碳-玻纖維混雜復合材料桿體的力學與耐久性能研究

郭 瑞，李承高，咸貴軍，汪云家

(1.哈爾濱工業大學 結構工程災變與控制教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150090; 2.哈爾濱工業大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090；3.中國石油化工集團有限公司 勝利石油管理局科技處，山東 東營 257000)

纖維增強樹脂基復合材料(FRP)相較于傳統建筑結構材料具有輕質、高強、耐疲勞與耐腐蝕等優異性能，在土木工程領域已得到了廣泛的關注與應用[1].其中，FRP筋替換傳統的鋼筋用于增強混凝土結構；FRP板材用于修補加固受損的鋼與混凝土結構[2]；FRP索替換鋼索用于橋梁結構[3].FRP復合材料在工程中的應用，可以有效的提升結構材料抗腐蝕、疲勞破壞等性能，從而提升結構的服役可靠度、服役安全與服役壽命，帶來可觀的社會與經濟效益.

碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)具有優異的耐腐蝕、耐疲勞等性能，但成本較高，玻璃纖維增強樹脂基復合材料(GFRP)成本低廉，但模量、強度較低且耐疲勞性能較差，斷裂伸長率較高.通過碳纖維與玻璃纖維混雜制備復合材料，可以發揮碳纖維與玻璃纖維的性能與成本優勢，制備更高性價比的混雜纖維復合材料制品.相對單一纖維復合材料而言，混雜復合材料內部纖維的斷裂破壞過程發生變化[4].高延性玻璃纖維能有效地降低由于低延性碳纖維斷裂而形成的應力集中；同時，由于玻璃纖維的橋聯作用，阻滯了碳纖維斷裂簇的形成，提高了碳纖維斷裂簇的臨界尺寸[5].基于上述兩個作用，提升了混雜復合材料內低延性纖維的斷裂伸長率[6]，如混雜復合材料較單一碳纖維復合材料的斷裂伸長率提高10%～40%[7]，其強度與斷裂伸長率均實現正混雜效應.

碳-玻璃纖維復合材料的正混雜效應取決于碳纖維的分散度、相對含量、混雜方式、纖維性能與纖維/樹脂界面粘結性能等材料參數[4].纖維混雜得越均勻，混雜效應越顯著，如纖維束隨機混雜對復合材料正混雜效應的提升遠高于層間混雜[4]；對于層間混雜，對碳纖維層薄層化處理降低碳纖維的含量后，碳纖維在受力過程中會逐步斷裂或從樹脂中拔出，其最終斷裂伸長率遠大于純碳纖維復合材料，混雜復合材料表現出假延性[6-7]；綜上可知，增加低延性纖維的離散度，可以顯著提高低延性纖維的斷裂伸長率，進而提高桿體的正混雜效應[5].

雖然FRP復合材料具備優異的耐濕熱老化與疲勞性能，但在長期服役過程中，惡劣的土木工程服役環境與荷載會造成FRP性能的顯著退化.在濕熱、pH、紫外、凍融與疲勞荷載老化等腐蝕環境下，FRP會產生樹脂基體開裂、界面脫粘與纖維斷裂等損傷，嚴重影響結構的服役可靠度、壽命與安全.其中，濕熱與疲勞荷載是土木工程結構中最常見的兩種服役環境.為了確保FRP在上述環境下具有可靠的服役性能，有必要研究FRP在濕熱與疲勞荷載作用下的長期耐久性能，獲得FRP力學性能演化規律與機理.

濕熱環境所導致的FRP性能退化與材料的水吸收有著密切關系[8-9]，較高的吸水量會導致更嚴重的性能退化[10].在潮濕環境下老化15 a后，FRP桿體的層間剪切性能退化10%～50%[11].在蒸餾水環境中浸泡1a后，FRP桿的纖維/樹脂界面強度退化了25%～43%.在過去的幾十年里，許多學者對CFRP和GFRP的疲勞性能進行了研究[12-14]，結果表明，CFRP比GFRP具有優異的疲勞性能.FRP的疲勞壽命高度依賴于材料系統本身，如纖維、樹脂基體性能、鋪層順序和制造過程中的殘余應力[15-17].縱然廣大學者對FRP濕熱老化與疲勞性能有系統而深入的研究，但是針對碳-玻璃纖維混雜復合材料桿體的濕熱老化與疲勞性能的研究較少，因此，有必要系統地開展混雜桿體在濕熱與疲勞荷載作用下的長期服役性能研究.

