碳玻璃纤维复合杆体的锚固及其耐久性能之岩土工程硕士研究

1.1  课题背景及研究的目的和意义 

  纤维增强树脂复合材料（Fiber reinforced polymer，简称 FRP）至今已有 80余年的研究历史[1]。早期研发的 FRP 复合材料主要应用于军工领域，如航空、航天、船舰等，如飞机机翼、机身及螺旋桨、轮船外壳和甲板等[2]。在美国的军用飞机领域，其复合材料用量已达到 25%~35%[3]。随世界经济的不断发展，FRP 复合材料逐渐应用于民用企业及轻工业，如交通运输（汽车和轮船）、土木工程（重要构件增强、修复与加固）、化学化工、医疗设施、电力运输及体育用品等[4]。当传统钢材应用于实际结构中，其面临服役环境较为复杂，如温度、湿度、空气等及反复循环荷载作用，长期使用将导致钢材发生锈蚀及疲劳损伤破坏，从而给国民经济带来了巨大损失；相比之下，FRP 复合材料以其诸多优势，如轻质量、高强度、高刚度、易加工性和可操作性及优越的耐疲劳性能、腐蚀性能和抗震性能而备受广泛关注，逐渐应用在不同工程领域作为替代钢材的主要材料[5-9]。 FRP 复合材料在土木建筑工程领域的最早应用始于上世纪 60 年代初期，用以解决钢筋的锈蚀问题[10-15]。我国自从 20 世纪 90 年代开始研发土木工程 FRP复合材料。目前 FRP 在土木工程中的应用领域已扩大至 FRP 复合材料加固混凝土、钢及木结构、FRP 复合材料增强混凝土构件、全 FRP 复合材料构件，研究方向包括 FRP 复合材料的加固与修复增强结构、FRP 复合材料的锚固连接设计、FRP 复合材料及增强结构在复杂服役环境下的长期耐久性能、FRP 复合材料及增强结构的抗火性能、FRP 复合材料及增强结构的抗震性能[16-22]。 FRP 复合材料是由增强纤维、树脂基体及纤维/树脂界面三部分组成[23,  24]，其中增强纤维决定了 FRP 复合材料的静力性能（如强度、模量及刚度）和疲劳性能（疲劳退化及寿命）。根据纤维类型可将 FRP 复合材料分为：碳纤维增强聚合物复合材料（Carbon fiber reinforced polymer，简称 CFRP）、玻璃纤维增强聚合物复合材料（Glass fiber reinforced polymer，简称 GFRP）、玄武岩纤维增强聚合物复合材料（Basalt fiber reinforced polymer，简称 BFRP）、芳纶纤维增强聚合物复合材料（Aramid fiber reinforced polymer，简称 AFRP）及植物纤维增强聚合物复合材料（Natural fiber reinforced polymer，简称 NFRP）[25, 26]。上述FRP 复合材料中，由于 CFRP 及 AFRP 具有更加优异的性能（如拉伸性能、疲劳性能及长期耐久性能）而广泛的应用与土木工程结构的加固应用中[27-30]；相比之下，GFRP 复合材料具有较低的力学性能与疲劳性能限制了其在土木工程中重要构件的应用[31-33]；BFRP 复合材料由于其耐久性能较差极大的影响了其在土木工程中的增强/加固/修复应用[34-36]；NFRP 作为最新研究并应用的复合材料具有不消耗不可再生资源、来源广、价格低廉等优势，然而其力学性能相对较低、易吸湿等问题导致其主要应用于非承载结构（如装饰结构）[37]。树脂基体在 FRP 复合材料中起成型及固定纤维作用，以确保纤维间的共同受力。FRP复合材料中较为常用的树脂基体包括环氧树脂、不饱和聚酯、乙烯基树脂及聚氨酯等，其中环氧树脂包括双酚 A、F 和 S 型环氧树脂、酚醛环氧树脂、溴化环氧树脂和脂环族环氧树脂等。纤维/树脂界面作为 FRP 复合材料的过渡区域主要起在纤维和树脂之间承担并传递应力作用，保证了纤维和树脂的整体受力及FRP 复合材料的短/长期力学性能[38, 39]。 土木工程中混凝土/钢结构的寿命主要取决于合理的设计与合适的施工材料，这两方面存在任何缺陷都将导致结构性能提前退化。对于性能退化的结构采取全部重建的做法是不可行的，维持结构处于安全工作状态的有效方法是对其进行加固/修复，以确保其可以正常使用[40]。对有缺陷结构进行加固/修复需要合适的加固材料和加固技术。对于传统的加固材料（如钢材），由于其在长期使用环境下耐腐蚀性及耐疲劳性能差等因素而提前降低结构的承载力，造成巨大的经济损失。