文摘
盐水暴露条件与碳纤维增强聚合物(CFRP)预应力混凝土结构在海洋环境调查。扩散到直径相对较小的碳纤维增强塑料肌腱可以是一个漫长的过程的预测长期水分吸收使用短期环氧树脂薄膜的实验将是有利的。然而,纤维在复合夹杂物引入复杂性,与纯环氧树脂和因素通常所需的相关标本。扩散参数基于水分吸收由于碳纤维增强塑料肌腱暴露在盐水溶液在20°C和60°C使用等效薄膜相比,那些获得标本。温度越高选择加速水分吸收。发现肌腱和环氧树脂的比率测量扩散系数是温度的依赖,和更高的温度和盐溶液的结合导致肌腱的倾向增加水分吸收。现有的分析模型预测碳纤维增强塑料筋扩散系数与环氧树脂薄膜的似乎没有捕捉观察到的趋势。然而,使用单位细胞与纤维界面区预测表明,这可能是由于在间期地区扩散系数增加。
1。介绍
耐用的纤维增强聚合物(高分子基)通常被视为一个关键的驱动程序使用玻璃钢材料要求土木工程应用。不像钢铁、高分子基不被腐蚀。然而,高分子基可以容易受到其他机制,可以改变他们的力学性能随着时间的推移。尽可能多的土木工程结构将在服务了几十年,甚至几个世纪,重要的是评估潜在影响的任何变化在长期结构性材料特性的性能。
FRP-prestressed混凝土应用中,玻璃钢肌腱需求包括高强度和刚度和良好的债券与周围的混凝土。单向碳纤维增强聚合物(CFRP)拉挤成型高纤维体积分数因此适合作为预应力筋。肌腱与圆柱截面也常见。当评估长期耐用性,结构的反应是重要的,当受到积极的接触条件,对于海洋应用程序,这包括了解盐的水溶液在碳/环氧肌腱。
有许多变量碳纤维增强塑料复合材料包括纤维和环氧树脂的空隙度、纤维直径、界面区域的属性,不同的生产(例如,养护条件)。进一步考虑与圆柱碳纤维增强塑料筋是扩散三维的。充分反映所有这些变量,测试实际的水分吸收肌腱是可取的。但随着碳纤维增强塑料筋的直径可以相对较大,4-16 mm说,时间可以禁止进行这样的测试。气温升高会加速吸收时间,但可能会影响扩散机制。由于碳纤维通常被认为是不透水,矩阵的扩散参数(例如, )决定从短期水分吸收测试薄epoxy-only电影一直被用来预测相应的参数对碳纤维增强塑料筋(如扩散并行, ,或横向纤维方向, )。然而,要做到这一点,需要进行调整以反映碳纤维的存在和各种“击倒”的方法/因素提出了在文献中。
困难与环氧树脂膜的扩散有关的相应的碳纤维增强塑料筋将探索在当前工作。现有的预测分析模型 “击倒”的因素进行了综述,以文献中出现的实验结果为基准。质量在环氧树脂薄膜吸收实验和碳纤维增强塑料筋可比环氧矩阵受到盐水溶液在20°C或60°C是报道。由此产生的扩散系数和肌腱的电影使实验派生的“击倒”因素的计算,可用于评估的有效性对碳纤维增强塑料圆柱试样的扩散分析预测基于薄膜的结果。重要的问题的本质是否吸收的复合不同于矩阵讨论了。特别是高扩散率的可能影响fibre-matrix相间的区域横向扩散系数的碳纤维增强塑料筋。
2。碳纤维增强塑料材料特性和水分吸收
碳纤维的结构被广泛报道是turbo-static [1]。虽然表面毛孔都观察到4 - 6纳米直径的(2)和毛孔约16 - 18%的纤维体积可能存在于碳纤维(3),在大多数情况下孔隙结构是封闭的报道(4]。因此,吸收到碳纤维通常被认为是与周围的聚合物基质相比可以忽略不计(5- - - - - -10),所以对于本调查,碳纤维将视为不透水。
一个环氧矩阵是一种由热固性聚合物固化的环氧聚合物固化剂形成交联成品(11]。水溶液吸收发生由于渗透率的环氧12,自由体积的职业本质上是依赖于交联密度和羟基(OH)极性基团之间的亲和力在环氧树脂和极性水分子(13]。结合水分子导致的肿胀和增塑环氧矩阵。第二种结合水分子,造成二次交联通过更高程度的氢键被报道,更有可能形成高温和长时间曝光,由于所需的更高的活化能(14]。其他次要因素影响水分扩散在环氧树脂的发展两阶段结构由于不完全固化15)或化学计量组成(16)和聚合物极性(水和聚合物之间的静电吸引网络)(15]。
