医院应急建筑与特殊结构用碳纤维复合材料的性能研究

王姣 赵立华

摘 要：基于医院基建工程中项目质量管控的需要，研究了医院基建用碳纤维增强复合材料（CFRP）/钢复合结构在静载剪切作用下的应力应变曲线，并考察了电偶腐蚀和非对称疲劳对CFRP/钢试件承载能力和断裂模式的影响。结果表明，在电偶腐蚀和疲劳条件下，粘接层中含有芳纶纤维和不含芳纶纤维试件的载荷-位移曲线与无腐蚀+无疲劳试件相似；相较于不含芳纶纤维的试件，无腐蚀+无疲劳、腐蚀和疲劳试件的峰值荷载都相对含有芳纶纤维试件较大。无腐蚀+无疲劳条件下含有芳纶纤维和不含芳纶纤维试件的平均峰值荷载都高于腐蚀和疲劳条件下试件，且含有芳纶纤维的平均峰值荷载都高于不含芳纶纤维试件，腐蚀或者疲劳时间越长，则对应试件的平均峰值荷载越小。

关键词：医院基建；CFRP/钢；腐蚀；疲劳；粘接性能

中图分类号：TU712.3;TQ342+.742

文献标志码：A

文章编号：1001-5922（2023）07-0167-04

Performance study of carbon fiber composite materials for hospital emergency buildings and special structures

WANG Jiao1，ZHAO Lihua2

（1.The Fourth Hospital of Hebei Medical University，Shijiazhuang 050051，China;

2.North China University of Science and Technology，Tangshan 063210，Hebei China

）

Abstract：Based on the needs of project quality control in hospital infrastructure projects，the stress-strain curves of carbon fiber reinforced composite （CFRP）/steel composite structures used in hospital infrastructure projects under static load shear were studied，and the effects of galvanic corrosion and asymmetric fatigue on the load-carrying capacity and fracture mode of CFRP/steel specimens were investigated.The results show that under the conditions of galvanic corrosion and fatigue，the load displacement curves of the specimens with and without aramid fibers in the bonding layer are similar to those of the specimens without corrosion and fatigue.Compared with the specimen without aramid fiber，the peak load of non corrosion+non fatigue，corrosion and fatigue specimens is larger than that of the specimen with aramid fiber.The average peak load of the specimen containing aramid fiber and the specimen without aramid fiber under non corrosion+non fatigue conditions are higher than those under corrosion and fatigue conditions，and the average peak load of the specimen containing aramid fiber is higher than that of the specimen without aramid fiber.The longer the corrosion or fatigue time is，the smaller the average peak load of the specimen will be.

Key words：hospital infrastructure;CFRP/steel;corrosion;fatigue;adhesion property

在基于项目质量管控的基础上，新时期的医院基建管理不能简单地模仿其他公共建筑管理模式，有必要从现实需求出发建立一套适应于现代化发展需求的卫生服务体系，如医院基建结构需要采用特殊的结构形式［1］，以适应轻质、快速高效和户外建立方舱临时隔离点等发展需要，在此基础上，碳纤维增强复合材料（CFRP）/钢板结构形式由于可以发挥碳纤维和钢板各自优势［2-3］，如碳纤维的高强韧性、高比刚度和耐疲劳性能，钢板作为基建材料具有易加工和施工便捷等优点［4］，可用于基于项目质量管控的医院基建用材。然而，在实际应用过程中，医院基建用CFRP/钢板结构需要承受酸雨、往复周期荷载等作用，而CFRP/钢板结构在腐蚀和疲劳作用下的承载能力变化及其作用规律不清楚［5-6］。基于医院基建工程中项目质量管控的需要，研究了医院基建用碳纖维增强复合材料（CFRP）/钢复合结构在静载剪切作用下的应力应变曲线，并考察了电偶腐蚀和非对称疲劳对CFRP/钢试件承载能力和断裂模式的影响，结果将有助于碳纤维增强复合材料（CFRP）/钢复合结构的开发并推动其在医院基建中的应用。

