不同碳纖維復合材料在水利工程中的應用性能比較

中圖分類號：TQ342+.742 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）07-0072-04

Abstract：In order to improve the application performance of carbon fiber composite materials in hydraulic engineering，the peak load and failure morphology of five types of carbon fiber reinforced polymer （CFRP）-steel specimens （fatigue-free，galvanic corrosion，and fatigue specimens）were compared and analyzed.The results showed that the peak load of the aramid fiber specimens in the adhesive layer was higher than that of the aramid fiber specimens in the adhesive layer under the same service environment.Both corosion and fatigue had an adverse effct on the peak load of the composites，and galvanic corrosion had a greater impact on the peak load than fatigue. Compared withthe non-corrosive and fatigue-free ammonia-doped porous carbon fiber （NCNF）specimens，the average peak load of the adhesivelayer withand without aramid fiber was reduced tovarying degrees.Thecohesion failureof the bonding layer occurred inallfive types of composite specimens，and the failure mode of the fatigue specimens was the cohesion failureof the joint layerandthe CFRP interlayer failure.Theadhesive layerof thecomposite test piece was stil a weak area.

Key words：carbon fiber composite materials;steel;corrosion;fatigue;breaking talk mode

碳纖維增強聚合物（CFRP）是兩種或兩種以上不同性質的物質復合而成的材料[1]。通常情況下是由鏈狀碳原子在聚合物樹脂基體結構中組成，其特點包括強度高、耐腐蝕性能好等[2-3]。在使用時由于CFRP是一種復合材料而克服了單一材料的某些弱點，在現代水利工程中可以與鋼結構材料組合在一起作為結構材料使用[4]。CFRP－鋼復合結構材料以強度高、比模量高等力學性能優點，雖然在現代工程中已有較為成功的應用，如用于體育館、大跨度高層建筑等領域，但是應用于水利工程中方面的報道較少[5-7]。由于水利工程的腐蝕、疲勞等服役環境的特殊性，CFRP-鋼復合結構材料在水利工程中的使用性能是值得研究的課題[8]。為了研究碳纖維增強聚合物－鋼試件在水利工程服役環境下的使用性能，對比分析了5種類型的碳纖維增強聚合物-鋼試件（無疲勞無腐蝕、電偶腐蝕、疲勞試樣）的峰值荷載、破壞形貌，研究結果將有助于碳纖維增強聚合物-鋼試件在現代水利工程中的應用。

2 結果與分析

2.1 力學性能

1試驗材料與方法

1.1 試驗材料與設備

試驗材料主要包括：CFRP層合板（湖南諾方斯新材料有限公司，抗拉強度2530MPa、伸長率1.75% 線密度 198g/km ，厚度 0.26mm ）；Q345鋼板（寶山鋼鐵股份有限公司，屈服強度 抗拉強度 、斷后伸長率 36% ）；E－51雙酚A型環氧樹脂（深圳市匯特化工有限公司，環氧當量188g/eq ）、Kevlar49型芳綸纖維（南陽中特芳綸實業有限公司，抗拉強度3530MPa、斷后伸長率2.3% ）。

試驗設備主要包括：HRY48-120/3型熱壓機、X2XJ9510型西馬特微型銑床立式鉆銑床、GNT100型微機控制電子萬能試驗機、S-4800型鎢燈絲掃描電子顯微鏡。

由圖1可知，對于含芳綸纖維的試件，C72試件的峰值荷載分別為14、16和 12kN ;C24試件的峰值荷載分別為17、22和 18kN ;NCFC試件的峰值荷載分別為24、25和 23kN ;F24試件的峰值荷載分別為20、23和 21kN ;F72試件的峰值荷載分別為17、16和 16kN 。由此可見，無疲旁無腐蝕條件下含芳綸纖維的試件的峰值荷載最大，其次為F24試件，且3組試件的測試結果較為接近，表明實驗結果的準確性和穩定性。

