳纤维性能研究（精选十篇）

碳纤维性能研究 篇1

目前,采用碳纤维增强PLA的研究比较普遍,但其制备方式均采用溶液浇注加热压法,而直接采用熔融挤出法制备碳纤维增强PLA的研究较少。本实验采用双螺杆挤出机制备出一系列短碳纤维增强PLA复合材料,通过力学性能测试、扫描电子显微镜(SEM)和应力流变分析等方法研究了短碳纤维含量对碳纤维/PLA复合材料力学性能、体积电阻率、硬度和模量的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

PLA,RS01,南通九鼎生物工程有限公司;短碳纤维,FORTAFIL 219,Fortafil fiber Inc(美国);偶联剂,KH-550,南京裕德恒精细化工有限公司;抗氧剂、润滑剂均为市售。

1.2 仪器与设备

双螺杆挤出机,TE35,L/D=40,科倍隆科亚机械有限公司;注射机,HTF86X1,宁波海天塑料机械有限公司;电子万能试验机,WSM-20KB,长春市智能仪器设备有限公司;记忆式冲击试验机,JJ-20,长春市智能仪器设备有限公司;洛氏硬度计,HR-150A,深圳市恒信杰科技有限公司;数字超高电阻、微电流测量仪,EST121型,北京劳动保护科学研究所;固体流变仪,RSAIII8500-0001,美国TA公司;SEM,KYKY2800,北京科学仪器公司。

1.3 试样制备

将PLA在60℃烘箱中干燥6h,取出后与短碳纤维、偶联剂等辅料按一定比例加入到高速混合机中,高速混合1min后,用双螺杆挤出机挤出,加热段温度140～160℃,机头温度165℃;挤出后水冷、干燥、切粒机造粒,在80℃烘箱中干燥8h,注塑成标准样条,注射机料筒温度160～180℃,模温20℃。

1.4 性能测试及表征

1.4.1 力学性能测试

拉伸性能按GB/T 1040-1992测试;弯曲性能按GB/T 9341-2000测试;冲击性能按GB/T 1843-1996测试。

1.4.2 体积电阻率测试

体积电阻率按GB/T 1410-89测试。

1.4.3 洛氏硬度测试

洛氏硬度按GB/T 9342-1988测试。

1.4.4 应力流变测试

将注塑样条加工为450mm×110mm×20mm的试样以备测试,在空气气氛下从20℃开始以3℃/min升温至160℃,记录储能模量和损耗模量随温度变化的情况。

1.4.5 SEM分析

将拉伸断口试样表面喷金,用SEM观察断口形貌。

2 结果与讨论

2.1短碳纤维含量对碳纤维/PLA复合材料力学性能的影响

图1、图2和图3为短碳纤维含量对碳纤维/PLA复合材料力学性能的影响。由图1、图2和图3可知,在测试范围内,随碳纤维含量的增加,碳纤维/PLA复合材料的力学性能显著提高。当碳纤维含量达到40%时,复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度分别达到了112.5MPa、150.5MPa、20143MPa和5.6kJ/m2,相对纯PLA而言,其拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度分别提高了86.9%、117.8%、400.4%和84.8%。这是由于碳纤维起到了骨架增强作用所致。

2.2碳纤维/PLA复合材料与玻璃纤维/PLA复合材料力学性能对比

表1为碳纤维/PLA复合材料与玻璃纤维/PLA复合材料力学性能对比数据。由表1可知,相同的纤维含量,碳纤维/PLA复合材料的力学性能均优于玻璃纤维/PLA复合材料,相比于玻璃纤维/PLA复合材料,碳纤维/PLA复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和缺口冲击强度分别提高了31.4%、33.1%、83.0%和12.0%。这是因为碳纤维强度优于玻璃纤维,其在复合材料中能更好地起到骨架增强作用。

2.3短碳纤维含量对碳纤维/PLA复合材料体积电阻率的影响

图4为短碳纤维含量对碳纤维/PLA复合材料体积电阻率的影响。由图4可知,在测试范围内,随着碳纤维含量的增加,碳纤维/PLA复合材料体积电阻率明显降低。纯PLA的体积电阻率为1.4×1013Ω·m。当碳纤维含量为20%时,碳纤维/PLA复合材料体积电阻率降为4.5×102Ω·m;当继续增加碳纤维含量至40%时,碳纤维/PLA复合材料体积电阻率降为1.1×102Ω·m,其数量级未发生改变。这是因为碳纤维的加入使得其在碳纤维/PLA复合材料中形成了导电通道,从而使得其体积电阻率明显降低,当碳纤维含量增至20%时,其导电通道形成较为完善,致使继续增加碳纤维含量对导电通道不再具有叠加效应。

2.4短碳纤维含量对碳纤维/PLA复合材料洛氏硬度的影响

图5为短碳纤维含量对碳纤维/PLA复合材料洛氏硬度的影响。由图5可知,在测试范围内,随着碳纤维含量的增加,碳纤维/PLA复合材料洛氏硬度缓慢增加。这可能是PLA自身硬度较高,而碳纤维对其硬度的提高没有太大的帮助。

2.5短碳纤维含量对碳纤维/PLA复合材料动态模量的影响

图6和图7为碳纤维/PLA复合材料动态模量与温度的关系。由图6和图7可知,随着碳纤维含量的增加,碳纤维/PLA复合材料的初始储能模量和初始损耗模量均逐渐增加。同时,当碳纤维含量大于20%时,储能模量和损耗模量曲线发生了变化,即当温度升至60℃左右时,储能模量和损耗模量均出现了一个峰值。这可能由于聚乳酸为结晶型聚合物,随碳纤维含量增加,碳纤维/PLA复合材料结晶度增加[13]。通过注塑得到的样条(模具温度为20℃)其结晶不够完善,当温度在60℃左右时,碳纤维/PLA复合材料存在冷结晶行为,使得其晶体更加完善,从而导致其动态模量升高。

2.6 碳纤维/PLA复合材料形貌分析

图8为碳纤维/PLA复合材料断面SEM形貌分析。由图8可以看出,碳纤维表面较为粗糙,且与PLA基体间产生了良好的结合,从而增强了复合材料承受外力的能力,在宏观上表现出碳纤维/PLA复合材料具有较好的力学性能。

3 结论

(1) 在实验范围内,随着短碳纤维含量的增加,碳纤维/PLA复合材料的拉伸性能、弯曲性能和冲击性能均得到显著提高,但其洛氏硬度变化不大。

(2) 相同的纤维含量,碳纤维/PLA复合材料的力学性能均优于玻璃纤维/PLA复合材料。

(3) 在实验范围内,随着碳纤维含量的增加,碳纤维/PLA复合材料体积电阻率明显降低。当碳纤维含量达到40%时,碳纤维/PLA复合材料体积电阻率降为1.1×102Ω·m。

碳纤维性能研究 篇2

关键词预应力;碳纤维;受力性能;抗弯性能

中图分类号TU378.2文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)072-0101-01

目前碳纤维作为一种新型材料应用较为广泛,由于碳纤维的耐腐蚀性很好,疲劳强度也很高.应用碳纤维布加固结构物,易于现场施工,其效率为采用钢板加固的4-8倍。但碳纤维的拉伸弹性模量相对于其强度过低,应用于结构加固的碳纤维拉伸强度一般都达到3000MPa以上,而其弹性模量一般只有230GPa左右,高弹性模量的也不过380-640GPa左右。

1试验目的及试件

通过静载抗弯试验,研究加固后梁的挠度关系、混凝土梁上缘压应变关系、碳纤维拉应变关系、横截面沿高度方向上应变分布规律、梁体裂缝分布情况以及失效破坏形式等几方面。主要测量跨中界面梁侧混凝土的拉、压应变;混凝土受压区应变;碳纤维布的应变;1/2、1/4跨及支点处挠度变化;各级荷载下裂缝的宽度及开展情况。

试件尺寸如图1所示,试验梁尺寸为:长度为4000m,高度为250m,宽度为130m,试验跨度为940m,二分点加载。受拉钢筋选用212,箍筋、弯起斜筋为8,梁按C40设计,轴心抗压强度为37.6。梁中主筋采用Ⅰ级钢筋;加固材料采用碳纤维布,宽100mm,厚0.167mm。胶为自行配制。

