文摘
现有衰减模型的耐久性FRP(纤维增强聚合物)复合材料在热液环境中比较,和一个新的耦合强度衰减模型,本文提出了一种温度参数。一系列的耐久性实验GFRP板在热液环境中进行了验证新模型的准确性和合理性。比较实验数据和计算结果表明,新模型的耦合模型与实验数据能更好地适应和有效地反映了收敛现象的强度衰减GFRP在水热环境。用一个温度参数包括,新模型能够更好地预测GFRP复合材料的使用寿命在不同老化温度。根据耦合衰减模型提出了一个概念和计算方法提出了减缓衰老的时间点,可以方便GFRP的评估和设计结构与长期耐久性。
1。介绍
研究表明,FRP(纤维增强聚合物)复合材料拥有伟大的耐久性性能(1相比传统土木工程材料(即)。,steel and concrete), but some problems remain for further study. The performance degradation of FRPs in hydrothermal aging environments has aroused the attention of many scholars. Zhou [2)进行实验应用于广场GFRP管在蒸馏水温度20°C, 40°C, 60°C。经过6个月的退化,结果表明GFRP样品的力学性能下降。温度越高,力学性能下降越大,下降速度越快。太阳和李3)在水热环境中进行了高分子基实验,获得了新的高分子基衰减模型和基于实验数据和威廉姆斯的模型修正。Zhang et al。4]分析了高分子基在水热环境下的性能下降,提出parabolic-linear模型。杨et al。5)进行水热老化实验通过改变的内容粘贴玄武岩纤维布、树脂和其他因素的渗透,和变化的抗拉强度、延伸率和抗拉弹性模量进行了分析。Berketis和Tzetzis6)进行了GFRP板在蒸馏水中,实验结果表明,前期质量上升速率随着温度的增加而增加,而弹性模量下降迅速,然后缓慢。高分子基可以很容易地受到水热老化。在应对呼吁进一步了解,许多其他学者(7- - - - - -9)也进行了老化试验来研究高分子基在水热环境下的机械性能。
一些研究者已经提出了高分子基在水热环境下的强度衰减模型。威廉姆斯et al。10]提出了WLF经验方程(1基于时间-温度等效原理): 在哪里和分别表示参考温度和时间和是经验常数。高分子基的强度在不同温度下同一温度下可以转化为力量基于时间-温度等效原理。残余强度和老化时间之间的关系可以表示为 在哪里表示残余强度,表示初始强度、和和是待定常数。
Gunyaev et al。11)建立了半经验数学模型中老化的残余强度。高分子基的衰老过程可能被视为不可逆转,和强度衰减模型可以表示为 在哪里老化时间后表示强度(),表示初始强度,和材料参数,和是环境参数。
郭(12]分析了高分子基的力学性能在水热环境中,发现力学性能迅速下降,然后缓慢,甚至根本没有。基于这一现象,提出了一种双线性衰减模型。Zhang et al。3)改进的模型,包括非线性法降解高分子基,这样parabolic-linear衰减模型提出了。
比较现有的衰减模型表明,威廉斯的模型与实验数据的吻合程度好,但是有一些错误的数据后衰老过程。广泛证实Gunyaev et al。’s模型与实验数据更适合,而复杂性造成的大量参数模型中使它不方便使用。郭双线性模型很容易计算,但它不能反映非线性高分子基的性能下降。张parabolic-linear模型具有良好的预测能力在早期老化时间,但第二阶段的线性部分的模型不能反映逐渐收敛的退化。此外,没有一个模型包含一个以上的温度参数。威廉姆斯的模型必须减少强度在不同温度下的数据转化为相同的温度,然后计算一个单因素模型,只是与老化时间因素有关。其他三个模型没有考虑温度的影响,相同的参数是不同的材料在不同的温度下,使它不方便来预测的强度衰减高分子基条件下的一个特定的温度。因此,迫切需要更加方便、合理的模型。本文提出了一种新的模式的强度衰减GFRP包含温度参数。模型的参数保持不变的单一材料或产品。 The coupled model was proposed based on previous studies and a mechanism analysis. A series of durability experiments under hydrothermal environments were conducted to verify the accuracy of the proposed model.