實際工程應用過程中，低的碳纖維含量盡管有利于實現正混雜效應，但復合材料的性能更偏向于玻璃纖維復合材料，并不能夠滿足對材料耐腐蝕、疲勞、模量性能的要求.本文以碳-玻璃纖維混雜拉擠桿為對象，研究碳纖維與玻璃纖維比(2︰3)在較高情況下，纖維分布情況對拉擠桿靜力性能、濕熱耐久性能與疲勞性能的影響.研究將有利于碳-玻璃纖維混雜復合材料的設計、制備與應用.

1 實驗部分

1.1 實驗材料

本研究使用的原材料是通過拉擠技術生產的單向碳-玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料桿體.包括碳纖維桿(CFRP rod)，隨機混雜桿體(UDH rod)，皮芯包覆桿(GCH rod).對于UDH桿，碳纖維束隨機地分散在玻璃纖維中，而GCH桿的皮層為玻璃纖維增強環氧樹脂，芯層為碳纖維增強環氧樹脂，相應的混雜桿體的橫截面結構組成如圖1所示.

圖1 拉擠的碳-玻璃纖維混雜復合材料桿體Fig.1 Pultruded carbon-glass fiber hybrid composite rods

在本研究中，所有桿體纖維體積分數約為70%，其中混雜桿體碳/玻璃纖維體積分數比為2∶3.12 K的碳纖維(上海石化，上海，中國)、玻璃纖維(OC 2400tex，Owens corning, America)和雙酚A型環氧樹(AirstoneTM 1122E，藍立方化學公司，浙江，中國)用于混雜桿體的生產，纖維與樹脂的力學性能列于表1中.

表1 混雜桿體所用纖維與樹脂的力學性能Tab.1 The mechanical properties of fibers and resin of hybrid rods

1.2 碳-玻璃纖維混雜桿體錨固系統及方法

纖維增強復合材料具有較高的縱向拉伸性能，但其橫向抗剪切與抗壓性能差，造成纖維增強復合材料桿體錨固困難[18].為了解決現有錨固系統存在的錨固效率低、錨具內部應力分布不均勻、耐疲勞性能差等問題，為碳-玻璃纖維混雜桿體的力學測試提供一種可靠的錨固系統.本文發展了一種擠壓-粘結型錨固系統，該錨固系統由碳-玻璃混雜桿體、鋼套筒與鋼楔塊組成，如圖2所示.

圖2 擠壓-粘結型錨固系統Fig.2 The extruded-friction anchorage system

鋼套筒與鋼楔塊的長度設置為150 mm，鋼套筒的內部錐度為1°.為了降低錨具端部桿體所受的剪應力，鋼套筒與鋼楔塊之間設置0.1°的錐度差.鋼楔塊設置為等分的三瓣，內孔為圓形通孔，并且鋼楔塊內孔直徑小于與桿體直徑0.3 mm，為了抵消桿體受壓變形所造成的直徑減小，使得在受力過程中鋼楔塊內孔與桿體表面貼合得更加緊密.該錨固系統的操作具體包括以下步驟：(1)將桿體兩個錨固端用砂紙打磨，進行粗糙處理，同時對錨固鋼管的內孔進行除銹，用無水乙醇將打磨后的FRP桿體、錨固鋼管內孔擦拭干凈；(2)將桿體放入三瓣鋼楔塊合成的內孔中，然后將FRP桿體連同鋼楔塊插入到鋼套筒內孔；(3)使用壓力機以5 mm/min的速率將鋼楔塊壓進鋼套筒內部，直至壓力值達到1.2倍的單筋拉伸荷載.至此，便完成桿體的錨固.