图1试验梁配筋图

2加固方案

加固方案说明:L1没粘贴碳纤维,便于加固效果的对比。L2在底部受拉区粘贴一层未施加预应力的碳纤维。L3在底部受拉区粘贴一层施加预应力等级为极限强度50%碳纤维。

试验采用简支形势采用QL10—10吨螺旋机械千斤顶加载,配合用WAW-1000微机控制电液伺服试验机的压力传感器控制加载大小。

对碳纤维布施加预应力前,首先按规范要求在粘结面涂底胶,带完全固化后进行下一步操作。先在一端用U型箍锚固,纤维布上刷上一层薄胶,这样可使纤维不会因为表面受力不均匀生应立集中使部分纤维丝先断裂而降低整体强度。待胶固化后按规范要求至少分五级加载,每级加载持荷5—10分钟。达到预应力级后在粘结面的混凝土表面与纤维地面均涂抹面胶压平赶出气泡。因为纤维在施加上预应力以后会绷紧不容易和混凝土面贴紧,所以最后应在粘结面上用沙袋压实使其固化过程粘结紧密。张拉完毕后持荷48小时应变损失4—7,符合规范要求。

3试验现象及分析

试验结果如表1所示。

L1是没有加固的钢筋混凝土对比梁,其破坏形式为典型的适筋梁正截面受弯破壞。当荷载P增加到6kN时,梁的侧面几乎同时出现三道裂缝,为之分别在左距跨中7cm、10cm和右距跨中9cm处。梁的曲率和挠度均较开裂前有较快的增长.随着荷载的增加,旧裂缝越来越宽并不断向上延伸,伴随有新的裂缝出现.当荷载P增加到40kN时,梁的变形骤然增大,并发出持续的响声,梁发生正截面的受弯破坏.此时在两加载点之间的裂缝最大宽度达到3.7mm。

L2是一层非预应力纤维加固梁,其破坏形势为粘结破坏。当荷载P增加到10KN时出现3条裂缝,左边2条长度分别为16.5cm和6cm,右边1条长度为5cm长。当荷载增加到38KN时纤维开始出现响声,并随着和再增加开始剥离,42KN时纤维剥离加快梁的裂缝变宽,48KN时受剪区开裂,50KN时突然出现巨大响声纤维完全瞬间剥离,梁失去承载能力完全破坏。

L3是预应力纤维加固梁,随预应力级别的增加,梁出现裂缝较前两个梁多而细。L3出现裂缝时荷载为14KN。在荷载不断增加下新的微裂缝不断增加老裂缝加宽,当荷载加到60KN左右,纤维出现断裂剥离声响,处在边缘的纤维首先出现断裂,但面积不是很大。L3在62KN时,纤维完全断裂脱离工作并撕扯下跨中混凝土,梁完全破坏。

通过试验发现纤维加固的梁裂缝比对比梁的裂缝多而细,预应力纤维加固梁的工作水平明显高于无预应力纤维加固梁,裂缝最大宽度也仅有1.2mm。

4抗弯刚度分析

从试验数据可以看出,随着预应力水平提高,挠度相应地减小,即构件在使用阶段的抗弯刚度相应增大,充分体现了预应力技术在刚度加固方面的优势。

通过比较在对比试件的屈服荷载(试件纵筋屈服时的荷载)下预应力和非预应力两种试件的跨中挠度曲线变形来反映预应力对试件抗弯刚度的影响.从图2的试件荷载-挠度曲线来看,预应力试件挠曲变形的减小是通过开裂荷载与屈服荷载的提高实现的。

图2跨中挠度对比

5结论

碳纤维性能研究 篇3

大量研究表明[5,6,7],湿度与温度共同作用下的湿热环境是引起复合材料老化和复合材料力学性能降低的重要因素,复合材料在湿热老化过程中,水渗入界面相上的微裂纹中,促进界面裂纹增长,水渗入基体进入界面,破坏纤维和基体的化学结合[8],同时使基 体塑化,降低材料 的玻璃化 转变温度Tg。 吸湿会使复合材料的体积膨胀,引起层合板的厚度增加1%~ 2%,进而引起的膨胀应力相当大,基体的吸湿速率 与饱和吸 湿率远远大于纤维的相应值,因而基体的湿膨胀会受到纤维 的限制。当这种应力足够大时,就可能引 起基体的 断裂。航空用复合材料体 系在使用 过程中不 可避免会 受到湿热 的作用,本课题对碳纤维/QY9611复合材料耐湿热性能进行了研究。

1 试验部分

1.1 主要材料

国产碳纤维/QY9611复合材料,纤维体积 分数为60%, 单层厚度0.125mm。

1.2 试验过程

采用71℃水浸加速吸湿的方法对试样进行吸湿。每隔一定时间取出,用滤纸迅速擦干试样表面水分,用电子天平称量其重量,记为Wt。称量后将试样立即放回电热恒温鼓风干燥箱中继续进行水 浸试验,定期取出 进行跟踪 测量,并按照式 (1)计算吸湿率:

式中,Mt为t时刻试样的吸湿率(%);Wt为t时刻试样的重量(g);W0为吸湿前试样的干重(g)。

在71℃水浸环境下,默认为水浸14d试样达到饱和吸湿率。

弯曲力学性 能试验过 程参照ASTM D 790标准[9]在INSTRON电子万能试验机进行,试样的铺层方式为[0]16,试样尺寸为84mm×12.5mm×2mm,加载速率为1mm/min。跨距为64mm,测试温度为室温(23℃),150℃,试验结果取多个试样的平均值。

层间剪切力学性能试验过程参照ASTM D 2344标准[10]在INSTRON电子万能试验机进行,试样的铺层方式为[0]24, 试样尺寸为18mm×6mm×3mm,加载速率为1mm/min,跨距为12mm,测试温度为室温(23℃)、150℃,试验结果取多个试样的平均值。

动态力学性能测试在美国DMA Q800型动态力学热分析仪进行,变形模式为3点弯曲,升温速率为5℃/min,测试频率为1Hz,试样规格为60mm×12.5mm×2mm,试验结果取多个试样的平均值。

2 结果与讨论

2.1 吸湿行为分析

如图1所示为碳纤 维/QY9611复合材料 在71℃ 水浸下的吸湿曲线,在吸湿的初期阶段,水分在复合材料中扩散速度很快。随着时间的增长,吸湿速率逐渐减慢,最后接近为0,吸湿曲线也逐渐趋于平缓,最终进入相对饱和阶段。饱和吸湿 率较低仅为0.73%左右。

2.2 复合材料力学性能分析

为对比复合材料在吸湿过程中,随着吸湿量 的不断增 加复合材料力学 性能的变 化,通过取吸 湿量为0.2%、0.4%、 0.6%、饱和吸湿的试样进行弯曲性能试验和层间剪切性能试验,得到不同吸湿量下复合材料的弯曲强度和弯曲模量以及层间剪切强度。并对试验结果进行分析。

2.2.1 复合材料弯曲性能分析

由表1可以看出随着吸湿量的不断增大,无论是常 温测试还是高温测试下碳纤维/QY9611复合材料层板的弯曲强度均不断下降。在常温下,随着吸湿量的不 断增大。复合材料 层合板的弯曲强度下降缓慢。吸湿量每增加0.2%弯曲强度降低大约15~35MPa,饱和吸湿 试样的弯 曲强度只 下降了4.8%,具有较好的耐湿热性能。在高温下,因纤维与 基体的热膨胀系数不匹配而产生的残余应力会引起复合材料中纤维 与基体的脱粘,分层和刚度下降。高温加热时,因热膨胀不匹配造成的老化问题十分严重。吸湿量每增加0.2%弯曲强度下降约130~190MPa,该型复合 材料试验 结果显示 在高温150℃下弯曲强度的保持率达到50%以上。

经湿热处理后碳纤维/QY9611复合材料经常温和高温测试弯曲模量下降幅度不大,弯曲性能保持率在80%以上。试样吸湿后树脂性能的降低会使其传递载荷的能力减小,从而对复合材料弯曲强度产生不利影响,而弯曲模量主要受纤维 性能控制,纤维在湿热作用下基本不吸水,其性能基 本不变, 从而复合材料弯曲模量下降不大。