1 材料与方法

1.1 试件设计

试验材料为碳纤维增强复合材料（CFRP）、钢板，具体参数如表1所示。

1.2 试件制作

共设计了3种不同类型医院基建用碳纤维增强复合材料（CFRP）/钢结构试件，包括无腐蚀无疲劳试件（NCNF）、电偶腐蚀试件、疲劳加载试件，其中电偶腐蚀时间设定为24 h和72 h，分别记为C24和C72；疲劳加载时间设定为24 h和72 h，分别记为F24和F72。对于每种类型的试件，在设计时都使用了2种粘接层结构，包括含有芳纶纤维和不含芳纶纤维。

每组试样共制备3组平行样，分别以-1、-2和-3标识。试验过程中，首先对无腐蚀+无疲劳试件进行加载，然后对腐蚀试件进行加载（先加速电偶24 h和72 h，再静载拉伸）、最后再进行疲劳加载（先疲劳24 h和72 h，再静载拉伸）。电偶腐蚀试验［7］所采用的电解液为质量分数5%NaCl溶液，电流密度为165 mA/m2、阴极为普通钢板，测试过程中阴极与抛丸钢板连接，时间为24＼，72 h；疲劳试样为非对称疲劳［8］，频率0.4 Hz、振幅1.0 kN、应力比0.8，疲劳24 h和72 h对应的疲劳循环次数为43 200和129 600次。

1.3 试件加载

在MTS 810型液压私服万能材料试验机上对试件进行了静载剪切拉伸试样，加载速率为0.1 mm/min，采用DEWESoft 7.0动态应变仪测试应变数据［9］，频率为50 Hz；采用华为P40手机拍摄断裂试样的宏观形貌。

2 结果与分析

图1为无腐蚀+无疲劳条件下粘接层中含有芳纶纤维和不含芳纶纤维试件的载荷-位移曲线。对比分析可知，在加载早期阶段，粘接层中含有芳纶纤维和不含芳纶纤维试件的荷载都会随着位移增加而快速增大，少数试样在加载过程中出现滑脱现象而使得曲线并不平滑；随着位移的增加，试件的荷载增加速率会减小，当到达峰值荷载后，试件的荷载快速下降并伴随着咔嚓的响声，此时外加荷载已经超过试件的承载能力，粘接层内部已经产生裂纹并发生断裂失效。相较而言，无腐蚀+无疲劳条件下粘结层中含有芳纶纤维试件的极限位移要高于不含芳纶纤维试件，这主要是因为在粘接层中加入芳纶纤维后，可以起到一定的侨联作用［10-11］，增强试件的承载能力和变形能力。

图2为腐蚀24 h条件下粘接层中含有芳纶纤维和不含芳纶纤维试件的载荷-位移曲线，图3为腐蚀72 h条件下粘接层中含有芳纶纤维和不含芳纶纤维试件的载荷-位移曲线，图4为疲劳24 h条件下粘接层中含有芳纶纤维和不含芳纶纤维试件的载荷-位移曲线，图5为疲劳72 h条件下粘接层中含有芳纶纤维和不含芳纶纤维试件的载荷-位移曲线。对比分析可知，在腐蚀、疲劳条件下，粘接层中含有芳纶纤维和不含芳纶纤维试件的载荷-位移曲线都较为相似，即开始阶段的荷载都会随着位移增加而快速增大，少数试样由于发生滑脱而使得荷载-位移曲线不平滑，在到达峰值荷载后，试件的荷载会快速下降。此外，对比分析可知，不同条件下粘接层中含有芳纶纤维和不含芳纶纤维试件的峰值荷载、极限位移等都存在明显差异。

图6为粘接层中含有芳纶纤维和不含芳纶纤维试件的峰值荷载。对于含有芳纶纤维的第1组试件，无腐蚀+无疲劳试件的峰值荷载为24 kN，C24和C72试件的峰值荷载分别为14、17 kN，F24和F72试件的峰值荷载分别为20、17 kN；对于含有芳纶纤维的第2组试件，无腐蚀+无疲劳试件的峰值荷载为25 kN，C24和C72试件的峰值荷载分别为16、22 kN，F24和F72试件的峰值荷载分别为23 kN和16 kN；对于含有芳纶纤维的第3组试件，无腐蚀+无疲劳试件的峰值荷载为23 kN，C24和C72试件的峰值荷载分别为12、18 kN，F24和F72试件的峰值荷载分别为23 kN和16 kN。相较于不含芳纶纤维的试件，无论是无腐蚀+无疲劳试件，腐蚀24 h和腐蚀72 h试件，还是疲劳24 h和疲劳72 h试件，含有芳纶纤维试件的峰值荷载都相对较大，这主要与粘结层中加入芳纶纤维后，可以起到一定的侨联作用，增强试件的承载能力和变形能力有关。

