玻璃钢复合材料拉挤型材耐久性概述(一)
2022-10-11 08:30:04
一、 走进复材拉挤型材
所谓纤维增强复合材料(Fiber Reinforced-Polymer Composites, 简称FRP或复材)，就是由增强纤维材料（玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等），与基体材料经过缠绕，模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。FRP拉挤型材，就是由拉挤工艺连续生产的长条形FRP制品。
FRP在土木工程领域的应用历史较为短暂，现有研究已表明FRP的力学性能在长期环境作用下会表现出不同程度的下降，因此，对其耐久性的研究将直接影响FRP的设计和使用，也对未来推广FRP材料具有重要的意义。
土木工程结构往往具有长达数十年的设计使用寿命，而在试验室环境下FRP的耐久性试验仅能进行数十个月。因此，为了测试FRP的耐久性，常在试验室内利用有限的时间进行加速老化试验来模拟FRP在数十年后的表现。自然界的风吹雨打等因素，对FRP的老化起决定性作用的因素有：浸水/潮湿、浸碱溶液、浸酸溶液、高/低温、紫外辐射、冻融循环、干湿循环及其组合作用等。
自20世纪70年代以来，就有很多相关的试验，总结起来，主要是以下几个方面：
>溶液条件：浸水条件下FRP的老化严重。水的入侵会导致纤维和树脂的界面破坏，从而影响FRP的力学性能；浸水时间的增长、碱性环境和高温环境都会加剧复材的腐蚀。
>水的溶解作用：水对FRP的溶解作用受到多方面影响，如温度、孔隙率等。
>外部应力作用：短期来看，纤维在外部应力下被拉直，有利于FRP强度的增强；但长期来看，外加应力会增加FRP的吸水率，导致材料的加速老化。
>高温：高温对FRP的抗压强度、质量损失和抗冲击能力都有显著的影响。
>低温：单纯低温条件的影响较小，但在潮湿环境下，低温和水入侵的共同作用会导致FRP内部产生裂纹以及纤维和树脂的界面分离，不利于材料耐久性。
>自然环境：自然条件下FRP往往面临多种环境条件。温度、水和紫外线的共同作用下，FRP的后固化效应会导致弹模增大；同时海水的侵蚀问题往往比陆地上更为严重。
>试验因素：全世界范围内的FRP耐久性试验具有较大的离散度，因此难以直接从试验中得到一个通用的结论。FRP材料的离散度主要体现在：
1.老化机理复杂，FRP的腐蚀可能发生在树脂、树脂与纤维的界面以及纤维；
2.纤维和树脂种类繁多，不同的FRP常由不同搭配及比例的纤维和树脂组成，因此试验结果会有差异；
3.FRP生产工艺不同，会导致材料的纤维含量、材料的组织结构等产生差异，从而对材料的力学性能和耐久性能产生影响。
那么，大家关心的FRP拉挤型材的耐久性究竟怎样呢？
二、老化机理
既然FRP在环境作用下会发生老化，那么老化具体是如何发生的呢？
导致老化有外因也有内因，在不同因素的作用下，其老化机理也有所不同。
1、在浸水/潮湿条件下的老化机理
>纤维：碳纤维和玻璃纤维等无机纤维不会吸水，但树脂吸水引起的微裂纹会在树脂和纤维界面扩张，最终导致纤维开裂。有机纤维吸水会直接导致纤维的膨胀和开裂。
>树脂基体：环境中的水主要通过渗透和毛细现象入侵到FRP中。水入侵后会引起树脂的膨胀，产生微裂纹。此外，水入侵使材料产生塑化和水解，导致材料软化等。当干燥后，材料的塑化是部分可逆的，但水解是不可逆的，它会导致材料永久性损坏。
>纤维-树脂基体界面：界面为水的进入提供了方便的通道，对于界面质量较差的FRP材料，该通道效应更为明显。沿纤维-基体界面吸收的水会引起界面的溶胀和微裂纹的扩散。此外，纤维-基体会发生脱胶，部分基体材料可能会溶解在入侵界面的水中，直接降低了FRP材料的层间剪切强度。
>水入侵的影响：水进入树脂基体和纤维-基体界面可能会进一步加宽初始裂纹，并产生新的裂纹和空隙，从而允许将额外的水吸收到FRP材料中，加剧降解机制。水的入侵会影响纤维为主的性能，即拉伸性能，并显著降低基体和界面为主的性能，即弯曲和剪切性能。