碳纤维增强塑料的吸湿概要文件将不同的几何等效树脂概要文件。不透水碳纤维作为两种抑制剂的水分吸收,减少了在饱和溶液吸收,以及扩散的障碍从而影响复合的扩散系数。这些现象发生的程度主要取决于体积分数。空洞和缺陷也可以发挥重要作用的吸收过程。吸收通过毛细管流动缺陷发生,据报道,这样的吸收可能超过吸收由于扩散通过矩阵(6]。然而,效果是减轻通过质量控制与拉挤成型的制造过程(17]。一些美国制造商联系森et al。18)表示,2%的空隙度有望应用于碳纤维肌腱。
研究也表明,接近纤维fibre-matrix接口地区扩散可能发生不同观察矩阵。它一直认为这个地区的扩散系数大于矩阵的(7,10]。这可能是由于孔隙或软界面区域的发展由于不完全固化19)或不同化学计量成分由于纤维之间的反应性分级和大部分矩阵(20.,21]。亚当斯和辛格的实验(22碳纤维塑料筋受到蒸汽),在100°C发现观察到溶液吸收比可以解释高出27%的吸收在环氧矩阵。然而,积极的接触条件可能导致损害如纤维/矩阵分层、基体开裂。拉米雷斯et al。23)表明,水分积聚在纤维/基体界面是高碳/乙烯基酯比碳/环氧复合材料。在后一种情况下,50%的溶液吸收饱和是由于纤维/基体界面结合退化后暴露在水里。纤维/基体界面属性的重要性,也强调了王et al。24),与未经处理的碳纤维复合材料表现出大约1.9和2.6倍溶液吸收饱和比环氧树脂和处理过的碳纤维复合材料,分别。界面区域的厚度0.4 - -1.0μ米(25)和纤维/矩阵剥离和微裂缝26)已报告基于微观研究碳纤维增强塑料/乙烯基酯棒和碳纤维增强塑料/环氧树脂,分别后浸在水里。然而,即使在这种情况下,没有损坏或退化的报导,水平的解决方案在饱和吸收复合标本66%高于理论计算已观察到(10]。这些研究结果表明,纤维的存在增加环氧树脂的解决方案,它可以吸收周围的环氧树脂。任何并发退化的间期湿热暴露期间将进一步阻碍扩散动力学的深入理解和需要反映在分析模型。
3所示。扩散模型
复合肌腱用于土木工程应用程序通常表示相当厚的部分,需要较长时间才能饱和。因此,推断出复合行为的一种常见方法是考虑矩阵作为扩散的各向同性材料的目的和应用因素矩阵扩散性能和饱和度的预测质量占纤维的存在。在下面,Fickian和non-Fickian或反常扩散模型将最初的上下文中讨论各向同性薄膜和圆柱几何图形。然后考虑direction-dependent fibre-matrix复合材料中扩散。
3.1。Direction-Independent Fickian扩散
Fickian扩散是基于菲克的第一和第二定律。派生的进一步细节,可以发现在曲柄27]。一维Fickian扩散模型被广泛用于薄膜吸收的解决方案(28]。菲克第二定律也适用于圆柱肌腱的半径, ,考虑到纯径向扩散和淹没边界条件。当最外层表面饱和浓度 ,最初的溶液浓度在任何径向干缸位置, ,和时间, ,可以评估使用 在哪里扩散系数,条款是积极的第一类贝塞尔函数的根订单为零, 。 第一类贝塞尔函数的一阶。精确表达式存在允许计算质量百分比浓度梯度的增加通过集成在水下,最初干缸 在哪里质量在时间吗 ,和在饱和质量。
3.2。Direction-Independent反常扩散
