原始文献：TianQiao Liu, Xing Liu, Peng Feng,A comprehensive review on mechanical properties of pultruded FRP composites subjected to long-term environmental effects,Composites Part B: Engineering,2020,107958

 

01 本文做了什么

 

本文全面总结了FRP拉挤型材在各种长期环境作用下的力学性能的老化表现，其中环境因素包括浸水/潮湿、浸碱溶液、浸酸溶液、高/低温、紫外辐射、冻融循环、干湿循环和综合自然环境；

对目前所有环境作用带来的FRP老化的机理进行了的详细讨论，并给出了未来对FRP拉挤型材耐久性研究的建议；收集并整理了迄今为止体量最大、类别最全面的耐久性数据库，包括134篇文献中的1900余个数据点，该数据库可以进一步作为开发FRP耐久性预测模型的基础。

注：本文的数据都是指拉挤制品（pultruded）的数据。

 

02 走进复材拉挤成型材

 

所谓纤维增强复合材料(Fiber Reinforced-Polymer Composites, 简称FRP或复材)，就是由增强纤维材料（玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等），与基体材料经过缠绕，模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。FRP拉挤型材，就是由拉挤工艺连续生产的长条形FRP制品。

FRP按照纤维、基体材料不同而分为很多种类，虽性能各有一定差异，但普遍具有轻质高强的特点，在建筑、交通、制造业等领域中都有相当的优势。

FRP在土木工程领域的应用历史较为短暂，现有研究已表明FRP的力学性能在长期环境作用下会表现出不同程度的下降，因此，对其耐久性的研究将直接影响FRP的设计和使用，也对未来推广FRP材料具有重要的意义。

土木工程结构往往具有长达数十年的设计使用寿命，而在试验室环境下FRP的耐久性试验仅能进行数十个月。因此，为了测试FRP的耐久性，常在试试验试验室内利用有限的时间进行加速老化试验来模拟FRP在数十年后的表现。自然界的风吹雨打等因素，对FRP的老化起决定性作用的包括：浸水/潮湿、浸碱溶液、浸酸溶液、高/低温、紫外辐射、冻融循环、干湿循环及其组合作用。

自20世纪70年代以来，就有很多相关的试验，总结起来，主要是以下几个方面：

·溶液条件：浸水条件下FRP的老化严重。水的入侵会导致纤维和树脂的界面破坏，从而影响FRP的力学性能；浸水时间的增长、碱性环境和高温环境都会加剧复材的腐蚀。

·水的溶解作用：水对FRP的溶解作用受到多方面影响，如温度、孔隙率等。

·外部应力作用：短期来看，纤维在外部应力下被拉直，有利于FRP强度的增强；但长期来看，外加应力会增加FRP的吸水率，导致材料的加速老化。

·高温：高温对FRP的抗压强度、质量损失和抗冲击能力都有显著的影响。

·低温：单纯低温条件的影响较小，但在潮湿环境下，低温和水入侵的共同作用会导致FRP内部产生裂纹以及纤维和树脂的界面分离，不利于材料耐久性。

·自然环境：自然条件下FRP往往面临多种环境条件的复合作用。温度、水和紫外线的共同作用下，FRP的后固化效应会导致弹模增大；同时海水中FRP的侵蚀问题往往比陆地上更为严重。

·试验因素：全世界范围内的FRP耐久性试验具有较大的离散度，因此难以直接从试验中得到一个通用的结论。FRP材料的离散度主要体现在：

1.老化机理复杂，FRP的腐蚀可能发生在树脂、树脂与纤维的界面以及纤维；

2.纤维和树脂种类繁多，不同的FRP常由不同搭配及比例的纤维和树脂组成，因此试验结果会有差异；

3.FRP生产工艺不同，会导致材料的纤维含量、材料的组织结构等产生差异，从而对材料的力学性能和耐久性能产生影响。

那么，大家关心的FRP拉挤型材的耐久性究竟怎样呢？

 

03 老化机理

 

既然FRP在环境作用下会发生老化，那么老化具体是如何发生的呢？

导致老化有外因也有内因，在不同因素的作用下，其老化机理也有所不同。

 

 

1在浸水/潮湿条件下的老化机理

 

 

FRP在浸水或高湿度环境下的老化机理

 

·纤维：碳纤维和玻璃纤维等无机纤维不会吸水，但树脂吸水引起的微裂纹会在树脂和纤维界面扩张，最终导致纤维开裂。有机纤维吸水会直接导致纤维的膨胀和开裂。

 

