燃煤电厂玻璃钢板材耐高温力学性能研究

，，*

(1.华东理工大学材料科学与工程学院, 上海200237；2.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司, 上海200063)

0 引言

近年来，越来越严格的环保政策对燃煤电厂提出了更高的的要求。为了获得更加清洁的电力能源，国内燃煤发电厂主要采用烟气脱硫脱硝、热能回收、节能减排等多项技术措施[1]，从而使玻璃钢板材在燃煤电厂应用增多。玻璃钢，是以树脂作为基体材料，玻璃纤维及其制品作为增强材料，通过缠绕、喷射、拉挤、手糊等成型工艺制成的玻璃纤维增强材料[2-3]，因其优异的耐腐蚀性能、良好的可设计性、高比强度和比刚度，已成为国内新建燃煤电厂烟囱防腐蚀主要选择的技术方案[4]。

本文用ECR缠绕纱(以下简称：WD)、ECR单向布(以下简称UF)、ECR短切毡(以下简称MC)作为增强纤维，阻燃型乙烯基酯树脂作为基体材料，通过缠绕成型工艺制备了3种理论厚度的FRP板材。在90 ℃高温环境下，设置0 d、30 d、60 d、90 d四个测试时间点，分别对高温老化后3种厚度的FRP板材环向和轴向的弯曲、拉伸和压缩性能进行分析。

1 实验

1.1 原材料见表1

表1 原材料及其参数Tab.1 Raw material and its parameters

1.2 仪器与设备见表2

表2 仪器及设备Tab.2 Experimental apparatus and equipment

1.3 试样制备及测试

以“WD/UF/WD/UF/WD/MC/WD”为基本结构，分别进行1次、2次、3次循环，制作了理论厚度为3.24 mm、6.48 mm、9.72 mm的FRP板材，并记为A板、B板、C板。

试样制备过程如图1，缠绕工艺成型的板材，经切割得到400×600 mm的试验样板，并进行编号。将制得的各种板材放置在恒温干燥箱中，置于80 ℃高温环境下，后固化24 h。自然冷却，用雕刻机进行试验样条制备。弯曲试样制备参照标准GB/T 1449—2005[5]，拉伸试样制备参照标准GB/T 1447—2005[6]，压缩试样制备参照标准GB/T 1448—2005[7]。含胶量试样制备参照标准GB/T 2557—2005[8]。

将制得的各种测试样条放置在恒温干燥箱，置于90 ℃高温环境下老化，并根据0 d、30 d、60 d、90 d四个测试时间点取样。在25 ℃±2 ℃的条件下，用万能材料试验机分别测试样条的弯曲强度、弯曲弹性模量、拉伸强度、拉伸弹性模量、压缩强度、压缩弹性模量、树脂含量。弯曲试样测试参照标准GB/T 1449—2005[5]，拉伸试样测试参照标准GB/T 1447—2005[6]，压缩试样测试参照标准GB/T 1448—2005[7]。含胶量试样测试参照国家标准GB/T 2557—2005[8]。

1.4 数据处理

参照标准GB 50068—2001[9]，需采用标准值作为试样力学强度的代表值，根据强度概率分布的0.05分位值来计算力学强度标准值的大小，公式为[10]：

fk=μf-ασf，

式中：fk为标准值；μf为平均值；当分位值为0.05时，根据数理统计计算，此时α=1.645。

力学模量代表值采用FRP板材试样模量的平均值。

2 结果讨论

2.1 常温下性能测试及分析

测试了常温下，即未经高温、测试时间点为0 d的三种板材的树脂含量，分别为48.01 %、50.88 %、49.10 %。根据树脂含量测试结果、板材中纤维的参数和比例，得到板材纤维含量如表3所示。

表3 板材纤维含量Tab.3 Fiber content of FRP Plate

测试了常温下，即未经高温、测试时间点为0 d的三种板材的力学强度，结果如图2所示。

压缩强度的变化趋势和树脂含量变化趋势相同，表明树脂含量对FRP板材试样的压缩强度起主要作用。随厚度的增加，轴向强度都呈上升的趋势，是因为起轴向承载作用的单向布含量增加引起的，其中C板含胶量较小因而压缩强度较B板略微下降。