提出了许多模型来反映non-Fickian或反常扩散行为和总结在出版物在其他地方,例如。28,29日),。在当前的工作是特别感兴趣的relaxation-dependent朗缪尔模型(10,13,27,29日,30.]。Relaxation-dependent模型假设在初始接触水分,环氧树脂已给定的吸收能力。随着时间的推移,化学扩散物质和环氧树脂之间的相互作用使材料膨胀,导致额外的吸湿能力。一维朗缪尔模型被用来预测的配方环氧电影和肌腱的反常行为研究在当前的工作。然而,一维配方不能轻易地扩展给封闭三维表达式。相反,一个有限差分方法用于扩散通过圆柱的朗缪尔预测肌腱。为进一步的细节,请参阅[31日]。
3.3。Direction-Dependent Fibre-Matrix复合材料中扩散
在前面的小节中描述的方法,被认为是各向同性材料。环氧树脂薄膜的实验使溶液的扩散系数的计算通过纯粹的矩阵, ,和大众在饱和吸收 。挑战在于确定纤维增强系统的相似参数;即在饱和吸收复合质量和解决方案的扩散系数平行于纤维方向, ,和横向纤维方向, 。
3.3.1。大规模吸收饱和
饱和溶液浓度的复合, ,可以使用规则确定混合物的32] 在哪里C0,e环氧树脂是饱和的溶液浓度,然后呢纤维体积分数。这种关系假设没有空洞和声音fibre-matrix结合,并且fibre-matrix接口并不化学改变扩散过程。的碳纤维增强塑料的单位体积材料可以计算的 在哪里一摩尔的分子质量的吗和分别是树脂和纤维密度。
3.3.2。扩散-平行于纤维方向
近藤和塔基•32)认为,扩散系数平行于纤维方向应该采取相同的值的矩阵, ,考虑到纤维不阻碍流动的解决方案。然而,其他人(8,9,33)建议应该考虑不透水纤维的存在,在哪里
作为解决方案的总通量传输纤维体积分数成反比,因此,扩散系数可以将遵循类似的关系。方程(5)依赖的假设一个完美的纤维/基体界面债券和缺乏相间的地区。这个方程被用于当前的工作。
3.3.3。纤维方向——横向扩散
横向扩散系数的评价, ,是复杂的,在文献中已经收到了更多的考虑。一直在努力评估纤维体积分数的影响在横向扩散系数使用类比与传热、电导、溶液通量数值模拟[10]。这些包括凯勒提出的数值方法和萨克斯34)和两个模型基于传热类比,串并联(SP)近似,并串联(PS)近似,被Ko (35)与扩散系数在环氧树脂复合的横向扩散系数。有限元预测近藤和塔基•(32)和债券(10通过不同的数组)的横向扩散系数的纤维也被认为是。
凯勒和萨克斯模型(34)假设纤维直接装在一个常规数组中,如图1(一)。使用对称,这个系统可以减少四分之一的一个元素组成的一个圆形纤维和周围的矩阵(见图2(一个))。纤维面积总元素之比等于体积分数的综合考虑。通过纤维的扩散系数为零,因此,横向扩散系数近似表示为
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
当= ,据推测,在广场的边缘纤维阵列是触摸,防止溶液传递,从而减少复合的模拟扩散系数为零。
并串联近似(35]将元素分为薄层垂直的方向扩散,如图2 (b)。的共同解释模型假定圆柱的纤维。每一层的有效扩散系数, ,计算,层总结串联获得复合材料的横向扩散系数,根据系列方程由曲柄(27),
每个条的扩散系数是纤维的比值的函数和矩阵比例,在哪里
假设每条可以传输通量在某种程度上,这代表了一个上界。
串并联近似(35)将元素分为薄层扩散方向平行,如图2 (c)。每一层的有效扩散系数, ,基于系列方程计算曲柄(27]
并行和层总结获得复合材料的横向扩散系数,使用
这个模型表明,任何地带,包括纤维的一部分被认为有一个扩散系数为零。因此,该模型是一个下界。然而,广泛应用在文献[8,22,33,36)由于其易于实现。