2.2.2 复合材料层间剪切性能分析

由表2可以看出随着吸湿量的不断增 大,无论是常 温测试还是高温测试下,碳纤维/QY9611复合材料层板的层间剪切强度均不断下降。常温时,层间剪切强度下降缓慢,强度保持率接近90%。高温时,湿度的作用更加突出。在载荷作用下,复合材料纤维与树脂基体界面会逐渐分离,湿热老化后的试样,由于其界面性能降低,其层间剪切性能会显著下降。

2.3复合材料动态力学性能

分别对碳纤维/QY9611复合材料试样进行干态、湿态吸湿量0.2%、湿态吸湿量0.4%、湿态吸湿量0.6%、湿态饱和吸湿等5种状态的试样进行DMA动态力学性能实验。得到不同干湿态条件下试样的储能模量,损耗模量和损耗因子的温度谱。干态未经过湿热老化的试样损耗因子峰值为240℃。 这就是损耗因子玻璃化转变温度Tg,它是此复合材料保持刚性的最高温度。当工作温度低于240℃时材料表现为硬质固态,具有一定的机械强度。工作环境温度高于Tg时,复合材料分子链段开始运动,材料发生软化,呈高弹性状态,失去使用性能。不同干湿态条件下试样的Tg值如表3所示,通过表3可以看出随着吸湿量的增加,该复合材料对应于损耗因子峰的Tg以及材料对应于储能模量开始下降的温度值的极限耐热温度(Tgmod)不断下降。但具有较高的保持率,其Tg保持率达到82.1%,极限耐热温度保持率为71.4%。

[(a)干态试样 DMA动力曲线;(b)湿态吸湿量0.4% DMA动力曲线; (c)湿态吸湿量0.6% DMA动力曲线;(d)饱和吸湿 DMA动力曲线]

从试验数据来看,复合材料经336h后,其Tg值从240℃ 下降到197℃,但是在实际工程中,以此来衡量一种复合材料的耐湿热性能是不合理的[11]。因为Tg值是取DMA图谱损耗因子达到最大值时的温度值(见图2)。此温度下,材料已经基本从玻璃态转 变为高弹 态。材料的模 量已经降 低到最低 点,对承力结构复合材料而言,这时它已经完全失去了使用价值。因此,在DMA图谱中储能模量曲线明显下降的起始点所对应的温度(Tgmod)来衡量复合材料耐湿热性能才是较为科学的,该温度可以认为是材料在承力条件下的极限使用温度。 通过表3可以看出 该型复合 材料吸湿 饱和状态 下 (336h)的Tgmod仍高达132℃,因此可以 认为碳纤 维/QY9611复合材料在湿 热状态下 的极限使 用温度为132℃。 证明碳纤 维/ QY9611复合材料的耐湿热性能优良。

3 结论

(1)碳纤维/QY9611复合材料饱和吸湿率仅为0.73%左右,而且随着吸湿量的增加其Tg值下降缓慢。

(2)碳纤维/QY9611复合材料 在干态150℃ 下弯曲性 能和层间剪切性能保持率在70%以上,弯曲模量保持率在95% 以上,在湿态150℃ 下弯曲性 能和层间 剪切性能 保持率在50%以上。

混杂纤维混凝土高温性能研究 篇4

混杂纤维混凝土高温性能研究

摘要：根据近年来对纤维混凝土高温性能的试验研究,分析了纤维对混凝土高温性能的影响,探讨了纤维混凝土在高温下的`力学性能及合理的纤维掺量,以期为今后混杂纤维混凝土的高温性能研究及其应用起到指导作用.作 者：王丹芳 施养杭 WANG Dan-fang SHI Yang-hang 作者单位：华侨大学土木工程学院,福建,泉州,36期 刊：安全与环境工程 Journal：SAFETY AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING年，卷(期)：,17(2)分类号：X93 TU502 TU528.572关键词：聚丙烯纤维 钢纤维 混杂纤维混凝土 高温爆裂 力学性能 耐火性能

钢纤维混凝土抗冻性能试验研究 篇5

关键词：钢纤维；混凝土；抗冻性能；冻融循环

中图分类号：TU528.572

文献标志码：A

文章编号：1674-4764（2012）04-0080-05

Experimental Analysis on the Frost Resistance of Steel Fiber Reinforced Concrete

NIU Ditao, JIANG Lei, BAI Min

（School of Civil Engineering, Xian University of Architecture and Technology, Xian 710055, P.R. China）

Abstract:The frost resistance of steel-fiber reinforced concrete (SFRC) was studied based on the fast freeze-thaw tests in water and in a 3.5% sodium chloride solution, with different mass fraction of steel fiber in concrete at 0%, 0.5%, 1.0%, 1.5% and 2.0%, respectively. The effects of the number of freeze-thaw cycles and the volume fraction of steel fiber on the mass lose rate, the splitting strength loss rate and the dynamic modulus of elasticity of SFRC were analyzed. The reinforcement mechanism of the steel fiber under the action of freeze and thaw was also discussed. Moreover, mercury intrusion method and SEM analysis were carried out to study the pore size distribution features and the performance of microstructure on the impact of frost resistance of SFRC. The results show that adding an appropriate amount of steel fiber into concrete can reduce the pore porosity and improve the compactness of concrete. Furthermore, the presence of steel fiber proves to shrink the porosity and improve evidently the frost resistance of concrete. It is also shown that the steel fiber content has a great influence on the frost-resisting property of SFRC. The best performance of SFRC can be achieved when the volume fraction of steel fiber is 1.5%.

Key words:steel fiber; concrete; frost resistance; freeze-thaw cycle



钢纤维混凝土是近年来发展起来的一种性能优良的复合材料。随着钢纤维混凝土在工程中的广泛应用，其耐久性问题将会是十分重要而迫切需要解决的问题。许多学者对钢纤维混凝土做了大量试验研究，然而多集中于力学性能方面［1-4］，钢纤维对混凝土耐久性影响则研究较少。对于寒冷地区的建筑物而言，冻融作用是导致其结构性能损伤的主要原因［5-7］。冻融循环加剧了混凝土内部初始裂纹扩展并且诱发新裂纹出现和发展，这是混凝土冻融劣化破坏的本质。但是，钢纤维的掺入有效限制了混凝土内部裂纹的形成与扩展，提高了混凝土的抗裂能力。因此，冻害地区钢纤维混凝土耐久性能引起了众多学者的广泛关注。谢晓鹏等［8］和康晶［9］研究表明，钢纤维的掺入延缓了混凝土内部裂纹的形成与扩展，增强了混凝土基体的抗冻性能。Yang等［10］认为钢纤维的掺入降低了混凝土的抗盐冻剥蚀性能，特别是引气混凝土的抗盐冻剥蚀性能。目前，钢纤维混凝土抗冻性能研究的重点主要集中在宏观层面，较少从微观层面对其性能退化规律进行研究，且对盐溶液环境下钢纤维混凝土抗冻性能研究也较少。

本文针对不同掺量的钢纤维混凝土，通过快速冻融试验，从宏观上研究了不同冻融循环次数下钢纤维混凝土质量损失、相对动弹模量变化和劈裂强度损失，并通过压汞和扫描电镜试验微观分析了冻融循环前后混凝土内部微结构变化，分析了钢纤维对混凝土增强作用原理和钢纤维混凝土冻融破坏机理，旨在为冻融环境下钢纤维混凝土耐久性设计提供基础资料。

nlc202309032002

1 试验概况

1.1 原材料和配合比

试验中所采用的水泥为陕西秦岭水泥股份有限公司生产的秦岭牌P.O42.5R普通硅酸盐水泥。

细集料采用普通河砂，细度模数2.69，表观密度2.63 g/cm3。粗集料采用5～16 mm混合级配碎石。钢纤维采用波浪形剪切钢纤维，长度为30 mm，长径比为60，截面形状为矩形。减水剂采用高效减水剂，黄褐色、粉末状。

本次试验中，试验用混凝土的水胶比为0.45，钢纤维体积率分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%和20%。试验用各种混凝土的配合比见表1。其中编号PC表示钢纤维掺量为零的基准混凝土，SFC表示掺有钢纤维的混凝土，“-”后面的数字表示钢纤维体积率。

