亚麻-碳纤维的混杂效应及其复合材料管-混凝土柱受力性能研究

Due to its relatively low mechanical properties, high property variation, and poor hydrothermal ageing behaviors, the application of flax fiber reinforced polymer (FFRP) composite encountered a barrier in civil engineering structures. In the present project, carbon fiber hybridization is proposed to improve the properties of FFRP. The loading performances of HCPC tuber – concrete cylinders will be investigated meanwhile. At first, through meso-mechanic analysis and experiment testing, the hybrid effect and the related mechanisms of flax – carbon fiber will be studied. The mechanical model of FCHC is to be setup, considering the fiber arrange, fiber content and the statistic distribution of fiber strength. The effects of the hybrid method of fiber roving/fabrics on the mechanical properties of FCHC will be studied. The effects of fiber hybrid on the water diffusion, water molecule distribution, internal swelling stress and macro-mechanical properties are to be investigated. The long term evolution model of the mechanical properties of FCHC subjected to hydrothermal conditions will be setup. The long term loading performances of FCHC tuber-concrete cylinders are to be studied. The confining efficiency and its evolution of FCHC tube will be revealed. The project is to develop high performance green FRP and its reinforced structures, and to enrich the fiber hybrid theory, and to promote the sustainable development of the civil engineering structures. The project possesses a significance in both theory study and application.

针对生物质亚麻纤维复合材料（FFRP）力学性能较低、离散性较大、耐湿热性差，由此制约其土木工程结构应用问题，本项目拟通过碳纤维混杂发展高性能绿色亚麻-碳纤维混杂复合材料（FCHC），并研究FCHC管-混凝土柱受力性能。首先，研究亚麻-碳纤维的混杂效应及其机理，建立考虑混杂纤维排列方式、相对含量及纤维强度统计分布的混杂复合材料力学模型，研究亚麻-碳纤维束/布混杂方式对FCHC力学性能的影响规律与机理，提出FCHC优化设计方法；研究湿热环境下纤维混杂对水分子扩散/吸收、内部湿胀应力分布及宏观力学性能演化的作用规律，建立FCHC的长期性能预测模型；研究FCHC管-混凝土柱的长期受力性能；研究湿热环境下FCHC管对混凝土柱的约束效率演化规律与机理。本项目将发展高性能绿色纤维复合材料及其增强结构，丰富纤维复合材料混杂效应理论，推动土木工程结构可持续性发展，具有重要的科学研究与工程应用意义。

针对生物质亚麻纤维复合材料（FFRP）力学性能较低、离散性较高、耐湿热性差，由此制约其土木工程结构应用问题，本项目通过碳纤维混杂发展高性能绿色亚麻-碳纤维混杂复合材料（FCHC），并研究FCHC管-混凝土柱受力性能。首先，研究了碳纤维/亚麻混杂复合材料的拉伸性能的混杂效应与伪延性，以及碳纤维体积分数、混杂方式对混杂复合材料弯曲性能的影响。碳纤维的体积分数、厚度以及混杂方式是影响混杂复合材料混杂效应的关键因素；模量相差过大、破坏应变相差过小导致碳纤维/亚麻混杂复合材料伪延性不能发生；研究了湿热环境下碳纤维体积分数与混杂方式对碳纤维/亚麻混杂复合材料水吸收、长期力学性能的影响。混杂复合材料的水吸收过程符合两阶段吸水模型，碳纤维含量越高，混杂复合材料的平衡吸水率越低；碳纤维与亚麻湿膨胀系数的巨大差异导致碳纤维与亚麻纤维层间界面数对水分子扩散速率影响较大。研究了碳纤维体积分数及混杂方式对单向碳纤维/亚麻混杂复合材料的低速冲击性能的影响。碳纤维的脆性导致碳纤维体积分数越高的混杂复合材料比能量吸收率越高，且高能量吸收来自于更严重内部损伤；混杂复合材料压缩强度保留率随碳纤维体积分数增加而降低；冲击后混杂复合材料压缩过程中的主要损伤模式为冲击荷载作用下产生的基体裂纹的进一步扩展。研究了FCHC管-混凝土柱的单调轴压性能以及混杂方式对其性能的影响规律与机理。FCHC管约束混凝土结构的单调轴压性能表明，不同混杂方式的HFRP约束混凝土的极限承载能力接近。HFRP板材的拉伸强度越高，约束混凝土柱的性能也越高，混杂模式对HFRP约束混凝土柱的环向-轴向应变关系预测结果有一定的影响。本项目发展了高性能绿色纤维复合材料及其增强结构，丰富了纤维复合材料混杂效应理论，推动土木工程结构可持续性发展，具有重要的科学研究与工程应用意义。