·树脂基体：环境中的水主要就通过渗透和毛细现象入侵到FRP中。水入侵后会引起树脂的膨胀，产生微裂纹。此外，水入侵使材料产生塑化和水解，导致材料软化等。当干燥后，材料的塑化是部分可逆的，但水解是不可逆的，它会导致材料永久性损坏。

 

·纤维-树脂基体界面：界面为水的进入提供了方便的通道，对于界面质量较差的FRP材料，该通道效应更为明显。沿纤维-基体界面吸收的水会引起界面的溶胀和微裂纹的扩散。此外，纤维-基体会发生脱胶，部分基体材料可能会溶解在入侵界面的水中，直接降低了FRP材料的层间剪切强度。

 

·水入侵的影响：水进入树脂基体和纤维-基体界面可能会进一步加宽初始裂纹，并产生新的裂纹和空隙，从而允许将额外的水吸收到FRP材料中，加剧降解机制。水的入侵会影响纤维为主的性能，即拉伸性能，并显著降低基体和界面为主的性能，即弯曲和剪切性能。

 

2在酸碱溶液条件下的老化机理

 

碱性和酸性溶液会以类似于水入侵的方式老化FRP材料。两种溶液都可以通过渗透作用进入材料，之后在基体和纤维-基体界面中引起溶胀，导致微裂纹的形成和传播，从而降低了材料的强度和弹模。根据现有研究数据，通常碱性溶液对FRP材料的力学性能影响更大。

 

3在高温条件下的老化机理

 

 

高温的降解机理

 

高温与溶液共同作用时，能够加速水、碱、酸溶液引起的老化作用；而高温单独作用也会影响FRP的力学性能。

高温会影响FRP的树脂基体的粘弹性。当环境温度接近或高于FRP的玻璃转化温度时，树脂基体软化，不能在纤维和基体之间传递应力，从而导致基体弹模降低和纤维-基体界面劣化。因此，在高温下，FRP材料的失效模式受纤维控制，表现为纤维束的突然脆性断裂。

 

4在紫外线辐射下的老化机理

 

FRP在紫外线辐射下易发生化学降解，衰老从“皮肤”开始。紫外辐照会导致树脂基体表面氧化，破坏分子之间的化学键并影响材料的表面光泽。 然而，由于紫外线辐射而降低的机械性能仅限于材料内的10μm深度，对力学性能的影响几乎可以忽略不计。

 

5在冻融循环条件下的老化机理

 

水和冻融循环的耦合作用可以使浸泡的材料产生老化，但是干燥的材料在冻融循环下的老化常可以忽略。有试验表明，冻融循环下的GFRP材料的弯曲刚度不降反升，这是由于树脂基体在低温下的硬化行为所致。因此，冻融循环对FRP材料的力学性能没有明显的不利影响。

 

6在干湿循环条件下的老化机理

 

干湿循环对FRP的老化机理与水溶液所引起的老化机理相似，本质上是水或水基溶液引发了老化过程。

 

7在自然条件下的老化机理

 

自然条件下FRP的老化往往是以上各个机理的共同作用。

总结起来，引起FRP老化的长期环境作用主要有以上几种，这些外部条件综合作用于FRP的纤维、基体、以及界面。在定性地分析了老化机理之后，让我们来看看具体的试验数据吧。

 

04 数据来说话

 

基于以上最受关注的八种环境条件以及从试验中收集到的数据，我们可以定量地分析FRP的拉伸、压缩、弯曲和剪切性能受环境的影响。由于篇幅限制，在此仅展示部分数据和分析结果，更全面更详细的数据和分析结果可点击文末阅读全文获取。

 

1在浸水/潮湿条件下的老化分析

 

 

FRP在浸水/潮湿、酸碱溶液条件下试验的时间和温度统计

 

根据目前的试验数据，大多数溶液条件下的耐久性试验（包括浸水、浸碱溶液、浸酸溶液）的时间都在一年以内，试验温度通常为20、40、60和80℃。对于浸水/潮湿条件，温度从20（室温）到80°C不等，该温度幅度足以模拟FRP结构在实际环境中的服役温度。但是，较短的试验时间可能会影响耐久性试验结果的可靠性。由于树脂基体的后固化效应以及纤维-基体界面和基体在水中缓慢降解的影响需要较长的试验时间才能完全体现，本文基于现有研究的结果、综合了多国研究人员的建议，推荐了最短的试验时间，即18个月。