1.2 试验方案

钢纤维混凝土水冻试验依据《钢纤维混凝土试验方法》中的快冻法进行，盐冻试验参考《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行。试件标养24 d后，分别在水中和氯化钠溶液中浸泡4 d，在第28 d时进行快速冻融试验。氯化钠溶液采用3.5%的浓度，与海水中盐的浓度一致［11-12］。每冻融循环25次，测试试件劈裂强度、相对动弹模量、重量损失情况。

试验中，相对动弹模量和质量损失测量采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体，共制备10组30个试件；劈裂强度测量采用100 mm×100 mm×100 mm立方体，共制备85组共255个试件。

2 试验结果与分析

2.1 质量损失率

图1为钢纤维混凝土冻融循环后的质量损失。由图1（a）可见，PC在冻融循环作用下，质量损失明显，在未到300次凍融循环时质量损失超过5%，达到破坏。钢纤维的掺入对混凝土质量损失率有明显的抑制作用，经过300次冻融循环，SFC-1.5质量损失率只有2.28%，约为普通混凝土的一半。

但是，从图1（b）可以看出盐冻循环下的试件质量损失率明显增大，冻融循环100次后，PC的质量损失达4.2%，接近破坏，SFC-1.5为2.5%；与此相对应的水中，PC和 SFC-1.5的质量损失仅为21%和1.3%，明显小于盐冻循环。由于盐冻破坏的特殊性和严酷性［13-14］，加速了表层混凝土的解体和剥离现象，混凝土中杂乱分布的钢纤维对表层浆体拉接作用有限，因此，钢纤维混凝土在遭受盐冻破坏时，冻融剥落程度加重。

2.2 相对动弹性模量的变化

图2为钢纤维混凝土冻融循环后的相对动弹模量损失。由图可以看出，在300次冻融循环后，PC和SFC-1.5的相对动弹模量损失分别为35.2%和24.3%，PC接近破坏，而SFC-1.5冻融损伤得到明显抑制。但是当钢纤维掺量达到2.0%时，钢纤维对混凝土的增强作用降低，对抗冻性能影响不明显。总体来看，掺入钢纤维后，抑制了混凝土内部微裂缝或缺陷的不断产生，延缓了相对动弹模量的下降。

图2 钢纤维混凝土在水中冻融时的相对动弹模量损失

2.3 劈裂强度损失

图3为钢纤维混凝土冻融循环后的劈裂强度损失。从图3（a）可以看出，钢纤维的掺入提高了混凝土的劈裂强度，纤维掺量为1.5%时，劈裂强度最高，约为基准混凝土的2倍。同时，钢纤维还降低了冻融后混凝土劈裂强度下降速率。其中，PC在冻融150次时，劈裂强度降低40%，在冻融200次时，达到破坏；SFC-1.5在冻融250次时，劈裂强度降低40%，明显优于基准混凝土。从图3（b）可以看出，盐冻循环100次，PC和SFC-1.5劈裂强度分别降低34%和22%；与此相对应的水冻循环中，PC和SFC-1.5分别降低23%和9%，说明盐冻破坏削弱了钢纤维的阻裂增韧作用，加快了混凝土内部损伤，造成劈裂强度快速降低。

图3 钢纤维混凝土在溶液中冻融时的劈裂强度损失

3 微观机理分析

3.1 孔结构分析

表2和表3为标准养护28 d后，压汞法测试的钢纤维混凝土孔体积和孔径分布情况。由表2可以看出，合理掺量的钢纤维减小了混凝土孔隙率，纤维掺量在0%～1.5%范围内增加时，混凝土总孔隙率、总孔体积和总孔面积分别减少3213%、2854%和42.78%，混凝土平均孔径和最可几孔径均有下降。但是，纤维掺量达到2.0%时，钢纤维混凝土孔隙结构参数均有增大现象，孔结构表现出明显劣化。由表3可以看出，纤维掺量从在0%～15%范围内增加时，孔径为d＜20 nm、20 nm≤d＜50 nm的孔所占比例增大；孔径为50 nm≤d＜200 nm、d≥200 nm的孔所占比例减少。说明混凝土无害和少害孔增多，有害和多害孔减少，孔结构得到改善，有利于提高混凝土的抗冻性能。

3.2 扫描电镜分析

图4和图5是PC和SFC-1.5冻融前后SEM图片，可以看出，冻融前二者的各水化产物互相胶结形成连续相，整体结构均匀密实，没有微裂缝产生；50次盐冻循环后，二者均出现微裂缝，但是SFC-1.5中微裂缝数量明显少于PC；100次盐融循环后，PC中微裂缝扩展加深，并且大部分相互贯通，结构出现明显疏松，而SFC-1.5中裂缝数量和贯通程度均小于PC，没有出现组织疏松。可以看出，钢纤维限制了裂缝的发展与贯通，提高了混凝土的抗冻性能。

在冻融循环过程中，混凝土毛细孔壁同时承受膨胀压力和渗透压力［15-16］，当这两种压力所产生的拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土开裂，产生微裂缝。钢纤维的弹性模量与强度高于混凝土［17］，而且具有较大变形能力，可以发挥增韧、阻裂作用，从而减小引发裂缝与促进裂缝开展的冻融破坏力。随着钢纤维掺量增加，混凝土中钢纤维-水泥基体界面数量增多，这些界面是钢纤维混凝土中的薄弱区域。通过SEM观察发现，钢纤维-水泥基体界面存在有片状结构的Ca(OH)2（图6）和簇状结构的钙矾石晶体（AFt）（图7）。钙矾石晶体主要存在于微小孔隙中和集料表面，说明钢纤维混凝土界面区存在较大孔隙率和较为疏松的网络结构，从而成为冻融过程中微裂缝产生和发展的敏感区域。冻融循环作用下，在界面过渡区产生的裂缝呈现增多、增宽的趋势（图8）。所以钢纤维掺量较大的SFC-2.0抗冻能力反而降低。

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4 结论

1）在冻融环境中，钢纤维混凝土的质量损失率和相对动弹模量损失率明显降低，抗冻性能得到提高。而且，钢纤维的掺入不仅提高了混凝土的劈裂强度，同时还延缓了冻融损伤后混凝土劈裂强度的降低速率。

2）钢纤维对遭受盐冻破坏的混凝土表面剥蚀改善作用有限，并且盐冻破坏加快了钢纤维混凝土内部损伤，盐冻循环次数明显低于水冻循环次数。

3）钢纤维掺量对混凝土抗冻性能影响显著，随着掺量的增加，混凝土抗冻性能增强。当掺量为1.5%时，钢纤维的增强效果最好；但是当掺量增大到2.0%时，混凝土抗冻性能降低。

4）孔结构和扫描电镜分析表明，适量钢纤维掺入后，混凝土内部孔结构改性良好，微裂缝发展速度缓慢，钢纤维阻裂、增强作用明显。

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（編辑 罗 敏）

碳纤维板加固钢结构的粘结性能研究 篇6

1试验概述

1.1 试验材料

本次试验选用3 mm厚的Q235钢板, 根据GB 2975-82钢材力学及工艺性能试验取样规定裁制钢板[7]。经试验得到钢材的屈服强度为388.2 MPa, 拉伸强度为517.1 MPa, 弹性模量为216.2 GPa。碳纤维板采用OVM.CFP50-1.2型高强CFRP板, 规格:50 mm×1.2 mm, 拉伸强度为2.57×103 MPa, 拉伸强度模量为1.73×105 MPa, 拉伸断裂伸长率为1.70%。试件由钢板加工成楔形, 两块对拼后, 在缝隙两侧单面对称粘贴一整条碳纤维板而成, 试件如图1所示。钢板试验部分的宽度为60 mm, 试验部分长度为180 mm。试验主要研究碳纤维板与钢板发生粘结剪切破坏的过程、破坏机理。碳纤维片材的宽度共有三种, 用来研究碳纤维片材宽度对粘结性能的影响;碳纤维片材与钢板的粘结长度共有五种, 用来确定碳纤维板与钢板粘结的有效粘结长度及不同的粘结长度对粘结强度的影响。

1.2 试验目的

据文献对影响碳纤维板和钢板粘结性能的各因素的综述, 结合现有的试验条件, 针对金属界面和混凝土界面存在很大不同, 通过碳纤维与钢板的粘结剪切试验, 分析了碳纤维与钢板粘结面上的应力分布特点、粘结剪切破坏过程和破坏特征, 进行了33个碳纤维板与钢板粘贴后的复合构件的粘结剪切试验。