該錨固系統安裝方便，易于拆卸，可從復使用，便于工業化的生產與應用.錨固系統內部傳力明確，鋼楔塊與桿體之間的摩擦力沿著錨具長度方向均勻分布.此外，該錨固系統可在鋁套袖與桿體之間施加一定的環向預壓應力，可滿足不同強度等級桿體的拉伸測試.

1.3 碳-玻璃纖維混雜桿體力學測試

1.3.1 短梁剪切測試

為了獲得兩種混雜桿體的層間剪切性能，采用短梁剪切測試進行表征.本文所研究的混雜桿體直徑(D)為7 mm與22 mm.根據規范ASTM D4475-02[19]，混雜桿體的短梁剪切試樣長度為6D，測試跨度為5D，如圖3所示.采用上海衡翼精密儀器有限公司生產的萬能試驗機(DHY-10080)進行短梁剪切測試，采用位移控制，加載速度設置為1.3 mm/min，直到桿體發生層間剪切破壞，停止實驗.每種混雜桿體共測試5個試樣，短梁剪切強度按下式計算.

圖3 混雜桿體短梁剪切測試裝置Fig.3 Short beam shear test device of hybrid rods

(1)

式中：P為試驗過程的最大荷載，N；D為桿體直徑，mm；τ為短梁剪切強度，MPa.

1.3.2 拉伸測試

采用擠壓-摩擦型錨固系統對混雜桿體進行錨固，拉伸測試所用的混雜桿體直徑為7 mm與22 mm.參考相應測試規范ASTM D7205/D7205M-06[20]，將該桿切成680 mm長，中間自由長度為380 mm，兩端錨固長度為150 mm.采用上海衡翼精密儀器有限公司生產的萬能試驗機(DHY-10080)進行拉伸測試，采用位移控制，加載速度設置為2 mm/min.直到混雜桿體發生爆裂破壞，停止加載.混雜桿體拉伸測試如圖4所示，其中LVD監測桿體應變變化，結合拉力機力值數據與LVDT應變數據獲得桿體拉伸應力-應變曲線.重復測試5個試樣以獲得平均值作為拉伸強度.

圖4 混雜桿體拉伸測試裝置Fig.4 Tensile test device of hybrid rods

1.4 碳-玻璃纖維混雜桿體濕熱耐久性測試

1.4.1 水吸收測試

對于混雜桿體的濕熱耐久性測試，采用恒溫水槽進行浸泡，其中，進行濕熱耐久性測試的混雜桿體直徑選用22 mm.溶液采用蒸餾水，浸泡溫度為40 ℃、60 ℃和80 ℃.為了加速混雜桿體的濕熱老化速度，采用精密切割儀將混雜桿體沿長度方向切割成5 mm的圓片，作為水吸收試樣.在進行耐久性測試之前，所有試樣均放置在60 ℃進行為期7 d的烘干，用來除去混雜桿體原始的水分，同時也使得桿體內部環氧樹脂得到充分固化，避免環氧樹脂在浸泡過程中發生后固化.水吸收試樣定期地從水槽中取出，并用紙巾擦干桿體表面的分水，試樣的重量用精度為0.1 mg的電子天平進行稱量，稱量結束后立即將試樣放還至水槽內.每種浸泡溫度下的試樣重復五次稱量，取其平均值作為試樣的水吸收值.試樣的水吸收百分比值按下公式進行計算.

(2)

式中：t為浸泡時間，s1/2；Mt為t時刻試樣重量增加百分比，%；W0為試樣初始重量，g；Wt為t時刻的試樣重量，g.

1.4.2 長期界面性能測試

為了獲得混雜桿體中纖維/樹脂界面性能的長期演化規律，采用面內剪切測試進行纖維/樹脂界面強度的表征.由圖1可以看出，UDH桿擁有一個分散的碳-玻璃纖維/樹脂界面.相比而言，GCH桿存在一個GFRP皮/CFRP芯界面.為了獲得上述纖維/樹脂界面的粘結性能，設計出一套面內剪切裝置.該裝置包含壓桿，固定頂蓋和底座，如圖5所示.所用壓桿直徑為12 mm，用于測試獲得上述兩種纖維/樹脂界面的剪切強度.面內剪切測試試樣與水吸收試樣相同，均為5 mm厚的圓形薄片.試樣在浸泡30 d、60 d與120 d后，從水槽中取出用于面內剪切測試.試樣的厚度采用精度為0.001 mm的游標卡尺進行測量，采用上海衡翼精密儀器有限公司生產的萬能試驗機(DHY-10080)進行面內剪切測試，采用位移控制，加載速度設置為1 mm/min.每種環境下試樣重復測試5次獲得平均值作為面內剪切強度.