2。单因素模型分析
2.1。温度系数模型
根据阿伦尼乌斯公式,强度降低和温度之间的关系表现为温度越高,强度降低越大(在一定的温度范围内)。减少强度曲线的切线的斜率作为温度的函数是逐渐增加的。这表明强度降低和温度之间的关系可能是指数或多项。许多学者(13- - - - - -17在他们的研究也得出了同样的结论。人们普遍认为的增加gfrp的温度可以加速老化。以自然指数阿伦尼乌斯公式考虑的一部分,它是适当的假设强度减少了自然指数增长与温升的关系,它可以近似模拟温度的影响高分子基的老化。罗伯特和家人18从老化实验获得实验数据的GFRP酒吧在热液环境中支持这个观点,如图1,它可以观察到,强度降低显示了一个大约指数增长与温度的关系。
因此,假设强度减少显示了自然指数增长与温度的关系,温度和衰减模型可以表示为 在哪里表示强度降低,表示温度,和待定常数与时间和温度有关,分别。
根据(4),如果老化的温度上升来,减少强度应该乘以影响因素,而。在这个模型中,可以被视为一个常数同样的材料,和所有的时间效应是包含在参数。对于某些材料和条件、影响因素只是受温差影响吗。
为了验证模型的准确性,一系列的耐久性实验GFRP表在不同的温度下进行。测试的标本是由玻璃纤维织物嵌入在环氧矩阵,然后治愈24小时在实验室环境(温度23°C,湿度50%)之前的实验。老化温度的实验设置为25°C, 50°C, 75°C,环境湿度为95%。图2显示了GFRP床单和样本的水热老化箱使用。
(一)
(b)
老化前的GFRP板的平均强度测试(固化后24 h)是1011 MPa。的优势不同老化时间后的样品进行测试。老化后的拉伸测试结果总结在表1。
它可以观察到从表2接触热液环境后83天,强度降低率分别为5.06%,7.02%,和9.79%在25°C, 50°C,分别和75°C。理论分析的新的温度模型,可以计算的影响因素。结合上面的强度降低的结果,可以获得影响因素如下:和。这两个数字都非常接近,这也反映了作者提出的温度衰减模型的可靠性。至于数据后124天,185天,250天的老化,影响因素的值计算,,分别为,,,,分别。影响因素的值接近计算后83天的老化,这证明了假设和参数的影响因素在新的模型和温度模型的形状主要由参数决定不会改变与老化时间的变化。计算时的影响因素实验,数据经过42天的老化被忽略异常数据,这可能是由于第二固化(即。,后固化)过程发生在标本,可获得的平均价值影响因素,参数使用的材料在实验中可以获得。必须澄清,对于不同的材料或不同的产品,尽管模型的公式仍然适用,模型中的参数会改变,需要重新计算。
2.2。老化时间因素模型
广泛的研究已经进行了研究gfrp强度的衰减规律。大多数的研究(3,13,19- - - - - -21]目前gfrp的强度降低的结果迅速在早期老化时间,然后就会越来越慢。与温度的自然指数模型,老化的新模型提出了gfrp的时间因素:。表示时间和老化对于某些材料是一个常数。它可以观察到,在这个模型中,趋向于0时往往是0,往往是1时趋向于无穷。一些玻璃钢材料出现过早收敛现象,减少强度不能达到1。基于这种情况,参数介绍了,新的老化模型可以表示为以下表达式: 新的老化模型可以直观地显示之间的关系强度降低和老化时间,而且它比线性模型更准确。
实验数据的温度下50°C(表2)被用来验证模型的准确性。通过数值拟合(5),得到了参数的值:和然后,强度衰减模型中使用的材料的实验。这个新的模型图3并与张parabolic-linear模型。
一般来说,起初gfrp的强度迅速降低,然后慢慢地,和老化的速度变得越来越慢老化时间收敛趋势。它可以从实验数据,在50°C的一个条件,减少后的力量开始减缓接触热液环境185天,这表明衰老模型提出了可以更好地反映这种趋同现象,可以更好地符合实验数据。
3所示。耦合模型分析
从单因素模型的分析,强度降低和温度之间的关系可以表达的(4)。在这个方程,是一个参数与老化时间的影响。此外,老化时间的影响进行了分析和老化时间因素是获得新模型(5)。在考虑温度和老化时间的影响参数在(4)可以取代老化的时间因素模型(5)。数学简化后,耦合模型取得了如下: 在哪里是一个材料参数(),和待定常数与温度和时间有关,分别。
方程(6)提出的耦合强度衰减模型对GFRP复合材料温度参数。它表明,强度降低率随温度和老化时间的崛起。这两个因素的敏感性也可以获得。更大的价值显示温度的影响更大,而一个更大的价值代表一个慢收敛过程中材料的老化。的值和可以确定的方法限制价值强度减少的假设下强度衰减模型:。