拟得到的主要研究结果为:1) 碳纤维板与钢板发生粘结剪切破坏过程以及其破坏特征;2) 碳纤维板与钢板粘结面应力分布的特点;3) 碳纤维板与钢板有效粘结长度分析;4) 碳纤维板搭接长度对粘结剪切应力的影响。

2试验结果分析

2.1 试验结果分析

试验在材料万能试验机上进行, 将准备好的试件安装在试验机的夹具内, 使试件中心线和钳口里的中心线吻合。

在本次试验中, 碳纤维板与钢板的粘结剪切破坏出现了两种形式:1) 测试端碳纤维板与钢板的完全剥离破坏;2) 碳纤维板与钢板交界处滑移破坏。粘结长度较短的试件, 大多出现碳纤维与钢板的剥离破坏。粘结长度较大的试件, 大多发生交界处碳纤维板与钢板交界处滑移破坏。试件破环后的钢板断面上只有少量的粘结剂, 说明这种胶水对于粘结钢板的作用是有限的, 因此建议今后注意粘结剂的研究。

2.2 碳纤维板与钢板粘结面应力分布的特点

表1是编号为A-5号试件的粘结面的应力分布特点。应变片的位置指的是应变片的中心距钢板交界面的距离, 从试件交界面处开始, 应变片编号从1号开始依次排列。

2.3 碳纤维板的长度对粘结性能的影响

确定有效粘结长度及不同的粘结长度对界面粘结强度的影响, 分别采用粘结长度为60 mm, 80 mm, 100 mm, 140 mm和180 mm五种粘结长度而宽度均为50 mm的碳纤维板与钢板的粘结试件。试验中可以看到, 对于CFRP粘结长度较大的试样, 在临近极限破坏的阶段, 荷载变化范围较大, 而CFRP粘结长度较短的试样, 荷载值相对比较稳定, 或者荷载值变化不显著, 试验结果如表2所示。从表2的结果可以看出, 离开碳纤维板端部一段距离后, 碳纤维板与钢板之间的粘结应力基本为零, 把碳纤维板端部区域的这一长度称为碳纤维板的有效粘结长度。由试验结果可知, 即随着荷载的不断增加 (粘结长度从60 mm～180 mm, 极限粘结力从16.333 kN增加到19.97 kN, 平均粘结强度却从5.44 MPa减小到2.219 MPa) , 剪力一直都是在一定区域内变化, 这个距离就是有效粘结长度。图2给出了不同的粘结长度的碳纤维与钢板粘结试验中粘结力—粘结长度曲线。从图2可以看出, 碳纤维试件的有效粘结长度在100 mm～120 mm。

由图2可知, 当碳纤维板粘结长度大于100 mm时, 破坏荷载值就不会变大。

说明碳纤维板与钢结构之间的粘结存在有效粘结长度问题, 粘结长度没有达到该长度时, 极限粘结力随着CFRP粘结长度的变大而升高, 但也不是成线性关系, 当粘结长度超过该长度时, 极限粘结力不再随着CFRP粘结长度的变大而增加, 而是呈现水平趋势。从图2的试验结果可以看出, 界面剪应力主要分布在碳纤维端部一定长度的范围内, 超过该范围界面剪应力基本为零。

2.4 碳纤维的宽度对有效粘结长度的影响

本试验目的是研究CFRP粘结长度相同的条件下, CFRP的宽度对极限粘结力的影响。试验一共设计了0.798, 0.894, 1.0三种宽度比 (碳纤维板宽度与钢板宽度) , 三组试件的极限粘结力的试验结果见图3。

3结语

1) 粘结长度是影响界面粘结性能的重要因素, 随着粘结长度的增大, 极限荷载增大而粘结强度减小。胶粘剂是碳纤维加固钢结构的薄弱环节, 胶粘剂及其受力性能的试验研究是碳纤维加固钢结构的关键。从图2中可看出粘结长度超过100 mm后, 极限粘结力基本不再增加, 由此得出碳纤维板加固钢结构时的有效粘结长度约为100 mm～120 mm。2) 粘结剂的选取对于充分发挥CFRP材料的物理力学性能是至关重要的, 粘结剂力学性能的不同, 也会影响到CFRP材料极限强度的发挥。3) 试验中加荷速度的快慢和试验夹具的差异, 也会影响到试验的最终结果。另外, CFRP材料物理力学性能有一定的离散性, 即使是同一厂家的产品, 如果批次不同, 其力学性能指标也是有区别的, 所以, 在对CFRP布加固结构技术进行试验研究和实际工程应用时, 建立一套固定的试验方法是十分重要的。

参考文献

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碳纤维加固木梁的受弯性能试验研究 篇7

近年来,频繁的地震让木结构重新受到重视,目前国内的木材资源紧缺,特别是大直径的木材更为稀少。这就对工程界提出了新要求:如何利用现有的小截面材料实现更高的性能。FRP作为目前使用较多的加固材料,在木材上的应用却不多见。

本文作者对4个批次共20根木梁进行了试验,重点研究木梁加固后的受弯性能,希望通过本文为木结构的设计及加工提供参考。

1 试验概况

1.1 材料性能

试验中采用的木材是同一批次产自东北的落叶松。FRP选用曼卡特(国产,原丝为日本东丽),胶合材料选用同品牌专用AB组分碳纤维浸渍胶。

1.2 试验设计

为了研究多种情况下的加固性能,试验共采用20个试件。20个试件依据不同的截面分为4组,截面尺寸分别为5 cm×10 cm,7.5 cm×10 cm,7.5 cm×10 cm,10 cm×15 cm。

1.3 加载方法、装置与测点布置

加载方法:木梁长度均为1.3 m,跨高比均小于18,因而无法忽略剪力的影响,故采用两点加载法,利用中间的纯弯段来进行试验。支座为铰支,允许自由转动。

测点布置:在跨中截面,沿截面高度均匀对称布置了12只应变片,两侧面各8个,顶面和底面各2个。

2 主要试验成果

2.1 破坏形态及机理分析

在加载初期,构件基本处于弹性状态,应变的增长与荷载的增量成线性关系,且基本符合平截面假定。随着荷载的增加,构件表现出一定的塑性变形,刚度有所降低,作为指标量的跨中位移增量激增,再继续增加荷载,松木开始溢出油脂,初始的一些缺陷发展迅速,最显著的是纵向裂缝,出现在木材的中部以上部位;而在受拉侧,节疤处由于与其余部分连贯不良而出现撕裂现象,最终的破坏形态主要分为两种:

1)脆性受拉破坏:由于横纹受拉引起的纵向劈裂,主要由缺陷部位引发。这一种破坏较多的发生在原木试验中,单层FRP加固后的试件中仅有一根试件出现此种破坏由初始缺陷引发的。

2)受压失稳破坏:由于木纤维受压失稳而产生裂缝使木材解体为多个纵向连续的个体,这一种破坏多是由木材中原有的裂缝发展延伸开来,且多出现在截面的中部,上部。试验中这一种破坏相当普遍,占到了70%以上的比例。

2.2 横截面应变

试验过程中,木梁的应变大致成线性分布,尤其是荷载不太大时。这样在推导公式时可以考虑采用平截面假定。

3 试验结果分析

对于碳纤维加固来讲,希望尽可能多的由碳纤维来承担拉应力,而木截面用于承担压应力,下面以5×10截面,底面单层加侧向CFRP为例,计算由碳纤维承担的拉应力比例,见表1。

从这组数据可看出,碳纤维拉力占比一直较低,在接近破坏时出现一定程度增长,但一直处于较低状态,仍有可提升的空间。

在同组进行的试验中,我们还有一试件底面贴有双层CFRP,计算厚度为0.6 cm,其拉应力占比如表2所示。

当碳纤维布为二层时,其所分担的拉应力比例显著增加,并且随着荷载增加而增大;从这里也可以分析出,使用双层布是更加合理的。

4 加固效果评估

由表3试验结果及数据显示,跨高比较大的试件使用CFP加固会取得较好的结果,其原因分析如下:1)跨高比较大的试件以受弯破坏为主,能充分发挥CFP的超高拉承载力;2)跨高比较大的试件,相对同截面尺寸但跨高比较小的试件,所受剪力较小,不易产生局部破坏,而局部破坏通常会导致木材性能的剧降。