图7为粘接层中含有芳纶纤维和不含芳纶纤维试件的平均峰值荷载统计结果。对于无腐蚀、无疲劳条件下的试件，含有芳纶纤维和不含芳纶纤维试件的平均峰值荷载相对较大；相较于无腐蚀+无疲劳条件下试件，含有芳纶纤维试件C24和C72的平均峰值荷载分别下降21.1%和41.3%，不含有芳纶纤维试件C24和C72的平均峰值荷载分别下降22.2%和38.9%；相较于无腐蚀+无疲劳条件下试件，含有芳纶纤维试件F24和F72的平均峰值荷载分别下降12.2%和32.0%，不含有芳纶纤维试件F24和F72的平均峰值荷载分别下降10.1%和36.3%。由此可见，无腐蚀+无疲劳条件下含有芳纶纤维和不含芳纶纤维试件的平均峰值荷载都高于腐蚀和疲劳条件下试件，且含有芳纶纤维的平均峰值荷载都高于不含芳纶纤维试件，腐蚀或者疲劳时间越长，则对应试件的平均峰值荷载越小。这也与粘接层中加入了具有高强度、良好韧性的芳纶纤维后，可以起到一定的侨联作用，在断裂过程中可以抑制裂纹扩展、提升断裂耗能［12-13］，增强试件的承载能力和变形能力有关。

表2为医院基建用碳纤维/钢复合材料的断裂模式统计结果。

由表2可见，无疲劳+无腐蚀模式下试件的断裂模式为粘接层内聚失效；进一步观察了腐蚀24 h和腐蚀72 h条件下试件的断裂模式，发现试件的断裂模式仍然为粘接层内聚失效，而疲劳24 h和疲劳72 h时试件的断裂模式转变为粘接层内聚失效+CFRP层间失效。整体而言，对于翼缘基建用碳纤维/钢复合结构，粘接层仍然是整体结构的薄弱环节，这主要是因为虽然在制作试件的过程中严格了各项工序制度，但是环氧树脂和固化剂的粘接作用仍然有限，在粘结剂自身粘接强度较低的前提下，在受到外加荷载时，裂纹将有限在碳纤维/钢复合结构的界面粘接层萌生及扩展［14］；对于疲劳时间，其断裂模式为粘接层内聚失效+CFRP層间失效，这主要是因为疲劳过程中试件受到往复低应力荷载作用，CFRP层合板在交变荷载作用下会出现内部粘接层的剪切破坏［15］，因此碳纤维/钢复合结构的承载能力会相对单一腐蚀条件下更高，此时的断裂破坏需要同时承受粘接层内聚失效和CFRP层间失效作用。

3 结语

（1）相较于不含芳纶纤维的试件，无论是无腐蚀+无疲劳试件，腐蚀24 h和腐蚀72 h试件，还是疲劳24 h和疲劳72 h试件，含有芳纶纤维试件的峰值荷载都相对较大；

（2）无腐蚀+无疲劳条件下含有芳纶纤维和不含芳纶纤维试件的平均峰值荷载都高于腐蚀和疲劳条件下试件，且含有芳纶纤维的平均峰值荷载都高于不含芳纶纤维试件，腐蚀或者疲劳时间越长，则对应试件的平均峰值荷载越小；

（3）无疲劳+无腐蚀模式下试件的断裂模式为粘结层内聚失效，腐蚀24 h和腐蚀72 h条件下试件的断裂模式仍然为粘接层内聚失效，而疲劳24 h和疲劳72 h时试件的断裂模式转变为粘接层内聚失效+CFRP层间失效。

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