圖5 碳-玻璃纖維混雜桿體面內剪切測試裝置Fig.5 Interface shear test device of hybrid rods

1.5 碳-玻璃纖維混雜桿體疲勞性能測試

為了進一步研究不同纖維混雜模式對桿體疲勞性能的影響規律，本文參考前期研究結果[19-20]，對UDH桿與GCH桿的疲勞壽命進行了對比分析，揭示了纖維混雜模式對桿體疲勞壽命的影響.根據前期研究可知，碳-玻璃混雜桿體的拉-拉疲勞測試依據ASTM D3479/D3479M-19[23]標準進行.選用100 t電液式脈動疲勞試驗機進行桿體疲勞測試，應力比和疲勞頻率分別設置為0.4和2 Hz.當桿體發生破壞或超過200萬次的疲勞循環時，結束疲勞加載.桿體疲勞測試如圖6所示.

圖6 碳-玻璃纖維混雜桿體拉-拉疲勞測試Fig.6 Tension-tension fatigue test of hybrid rods

2 結果與討論

2.1 錨固系統力學性能

為了充分驗證擠壓-摩擦型錨固系統的可靠性，選用拉伸強度較高的CFRP桿體進行拉伸測試.CFRP桿體拉伸荷載-位移曲線如圖7所示.

圖7 CFRP桿拉伸荷載-位移曲線Fig.7 Tensile loading-displacement curves of CFRP rods

由圖可知，直徑為7 mm與10 mm的CFRP桿體的荷載-位移曲線均呈線性增長，這說明擠壓-摩擦型錨具內部受力均勻，CFRP桿體與鋼楔塊之間無滑移.對于直徑為7 mm的CFRP桿體，其最大拉伸荷載達到75 kN，拉伸強度為1 950 MPa.相較而言，直徑為10 mm的CFRP桿體的最大拉伸荷載達到150 kN，拉伸強度為1 912 MPa.上述兩種直徑桿體的拉伸強度無明顯差異，這說明擠壓-摩擦型錨固系統力學性能比較穩定，可適用于不同直徑桿體的拉伸測試.此外，CFRP桿體的拉伸破壞模式為爆裂破壞，如圖8所示.CFRP桿體的破壞發生在自由段，沒有發生桿體在錨具端部被剪斷的現象，這說明在鋼套筒與鋼楔塊之間設置0.1°錐度差可有效減緩桿體在錨具端部的應力集中.總之，該擠壓-摩擦型錨具與粘結型錨具相比，具有內部應力分布均勻、錨固效率高、安裝便捷、可重復使用等優點.

圖8 CFRP桿拉伸破壞模式Fig.8 Tensile failure mode of CFRP rods

2.2 碳-玻璃纖維混雜桿體混雜效應與機理

2.2.1 短梁剪切性能

為了研究不同纖維混雜模式與直徑對短梁剪切性能的影響規律，結合前期對22 mm桿體剪切性能的研究結果[21]，兩種直徑混雜桿體的短梁剪切荷載-位移曲線如圖9所示.混雜桿體的荷載-位移曲線呈線性增長，當剪切荷載達到最大值時，桿體發生突然的脆性失效，所有混雜桿體均出現了桿體中性軸處的剪切破壞.此外，從圖中還可以發現UDH桿承受的短梁剪切荷載大于GCH桿，這主要是因為GCH桿有兩個獨立的CFRP芯層與GFRP皮層.在生產過程中，GCH桿體的皮/芯界面會存在一些原始缺陷(孔隙、殘余應力)，此外，由于GFRP皮層與CFRP芯層有不同的力學性能，施加荷載后在皮/芯界面處產生應力集中.相比之下，UDH桿中的碳纖維束隨機地分散到玻璃纖維中，不存在皮/芯界面薄弱層，因此獲得了較高的短梁剪切荷載.由此可見，隨機地纖維束混雜可以避免桿體內部出現薄弱界面，提升桿體短梁剪切性能.

