龐忠華， 覃巍巍， 李 翔， 盧小芬

（柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545005）

碳纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料（CFRP）由于強(qiáng)度與比模量大、密度小、耐久性好等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域[1]。近年來(lái)用于橋梁加固時(shí)普遍采用的夾片式預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具由碳纖維板、錨具通過(guò)夾片頂壓錨固的方式組裝成為碳纖維板錨具組裝件，施加預(yù)應(yīng)力后再粘貼于橋梁梁板底面或側(cè)面，其需在有應(yīng)力狀態(tài)下長(zhǎng)期使用且受自然環(huán)境下的空氣、溫度、濕度影響較大。目前的研究［1～5］只是單一的研究濕、熱或濕熱作用下材料的性能，對(duì)濕熱環(huán)境耦合疲勞等應(yīng)力作用下復(fù)合材料老化的研究不夠充分。

為了研究溫度、濕度對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具的影響，本文通過(guò)熱空氣人工加速老化試驗(yàn)，模擬碳纖維板錨具組裝件在實(shí)際工況存在一定應(yīng)力的長(zhǎng)期負(fù)載，探討其組裝件整體的長(zhǎng)期可靠性及使用壽命。

1 預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具錨固機(jī)理

為了研究使用壽命，首先簡(jiǎn)要分析錨具的錨固機(jī)理。在夾片式錨具中，夾片和錨板錐孔是構(gòu)成預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具的錨固單元，依靠碳纖維板與夾片之間的咬合以及夾片與錨板錐孔內(nèi)壁的摩擦來(lái)傳遞預(yù)應(yīng)力[6]。見(jiàn)圖1。

圖1 錨固單元

夾片式碳纖維板錨具的錨固過(guò)程分頂壓組裝、張拉和放張3個(gè)階段，放張階段結(jié)束后，碳纖維板錨固完成。近年來(lái)還出現(xiàn)在夾片與碳纖維板之間的接觸面涂抹環(huán)氧類膠黏劑的工藝，膠黏劑可將夾片與碳纖維板之間的微細(xì)空間填充密實(shí)并提供一定的黏結(jié)力，起到輔助錨固作用；但其錨固可靠性仍主要依賴夾片與錨板之間、夾片與碳纖維板之間的摩擦力、夾持力，仍屬于機(jī)械式錨固。

2 預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具壽命推算

錨板、夾片、碳纖維板、膠黏劑在長(zhǎng)期受力狀態(tài)下，任一零件出現(xiàn)性能下降均可能導(dǎo)致錨具組裝件錨固性下降，甚至失效；而在高溫條件下，各種材料的老化速度會(huì)明顯加快，特別是碳纖維板、膠黏劑此類高分子材料對(duì)溫度的變化較金屬材料更為明顯。因此，在合適的試驗(yàn)溫度下，將錨具組裝件的抗拉性能（拉伸力）數(shù)值變化看作時(shí)間函數(shù)，每隔一定時(shí)間取出試樣進(jìn)行測(cè)試并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，在測(cè)試結(jié)果未達(dá)到試驗(yàn)終止指標(biāo)的情況下，繼續(xù)該步驟直至所測(cè)性能達(dá)到臨界值，從而得出在該溫度下的老化失效時(shí)間。

選擇3 個(gè)溫度進(jìn)行試驗(yàn)，以失效時(shí)間的對(duì)數(shù)對(duì)選定溫度（絕對(duì)溫度）的倒數(shù)作圖，所得到的直線可以外推到錨具組裝件在使用溫度下的失效時(shí)間（即壽命）。試驗(yàn)原理基于阿累尼烏斯（Arrhenius）公式。溫度是影響化學(xué)反應(yīng)速率的基本因素之一，溫度越高，反應(yīng)速率越快。速率常數(shù)k與溫度T 的函數(shù)關(guān)系可用阿累尼烏斯公式描述

其微分形式

其不定積分形式

式中：k 為反應(yīng)速率常數(shù)，min-1；A 為指前因子，min-1；Ea為活化能，J/mol；T為熱力學(xué)溫度，K；R為摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）。

式中：Fx（t）為表示反應(yīng)程度的函數(shù)；t為反應(yīng)時(shí)間。

不同反應(yīng)溫度，以不同反應(yīng)速率和反應(yīng)時(shí)間，經(jīng)相同的反應(yīng)機(jī)理達(dá)到相同的反應(yīng)程度時(shí)，其性能一致，即Fx（t）為一定值，把式（3）帶入式（4）

合并常數(shù)項(xiàng)后，以對(duì)數(shù)表示

式中：B 為材料耐熱關(guān)系或圖線上時(shí)間極限的交點(diǎn)，給定溫度后為定值。

式（6）體現(xiàn)了失效時(shí)間與溫度之間的關(guān)系，是壽命推算的依據(jù)。數(shù)據(jù)處理以所選錨具組裝件在相同預(yù)應(yīng)力負(fù)載下的測(cè)試值對(duì)時(shí)間的對(duì)數(shù)作圖，用插入法得出該溫度下性能達(dá)到臨界值時(shí)的老化時(shí)間（即失效時(shí)間）；同理得出每個(gè)試驗(yàn)溫度下的失效時(shí)間。以失效時(shí)間的對(duì)數(shù)與溫度的倒數(shù)作圖，所得到的直線可以外推到試樣在儲(chǔ)存或使用溫度下的失效時(shí)間，即壽命。

3 預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具老化試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)依據(jù)

1）按照GB/T 7142—2002《塑料長(zhǎng)期熱暴露后時(shí)間-溫度極限的測(cè)定》進(jìn)行老化試驗(yàn)及壽命推算。

2）根據(jù)GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》確定碳纖維板的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，以提供錨具組裝件的靜載試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值。