2、在酸碱溶液条件下的老化机理
碱性和酸性溶液会以类似于水入侵的方式老化FRP材料。两种溶液都可以通过渗透作用进入材料，之后在基体和纤维-基体界面中引起溶胀，导致微裂纹的形成和传播，从而降低了材料的强度和弹模。根据现有研究数据，通常碱性溶液对FRP材料的力学性能影响更大。
3、在高温条件下的老化机理
高温会影响FRP的树脂基体的粘弹性。当环境温度接近或高于FRP的玻璃转化温度时，树脂基体软化，不能在纤维和基体之间传递应力，从而导致基体弹模降低和纤维-基体界面劣化。因此，在高温下，FRP材料的失效模式受纤维控制，表现为纤维束的突然脆性断裂。
4、在紫外线辐射下的老化机理
FRP在紫外线辐射下易发生化学降解，衰老从“皮肤”开始。紫外辐照会导致树脂基体表面氧化，破坏分子之间的化学键并影响材料的表面光泽。 然而，由于紫外线辐射而降低的机械性能仅限于材料内约10μm深度，对力学性能的影响几乎可以忽略不计。
5、在冻融循环条件下的老化机理
水和冻融循环的耦合作用可以使浸泡的材料产生老化，但是干燥的材料在冻融循环下的老化常可以忽略。有试验表明，冻融循环下的GFRP材料（玻璃钢）的弯曲刚度不降反升，这是由于树脂基体在低温下的硬化行为所致。因此，冻融循环对FRP材料的力学性能没有明显的不利影响。
6、在干湿循环条件下的老化机理
干湿循环对FRP的老化机理与水溶液所引起的老化机理相似，本质上是水或水基溶液引发了老化过程。
7、在自然条件下的老化机理
自然条件下FRP的老化往往是以上各个机理的共同作用。
总结起来，引起FRP老化的长期环境作用主要有以上几种，这些外部条件综合作用于FRP的纤维、基体、以及界面。在定性地分析了老化机理之后，让我们来看看具体的试验数据吧。
未完，接下页，玻璃钢复合材料拉挤型材耐久性概述（二）
文章来源：FengSLab
所谓纤维增强复合材料(Fiber Reinforced-Polymer Composites, 简称FRP或复材)，就是由增强纤维材料（玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等），与基体材料经过缠绕，模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。FRP拉挤型材，就是由拉挤工艺连续生产的长条形FRP制品。
FRP拉挤型材
FRP按照纤维、基体材料不同而分为很多种类，虽性能各有一定差异，但普遍具有轻质高强的特点，在建筑、交通、制造业等领域中都有相当的优势。FRP在土木工程领域的应用历史较为短暂，现有研究已表明FRP的力学性能在长期环境作用下会表现出不同程度的下降，因此，对其耐久性的研究将直接影响FRP的设计和使用，也对未来推广FRP材料具有重要的意义。
土木工程结构往往具有长达数十年的设计使用寿命，而在试验室环境下FRP的耐久性试验仅能进行数十个月。因此，为了测试FRP的耐久性，常在试验室内利用有限的时间进行加速老化试验来模拟FRP在数十年后的表现。自然界的风吹雨打等因素，对FRP的老化起决定性作用的因素有：浸水/潮湿、浸碱溶液、浸酸溶液、高/低温、紫外辐射、冻融循环、干湿循环及其组合作用等。
自20世纪70年代以来，就有很多相关的试验，总结起来，主要是以下几个方面：
>溶液条件：浸水条件下FRP的老化严重。水的入侵会导致纤维和树脂的界面破坏，从而影响FRP的力学性能；浸水时间的增长、碱性环境和高温环境都会加剧复材的腐蚀。
>水的溶解作用：水对FRP的溶解作用受到多方面影响，如温度、孔隙率等。
>外部应力作用：短期来看，纤维在外部应力下被拉直，有利于FRP强度的增强；但长期来看，外加应力会增加FRP的吸水率，导致材料的加速老化。
>高温：高温对FRP的抗压强度、质量损失和抗冲击能力都有显著的影响。
>低温：单纯低温条件的影响较小，但在潮湿环境下，低温和水入侵的共同作用会导致FRP内部产生裂纹以及纤维和树脂的界面分离，不利于材料耐久性。