5结语

1)跨高比较大的木梁更适合采用这种加固方法;跨高比较大的木梁以受弯破坏为主,破坏形态表现为底部边缘木纤维纵向劈裂。对跨高比较大(>12～18)的木梁进行加固可起到提高受弯承载力近50%的效果。

2)对于缺陷(节疤)较多的木材,通常无法用作受力梁,但使用CFP进行加固后,由于CFP承担了大部分拉力,因而可以使其获得一定的承载力,可考虑用作不太重要的承重构件。

3)环向包裹非常重要,在木材受弯变形后,环向包裹对木材施加了可观的环向约束力,有效地约束了受压区木纤维,防止其侧向失稳。在原木的试验中,发现木材的破坏相当一部分是由于纤维的失稳而非材料破坏,而环向包裹正好可以防止在低应力下出现这种破坏。

4)试验过程中碳纤维未充分的受拉破坏,显示出其抗拉能力仍未充分发挥;为了充分利用碳纤维的抗拉能力,可以对其施加预应力,同时,单向的碳纤维布在使用时仍有许多局限,如能将碳纤维织成双向布,或许会有更广泛的应用前景。

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碳纤维性能研究 篇8

关键词：碳纤维,耐火性能,有限元分析

引言

碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre Reinforced Polymer)具有强度高、模量高、质量轻、耐烧蚀、抗冲刷、化学稳定性强等优异性能,广泛应用于国防军工、建筑加固等领域,取得了良好的经济效益[1]。但是,传统的用于粘贴碳纤维的有机胶的玻璃态转化温度Tg一般比较低,常用的热固性树脂Tg的范围为65～150 ℃[2]。研究发现,高温下,当温度超过Tg后,胶粘剂会分解或软化,丧失传递剪力的作用,造成加固失效[3]。目前,关于碳纤维加固结构构件的高温和耐火性能研究较少,为促进碳纤维复合材料在国防和民用工程中的推广应用,笔者对碳纤维加固钢板拟制了几种不同的防火保护,进行耐火性能试验,并利用大型有限元分析软件ANSYS进行数值模拟,计算结果与试验结果在一定范围内相互吻合,为深入研究火灾下有防火保护的碳纤维加固构件的耐火极限提供了数据资料。

1 碳纤维加固钢板的耐火性能试验分析

试验采用5块尺寸为100 mm×150 mm×3 mm的碳纤维加固钢板,其中在B1～B4下表面(粘贴FTS-C1-30型碳纤维的一面)分别涂覆1 mm厚SCB超薄膨胀型钢结构防火涂料、3 mm厚SWB室内外钢结构膨胀防火涂料、1 mm厚G60-3膨胀型过氯乙烯防火涂料、7 mm厚106-2隧道防火涂料;在B5下表面设置间距1.5 mm的铝板隔热层。采用WRNK191型铠装式镍铬镍硅热电偶测温,将1个热电偶预埋于粘胶层,1个热电偶放置于防火涂料(铝板)下表面,1个热电偶穿过钢板上表面石棉保温衬垫进行测温。采用酒精喷灯进行钢板耐火试验。

试验中发现,防火涂料可以割断外界火源对碳纤维钢板的加热,具有较好的阻燃隔热效果。但是,随着火源与基材的接近,温度升高,防火涂料会膨胀并迅速开裂脱落,导致火焰直接进攻基材,失去隔热性。铝板隔热在受火初期具有较好的防火性,但当温度升高到一定程度后(达到760 ℃),铝板被火焰灼烧通,钢板直接受火,温度急剧上升,完全散失了防火性。试验结果如图1和图2所示。

从图1可以看出,碳纤维加固钢板的耐火性能与防火保护层的厚度成正比,防火保护层厚度越大,阻燃隔热效果越好。从图2可以看出,采用隔热层防火虽然可行,但应选择更加耐高温的隔热材料(如玻璃棉、硅酸钙板等)。

2 碳纤维加固钢板的耐火性能数值模拟分析

2.1 模型建立

本文在试验研究的基础上,利用ANSYS有限元程序对3种防火保护的碳纤维加固钢板进行了温度场模拟计算[4]:

(1)表面涂覆7 mm厚106-2隧道防火涂料;

(2)设置间距1.5 mm的铝板隔热层;

(3)综合保护:在表面涂覆7 mm厚106-2隧道防火涂料的同时,设置间距1.5 mm的铝板隔热层。

温度场变量Θ(x,y,z,t)应满足微分方程:

温度场函数Θ不仅是空间域Ω的函数,而且还是时间域t的函数,时间和空间两种域并不耦合,因此,求解温度场函数Θ采用有限元-差分混合法,对结构空间域用有限单元进行离散,在时间(温度)域上用差分的步进法递推分析。

ANSYS热分析的基本步骤包括建模、施加对流辐射边界和后处理。对钢板表面采用表面效应单元SURF19模拟点与面的热传递;对钢板、碳纤维、防火涂料(铝板)采用二维实体PLANE55单元;考虑火焰温度较高,铝板主要是通过辐射作用将温度传给上部与其间隔1.5 mm的碳纤维,故分别在碳纤维与铝板模型表面覆盖1层新的LINK32单元,利用AUX12对空气隔热层进行辐射热分析。建模过程中输入的材料基本属性有密度、热传导率、比热容和辐射系数等,模型边界温度按照试验测定。

2.2 计算结果及分析

用ANSYS模拟计算在与试验相同升温条件下,涂覆106-2防火涂料和铝板隔热层保护的碳纤维加固钢板耐火性能,计算结果与试验结果对比如图3和图4所示,二者吻合较好,计算结果偏于安全。

ANSYS模拟计算相同升温条件下,综合保护的碳纤维加固钢板耐火性能,结果见图5所示。将3种模拟计算结果进行对比,如图6所示。

由图6可以看出,在前17 min内(系统外界温度332 ℃),防火涂料与铝板隔热的防火效果基本相当;但随着外界温度的继续升高,铝板的隔热性能迅速下降,而防火涂料仍维持较平稳的隔热作用,防火性能明显优于铝板隔热层。在38 min时,外界温度达到622 ℃(铝板未被烧通之前),表面涂覆防火涂料和设置铝板隔热的钢板上表面对应的温度分别为198 ℃和380 ℃,均超过了胶粘剂的极限温度150 ℃,胶粘剂的剪切强度几乎衰减殆尽,意味着碳纤维加固效果基本丧失[5],而综合防火保护的钢板上表面温度为122 ℃,低于胶粘剂极限温度。由此可见,采取综合保护的碳纤维钢板耐火性能显著提高。若能增加防火保护层厚度,耐火性能还将进一步提高。

3 结论

本文对采用不同防火保护的碳纤维加固钢板进行了耐火试验,并在假设碳纤维与钢板粘贴可靠、节点边界均匀受热的基础上,利用有限元程序进行了数值分析。得到以下结论:

3.1 碳纤维增强复合材料的耐热性能在很大程度上取决于胶粘剂,除使用特殊的耐高温基体树脂外,一般使用温度宜≯80 ℃。

3.2 目前所采用的胶粘剂几乎均为有机聚合物,具有一定的可燃性,因此,无防火保护的碳纤维加固技术只能用于防火要求不高的结构。碳纤维加固构件的防火可以从两方面入手:一是改变树脂的组分,如在环氧树脂中加入阻燃剂、高温改性剂等,或采用无机胶粘剂[6];二是进行表面处理,如喷涂防火涂料、矿物纤维,采用石膏板、硅酸钙板等轻质耐火板材包封,设置隔热层等。对于采用外粘碳纤维加固的梁板,在碳纤维表面涂覆防火涂料的同时增设一定间距的隔热层,如在钢梁、钢屋架下做耐火吊顶是一种较佳的防火方法。

3.3 笔者对碳纤维加固钢板进行了耐火性能的初步研究,为深入研究火灾下有防火保护的碳纤维加固构件的耐火极限提供了数据资料,但尚缺乏大规模的实际工程验证。为了扩大碳纤维加固技术的应用范围,建议在采用耐高温胶的同时,能够研制一种专门用于纤维加固的特种防火涂料。