确定的影响认为包装数组,有限元分析由近藤和塔基•32)和债券(10]。的重复单位平方(见图1(一))或六角形(见图1 (b))的纤维,横向扩散系数是评价以同样的方式凯勒和萨克斯。然而,而不是表达数学上横向扩散系数,有限元分析被用来考虑稳态流动通过数组的重复单元的纤维。债券(10)模拟扩散通过六角排列纤维的数组和数组随机间隔的纤维,但发现纤维间距的随机性的横向扩散系数没有影响复合除了在高纤维体积分数。
4所示。横向扩散系数的评价模型
的变化 绘制在图3增加体积分数基于前一节中讨论的模型;Keller-Sachs、PS和SP模型计算的数值,而值近藤和塔基•32)和债券(10从他们的上述论文)模型引用。实验结果由其他人(9,10,22,24,32,35,37- - - - - -41)用于比较环氧的横向扩散系数的扩散系数相应的碳纤维复合材料和一直在叠加模型预测。实验进行了在不同的情况下,表中列出S1。复合标本研究都是分层的环氧矩阵。大部分的水分吸收实验在高湿度条件≥85%)或水浸。加速老化温度范围从27 - 121°C的最大价值采用沈和施普林格9]。
如上所述,SP方法代表了一个下界而是意外,近藤和塔基•方格预测大于预期的上限PS方法。包装安排的影响而言,较低的体积分数,假设阵列的性质似乎微不足道,但较高的扩散率与六角形阵列在大体积分数。图3还显示,正如所料,债券获得的解决方案(10)的平方数组类似Keller-Sachs近似。在大多数情况下,实验 结果超过预测,除了近藤和塔基•提出的模型。有限元分析的近藤和塔基•纤维高估的方格,并串联模型低估了横向扩散系数对于大多数实验结果。近藤之间的偏差在有限元分析结果和塔基•32)和债券(10)模型。这些偏差的原因尚不清楚,但可能归因于不同的典型的重复单元,边界条件,和程度的discretisation有限元分析模型。没有明显的趋势之间的关系实验 和 。散射之间不仅存在不同的调查也在组实验结果。很大一部分的实验分散在不同的调查可能是由于材料的差异,试验条件下,试样几何,和扩散模型,没有标准化。
进一步研究可能的趋势根据关键参数如温度和暴露条件下,一个方差分析 - - - - - -进行了测试分析。这些结果列于表1并将在下一节中进一步讨论。
4.1。温度和溶液接触
温度(促进加速老化测试)和解决方案曝光(模拟海洋环境)是目前的工作特别感兴趣的参数。虽然环氧树脂和复合的扩散率预计将增加与温度(42- - - - - -44)和湿度(30.,45),这并不一定意味着的价值 也将增加。实验 从表中值S1分组内不同温度范围和接触条件。单向方差分析 - - - - - -测试分析理解如果子组进行统计学上显著不同(0.05显著性水平)。更高层次的组织之间的统计学意义的指示 。减少偏见,不同群体被认为在每一个温度和湿度参数。方差分析结果表明曝光条件影响 在更高数量的子组([96 - 100],[85 - 96],[65 - 75],[20]和[水]) 。温度有轻微影响横向扩散系数(值接近和 )子组认为无关。
债券(10),沈和施普林格9],和Abanilla Karbhari [36)发现,复合材料的横向扩散系数随温度变化以同样的速度扩散系数矩阵表示温度几乎没有影响 或 比率。这与Blikstad的结果(7)发现,相对扩散系数随温度。债券(10]指出水分浓度和横向扩散系数之间的正相关关系,将此归因于水分浓度的影响的大小fibre-matrix相间地区周围的纤维,一个地区的债券由于扩散系数增加。
4.2。扩散模型