>自然环境：自然条件下FRP往往面临多种环境条件。温度、水和紫外线的共同作用下，FRP的后固化效应会导致弹模增大；同时海水的侵蚀问题往往比陆地上更为严重。
>试验因素：全世界范围内的FRP耐久性试验具有较大的离散度，因此难以直接从试验中得到一个通用的结论。FRP材料的离散度主要体现在：
1.老化机理复杂，FRP的腐蚀可能发生在树脂、树脂与纤维的界面以及纤维；
2.纤维和树脂种类繁多，不同的FRP常由不同搭配及比例的纤维和树脂组成，因此试验结果会有差异；
3.FRP生产工艺不同，会导致材料的纤维含量、材料的组织结构等产生差异，从而对材料的力学性能和耐久性能产生影响。
那么，大家关心的FRP拉挤型材的耐久性究竟怎样呢？
二、老化机理
既然FRP在环境作用下会发生老化，那么老化具体是如何发生的呢？
导致老化有外因也有内因，在不同因素的作用下，其老化机理也有所不同。
FRP在浸水或高湿度环境下的老化机理
>纤维：碳纤维和玻璃纤维等无机纤维不会吸水，但树脂吸水引起的微裂纹会在树脂和纤维界面扩张，最终导致纤维开裂。有机纤维吸水会直接导致纤维的膨胀和开裂。
>树脂基体：环境中的水主要通过渗透和毛细现象入侵到FRP中。水入侵后会引起树脂的膨胀，产生微裂纹。此外，水入侵使材料产生塑化和水解，导致材料软化等。当干燥后，材料的塑化是部分可逆的，但水解是不可逆的，它会导致材料永久性损坏。
>纤维-树脂基体界面：界面为水的进入提供了方便的通道，对于界面质量较差的FRP材料，该通道效应更为明显。沿纤维-基体界面吸收的水会引起界面的溶胀和微裂纹的扩散。此外，纤维-基体会发生脱胶，部分基体材料可能会溶解在入侵界面的水中，直接降低了FRP材料的层间剪切强度。
>水入侵的影响：水进入树脂基体和纤维-基体界面可能会进一步加宽初始裂纹，并产生新的裂纹和空隙，从而允许将额外的水吸收到FRP材料中，加剧降解机制。水的入侵会影响纤维为主的性能，即拉伸性能，并显著降低基体和界面为主的性能，即弯曲和剪切性能。
2、在酸碱溶液条件下的老化机理
碱性和酸性溶液会以类似于水入侵的方式老化FRP材料。两种溶液都可以通过渗透作用进入材料，之后在基体和纤维-基体界面中引起溶胀，导致微裂纹的形成和传播，从而降低了材料的强度和弹模。根据现有研究数据，通常碱性溶液对FRP材料的力学性能影响更大。
3、在高温条件下的老化机理
高温的降解机理
高温与溶液共同作用时，能够加速水、碱、酸溶液引起的老化作用；而高温单独作用也会影响FRP的力学性能。高温会影响FRP的树脂基体的粘弹性。当环境温度接近或高于FRP的玻璃转化温度时，树脂基体软化，不能在纤维和基体之间传递应力，从而导致基体弹模降低和纤维-基体界面劣化。因此，在高温下，FRP材料的失效模式受纤维控制，表现为纤维束的突然脆性断裂。
4、在紫外线辐射下的老化机理
FRP在紫外线辐射下易发生化学降解，衰老从“皮肤”开始。紫外辐照会导致树脂基体表面氧化，破坏分子之间的化学键并影响材料的表面光泽。 然而，由于紫外线辐射而降低的机械性能仅限于材料内约10μm深度，对力学性能的影响几乎可以忽略不计。
5、在冻融循环条件下的老化机理
水和冻融循环的耦合作用可以使浸泡的材料产生老化，但是干燥的材料在冻融循环下的老化常可以忽略。有试验表明，冻融循环下的GFRP材料（玻璃钢）的弯曲刚度不降反升，这是由于树脂基体在低温下的硬化行为所致。因此，冻融循环对FRP材料的力学性能没有明显的不利影响。
6、在干湿循环条件下的老化机理
干湿循环对FRP的老化机理与水溶液所引起的老化机理相似，本质上是水或水基溶液引发了老化过程。
7、在自然条件下的老化机理
自然条件下FRP的老化往往是以上各个机理的共同作用。
总结起来，引起FRP老化的长期环境作用主要有以上几种，这些外部条件综合作用于FRP的纤维、基体、以及界面。在定性地分析了老化机理之后，让我们来看看具体的试验数据吧。
未完，接下页，玻璃钢复合材料拉挤型材耐久性概述（二）
文章来源：FengSLab
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