突破高温条件下，纤维增强聚合物基复合材料的测试难关

在过去三十年里，由于纤维增强聚合物基复合材料（以下简称FRP）与混凝土和钢材等传统建筑材料相比具有优越的性能，因此在土木工程应用中越来越受欢迎。同时，人们对石油基材料所产生过量二氧化碳排放的环境问题日益关注，减少碳排放成了建筑行业的一个新趋势。在制造生物基复合材料的过程中，研发人员正在努力测算天然纤维作为合成纤维替代品的可能性。

耐火性差和易燃性高是FRP复合材料，特别是生物基FRP复合材料的两个主要问题，并因此限制了它们在建筑结构中的使用。与传统的建筑材料相比，FRP复合材料的特性随温度的变化而急剧波动，除了使用规定的测试程序外，测试过程还要适当控制。虽然在环境温度下描述FRP复合材料特性的必要测试程序方面有相当多的指导，但在描述温度升高时的能力的测试方法方面，指导较少。

在该研究中，作者讨论了在各种高温下，评估FRP复合材料性能的测试方法和过程。这包括：最合适的试样情况、测试制度、测试方法以及与高温下测试有关的其他问题。

此外，在一个案例研究中，作者使用典型的FRP试样证明了建议测试方法的适用性。在测量生物基FRP复合材料的高温能力方面，指定测试方法的适用性也得到了强调。

研究人员对现行标准（包括国际标准化组织（ISO）标准和美国材料与试验协会（ASTM））和发表的论文中定义的测试方法和程序进行了详细分析。

该研究团队描述了在20至600℃的温度范围内对FRP复合材料（包括生物基FRP复合材料）进行高温材料表征的最合适的测试方法。对众多评估FRP复合材料的机械和热性能的测试方法进行了审查。此外，还审查了在高温下表征FRP重要材料特性最合适的测试方法。

FRP试样的锚固系统:（a）环氧树脂填充物;（b）钢丝;（c）钢架;（d）测试试样

研究称，在20至200℃的温度范围内，粘接强度的侵蚀是迅速的，近表面安装（NSM）的FRP在200℃时只保留了其初始强度的20%至30%。根据测试结果，环氧树脂在大约400℃时开始燃烧，这对FRP与混凝土的粘结造成了损害。碳纤维增强聚合物基（以下简称CFRP）复合材料带在400℃时、CFRP棒在300℃时，粘结强度很小。混凝土在90天和28天后的抗压强度分别为50MPa和48MPa。

CFRP试样的模量和强度在20-300℃之间逐渐退化，在300℃以上迅速退化。在室温试验中，NSM CFRP带材的拉伸强度和弹性模量被确定为1641 MPa和150.8 GPa，而CFRP棒材的对应值为1577 MPa和130.9 GPa。

另外一些研究报告称，由于生物基复合材料具有类似的结构，因此试样条件、锚固系统、加热和加载速率以及其他因素的程序和推荐准则可以同样对生物基FRP复合材料进行性能测试，在20至600℃的温度范围内产生合适的材料性能数据。

可将来自试验的高温特性数据，相关的特性关系输入数值模型，预测生物基FRP在各种火灾暴露情况下的能力。

总之，该研究讨论了在高温下评估FRP复合材料的机械和热性能的测试程序和方法。根据所研究的文献，推荐了用于玻璃钢高温材料表征的最合适的测试程序。在目前的规范和标准中，没有找到确定的测试方法或程序来表征生物基和合成玻璃钢在20至600℃温度范围内的高温性能。

此文由中国复合材料工业协会编译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。