 

 

浸水/潮湿条件下，归一化的残余抗拉强度与试验时间的关系

 

图中实线和虚线是在不同温度下残余拉伸强度的近似趋势线。从上图可见，来自不同试验的数据较为分散，因此只能观察到材料的老化趋势，即水分会引起FRP拉挤型材残余抗拉强度的下降，随着暴露时间和温度的增加，这种下降行为会更加明显。

 

2在碱性溶液条件下的老化分析

 

碱性溶液的试验结果与浸水/潮湿条件下相似：大多数试验时间在一年以内，这些试验中的暴露温度通常为20、40、60和80°C。除少数试验进行了1年半到2年半，几乎所有试验的试验时间都较短。

从下图可以看出，试验数据离散度较大，无法得到能指导设计的结论；而且，在现有的试验数据中，还出现了相互严重矛盾的结果，这是观察到的老化作用在试验中并未完全完成所导致的。因此，建议在未来进行时间更长的试验，以便全面地观测到FRP在碱性溶液中的老化行为。

 

 

碱性溶液条件下，归一化的残余抗拉强度与试验时间的关系

 

本文将碱溶液的pH值分为了两类：

1）pH值约为8的弱碱性溶液，模拟海水或咸水环境；

2）pH值约为13的强碱性溶液，模拟混凝土孔隙环境或其他恶劣的碱性环境。总体趋势是，在碱溶液中FRP拉挤型材的力学性能会随着试验时间和温度的增加而降低。此外，相比弱碱环境，强碱环境可能导致FRP材料发生更严重的老化。

 

3在高/低温条件下的老化分析

 

典型的试验条件包括将FRP材料暴露于高温或低温的空气中，试验温度从-100到700℃不等，大多数测试是在200°C以下的温度下进行的。

 

 

探究温度作用的试验统计

 

较低的温度可能会使FRP材料硬化，从而导致力学性能提高。相反，高温可能会使树脂基体软化，从而破坏其在纤维和基体之间传递应力的能力。总的来说，残余抗拉强度和温度呈现线性负相关。

 

 

归一化的残余抗拉强度与试验温度的关系

 

04在自然条件下的老化分析

 

 

探究自然条件影响的试验统计

 

自然条件是多种条件的结合，协同影响FRP拉挤型材的力学性能。现有试验中，最短的暴露时间为100 天，而最长的暴露时间为8年。自然条件包括试验室条件下模拟的自然环境、瑞士的季节性条件、葡萄牙的城市环境以及沙特阿拉伯的干旱环境。世界各地的环境会对FRP拉挤型材的力学性能有不同的影响。因此，建议根据要FRP结构的实际使用环境来选择并进行加速老化试验。

 

05 现有标准

 

在过去的十年中，FRP拉挤型材的应用标准正在全球不同的国家和/或地区建立，例如笔者主编的国家标准《结构用纤维增强复合材料拉挤型材》GB/T 31539中，考虑了四种耐久性能。

 

 

 

标准截图

 

但各国现有的工程设计标准规范尚未能涵盖所有可能影响FRP材料性能的环境因素。因此，本文建议改进现有的设计方法，进一步考虑所有类型的环境作用对FRP拉挤型材的影响。

 

06 建议与展望

 

FRP拉挤型材耐久性能优越，亟待开展广泛深入的研究。当前的理论预测模型，但受限于有限的试验数据，并不能广泛地应用于FRP耐久性的预测；而且，过去几十年虽然进行了众多耐久性的试验，但结果往往不能进行相互比较、从而得出统一的结论。基于对过去20年相关研究数据的总结和分析，本文建议：

1.对于所有类型的加速老化试验，建议更长的试验时间。

2.建议加强对拉挤型材横向性能和抗压性能的老化分析。

3.在评估和预测老化行为时，建议考虑纤维和基体类型、纤维含量和试样厚度的影响。

4.建议在老化试验中单独考虑每种环境作用（在未来一段时间内，不建议进行复合环境作用的老化试验），以便真正摸清材料的老化机理、指导FRP结构的设计和使用。

5.建议改进、统一标准试验方法，并在未来开发更准确的耐久性预测模型。

FRP耐久性的研究好比是一张拼图，国内外每一位学者的试验，都是为其添上重要的一块。我们相信，随着学术界的共同努力，和社会各界的鼎力支持，FRP耐久性的研究终将合成一副美丽的画卷，大力推动FRP材料在未来的广泛应用。