預應力碳纖維板錨具組裝件老化試驗分析

龐忠華， 覃巍巍， 李 翔， 盧小芬

（柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西 柳州 545005）

碳纖維增強高分子復合材料（CFRP）由于強度與比模量大、密度小、耐久性好等特點廣泛應用于土木工程領域[1]。近年來用于橋梁加固時普遍采用的夾片式預應力碳纖維板錨具由碳纖維板、錨具通過夾片頂壓錨固的方式組裝成為碳纖維板錨具組裝件，施加預應力后再粘貼于橋梁梁板底面或側面，其需在有應力狀態下長期使用且受自然環境下的空氣、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，對濕熱環境耦合疲勞等應力作用下復合材料老化的研究不夠充分。

為了研究溫度、濕度對預應力碳纖維板錨具的影響，本文通過熱空氣人工加速老化試驗，模擬碳纖維板錨具組裝件在實際工況存在一定應力的長期負載，探討其組裝件整體的長期可靠性及使用壽命。

1 預應力碳纖維板錨具錨固機理

為了研究使用壽命，首先簡要分析錨具的錨固機理。在夾片式錨具中，夾片和錨板錐孔是構成預應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壁的摩擦來傳遞預應力[6]。見圖1。

圖1 錨固單元

夾片式碳纖維板錨具的錨固過程分頂壓組裝、張拉和放張3個階段，放張階段結束后，碳纖維板錨固完成。近年來還出現在夾片與碳纖維板之間的接觸面涂抹環氧類膠黏劑的工藝，膠黏劑可將夾片與碳纖維板之間的微細空間填充密實并提供一定的黏結力，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，仍屬于機械式錨固。

2 預應力碳纖維板錨具壽命推算

錨板、夾片、碳纖維板、膠黏劑在長期受力狀態下，任一零件出現性能下降均可能導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明顯加快，特別是碳纖維板、膠黏劑此類高分子材料對溫度的變化較金屬材料更為明顯。因此，在合適的試驗溫度下，將錨具組裝件的抗拉性能（拉伸力）數值變化看作時間函數，每隔一定時間取出試樣進行測試并對測試結果進行評估，在測試結果未達到試驗終止指標的情況下，繼續該步驟直至所測性能達到臨界值，從而得出在該溫度下的老化失效時間。

選擇3 個溫度進行試驗，以失效時間的對數對選定溫度（絕對溫度）的倒數作圖，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間（即壽命）。試驗原理基于阿累尼烏斯（Arrhenius）公式。溫度是影響化學反應速率的基本因素之一，溫度越高，反應速率越快。速率常數k與溫度T 的函數關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 為反應速率常數，min-1；A 為指前因子，min-1；Ea為活化能，J/mol；T為熱力學溫度，K；R為摩爾氣體常數，8.314 J/（mol·K）。

式中：Fx（t）為表示反應程度的函數；t為反應時間。

不同反應溫度，以不同反應速率和反應時間，經相同的反應機理達到相同的反應程度時，其性能一致，即Fx（t）為一定值，把式（3）帶入式（4）

合并常數項后，以對數表示

式中：B 為材料耐熱關系或圖線上時間極限的交點，給定溫度后為定值。

式（6）體現了失效時間與溫度之間的關系，是壽命推算的依據。數據處理以所選錨具組裝件在相同預應力負載下的測試值對時間的對數作圖，用插入法得出該溫度下性能達到臨界值時的老化時間（即失效時間）；同理得出每個試驗溫度下的失效時間。以失效時間的對數與溫度的倒數作圖，所得到的直線可以外推到試樣在儲存或使用溫度下的失效時間，即壽命。