3）按照GB/T 14370—2015《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》進(jìn)行錨具的靜載錨固性能試驗(yàn)，以測(cè)試錨具組裝件的拉伸力。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

工程上使用的關(guān)鍵指標(biāo)為碳纖維板的抗拉強(qiáng)度（即拉伸力或張拉力），故選擇碳纖維板的抗拉性能（拉伸力）作為壽命推算試驗(yàn)過(guò)程及終止評(píng)價(jià)指標(biāo)，而拉伸力可通過(guò)錨具組裝件的靜載錨固性能試驗(yàn)測(cè)試出來(lái)。

3.3 試驗(yàn)設(shè)備

13 t千斤頂（配油泵）、熱老化試驗(yàn)箱、萬(wàn)能電子拉力試驗(yàn)機(jī)等。

3.4 試件規(guī)格及數(shù)量

選取50 mm×3.0 mm 的碳纖維板，抗拉強(qiáng)度為2 400 MPa，標(biāo)準(zhǔn)破斷力為360 kN，按熱老化試驗(yàn)箱的空間確定碳板長(zhǎng)度，制作成45套錨具組裝件。

3.5 試驗(yàn)溫度

試驗(yàn)室溫度為23 ℃；相對(duì)濕度50%；經(jīng)過(guò)前期預(yù)試驗(yàn)，確定了熱老化試驗(yàn)箱溫度分別為100、110、130℃。

3.6 預(yù)應(yīng)力加載

對(duì)每組碳纖維板錨具組裝件施加40%的預(yù)應(yīng)力，即張拉力為144 kN。加載時(shí)通過(guò)小型千斤頂、張拉桿、張拉擋板組成的張拉系統(tǒng)對(duì)錨具組裝件進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的施加，張拉至144 kN 時(shí)鎖死鎖緊螺母，保持預(yù)應(yīng)力，隨后撤去千斤頂。

3.7 臨界值

以選擇的抗拉強(qiáng)度（拉伸力）下降到標(biāo)準(zhǔn)值的50%（180 kN）為臨界值，當(dāng)被測(cè)性能達(dá)到臨界值時(shí)即判為失效，此時(shí)對(duì)應(yīng)的老化時(shí)間即為失效時(shí)間。

3.8 試驗(yàn)步驟

1）為了確定人工加速老化試驗(yàn)最高溫度，需進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，要求在最高試驗(yàn)溫度時(shí)，所選測(cè)試性能達(dá)到臨界值的時(shí)間不低于200 h。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)確定的最高試驗(yàn)溫度Th，向下選取3個(gè)熱老化試驗(yàn)溫度，相鄰溫度間隔10～20 ℃，分別為T(mén)1、T2、T3。

2）熱老化前，對(duì)一定數(shù)量的試樣進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)并在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行原始性能測(cè)試。

3）根據(jù)選定的應(yīng)力負(fù)載條件，碳板錨具組裝件施加預(yù)應(yīng)力后，放入到老化箱中，老化箱由溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度并自動(dòng)保溫，當(dāng)溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度±1 ℃范圍內(nèi)時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)。

4）老化試驗(yàn)每進(jìn)行到一段規(guī)定時(shí)間，取出試件進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行錨具組裝件拉伸力的測(cè)試，通過(guò)定制的夾具將兩端錨具準(zhǔn)確夾緊，隨后在萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)出加速老化后殘余的拉伸力。

5）當(dāng)某一試驗(yàn)溫度下樣品指定性能達(dá)到臨界值時(shí)，停止該溫度下的試驗(yàn)；當(dāng)該試驗(yàn)樣品選取的3個(gè)溫度下的指定性能均達(dá)到指定的臨界值時(shí)，該試樣的老化試驗(yàn)結(jié)束，評(píng)價(jià)壽命。

3.9 試驗(yàn)結(jié)果

1）當(dāng)拉伸力由標(biāo)準(zhǔn)破斷力360 kN 下降至180 kN時(shí)，即認(rèn)為錨具組裝件的張拉力、錨固性已無(wú)法滿足要求，判定為失效。見(jiàn)表1。

表1 老化試驗(yàn)的失效時(shí)間

2）以老化時(shí)間為橫坐標(biāo)、拉伸力為縱坐標(biāo)，以失效拉伸力180 kN為失效直線，將整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)繪制成老化試驗(yàn)的曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 老化曲線

3）以選定的試驗(yàn)溫度（絕對(duì)溫度）倒數(shù)為橫坐標(biāo)、以失效時(shí)間對(duì)數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制拉伸性能回歸曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 拉伸性能回歸曲線

從試件的拉伸性能回歸直線得出相應(yīng)的公式

式中：縱坐標(biāo)y=logt，t 的單位為周；橫坐標(biāo)x=1/（T×10-3），T為熱力學(xué)溫度。

由此推算錨具組裝件在25 ℃室溫下使用壽命約為3 907 周（75 a），在50 ℃下使用壽命約為3 104 周（59 a）。

4 結(jié)論

試驗(yàn)研究表明，采用夾片式機(jī)械錨固的預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具組裝件，在施加40%標(biāo)準(zhǔn)破斷力的預(yù)應(yīng)力條件下，經(jīng)過(guò)人工加速老化，至抗拉強(qiáng)度（拉伸力）保持率為50%碳板標(biāo)準(zhǔn)破斷力的終止指標(biāo)（臨界值）時(shí)，其使用壽命在25 ℃下為75 a，在50 ℃下為59 a。

本次試驗(yàn)所設(shè)定的條件與預(yù)應(yīng)力碳板錨具組裝件的實(shí)際應(yīng)用工況高度一致，其結(jié)果具有較強(qiáng)的參考價(jià)值；證明碳板錨具組裝件在橋梁加固應(yīng)用中具有較高的可靠性、安全性。