扩散模型用于评估的准确性 率是很重要的。使用Fickian造型而不是更准确的反常扩散模型展示了散射结果提高60% (10]。在表S1,大多数研究采用Fickian模型,然而在很多情况下,行为的确切性质不是报告也证实已经达到饱和,因此,假定质量饱和的准确性 然后计算难以确定。然而,即使是反常扩散模型进行债券(10)产生的一系列结果相当分散。这表明,限制在建模精度并不单独负责观测数据的传播。此外,真正的碳纤维分布偏离了一个完美的正方形和六角数组,和一个随机分布的树脂丰富,resin-poor地区,和fibre-to-fibre接触更具代表性和显微镜观察。债券(10)表明,添加一个额外的树脂薄层模型可以产生 值接近的实验结果。此外,积累fibre-matrix相间当纤维在近距离可以极大地影响扩散系数值,导致更高的散射(46]。
5。实验项目,化学数据和材料数据
探索环氧树脂薄膜的扩散之间的关系和同伴圆柱形碳环氧肌腱复合材料、实验计划进行。水分吸收实验提出了肌腱和碳纤维。这些结果比较,以水分吸收为基准发现相同的矩阵的环氧树脂薄膜的碳纤维增强塑料筋斯科特和利兹(28]相同的实验计划的一部分。样本浸在盐水溶液,和两个不同的温度被用来评估升高温度对溶液吸收和横向扩散系数的影响。
5.1。材料特性
树脂薄膜准备根据ASTM标准d823 - 087 (47),使用相同的epoxy-amine (EPR 4434 /弗943)热固性系统参考碳纤维增强塑料的肌腱。电影的名义尺寸 毫米和治愈烤箱使用真空装袋过程。类似的养护制度采用碳纤维增强塑料的肌腱。固化过程的具体细节保密,但最高温度为195°C的应用。更多细节在环氧树脂薄膜制备中可以找到斯科特和利兹(28]。差示扫描量热法(DSC)测试了树脂膜样品了玻璃化转变温度, ,132.9°C和141.0°C在同一范围的名义值引用的制造商。吸湿性实验进行这些类似的环氧树脂薄样品被浸没在盐水溶液(28]。实验被用来确定Fickian和朗缪尔吸收参数为纯环氧树脂20°C和60°C (28]。
指定的名义上的化学和机械性能的制造商epoxy-amine (EPR 4434 /弗943)5.4毫米直径的碳纤维增强塑料肌腱表中列出2。提供一个并发症与碳纤维增强塑料筋是砂层的存在增加碳纤维增强塑料筋和混凝土之间的债券。沙子颗粒嵌入在一个额外的肌腱表面富树脂层。由于涂料代表了一个进一步的变量,它被认为是审慎的手工用刀片刮掉沙子和光滑的富树脂层。这个方法被选自只有力量应用于材料小,可能导致内部损伤。肌腱是然后使用丙酮清洗。五个直径读数被在不同的轴向和箍位置在每个标本使用千分尺在20°C。考虑所有的部分测试,平均试样直径是5.448毫米。
5.2。吸湿性测试
水分吸收测试进行了碳纤维增强塑料筋后浸在盐水溶液20°C或60°C。三个标本削减到150毫米的长度被认为在每一个温度。这个长度,这样任何轴向扩散通过材料的影响不显著,例如,尽管乙烯基酯矩阵。Gagani et al。25]表明,碳纤维增强塑料棒的轴向扩散系数只是一个因素(6毫米)直径小于30毫米。肌腱最初在烤箱干60°C和随后淹没的聚丙烯密封包含1升瓶盐水溶液组成的3.5%氯化钠和去离子水。材料重量在0.1%的名义价值和混合直到均匀。水瓶都是保存在一个温控实验室20°C或维持在60°C温控烤箱。最高温度低于80°C的最大推荐值ASTM D5229 / D5229M-20 [48在177°C)对环氧树脂固化,也低于饱和的价值相当于碳纤维增强塑料筋( 毫米)相同的环氧树脂/固化剂系统和养护制度, °C (49]。
重量吸附是用来测量的溶液吸收肌腱和环氧树脂薄膜样品。质量数据被使用梅特勒AE160 0.1毫克的平衡解决。在每个时间间隔,样本从解决方案,在去离子水清洗,涂抹干燥,然后重回到之前的解决方案。质量增加时计算使用 在哪里曝光时间后大众阅读吗和是样品的干燥质量。
6。实验结果和扩散模型
实验和预测质量吸收策划与时间的平方根图所示4环氧树脂薄膜。采用的符号是 - - - - - - - - - - - - ,在哪里表示盐水溶液(SW),表明暴露温度(20和60°C),和代表样本(是电影和腱)。
