玄武巖纖維增強樹脂基復合材料的高溫性能研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的結構材料相比，纖維增強聚合物復合材料（FRP）具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和較高的比強度與比模量，近年來被廣泛應用于橋梁等重要基礎設施的加固與增強?；A設施的設計使用年限長且服役環(huán)境復雜多樣，因此，對FRP材料的性能要求也相應提高。其中，F(xiàn)RP在高溫/火災極端環(huán)境下的性能演化規(guī)律與機理，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/加固結構安全經濟設計方法的基礎，具有重要的科學研究意義與工程應用價值。
　　玄武巖纖維

2、是一種新型的綠色高性能無機材料，隨著我國經濟的不斷發(fā)展以及工業(yè)化進程的推進，玄武巖纖維將會在實際應用中扮演重要的角色。本文對玄武巖纖維及其增強板材的高溫性能進行了探索與研究，以求全面、深入地了解玄武巖纖維的耐高溫特性，充分認識這種新型材料，為進一步拓展玄武巖纖維的實際應用提供數(shù)據和理論支持。
　　本文的主要研究內容及成果如下：
　　首先，研究了玄武巖纖維及玄武巖纖維增強（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的層間剪切強度顯著退化，尤其是溫度超過材料的玻璃化轉變溫度后，200℃時BFRP的層間剪切強度保留率僅為7.8％。同時，溫度升高導致BFRP的拉伸性能發(fā)生急劇退化，采用代表體積單元模型對BFRP高溫下的拉伸強度進行了預測。在200℃處理4小時后，玄武巖纖維及BFRP的力學性能變化較小。與玻璃纖維及玻璃纖維增強（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的水吸收與擴散行為。將BFRP在135℃或300℃處理4小時后浸泡于水或堿溶液環(huán)境下，高溫處理導致BFRP內部樹脂基體降解，孔隙率升高。在浸泡環(huán)境下BFRP內部孔隙連通，BFRP的水吸收與擴散系數(shù)大幅度提高，理論計算了BFRP沿纖維及垂直于纖維方向的水吸收與擴散系數(shù)，并與純樹脂基體的水吸收與擴散系數(shù)進行了對比。研究結果表明，高溫處理導致BFRP水吸收與擴散的路徑發(fā)生變化，應考慮纖維與樹脂間界面

5、對BFRP水吸收與擴散性能的影響，基于Arrhenius理論計算了BFRP的擴散活化能。
　　第三，研究了高溫處理玄武巖纖維及BFRP板材的長期力學性能演化。將試樣在135℃或300℃處理4小時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，纖維的拉伸強度明顯下降，300℃處理后拉伸強度降低了32.8%。堿溶液浸泡環(huán)境加速了氫氧根離子對纖維框架結構-Si-O-Si-的分解，浸泡一個月的纖維拉伸強度趨于零。高溫處理后

6、BFRP表面發(fā)生氧化，拉伸性能退化較小，而層間剪切強度降低明顯。隨著浸泡時間的增加酯鍵逐步分解，基于Arrhenius方程對BFRP板材的長期拉伸強度進行了預測。
　　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%拉伸強度。恒溫恒載下BFRP板材發(fā)生應力重分布，處理4小時后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