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碳纤维性能研究 篇9

1 碳纤维加固混凝土结构耐火性能研究

普通的碳纤维加固混凝土结构一般都是环氧树脂粘贴碳纤维片材。而环氧树脂的耐热性很差, 非常容易受到高温破坏。在高温60度左右, 很快就会失去粘结强度, 失去其加固的综合效果。并且碳纤维加固混凝土的承载能力也比较低, 不能令人满意的。因此, 如果发生火灾, 那么普通的碳纤维混凝土结构性能高, 作用不大[1]。

所以, 为了提高碳纤维加固混凝土结构的耐火性能, 可以对碳纤维采取一些具体的防火保护措施, 用来提高碳纤维加固混凝土结构的耐火性能。此外, 还可以用无机胶或有机胶, 提高碳纤维加固混凝土结构的耐火性能。通过合理地设计隔热层, 也可以有效的推迟碳纤维加固混凝土结构的耐火性能。这些隔热材料主要矿物棉、泡沫塑料、膨胀珍珠岩、硅酸钙绝热制品等等。选择一个比较好的防火材料十分关键, 并且也需要很好的进行一些防火结构的设计, 隔热保护层的厚度是能够有效地延长防火性能的重要材料。这主要是由于, 隔热保护层可以很好的使碳纤维板和混凝土之间相互作用。

综上可知, 普通的碳纤维加固混凝土结构的抗高温性能和耐火性能比较低。那么, 为了提高普通的碳纤维加固混凝土结构的耐高温性能和耐火性。可以选择一些比较合适的固化剂[2]。或是可以用比如氧-酚醛胶粘剂或是环氧-丁腈胶粘剂等等其他的一些耐高温树脂材料, 来改变这种材料的化学结构, 从而来增强普通的碳纤维加固混凝土结构的耐热性。中油辽河工程有限公司结构工程所对于这种材料也是十分推广的, 但是由于其价格比较贵, 所以限制了其在建筑类型的企业或单位的推广和使用。

2 碳纤维加固混凝土结构耐火性能展望

2.1 碳纤维加固混凝土结构的性能研究

由于我国对于碳纤维加固混凝土结构材料热工性能方面的研究和国外相比比较少, 并且得出的一些成果也没有很好的分享和推广。所以, 对高温情况下的碳纤维加固混凝土结构的性能研究, 还需要进一步较强。其主要的研究方向应该在于如何能够强高温下碳纤维加固混凝土结构和混凝土界面粘结性能的研究。

2.2 碳纤维加固混凝土结构在火灾下的性能研究

我国关于对碳纤维加固混凝土结构的火灾下的性能研究, 基本上都停留在材料的基本构件要素的方面。这样的研究方向相对来说比较单一。而在一下发生火灾的情况下, 由于梁柱之间的一些相互约束作用力, 可能会威胁到碳纤维加固混凝土结构的安全。因此, 就不应该把研究方面只集中在构建要素上, 还需要开展对碳纤维加固混凝土结构的组成, 还有梁或柱等框架结构, 在火灾情况下的性能研究。这方面的研究, 可以为我们提供一个科学合理的碳纤维加固混凝土结构的耐火设计方法。

2.3 碳纤维加固混凝土结构在火灾后的性能研究

火灾发生后, 碳纤维加固混凝土结构的防火材料虽然并不会燃烧, 但是材料同混凝土之间的滑移程度很大, 并且不可以改变这种滑移, 同时粘结度也会丧失。所以, 关于碳纤维加固混凝土结构在火灾后的性能研究和其剩余承载能力的研究十分重要。在火灾发生后, 将原先加固的过的材料, 但是在火灾后发生滑移的材料全部移除, 然后重新去粘贴加固材料, 以便去修复材料应有的抗高温性能。这些研究都是对碳纤维加固混凝土结构在火灾后的性能研究的重要研究项目, 并且有非常重要的研究意义。碳纤维加固混凝土结构技术的研究和应用有很广阔的市场和前景。那么加强对碳纤维加固混凝土结构耐火性能的研究, 可以帮助这项技术的发展和大力提供可靠的保证。

3结语

本文主要是通过对于碳纤维加固混凝土结构耐火问题的研究进行了分析, 并且针对我国碳纤维加固混凝土结构的技术做了一些展望。目前, 我国的碳纤维加固混凝土结构技术正处于发展阶段, 并且研究也比较少。但是随着科学技术的不断发展, 我国目前在这一方面的研究和应用也取得了一些成就, 可以满足不同的环境的应用要求。另一方面的局限性就是这种材料的造价成本比较高, 可能推广应用来说还是有一些难度。通过本文的一些关于研究和未来展望的探讨, 以期可以为碳纤维加固混凝土结构的研究科学人员, 对于这一方面的研究提供一些参考。

参考文献

[1]肖德后, 徐明, 陈忠范.碳纤维加固钢筋混凝土柱耐火性能的试验研究[A]..中国土木工程学会、全国FRP及工程应用专业委员会, 2009:8.

碳纤维性能研究 篇10

【摘要】聚乙烯醇（PVA）纤维作为一种新型合成纤维，在工程领域已经得到了广泛的应用。综述了PVA纤维的基本性能及近年来国内外关于PVA纤维对水泥基复合材料抗冻与抗侵蚀性能影响的研究进展，分析并总结冻融、氯盐侵蚀以及硫酸盐侵蚀情况下，PVA纤维对水泥基复合材料性能的改善。在改善抗冻性能方面，研究主要集中在PVA纤维掺量及国内外PVA纤维对抗冻性能的影響；在抗侵蚀性能提高方面，研究主要集中在PVA纤掺量对水泥基复合材料抗侵蚀性能的影响。在此基础上，提出进一步研究的方向。

【关键词】聚乙烯醇纤维；水泥基复合材料；抗冻性；抗侵蚀；纤维掺量

【中图分类号】TU528.581

【文献标识码】A

【Abstract】Polyvinyl alcohol （PVA） fiber as a new type of synthetic fiber has been widely used in the field of engineering. In this paper， the basic properties of PVA fiber and its influence on the frost resistance and corrosion resistance of PVA fiber in cementitious composites are reviewed. The properties of PVA fiber in cementitious composites are also analyzed and summarized under the condition of freeze-thaw， chloride and sulfate attack. In the aspect of the frost resistance improvement， the research mainly concentrates on the influence of the PVA fiber content and the PVA fiber at home and abroad on the frost resistance. In terms of the anti erosion performance improvement， the research mainly concentrates on the influence of PVA fiber content on cementitious composites. On this basis， it puts forward the direction of further research.

【Key words】Polyvinyl alcohol fiber；Cementitious composites；Frost resistance；Corrosion resistance；Fiber content

1. 引言

（1）冻融、侵蚀等环境因素是导致混凝土及其他水泥基复合材料结构耐久性下降的重要因素。Mehta[1]指出：“当今世界混凝土破坏原因，按重要性递减顺序排列是：钢筋锈蚀、冻害、腐蚀作用”。因此，改善混凝土及其他水泥基复合材料的抗冻性与抗侵蚀性对其耐久性的提高意义重大。在高层建筑、桥梁、隧道、地铁、港口码头、铁路等工程建设领域，对高强高性能混凝土的需求日益增加，但我国南方地区的混凝土均处在一定的受侵蚀环境下，北方地区的混凝土均处在一定的受冻环境下，导致一些混凝土结构存在严重耐久性不足的问题，制约了其发展。因此，为了进一步提高混凝土的耐久性，对提高其抗冻性与抗侵蚀性提出了更高的要求。

（2）自从水泥基复合材料（ECC）出现以后，其高抗拉强度、高韧性、高耐久性等优点，受到了国内外广大学者的重视，尤其在耐久性方面已经取得了一系列研究成果[2～7]。高抗拉强度和高弹性模量的PVA纤维是实现ECC优良性能的关键材料，对提高ECC的抗冻性能与抗侵蚀性能有重要的作用。

（3）但是，在掺加高强高模的PVA纤维来提高水泥基复合材料的抗冻性与抗侵蚀性的试验研究与工程应用方面，目前还缺少系统的研究。本文综述了近年来PVA纤维对水泥基复合材料抗冻与抗侵蚀性能影响的研究进展，并对进一步研究作了展望。