1.2復合材料試件制備

結合水利工程實際服役環境，共設計了5種類型的試件：無疲勞無腐蝕、電偶腐蝕（ 24h 和72h）、疲勞試樣（ 24h 和72h），分別簡稱為NCNF、C24/C72、F24/F72。制備CFRP/鋼復合材料單搭接接頭試件，其中鋼板和CFRP層合板長度分別為180、300mm ，寬度都為 25mm ，厚度分別為4、0.26mm （單層），層數分別為1層和10層，有效粘接長度為 180mm 。

制備過程中先制備芳綸纖維薄膜，然后對鋼板進行拋丸處理和表面除銹，采用丙酮/環氧樹脂溶液對經過預處理的鋼板進行浸潤處理，在室溫下待丙酮完全揮發；將質量比3：1的環氧樹脂和固化劑攪拌均勻后對CFRP和鋼板進行粘接；采用熱壓機進行壓制[10]，參數為壓力 0.6MPa 、時間設定為4h;采用微型銑床進行加工制備成所需尺寸的試樣。

1.3 測試方法

采用GNT100型萬能試驗機對復合材料試件進行拉伸，測試溫度為25℃，加載速率為0.2mm/min ;為了模擬水利工程中的服役環境，在自制的電偶腐蝕試驗裝置中對復合材料試件進行了電偶腐蝕試驗[11]。采用S－4800 型鎢燈絲掃描電子顯微鏡進行形貌觀察。

1 23試樣編號

由圖2可知，F24試件的峰值荷載分別為19、18和 17kN ，F72試件的峰值荷載分別為13、14和11kN 。由此可見，無疲勞無腐蝕條件下不含芳綸纖維的試件的峰值荷載也最大，其次為F24試件，且3組試件的測試結果較為接近，表明實驗結果的準確性和穩定性。整體而言，對于相同服役環境下的試件，粘接層含芳綸纖維試件的峰值荷載要高于粘接層不含芳綸纖維試件，且無疲勞無腐蝕條件下復合材料試件的峰值荷載最大。此外，腐蝕和疲勞都會對復合材料的峰值荷載造成不利影響，且相較于電偶腐蝕，疲勞對試件峰值荷載的影響相對較小，這主要是因為腐蝕和疲勞都會對復合材料試件造成損傷，且前者的損傷程度更大，如會在纖維復合材料或者鋼板表面形成腐蝕坑而降低承載能力，造成最終峰值荷載下降[12-14]

由圖3可知，對于C24試件，含芳綸纖維試件的平均峰值荷載相較不含芳綸纖維試件高出 21.3% ：對于NCFC試件，含芳綸纖維試件的平均峰值荷載相較不含芳綸纖維試件高出 19.6% ；對于F24試件，含芳綸纖維試件的平均峰值荷載相較不含芳綸纖維試件高出 16.8% ；對于F72試件，含芳綸纖維試件的平均峰值荷載相較不含芳綸纖維試件高出27.7% 。對于不同服役環境的相同試件，含芳綸纖維的F72試件的平均峰值荷載相較NCFC試件下降32% 、不含芳綸纖維的F72試件的平均峰值荷載相較NCFC試件下降 36.1% ，含芳綸纖維的F24試件的平均峰值荷載相較NCFC試件下降 12.2% ，含芳綸纖維的C72試件的平均峰值荷載相較NCFC試件下降41.3% 、不含芳綸纖維的C72試件的平均峰值荷載相較NCFC試件下降 38.9% ，含芳綸纖維的C24試件的平均峰值荷載相較NCFC 試件下降 21.1% [15]

2.2 失效界面形態

對于無疲勞無腐蝕試樣，粘接層含芳綸纖維和粘接層不含芳綸纖維試樣的界面破壞形式都為粘接層內聚破壞；對于電偶腐蝕 24h 試樣，粘接層含芳綸纖維和粘接層不含芳綸纖維試樣的界面破壞形式都為粘接層內聚破壞；對于電偶腐蝕 ^72h 試樣，粘接層含芳綸纖維和粘接層不含芳綸纖維試樣的界面破壞形式都為粘接層內聚破壞；對于疲勞 24h 試樣，粘接層含芳綸纖維和粘接層不含芳綸纖維試樣的界面破壞形式都為粘接層內聚破壞 + CFRP層間失效；對于疲勞 ^72h 試樣，粘接層含芳綸纖維和粘接層不含芳綸纖維試樣的界面破壞形式都為粘接層內聚破壞 + CFRP層間失效。5種類型的復合材料試件都發生了粘接層內聚破壞，這也就說明復合材料試件的粘接層仍然是薄弱的區域[16-18]，雖然在制備過程中采用環氧樹脂和固化劑將時間進行了粘接，但是無法改變復合材料受力過程中的薄弱區域。

