近日，我校能源与建筑环境学院低碳数智建造技术创新团队在POLYMERS上发表了题为The Aging Behavior And Life Prediction of CFRPRod Under Hygrothermal Environment的研究论文。该文研究了CFRP杆的吸水扩散行为、短梁抗剪强度和动态热力学性能的演化规律。揭示了CFRP杆（图1）在土木工程恶劣的使用环境下的耐久性能，得到了CFRP杆力学性能的退化规律，尝试建立了CFRP杆的寿命预测模型。研究结果表明CFRP杆的长期耐久性在混凝土结构、桥梁斜拉索结构和混凝土预应力拉索等服役环境下具有应用价值。
土木工程结构CFRP复合材料在湿热环境下的热与力学性能退化主要原因是水分子的侵入，水分子侵入会弱化高分子链间的范德华力，导致高分子链发生塑化与水解作用。复合材料浸泡在水中，水分子会沿着杆体径向扩散进材料内部，该过程类似于热传导过程（有相应的扩散方程），通过该扩散方程可以求解归一化水浓度沿着杆体径向的分布（图2-7）。短梁剪切强度（SBSS）可以表征纤维-树脂界面性能，纤维复合材料的整理力学性能直接取决于界面性能，研究SBSS随老化时间退化规律（图8-15）；基于时间-温度等效理论，利用Arrhenius方程对SBSS在实际使用环境中的长期寿命进行预测(图16-18)。
综上，本研究发现：CFRP杆的吸水行为满足Fick定律，高温加速了水分子沿CFRP杆径向的扩散速率，进而获得更高的扩散系数D；水分子进入CFRP杆后，与极性树脂基体相互作用，导致树脂基体塑化，纤维与树脂基体界面脱粘，导致CFRP棒热性能和力学性能明显下降；扫描电镜观察到高温水浸泡后CFRP杆表面树脂脱落，纤维与树脂基体界面发生严重脱粘；基于时间-温度等效理论，利用Arrhenius方程对SBSS在实际使用环境中的长期寿命进行预测，得到SBSS的稳定强度保持率为72.78%，为土木工程结构的设计提供指导意义。
本文的第一作者为能源与建筑环境学院工管教研室专任教师刘晓东博士，刘晓东博士是我院低碳数智建造技术与装配式建筑技术研究创新团队负责人、教授，该工作受到学院领导和同事的鼎力支持。
图1 CFRP杆
图2 CFRP杆在40℃、60℃与80℃水中的水吸收曲线 图3 ln (D) 与 1000/T 的线性关系曲线
图4 在固定时间下CFRP杆归一化水浓度沿着径向位置的分布
图5 再固定端径向位置处CFRP杆归一化水浓度随着时间的变化
图6 CFRP杆在40℃、60℃与80℃水中浸泡360天后的结合水与自由水含量 图7 结合水与自由水含量与浸泡时间的关系曲线
图8 CFRP杆的短梁剪切测试装置 图9 不同浸泡温度下SBSS随着浸泡时间的变化
图10 CFRP杆短梁剪切破坏模式 图11 CFRP杆在40℃、60℃与80℃水中的Tg随着浸泡时间的变化
图12 CFRP杆在80℃水中的tanδ曲线随着浸泡时间的变化 图13 CFRP杆在浸泡360天后的tanδ曲线随着浸泡温度的变化
图14 原始与老化后的CFRP杆表面形貌
图15 原始与老化后的CFRP杆短梁剪切断口形貌
图16. SBSS在40℃、60℃与80℃水中的拟合 图17. SBSS保留率的阿伦尼乌兹主曲线 图18. SBSS在实际服役环境中的长期
曲线 寿命预测曲线
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