為了進一步分析不同桿體直徑對短梁剪切性能的影響，采用公式(1)計算出兩種直徑桿體的短梁剪切強度如圖10所示.由圖可知，7 mm的UDH桿與GCH桿的短梁剪切強度分別為78.53 MPa與68.34 MPa，而22 mm的UDH桿與GCH桿的短梁剪切強度分別為60.85 MPa與55.65 MPa.7 mm UDH桿與GCH桿的剪切強度相較于22 mm桿體分別提升了29%與23%，可以看出直徑對桿體短梁剪切性能影響是顯著的.

圖9 短梁剪切荷載-位移曲線Fig.9 Loading-displacement curves of short beam shear

圖10 混雜桿體的短梁剪切強度Fig.10 Short beam shear strength of hybrid rods

2.2.2 拉伸性能

為了進一步獲得不同混雜模式與桿體直徑對拉伸性能的影響，通過拉伸測試獲得混雜桿體的應力-應變曲線如圖11所示.由圖可知，直徑22 mm的混雜桿體僅有一個彈性階段，當拉伸荷載達到最大值時，桿體發生突然的脆性破壞.相比之下，7 mm的混雜桿體呈現三階段的應力-應變響應，第一階段為彈性階段，應力-應變曲線呈線性增長.第二階段為假延性階段，在此階段應力水平基本不變，應變在增加.第三階段為桿體失效階段，應力-應變曲線快速下降直至桿體拉伸失效.通過拉伸應力-應變響應可以看出，桿體直徑對拉伸性能的影響是顯著的.隨著外部荷載的增加，混雜桿體內部碳纖維會首先達到斷裂應變而發生斷裂，大直徑桿體碳纖維所承擔的荷載無法均勻的轉移到玻璃纖維，會在斷裂處產生應力集中而導致桿體發生脆性的斷裂失效.對于直徑22 mm的混雜桿體，UDH桿GCH桿的應力-應變曲線無明顯差異，在桿體內部的碳纖維斷裂以后，兩種混雜桿體均發生了過早的脆性斷裂.對于直徑7 mm的混雜桿體，UDH桿與GCH桿在第一階段的應力-應變響應無明顯差異.對于第二階段，從應力-應變曲線所記錄的數據點可知，UDH桿的假延性擁有較長的持續時間.相比之下，GCH桿在第一段結束后很快便進入第二階段，這使得GCH在實際結構應用過程中，其破壞失效時無法給人足夠的安全預告時間.綜上可以，纖維混雜模式和桿體直徑對拉伸應力-應變響應有著顯著的影響.受尺寸效應的影響，通過纖維混雜無法實現大直徑桿體延性的提升.相較而言，小直徑桿體可以充分發揮纖維混雜效應，實現桿體的延性破壞.另外通過碳纖維束的隨機混雜，可以有效提升桿體延性階段的持續時間，為結構失效提供更長的安全預告.

圖11 拉伸應力-應變曲線Fig.11 Stress-strain curves of tension

通過圖11中應力-應變曲線的斜率可以得知，所有混雜桿體的拉伸模量無明顯差異，這主要是因為桿體拉伸模量與纖維體積分數和碳/玻璃纖維比例有關.進一步地，通過圖中應力-應變曲線計算獲得混雜桿體的拉伸強度與斷裂伸長率如圖12所示.由圖可知，直徑7 mm的UDH桿與GCH桿的拉伸強度分別為1 628.76 MPa與1 705.81 MPa，直徑22 mm的UDH桿與GCH桿的拉伸強度分別為1 226.90 MPa與1 156.93 MPa.此外，直徑7 mm的UDH桿與GCH桿的斷裂伸長率分別為1.55%與1.67%，直徑22 mm的UDH桿與GCH桿的斷裂伸長率分別為1.28%與1.25%.由上述數據可以看出，小直徑混雜桿體擁有更優異的拉伸性能.混雜桿體直徑從22 mm降低至7 mm，UDH桿體拉伸強度與斷裂伸長率分別提升33%與21%，GCH桿體拉伸強度與斷裂伸長率分別提升47%與34%.