對于含芳綸纖維的復合材料，粘接層界面中可見樹脂基體、芳綸纖維扯斷形貌，且可見尺寸較短的芳綸纖維較多，這主要是受力過程中發生扯斷或者撕裂所致；而脫離的樹脂則呈碎片形態。對于不含芳綸纖維的復合材料，粘接界面中可見樹脂基體開裂、碳纖維單絲以及纖維從基體中剝離痕跡；相較含芳綸纖維的復合材料，不含芳綸纖維復合材料中的樹脂基體發生了開裂且存在單絲剝離痕跡，這表明在受力過程中樹脂基體承受了部分載荷并促使纖維剝離[19-20] O

2.3碳纖維復合材料在水利工程中的應用

碳纖維復合材料在水利工程中的應用越來越廣泛，主要得益于其優異的力學性能、輕質、高強度、耐腐蝕性和可靠性，以下是一些具體應用領域。大壩加固：碳纖維復合材料可以用于對老舊大壩的加固和維修，增強其承載能力和抗震性能。水利設施的修復：在水渠、泵站等設施的修復中，碳纖維復合材料可以有效地提高結構的耐久性，延長使用壽命，減少維護成本。抗震加固：在地震多發地區，利用碳纖維復合材料對水利工程結構進行抗震加固可以顯著提高其抗震能力，確保安全。橋梁建設：在水利工程中，碳纖維復合材料用于橋梁的設計和建造，可以減輕整體結構的重量，同時保持或提升強度。水管道強化：碳纖維復合材料可以用于水管道的內襯或外包，提升其耐壓性和耐腐蝕性，適應多種復雜的水質環境。防護設施：在水利工程中，碳纖維復合材料可以用于防護設施的建設，如防洪堤和河岸穩定，增強其抗沖刷和抗侵蝕能力。監測與傳感器：碳纖維復合材料還可以與傳感器結合，應用于結構健康監測，實時監測水利工程的狀態，確保安全運行。總的來說，碳纖維復合材料在水利工程中的應用不僅提高了工程的安全性和耐久性，還能降低維護成本，是未來水利工程發展的重要方向之一。

碳纖維復合材料在水利工程中應用過程中，可能面臨周期性往復加載造成的疲勞以及外界腐蝕性環境的侵蝕，這幾種情況下都有可能造成碳纖維復合材料的表面損傷，進而造成復合材料破壞，整體構件服役壽命縮短。從上述的實驗結果可知，相同服役環境下的試件，粘接層含芳綸纖維試件的峰值荷載要高于粘接層不含芳綸纖維試件。因此，在選擇碳纖維復合材料應用于水利工程中時，應該優先考慮使用粘接層含芳綸纖維的碳纖維增強聚合物（CFRP）-鋼試件。

3結語

（1）無疲勞無腐蝕條件下含芳綸纖維的試件的峰值荷載最大，其次為F24試件，且3組試件的測試結果較為接近；對于相同服役環境下的試件，粘接層含芳綸纖維試件的峰值荷載要高于粘接層不含芳綸纖維試件，且無疲勞無腐蝕條件下復合材料試件的峰值荷載最大。此外，腐蝕和疲勞都會對復合材料的峰值荷載造成不利影響，且相較于電偶腐蝕，疲勞對試件峰值荷載的影響相對較小。

（2）5種類型的復合材料試件都發生了粘接層內聚破壞;疲勞試樣的破壞模式為接層內聚破壞 + CFRP層間失效。復合材料試件的粘接層仍然是薄弱的區域。

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