3 預應力碳纖維板錨具老化試驗

3.1 試驗依據

1）按照GB/T 7142—2002《塑料長期熱暴露后時間-溫度極限的測定》進行老化試驗及壽命推算。

2）根據GB 50728—2011《工程結構加固材料安全性鑒定技術規范》確定碳纖維板的抗拉強度標準值，以提供錨具組裝件的靜載試驗標準值。

3）按照GB/T 14370—2015《預應力筋用錨具、夾具和連接器》進行錨具的靜載錨固性能試驗，以測試錨具組裝件的拉伸力。

3.2 評價指標

工程上使用的關鍵指標為碳纖維板的抗拉強度（即拉伸力或張拉力），故選擇碳纖維板的抗拉性能（拉伸力）作為壽命推算試驗過程及終止評價指標，而拉伸力可通過錨具組裝件的靜載錨固性能試驗測試出來。

3.3 試驗設備

13 t千斤頂（配油泵）、熱老化試驗箱、萬能電子拉力試驗機等。

3.4 試件規格及數量

選取50 mm×3.0 mm 的碳纖維板，抗拉強度為2 400 MPa，標準破斷力為360 kN，按熱老化試驗箱的空間確定碳板長度，制作成45套錨具組裝件。

3.5 試驗溫度

試驗室溫度為23 ℃；相對濕度50%；經過前期預試驗，確定了熱老化試驗箱溫度分別為100、110、130℃。

3.6 預應力加載

對每組碳纖維板錨具組裝件施加40%的預應力，即張拉力為144 kN。加載時通過小型千斤頂、張拉桿、張拉擋板組成的張拉系統對錨具組裝件進行預應力的施加，張拉至144 kN 時鎖死鎖緊螺母，保持預應力，隨后撤去千斤頂。

3.7 臨界值

以選擇的抗拉強度（拉伸力）下降到標準值的50%（180 kN）為臨界值，當被測性能達到臨界值時即判為失效，此時對應的老化時間即為失效時間。

3.8 試驗步驟

1）為了確定人工加速老化試驗最高溫度，需進行預試驗，要求在最高試驗溫度時，所選測試性能達到臨界值的時間不低于200 h。根據預試驗確定的最高試驗溫度Th，向下選取3個熱老化試驗溫度，相鄰溫度間隔10～20 ℃，分別為T1、T2、T3。

2）熱老化前，對一定數量的試樣進行狀態調節并在標準環境下進行原始性能測試。

3）根據選定的應力負載條件，碳板錨具組裝件施加預應力后，放入到老化箱中，老化箱由溫度傳感器監測溫度并自動保溫，當溫度穩定在設定溫度±1 ℃范圍內時，開始計時。

4）老化試驗每進行到一段規定時間，取出試件進行狀態調節，在標準環境下進行錨具組裝件拉伸力的測試，通過定制的夾具將兩端錨具準確夾緊，隨后在萬能拉力試驗機上進行拉伸試驗，測出加速老化后殘余的拉伸力。

5）當某一試驗溫度下樣品指定性能達到臨界值時，停止該溫度下的試驗；當該試驗樣品選取的3個溫度下的指定性能均達到指定的臨界值時，該試樣的老化試驗結束，評價壽命。

3.9 試驗結果

1）當拉伸力由標準破斷力360 kN 下降至180 kN時，即認為錨具組裝件的張拉力、錨固性已無法滿足要求，判定為失效。見表1。

表1 老化試驗的失效時間

2）以老化時間為橫坐標、拉伸力為縱坐標，以失效拉伸力180 kN為失效直線，將整個試驗過程數據繪制成老化試驗的曲線，見圖2。

圖2 老化曲線

3）以選定的試驗溫度（絕對溫度）倒數為橫坐標、以失效時間對數為縱坐標，繪制拉伸性能回歸曲線，見圖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的公式

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

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 結論

試驗研究表明，采用夾片式機械錨固的預應力碳纖維板錨具組裝件，在施加40%標準破斷力的預應力條件下，經過人工加速老化，至抗拉強度（拉伸力）保持率為50%碳板標準破斷力的終止指標（臨界值）時，其使用壽命在25 ℃下為75 a，在50 ℃下為59 a。

本次試驗所設定的條件與預應力碳板錨具組裝件的實際應用工況高度一致，其結果具有較強的參考價值；證明碳板錨具組裝件在橋梁加固應用中具有較高的可靠性、安全性。