碳纤维增强塑料的肌腱,实验质量吸收阅读关于时间的平方根图所示5(一个)。每个数据点代表的平均三个标本20°C和60°C实验,分别。早期阅读是定期到25天左右,期间和后期数据后获得近2年和4.5年。误差线说明95%可信限平均数标准误差的基础上,假设一个正态分布的数据。吸收60°C的误差要比那些在20°C和增加增加曝光时间。质量读数的变化增加在长时间曝光(685天)后,特别是在60°C表明额外的退化现象发生在一些异常值。质量吸收后在没有达到饱和甚至1710天( 天1/2)在盐水的接触,虽然并不能得出确定的结论由于高散射后读数。
(一)
(b)
6.1。扩散模型
环氧树脂薄膜,Fickian扩散系数参数计算根据曲柄(27]从最初的线性斜坡使用最后的实验数据质量的阅读质量吸收饱和, 。利用非线性回归分析计算了朗缪尔扩散参数(请参阅斯科特和李28为进一步的细节)。Fickian和环氧树脂薄膜的朗缪尔扩散参数列于表3,相关分析结果叠加图4。实验在薄膜吸收non-Fickian使用朗缪尔和更准确地模拟方法。
看来,如果碳纤维增强塑料筋还没有饱和甚至在4.5年,薄膜在饱和浓度参数表所示3在方程(3)和(4)来预测质量的饱和吸收复合。Fickian和朗缪尔扩散产生的值列于表4。应该注意的是,这些都是单位体积平均浓度的值的组合研究而在现实中,溶液浓度会向更高价值矩阵,但将零的纤维。警告这种关系,正如所有讨论的造型,是假设声音的复合是免费的从空洞和纤维/矩阵债券。
扩散系数的纤维方向平行,计算从方程(5),包括在表中4碳纤维增强塑料筋Fickian和朗缪尔扩散参数表示和 ,分别。横向Fickian-diffusion系数, ,碳纤维增强塑料筋的计算基于MATLAB (50脚本和一个迭代的过程,不同的扩散系数值应用于方程(2)。扩散系数的推导采用不同环氧Fickian-diffusion击倒因素系数, 。获得的解决方案是当Fickian预测大规模吸收和实验值之间的误差最小化。扩散系数的计算, ,的线性斜率与实验数据根据曲柄(27时更准确 和健壮的圆柱体不如平面表(27]。因此,上述方法判断更准确。Langmuir-diffusion系数, ,导出以下类似的迭代过程通过应用各种环氧Langmuir-diffusion击倒因素系数, 。采用有限差分模拟径向朗缪尔扩散,集成和质量吸收是派生的浓度梯度。更多细节可以在斯科特的方法(31日]。
Fickian和朗缪尔预测图所示5 (b)。的两个模型预测是相当类似的肌腱虽然薄膜行为明显异常(cf图4)。此外,径向扩散的朗缪尔造型不预测一个向上漂移在中间的时间观察到薄膜造型。这也被观察到其他地方(12]。随着全厚度尺寸的增加,浓度梯度的束缚分子成为类似于配置文件的免费的分子。这意味着一个更简单的,Fickian模型也许足够代表扩散在玻璃钢预应力材料一般有直径> 4毫米。
朗缪尔和Fickian预测质量吸收值在20°C相当好同意686(后的实验数据 天1/2)和1710天( 天1/2)的暴露和饱和度的预测质量( %)类似于平均实验质量吸收后1710天。两种模型预测的质量吸收60°C在短的曝光时间,但相当大的偏差发生在长时间的曝光。实验的平均质量吸收60°C是大约70%高于预测值后1710天( 天1/2)。增加质量吸收60°C可以归因于次要的结合水分子交联促进在高温(14]或在纤维/基体界面退化现象。后者将探讨部分7。
6.2。 比率
在表5,实验派生击倒因素基于碳纤维增强塑料和环氧树脂的比例显示薄膜扩散参数。20°C,最合适的方法 比被发现Fickian和朗缪尔模型0.36和0.30,分别。60°C,相应的值是0.99和1.19 Fickian和朗缪尔模型,分别。这是违反直觉的,纤维的存在在一个环氧树脂会减少而不是增加横向扩散系数的材料。
