玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的高溫性能研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料相比，纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（FRP）具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和較高的比強(qiáng)度與比模量，近年來被廣泛應(yīng)用于橋梁等重要基礎(chǔ)設(shè)施的加固與增強(qiáng)。基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)使用年限長且服役環(huán)境復(fù)雜多樣，因此，對(duì)FRP材料的性能要求也相應(yīng)提高。其中，F(xiàn)RP在高溫/火災(zāi)極端環(huán)境下的性能演化規(guī)律與機(jī)理，是在考慮上述環(huán)境條件下發(fā)展高性能FRP材料及建立FRP增強(qiáng)/加固結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)研究意義與工程應(yīng)用價(jià)值。
　　玄武巖纖維

2、是一種新型的綠色高性能無機(jī)材料，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，玄武巖纖維將會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中扮演重要的角色。本文對(duì)玄武巖纖維及其增強(qiáng)板材的高溫性能進(jìn)行了探索與研究，以求全面、深入地了解玄武巖纖維的耐高溫特性，充分認(rèn)識(shí)這種新型材料，為進(jìn)一步拓展玄武巖纖維的實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和理論支持。
　　本文的主要研究內(nèi)容及成果如下：
　　首先，研究了玄武巖纖維及玄武巖纖維增強(qiáng)（BFRP）板材在高溫下及高溫處理后的性能演化。高溫下，

3、由室溫至200℃，玄武巖纖維的拉伸性能下降，離散性增加。BFRP的層間剪切強(qiáng)度顯著退化，尤其是溫度超過材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度后，200℃時(shí)BFRP的層間剪切強(qiáng)度保留率僅為7.8％。同時(shí)，溫度升高導(dǎo)致BFRP的拉伸性能發(fā)生急劇退化，采用代表體積單元模型對(duì)BFRP高溫下的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測。在200℃處理4小時(shí)后，玄武巖纖維及BFRP的力學(xué)性能變化較小。與玻璃纖維及玻璃纖維增強(qiáng)（GFRP）板材相比，玄武巖纖維及BFRP板材表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫性

4、能。
　　其次，研究了高溫處理BFRP的水吸收與擴(kuò)散行為。將BFRP在135℃或300℃處理4小時(shí)后浸泡于水或堿溶液環(huán)境下，高溫處理導(dǎo)致BFRP內(nèi)部樹脂基體降解，孔隙率升高。在浸泡環(huán)境下BFRP內(nèi)部孔隙連通，BFRP的水吸收與擴(kuò)散系數(shù)大幅度提高，理論計(jì)算了BFRP沿纖維及垂直于纖維方向的水吸收與擴(kuò)散系數(shù)，并與純樹脂基體的水吸收與擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果表明，高溫處理導(dǎo)致BFRP水吸收與擴(kuò)散的路徑發(fā)生變化，應(yīng)考慮纖維與樹脂間界面

5、對(duì)BFRP水吸收與擴(kuò)散性能的影響，基于Arrhenius理論計(jì)算了BFRP的擴(kuò)散活化能。
　　第三，研究了高溫處理玄武巖纖維及BFRP板材的長期力學(xué)性能演化。將試樣在135℃或300℃處理4小時(shí)后浸泡于水或堿溶液環(huán)境下，高溫處理改變了玄武巖纖維的短程有序性，纖維的拉伸強(qiáng)度明顯下降，300℃處理后拉伸強(qiáng)度降低了32.8%。堿溶液浸泡環(huán)境加速了氫氧根離子對(duì)纖維框架結(jié)構(gòu)-Si-O-Si-的分解，浸泡一個(gè)月的纖維拉伸強(qiáng)度趨于零。高溫處理后

6、BFRP表面發(fā)生氧化，拉伸性能退化較小，而層間剪切強(qiáng)度降低明顯。隨著浸泡時(shí)間的增加酯鍵逐步分解，基于Arrhenius方程對(duì)BFRP板材的長期拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測。
　　第四，研究了荷載與高溫耦合作用下BFRP及BFRP-混凝土界面粘結(jié)性能退化規(guī)律。BFRP的測試溫度為室溫至160℃，荷載為35%、50%以及65%拉伸強(qiáng)度。恒溫恒載下BFRP板材發(fā)生應(yīng)力重分布，處理4小時(shí)后BFRP在高溫下的拉伸性能明顯下降，溫度與荷載水平越高拉伸性