使用的材料在我们的实验中,参数的值获得了在上面的温度模型的分析(),参数的值得到的老化时间的分析模型()。根据(6),我们的实验可以表达的耦合模型由以下方程: 只有一个待定参数,,(7)。实验数据(见表2)不同老化时间下的强度降低率()和温度()被用来计算参数的值,如表所示3。
根据表中所示的结果3,很明显,的值相互接近(除了异常数据后42天的老化,已解释温度系数模型),反映了所提出的理论模型的可行性和准确性。的平均值可以计算为和(7)可以由下列方程表示: 必须澄清的参数(8)只适合我们的实验状况。实验只作为证据来验证模型的准确性和合理性,和一个特定的模型实验(8)是用于新模型的优越性。对于其他材料或产品,虽然模型的公式(6)仍然适用,模型的参数会改变,需要重新计算。根据(8),它将以270天为强度减少11%,50°C,然而,在80°C环境中,它只需要80天达到相同的强度降低。新的耦合模型可以方便地预测FRP材料在不同温度下的耐久性。降低强度曲线的函数老化时间提出了基于新的耦合模型(图4在我们的实验中用到的材料。与实验数据对比后,它可以指出,尽管异常数据老化后42天,实验数据可以适合本文提出的耦合模型。
老化实验数据和强度衰减曲线在图4,它可以发现老化一段时间后,还原速度减慢和强度逐渐稳定。一些学者[22)认为,衰老的早期反应的产物在gfrp具有保护作用在以后的反应,这样的老化速率减慢。这种趋同现象可以在新的耦合模型(6)。老化时间强度降低到90%的方法减少限制可以被视为转折点,之后gfrp的强度可以被认为是稳定的。这种转变点可以表示为减缓衰老的时间点。根据(6),,。如果的概念表明,然后可以计算公式所示(9)。很明显的价值只有相关时间参数。这是合理的,因为在耦合模型中,参数的值决定减少强度的变化趋势与老化时间有关。例如,的价值已经获得()在本文的实验中用到的材料,所以,减缓衰老的值可以计算的时间点,这意味着,经过379.7天的老化,减少强度已经达到了90%的方法减少限制的材料接触的环境。在实际工程中,如果高分子基的强度可以获得,它可以大致代表材料的长期强度。此外,如果材料的强度可以满足设计要求,可以解释结构能满足长期服务的要求。这可以提供一个参考的评价和设计玻璃钢结构的长期稳定。重要的是要注意,对于一些FRP材料在一定条件下,强度降低率不慢下来,没有极限强度降低,因此减缓衰老时间点变成了毫无意义的在这种情况下: 总之,新模型不仅可以在(6)适用于分析和预测GFRP与时间因素的强度降低,但它也可以直观地显示温度的影响,其准确性和合理性验证了实验数据。应该注意的是,不同的材料或产品,方程中的参数会改变,应通过实验计算。模型还提供了一定参考价值的其他材料(如碳纤维增强塑料和粘贴)和腐蚀环境(如酸、碱、盐的化学腐蚀解决方案),但其准确性仍需要进一步研究。
4所示。结论
提出了一种耦合的强度衰减模型对GFRP复合材料在热液环境中。虽然衰老机制尚未被证实,温度和老化时间的单因素模型,提出了基于现有的研究成果,然后耦合模型。一系列的耐久性实验GFRP板在热液环境中进行了验证模型的准确性和合理性。耦合模型的基础上,减缓衰老时间点的概念和计算方法。从本研究可以得出以下结论:(1)温度系数模型提出了基于阿伦尼乌斯公式和现有的研究,它表明,强度降低率显示了自然指数增长与温度的关系。温度的准确性和合理性是耐久性试验的结果,验证了基于影响因素的计算值在不同老化时间后关闭。(2)一个新的强度衰减模型与老化时间因素提出了基于以前的研究的数据。实验数据被用来支持新模型,并表明,新模型可以比parabolic-linear模型符合实验数据。新模型也可以反映收敛现象中发现的实验数据。(3)耦合模型的强度衰减GFRP得到基于单因素模型。根据耦合模型,下GFRP的强度的退化曲线25°C, 50°C, 75°C。尽管经过42天的老化的异常数据,实验数据可以满足提出的耦合模型。(4)根据耦合模型,减缓衰老时间点的概念和计算方法提出了,可以提供一个参考的评价和设计玻璃钢结构的长期稳定。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者欣然承认提供的金融支持中国973项目(项目号2012 cb026205)和水利工程的科学研究和技术推广山东省(项目号SDSLKY201407)。