横向扩散系数碳纤维增强塑料筋的预测的Keller-Sachs(方程(6)),并串联(方程(9)),串并联(方程(11)),和数学模型提出了Fickian和Langmuir-diffusion模型20°C和60°C表所示5。模型不依赖于温度的,所以相同的 因素适用于温度。甚至最高的可拆卸的因子(并串联, )是低估了。
6.3。计算的比较 比率与文献值
图6比较的值 在20°C和60°C的碳纤维增强塑料肌腱研究,计算使用Fickian和朗缪尔模型。的 比在20°C与大部分文献中结果一致,和Fickian还是朗缪尔模型使用没有区别。结果60°C,然而,高于预期。
7所示。讨论
相对较高的 在60°C的组合表明可能有损害发生,或者fibre-matrix界面变得湿条件在升高的温度下的一个因素。考虑到温度升高加速老化过程不产生任何额外的退化根据阿伦尼乌斯的原则, 比例应该是一样的不管温度制度。暴露温度60°C应该增加肌腱扩散值13倍比暴露温度20°C根据阿伦尼乌斯原则和 在哪里扩散系数的温度吗 , 是一个preexponential因素有相同的单位 , 焦耳/摩尔计算的活化能Toumpanaki et al。51同样的材料, 焦耳/ Kmol摩尔气体常数,在开尔文温度。
实验和值60°C是各自的12.5和12.1倍20°C和关联和预测基于方程(13)。然而,实验和60°C值对应的4.5和3.7倍的20°C导致 值在60°C 3 - 4与相关值的范围在20°C。假设活化能是一个矩阵主导房地产自扩散过程是一个矩阵属性和它是一样的环氧树脂薄膜和碳纤维增强塑料肌腱, 值在升高温度应该是单位价值根据阿伦尼乌斯原则,和更高的值观察实验表明,额外的退化现象的发生。
Joliff et al。20.)测量玻璃化转变温度在40 - 110°C的纤维/基体界面面积GFRP层压制品最低的值被记录在附近的纤维。假设一个等价的玻璃化转变温度在界面区域的碳纤维增强塑料棒,60°C的普遍应用加速老化温度预计退化fibre-matrix接口的软化温度低于85°C(浸软相间)。探索一个地区是否高扩散系数的纤维是一个合理的解释,并串联的方法(方程(9)修改包括额外的界面区域的厚度和扩散系数如图7(一)。在该地区的matrix-interphase的边缘地区,脱衣舞的扩散系数的矩阵。此后,带钢的扩散系数可以表示为 在哪里 , 当 ,和 当 。
(一)
(b)
这个表达式被绘制为增加体积分数的函数图7 (b)四个的情况 , , ,和 。假定的界面区域的厚度Tenax碳纤维( )的范围内微观观察Gagani et al。25)和Joliff et al。20.碳纤维增强塑料和GFRP杆,分别。可以看出,界面区域的可能性增加扩散系数计算值有很大影响 。间期的总量预计将的一个函数 ,的注意的是,这个地区成为越来越重要的一个更高的体积分数。的值 可以指出当界面区域的厚度是0.1吗一个和相对扩散系数是10De。实验 值SW-60-T集团同意更好的模型预测假设一个相间地区较高的扩散率 。一个相间地区扩散系数的范围 收益率 值的最佳适合实验的SW-20-T组。采用高扩散系数值, ,与数值研究一般协议Joliff et al。20.和磐石et al。46]研究相间的影响区域GFRP层压制品的水分吸收,例如,Joliff et al。20.采用相间面积4μ米厚度和 更好地适应数字水分吸收的发现在去离子水70°C。然而,本文提供的方法是一种简单的方法计算肌腱扩散系数占大部分界面区域的试验和错误的方法代替有限元分析有限元模拟与数值结果符合实验(20.]。