相比之下，FRP 复合材料具有轻质高强、耐腐蚀性优异、热膨胀系数小、可设计性强、耐疲劳性能好、施工高效简捷、对既有结构外观影响小等优点而逐渐应用到土木工程结构的加固和修复中[41]。 目前，土木工程加固/修复混凝土/钢结构一般采用  FRP 种类主要有 CFRP和 GFRP。对于 GFRP 而言，其拉伸强度和拉伸模量较低，当其长期应用于复杂服役环境下易发生树脂基体降解、塑化及膨胀作用，导致玻璃纤维/树脂界面脱粘；相比之下，CFRP 力学性能较为优异，但碳纤维价格较高。为平衡材料的性能与造价，碳/玻璃纤维复合材料应运而生并获得了广泛关注。通过拉挤工艺将玻璃纤维包裹在碳纤维外层，一方面可以显著降低碳纤维用量，降低材料成本；另一方面通过复合材料作用可大幅度提升玻璃纤维力学及疲劳性能。 当碳/玻璃纤维复合材料应用于土木工程的加固与修复中，不可避免的面临土木工程复杂服役环境，如温度、湿度、腐蚀液体（酸、碱和盐液体）、冻融环境（温度交变）、紫外线照射及张力作用等[42-44]，在上述复杂服役环境下，复合材料及增强结构易发生复合材料退化、复合材料/增强构件界面脱粘及增强结构承载力下降，从而引起结构的安全性、适用性及耐久性问题。因此，碳/玻璃纤维复合材料在实际工程应用中的耐久性研究至关重要[18, 45, 46]。 近年来，碳/玻璃纤维复合材料在土木工程中的应用从传统的混凝土增强筋及加固/修复混凝土/钢构件扩大至新的领域，如陆地及海底钻井及海洋工程等领域[47-49]。在这些新领域中，复合材料将面临新的服役环境，如高温、高压[50]、腐蚀溶液与循环荷载作用。在这些服役环境的耦合作用下，复合材料性能的退化规律、机理及长期服役寿命评估对工程结构的安全设计具有重要意义。 当复合材料面临反复循环荷载作用下，其疲劳性能对增加/加固/修复构件至关重要。目前，国内外研究学者已发现：纤维树脂复合材料的疲劳性能与纤维的组成、结构、树脂基体类型以及生产工艺有关[51,  52]。相比于金属材料而言，CFRP 复合材料具有优异的疲劳性能，且其疲劳寿命主要取决于纤维/树脂之间的界面粘结性能。疲劳破坏过程包括树脂基体的开裂、纤维树脂界面脱粘与分层及碳纤维的断裂[53-55]。在疲劳荷载作用下，材料内部疲劳裂纹逐渐生成并进一步扩展导致材料的三阶段疲劳破坏。第一阶段：纤维与纤维之间的树脂基体在外部疲劳荷载作用下发生开裂，导致复合材料的刚度迅速退化；第二阶段：当树脂开裂基本完成后，材料出现纵向分层，在这一阶段，复合材料的刚度退化较小并基本保持不变；第三阶段：大量纤维的断裂与分层导致复合材料发生整体迅速的破坏，同时刚度迅速下降。对于 GFRP 复合材料的疲劳性能，目前呈现不一致的研究结果。一些学者认为 GFRP 复合材料的破坏与纤维有关，其破坏伴随着纤维的大量断裂[56]；纤维、树脂类型以及取向分布对其疲劳性能影响较小；其他学者则认为 GFRP 复合材料的疲劳性能与树脂基体性能密切相关，如树脂的粘弹性以及韧性[51, 57, 58]。此外，纤维/树脂界面的脱粘也是影响 GFRP复合材料疲劳性能的重要因素之一[59]。关于 GFRP 复合材料的疲劳破坏机理有两种解释，一种认为：在疲劳初始阶段，局部纤维断裂、树脂开裂以及纤维树脂脱粘导致复合材料的刚度迅速退化，当上述破坏发展到一定程度后发生复合材料的分层和劈裂破坏[60]；另一种认为：玻璃纤维树脂复合材料的疲劳性能由静态疲劳性能和动态退化两部分组成[61]。 

2.2  原材料与测试方法 

  本章研究的 CFRP 板材采用拉挤工艺制备，其中拉挤碳纤维为上海石化提供的 PAN 基国产碳纤维（800Tex），纤维直径为 7μm，密度约为 1.80g/cm3，碳纤维单丝的力学性能为 3.75GPa（拉伸强度）、210.2GPa（拉伸模量）和 1.78%（断裂伸长率）；拉挤树脂基体采用双酚 A 型环氧树脂，固化剂采用甲基四氢苯酐，树脂基体的配方、比例及产地见表 2-1 所示。通过拉挤工艺制备成型的CFRP 板材的名义尺寸为 25mm×1.5mm，纤维体积分数约为 60%，密度约为1.6g/cm3，拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率分别为 1.95GPa（±0.12）、168.4GPa（±1.4）和 1.16%（±0.08）。