圖12 混雜桿體的拉伸強度與斷裂伸長率Fig.12 Tensile strength and elongation of hybrid rods

2.3 碳-玻璃纖維混雜桿體濕熱耐久性能

2.3.1 水吸收行為

基于前期研究獲得的混雜桿體水吸收數據[22]，獲得兩種混雜桿體的水吸收曲線如圖13所示.兩種混雜桿體的水吸收曲線均呈現兩階段的擴散響應，第一階段是由濃度控制的Fick’s擴散響應，第二階段是由樹脂松弛與界面脫粘控制的長期退化響應[23].在40 ℃與60 ℃浸泡溫度下，UDH桿與GCH桿的水吸收與擴散行為無明顯差異.相反地，兩種混雜桿體在80 ℃浸泡溫度下的水吸收與擴散行為差異顯著，在第二階段UDH桿擁有更高的斜率與水吸收含量.這主要是因為UDH桿存在分散的碳-玻璃纖維/樹脂界面，碳纖維/樹脂與玻璃纖維/樹脂兩者之間有不同的濕熱膨脹系數，高溫浸泡(80 ℃)造成UDH桿在整個橫截面上纖維/樹脂界面的退化，為水分子的侵入提供了更多的空間.基于上述混雜桿體水吸收行為的分析，采用Bao和Yee等人提出的兩階段擴散模型對上述水吸收數據進行擬合，擬合公式如下：

(3)

式中：t為浸泡時間，s0.5；Mt為t時刻試樣水百分，%；M∞為試樣在第一階段平衡吸水率，%；D為擴散系數，×10-6mm2/s；k為樹脂結構松弛常數，10-4mm/s0.5；h為試樣的厚度，mm.

圖13 混雜桿體的水吸收曲線Fig.13 The water absorption curves of hybrid rods

由圖13可以看出，公式(3)的兩階段模型可以很好地去擬合混雜桿體的水吸收數據，相關的擬合參數(D,k,M∞)與最大的吸水率Mmax列于表2中.值得注意的是擴散系數D和平衡吸水率M∞與第一階段的水吸收有關，松弛常數k與第二階段的水吸收有關.從表中數據可以看出，纖維混雜模式對M∞的影響是可以忽略不計的.此外，UDH桿的松弛系數相較于GCH桿更易受浸泡溫度的影響，80 ℃高溫浸泡導致UDH桿擁有較高的松弛常數k.這主要是因為碳-玻璃纖維/樹脂界面在高溫浸泡下退化顯著，為第二階段的水吸收帶來了嚴重的松弛現象.綜上可以，不同的纖維混雜模式對高溫(80 ℃)浸泡下的水吸收行為有顯著影響.

表2 混雜桿體水吸收擬合參數Tab.2 The water absorption fitting parameters of hybrid rods

2.3.2 長期界面性能

通過面內剪切測試，結合前期對混雜桿體界面性能的研究結果[22]，獲得兩種混雜桿體面內剪切強度隨浸泡時間的退化曲線如圖14所示.

圖14 混雜桿體的面內剪切強度退化Fig.14 The degradation of interface shear strength of hybrid rods

由圖中曲線的斜率可知，混雜桿體的面內剪切強度在初始浸泡的第一個月內退化顯著，隨后退化速率減小.這主要是因為在初始浸泡的一個月內，水分子的侵入打破了原始樹脂鏈間、樹脂鏈與纖維間的范德華力與氫鍵，導致樹脂發生了嚴重的塑化反應與界面脫粘.此外，浸泡溫度會加速樹脂塑化與界面脫粘，在同一浸泡時間下，面內剪切強度退化百分比隨著浸泡溫度的增加而升高.對比兩種混雜桿體的退化數據可知，在40 ℃與60 ℃浸泡溫度下，兩種混雜桿體面內剪切強度的退化百分比無明顯差異.相反地，在80 ℃浸泡溫度下，UDH桿的面內剪切強度退化百分比遠高于GCH桿.由圖13已知，UDH 桿的水吸收率遠高于GCH桿，兩種混雜桿體的強度退化與水吸收結果相吻合，說明桿體吸水量越多，由塑化和界面脫粘所導致的面內剪切強度退化率越高.綜上可知，不同纖維混雜模式會影響桿體水吸收，水分子的侵入導致桿體發生不同程度的塑化作用與界面脫粘，進而導致不同程度的面內剪切強度退化.