进一步的实验参数,可能会造成相当大的不确定性在造型质量百分比增加饱和度。模型假定溶液浓度的复合比例相关溶液浓度在纯矩阵标本和体积分数。然而,如前所述,由他人实验研究[10)表明,大规模吸收饱和在复合不能仅仅被描述由方程(3)和(4)。这种异常的结果是,如果不正确的溶液浓度被指定在表面,不正确的扩散系数将被指定在试图获得一个最小二乘之间的配合实验结果和质量百分比增加计算错误的浓度梯度。Α带有最新的大规模吸收阅读从短期实验在碳纤维增强塑料筋水分吸收数据不确定性可能会导致一个固有的假定所需的时间达到饱和。饱和的质量是独立于加速老化温度(15,48),但在高温降解现象,导致价值观妥协水分吸收的预测的准确性。最后实验的采用大规模吸收阅读在升高的温度下代替质量饱和可能导致错误的结论。Fickian预测与实验数据更长的曝光时间可能适合更好的但可能代表大部分水分吸收预测,不能捕获任何毛细作用现象由于退化或空洞的存在在纤维/基体界面。
所有数据在文学和呈现在图7 (b)指完全浸在水中或暴露在高湿度水平,和实验 值在这个研究是指完全浸泡在盐水。公司结论盐水的扩散系数的影响环氧树脂没有导出,和实验结果取决于环氧树脂化学和养护条件但也暴露温度(28]。Abanilla et al。36)报告了类似的大规模饱和碳/环氧复合材料在暴露在deionised和盐水溶液在100周的23°C。然而,更高的扩散系数值后被派生暴露在海水归因于紧张影响集群氯化钠粒子的表面。环氧树脂薄膜的研究暴露在水20°C和60°C在斯科特和李28),表现出类似的大规模饱和和扩散系数值与样品暴露在咸水中。因此,似是而非的碳纤维增强塑料肌腱研究扩散系数相似的行为在水和盐水。
碳纤维增强塑料筋的长期扩散行为预测的可能性使用短期环氧树脂基体的研究已经证明在某种程度上。尽管大多数研究文献中考虑通过复合材料单向流动,Fickian和朗缪尔原则可以应用于三维碳纤维增强塑料圆筒径向吸收。温度可以用作加速度的一种手段,然而,这里的工作开展和研究文献综述表明,温度,特别是结合湿环境,可以改变复合材料的扩散的本质。似乎有必要研究吸收在环氧树脂和复合在肌腱为了建立长期的行为,考虑到有限的横向扩散系数模型的有效性。观察实际值的饱和环氧树脂和复合键在准确评估的扩散参数。
8。结论
调查进行测量和预测长期海水吸收圆柱形碳纤维增强塑料筋预应力混凝土中使用的应用程序。实验进行了碳纤维增强塑料肌腱暴露在海水的解决方案在20°C和60°C。肌腱扩散参数与先前的薄膜环氧的结果。盐水暴露和温度的组合被发现产生显著的影响 比率。在20°C,观察到的 比例是类似于其他文献报道值,但在60°C,横向扩散系数的组合类似于观察矩阵。使用并串联方法预测的结果被发现是特别敏感的存在相间地区扩散系数增加,同时也认为质量饱和的薄膜的结果。数学和有限元模型来预测单向复合材料的横向扩散系数的扩散系数矩阵不捕捉观察到的趋势。给定的实验和模拟结果之间的差距,看来实验研究给定的环氧树脂和碳/环氧树脂复合需要预测扩散的本质在一个环氧树脂和复合材料的横向扩散系数。
数据可用性
的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者非常感激SACAC有限公司,从电子探针Giovanni Terrasi博士,博士迈克尔Sutcliffe从剑桥大学的支持和指导。第一作者是通过资助EPSRC博士培训奖(EP / P500117/1)。
补充材料
补充材料“横向扩散系数研究的实验细节”包括横向扩散系数值,纤维含量、和接触条件的横向扩散系数的研究碳纤维增强塑料应用于图3、6、7和表1中发现文学。从威利在线图书馆支持信息是可用的。(补充材料)