玄武岩纤维增强树脂基复合材料的高温性能研究.docx

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1、玄武岩纤维增强树脂基复合材料的高温性能研究与传统的结构材料相比,纤维增强聚合物复合材料(FRP)具有优异的耐腐蚀性能和较高的比强度与比模量,近年来被广泛应用于桥梁等重要基础设施的加固与增强。基础设施的设计使用年限长且服役环境复杂多样,因此,对FRP材料的性能要求也相应提高。其中,FRP在高温/火灾极端环境下的性能演化规律与机理,是在考虑上述环境条件下发展高性能FRP材料及建立FRP增强/加固结构安全经济设计方法的基础,具有重要的科学研究意义与工程应用价值。玄武岩纤维是一种新型的绿色高性能无机材料,随着我国经济的不断发展以及工业化进程的推

2、进,玄武岩纤维将会在实际应用中扮演重要的角色。本文对玄武岩纤维及其增强板材的高温性能进行了探索与研究,以求全面、深入地了解玄武岩纤维的耐高温特性,充分认识这种新型材料,为进一步拓展玄武岩纤维的实际应用提供数据和理论支持。本文的主要研究内容及成果如下:首先,研究了玄武岩纤维及玄武岩纤维增强(BFRP)板材在高温下及高温处理后的性能演化。高温下,由室温至200°C,玄武岩纤维的拉伸性能下降,离散性增加。BFRP的层间剪切强度显著退化,尤其是温度超过材料的玻璃化转变温度后,200°C时BFRP的层间剪切强度保留率仅为7.8%。同时,温度升高导

3、致BFRP的拉伸性能发生急剧退化,采用代表体积单元模型对BFRP高温下的拉伸强度进行了预测。在200°C处理4小时后,玄武岩纤维及BFRP的力学性能变化较小。与玻璃纤维及玻璃纤维增强(GFRP)板材相比,玄武岩纤维及BFRP板材表现出优异的耐高温性能。其次,研究了高温处理BFRP的水吸收与扩散行为。将BFRP在135°C或300°C处理4小时后浸泡于水或碱溶液环境下,高温处理导致BFRP内部树脂基体降解,孔隙率升高。在浸泡环境下BFRP内部孔隙连通,BFRP的水吸收与扩散系数大幅度提高,理论计算了BFRP沿纤维及垂直于纤维方向的水吸收与

4、扩散系数,并与纯树脂基体的水吸收与扩散系数进行了对比。研究结果表明,高温处理导致BFRP水吸收与扩散的路径发生变化,应考虑纤维与树脂间界面对BFRP水吸收与扩散性能的影响,基于Arrhenius理论计算了BFRP的扩散活化能。第三,研究了高温处理玄武岩纤维及BFRP板材的长期力学性能演化。将试样在135°C或300°C处理4小时后浸泡于水或碱溶液环境下,高温处理改变了玄武岩纤维的短程有序性,纤维的拉伸强度明显下降,300°C处理后拉伸强度降低了32.8%。碱溶液浸泡环境加速了氢氧根离子对纤维框架结构-Si-O-Si-的分解,浸泡一个月的

5、纤维拉伸强度趋于零。高温处理后BFRP表面发生氧化,拉伸性能退化较小,而层间剪切强度降低明显。随着浸泡时间的增加酯键逐步分解,基于Arrhenius方程对BFRP板材的长期拉伸强度进行了预测。第四,研究了荷载与高温耦合作用下BFRP及BFRP-混凝土界面粘结性能退化规律。BFRP的测试温度为室温至160°C,荷载为35%、50%以及65%拉伸强度。恒温恒载下BFRP板材发生应力重分布,处理4小时后BFRP在高温下的拉伸性能明显下降,温度与荷载水平越高拉伸性能退化越显著,160°C与35%fu及50%fu处理4小时后,在160°C温度下B

6、FRP的拉伸强度退化了20.0%及41.8%,而在常温下退化了8.2%及29.0%。基于实验结果,建立了持荷BFRP高温下的拉伸强度计算方法。BFRP混-凝土界面在室温至60°C与35%极限荷载耦合作用下,荷载由BFRP逐步转移到胶粘层,在40°C及60°C下试样的极限荷载分别升高了20.2%及31.2%。