2.4 碳-玻璃纖維混雜桿體疲勞性能

根據前期的研究結果[19-20]，混雜桿體的S-N曲線繪制于圖15.由圖可知，在相同的應力比下，隨著應力水平的升高，兩種混雜桿體的疲勞壽命顯著降低，這是因為較高的應力水平加速桿體疲勞損傷的萌生和擴展.對于UDH桿，在應力水平為0.33時，疲勞循環次數超過200萬次.相比之下，當施加在GCH體的應力水平降低到0.25時，可以實現上述超過200萬次疲勞循環的目標UDH桿的疲勞極限比GCH桿提高了40%，這說UDH桿比GCH桿擁有更好的抗疲勞性能.在應力水平為0.42時，UDH桿的疲勞壽命是GCH桿的5.7倍.此外，GCH桿的疲勞失效模式為皮/芯界面脫粘，UDH桿的疲勞失效模式為均勻的碳玻璃纖維/樹脂界面的劈裂破壞.綜上所述，纖維混雜方式對桿體疲勞壽命與破壞模式的影響是顯著的，通過碳纖維束的隨機混雜，可以有效地提高UDH桿的抗疲勞性能.可以看出，UDH桿疲勞壽命優于GCH桿，主要原因是UDH桿的碳纖維束隨機地分散在玻璃纖維中，避免了在疲勞過程中GCH桿皮/芯界面脫粘而導致桿體發生過早的疲勞失效.UDH桿中碳纖維與玻璃纖維束可以協調抵抗疲勞荷載，充分發揮了碳纖維的耐疲勞性能，有效地延緩了桿體疲勞失效的到來，大幅提升了UDH桿的疲勞壽命.

圖15 混雜桿體的S-N曲線Fig.15 The S-N curves of hybrid rods

3 結論

為促進碳-玻璃纖維混雜增強環氧樹脂基復合材料拉擠桿在工程結構中的應用，本文發明了一套高效擠壓-摩擦型錨固系統，研究了纖維混雜模式(隨機混雜與包覆混雜)對混雜桿體靜力、濕熱老化與疲勞性能的影響規律，具體結果如下：

(1)發明的新型楔形-摩擦型錨固系統避免錨固區內的應力集中，錨固效率高達100%.桿體與楔塊之間無滑移，桿體失效模式為自由段的爆裂破壞，可有效解決復合材料桿體的錨固難題；

(2)相較于皮-芯包覆混雜，碳纖維束的隨機混雜可以有效提升混雜桿體短梁剪切性能.受尺寸效應的影響，大直徑(22 mm)混雜桿體無法實現拉伸正混雜效應.相反地，通過碳纖維束隨機混雜的小直徑(7 mm)桿體，具有顯著的拉伸斷裂延性；

(3)混雜桿體水吸收行為符合兩階段模型.80 ℃高溫浸泡下，隨機混雜桿體具有較高的水吸收，水分子的侵入導致樹脂的塑化與界面脫粘，進而引起隨機混雜桿體顯著的界面性能退化；

(4)通過碳纖維束的均勻混雜，實現了疲勞性能的正混雜效應，隨機混雜桿獲得了較高的疲勞壽命.這是由于隨機混雜桿中碳纖維與玻璃纖維束可以協調抵抗疲勞荷載，充分發揮了碳纖維的耐疲勞性能，有效地延緩了桿體疲勞失效的到來；

(5)隨機混雜桿體具有優異的拉伸與疲勞性能，適用于經常承受交變荷載的工程結構，如橋梁拉索、混凝土預應力筋等.相比之下，包覆桿體具有較好的長期耐久性能，適用于服役環境較惡劣的工程結構，如海洋平臺系泊系統、海洋混凝土結構等.