2. PVA纤维的基本性能

与常见的合成纤维相比，PVA纤维具有以下几点优势：（1）高弹性模量与高抗拉强度；（2）亲水性好；（3）与水泥基复合材料具有较好的界面结合状态；（4）直径适中。此外，由于其环保、无毒、分散性好、成本较低等优点，成为制备ECC的首选而得到广泛应用。PVA纤维在水泥基复合材料中分散均匀、乱向分布，在水泥基复合材料中起到增强整体性、提高抗裂性的作用，从而提高水泥基复合材料的抗冻及抗侵蚀性能。

3. PVA纤维对水泥基复合材料抗冻性影响的试验研究

（1）近年来，国内外逐渐开展了采用PVA纤维提高水泥基复合材料抗冻性的研究。

在北方寒冷地区，冻融作用往往是导致建筑物劣化乃至破坏的最主要因素， 为了评价PVA纤维增强水泥基复合材料抗冻融能力，国内外学者进行了一系列抗冻性能试验。

（2）Nam[8]通过以PVA纤维增强水泥基复合材料、聚丙烯纤维增强水泥基复合材料及普通混凝土三者为对比，对相对动弹性模量的变化和质量损失进行了试验研究，结果表明：相对于原始试件，经过300次冻融循环后PVA纤维增强水泥基复合材料仍具有较好的耐久性。说明PVA纤维的掺入对PVA纤维增强水泥基复合材料的抗冻性提高具有相当大的作用。

（3）ahmaran等[9]通过掺加PVA纤维与不掺加PVA纤维的两组非引气ECC试件的对比，得出结论：PVA纤维的掺入明显改善了ECC的抗冻性能，且由PVA纤维掺入所带来的更大体积的孔隙也可能对ECC抗冻性能的改善有一定作用。

（4）刘曙光等[10]通过快速冻融试验方法，研究了不同PVA纤维掺量（0%、1.0%、1.5%、2.0%）的PVA纤维水泥基复合材料试件在不同冻融循环次数下的动弹性模量，进而研究了材料的抗盐冻性能。试验结果表明：1.5%纤维体积掺量的PVA纤维水泥基复合材料的抗盐冻性能较好。

（5）徐世烺[11]通过对掺加PVA纤维的超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）在冻融循环条件下质量损失、动弹性模量损失的试验研究及与普通混凝土、钢纤维混凝土和引气混凝土的对比可知，经过300次冻融循环后UHTCC动弹性模量损失不超过5%、质量损失不超过1%，抗冻性指数为92%，抗冻等级大于F300，而普通混凝土与钢纤维混凝土的抗冻等级则分别为F100和F150。在不掺加引气剂的条件下，UHTCC质量损失和动弹性模量损失方面与引气4.7%的引气混凝土接近。由此可知，掺加PVA纤维的UHTCC材料的抗冻性明显优于普通混凝土和钢纤维混凝土。

（6）Yun等[12]通过快速冻融试验，以总体积掺量为1.5%的PVA与PE混合纤维及水胶比为试验变量，研究了延性纤维增强水泥基复合材料（DFRCCs）100mm×100mm×400mm棱柱体试件在不同冻融循环次数下的相对动弹性模量及质量损失，结果指出：经过300次冻融循环后，四种不同工况DFRCC试件的相对动弹性模量均下降约3%，质量损失均小于2%，表明PVA与PE混合纤维的掺入提高了DFRCC的抗冻融破坏能力。

（7）纤维掺量过大会降低混凝土抗冻融能力，其主要原因是由于過多纤维的存在会阻塞毛细孔，致使混凝土吸水率降低，冻融循环过程中混凝土需要大量结晶水，而由于纤维掺量过多导致的吸水率降低，使得抗冻融性能有所下降[13]。

（8）通过国内外学者的研究可知，PVA纤维的掺入能够显著改善水泥基复合材料的抗冻性能。现今国内外主要研究PVA纤维掺量及不同种类PVA纤维对水泥基复合材料抗冻耐久性能的影响，而PVA纤维取向、分布、长径比、锚固长度及不同种类PVA混合纤维对水泥基复合材料抗冻性能影响的研究略有不足，需要进一步探讨。

4. PVA纤维对水泥基复合材料抗侵蚀性影响的试验研究

（1）遭受环境因素的侵蚀是导致水泥基材料性能退化的直接原因之一，氯盐与硫酸盐侵蚀是水泥基复合材料受环境因素作用而发生侵蚀破坏的重要形式。具有优良性能的PVA纤维的掺入在一定程度上改善了水泥基复合材料的抗裂性能，有效地降低了外界有害物质的侵入，提高了水泥基复合材料的抗侵蚀性能。

（2）氯离子侵蚀是导致结构耐久性下降的一个重要因素，氯离子是各种侵蚀介质中侵蚀性最强的离子之一。加入纤维后，大量纤维均匀分布于水泥基复合材料中，从而起到约束裂缝的的作用。由于纤维的阻裂作用，显著减少裂缝的数量、长度和宽度，降低生成贯通缝的可能性，从而使抗氯离子渗透性得到加强[13]。

（3）闫长旺等[14]通过在试验研究基础上，应用灰色模型GM（1.1）对氯离子浓度沿PVA纤维水泥基复合材料深度的变化规律进行研究，结果表明：在基体中掺入PVA纤维可对基体起到良好的约束作用，从而减小微裂缝的产生，改善了PVA纤维水泥基复合材料抗氯离子渗透性能，从而对抗氯离子侵蚀能力起到了积极的作用。研究通过对氯离子浓度的分布情况进行分析，认为1.5%PVA纤维掺量对水泥基复合材料抗氯离子渗透性的改善效果最好。

（4）刘曙光等[15]通过湿通电法研究了将不同纤维掺量的150mm×150mm×150mm标准立方体试件浸泡在5%氯化钠溶液中的钢筋锈蚀试验。试验结果表明：不掺纤维的试件锈蚀率最大，纤维掺量1.5%和2%的试件钢筋锈蚀率最小。在恒电流条件下PVA纤维掺量的增加会降低钢筋的锈蚀率，但降低幅度很小，最大降低幅度仅为6.27%。表明PVA纤维的掺入明显降低了氯离子的侵蚀速度，改善了氯离子对水泥基复合材料的侵蚀作用，增强了其抗渗透性能。

（5）近年来，国内外主要研究混凝土的抗侵蚀性能，而关于水泥基复合材料抗侵蚀性能的研究较少，主要集中于单一侵蚀环境下PVA纤维掺量对水泥基复合材料抗侵蚀性能的影响。随着试验研究的发展，PVA纤维取向、分布、长径比及锚固长度对水泥基复合材料在多重盐侵环境下抗侵蚀性能的影响将会成为未来土木工程领域的重要研究方向。

5. 结语与展望

（1）PVA纤维是具有多种优良性能的新型合成纤维。在水泥基复合材料中掺入PVA纤维，能够对整体起到一定的约束与裂缝控制作用，降低外界有害物质的侵入，显著改善水泥基复合材料的抗冻及抗侵蚀性能；

（2）目前主要集中于在冻融、氯盐侵蚀、硫酸盐侵蚀等单一因素作用下纤维增强水泥基复合材料的研究上，而在多因素共同作用下对纤维增强水泥基复合材料的研究还很少，应对多因素共同作用下纤维增强水泥基复合材料的性能、微观结构、损伤机理等方面进行更深层次的研究。

参考文献

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[2]徐世烺， 李贺东. 超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用[J]. 土木工程学报， 2008， 06： 45～60.

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[5]邓宗才， 薛会青， 徐海宾. ECC材料的抗冻融性能试验研究[J]. 华北水利水电学院学报， 2013， 01： 16～19.

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[9]ahmaran M， zbay E， Yücel H E， et al. Frost resistance and microstructure of engineered cementitious composites： influence of fly ash and micro poly-vinyl-alcohol fiber[J]. Cement & Concrete Composites， 2012， 34（2）： 156～165.

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[13]唐巍， 张广泰， 董海蛟， 等. 纤维混凝土耐久性能研究综述[J]. 材料导报， 2014， 11： 123～127.

[14]闫长旺， 张华， 刘曙光， 等. PVA纤维水泥基复合材料氯离子浓度分布规律的研究[J]. 混凝土， 2013， 05： 38～41.