环向弯曲强度呈下降趋势，主要是起到承载作用的缠绕纱层数比下降引起的。环向拉伸强度先增大后减小，随着厚度的增加，纤维分布趋向均匀，使得B板强度上升。当厚度到达一定值时，厚度效应增强，拉伸的过程中呈现三维应力状态，此时的失效模式除了纤维断裂，还有分层、界面脱黏等，因而C板强度下降。而厚度较少的A板和B板中三维应力的影响很小，可以忽略。

(a) 环向

图2常温下试样强度
Fig.2Strengthatroomtemperature

另外，作为对比，研究了高温作用后，厚度对力学强度的变化规律。在90 ℃高温环境下老化90 d，得到三种板材高温后的力学性能，如图3所示。结果表明，强度随厚度的变化趋势与常温下一致。

(a) 环向

图390℃下老化90d后试样强度
Fig.3Strengthafter90d’sagingat90℃

2.2 高温老化后力学强度分析

90 ℃高温下老化0 d、30 d、60 d、90 d后，分别将A、B、C三种试样的弯曲、拉伸、压缩强度对高温老化时间作图，得到图4、图5、图6。

由图4可知，随着高温老化时间的增加，三种板材试样的弯曲强度呈现出下降的趋势，高温老化时间越长，强度下降越明显。以A板为例，环向弯曲强度在30 d衰减了1.32 %，60 d衰减了3.92 %，90 d衰减了7.62 %。材料在高温老化过程中，会有裂纹出现，使得纤维和树脂界面遭到侵蚀破坏[11-12]。高温老化过程是自由基反应的过程[13]，它的进度主要由O2在树脂基体中的扩散程度控制，因而高温老化时间越长，FRP板材试样的老化程度越高，强度下降越明显。

由图5可知，随着高温老化时间的增加，三种板材试样的拉伸强度变化和弯曲强度类似，高温老化时间越长，强度下降越明显。以B板为例，轴向拉伸强度在30 d衰减了5.24 %，60 d衰减了14.94 %，90 d衰减了29.46 %。

(a) 环向

图4高温老化时间对试样弯曲强度的影响
Fig.4Effectofhigh-temperatureagingtimeonflexuralstrength

(a) 环向

图5高温老化时间对试样拉伸强度的影响
Fig.5Effectofhigh-temperatureagingtimeontensilestrength

(a) 环向

图6高温老化时间对试样压缩强度的影响
Fig.6Effectofhigh-temperatureagingtimeoncompressstrength

由图6可知，随着高温老化时间的增加，三种板材试样的压缩强度变化也和弯曲强度类似，高温老化时间越长，强度下降越明显。以C板为例，环向压缩30 d衰减了7.31 %，60 d衰减了14.50 %，90 d衰减了29.92 %。

90 ℃下老化90 d后，FFP板材试样的力学强度保留率(Strength retention rate)如表4所示。

由表4可知，高温老化对FRP板材的弯曲、拉伸、压缩强度均有不同程度的影响。其中，弯曲强度受高温老化的影响最小，压缩强度受高温老化的影响最为明显。原因在于：树脂含量对FRP板材的压缩强度起主要作用，高温条件下树脂性能发生较大变化，分子链间的柔性在高温下增强，使得分子链段间的束缚能力减弱、树脂基体和增强纤维的粘结、作用减弱，表现为试样压缩强度下降较大。同时，弯曲强度主要由纤维控制，高温条件下纤维的性能并未产生明显的降低。90 ℃老化90 d后，三种FRP板材试样的弯曲强度保留率均在85 %以上，压缩强度保留率在70 %左右。

表4 试样力学强度保留率Tab.4 Strength retention rate of FRP Plate %

2.3 高温老化后力学模量分析

90 ℃下，A、B、C三种板材的试样高温老化不同时间以后，弹性模量如表5所示。

表5 试样弹性模量Tab.5 Modulus of FRP Plate

从表5可知，三种FRP板材试样的模量随着高温老化时间的增加而降低。模量是由纤维和树脂基体的界面状态所决定的，高温导致试样界面的破坏，从而造成模量下降[14-16]。从模量变化可以看出，B板的模量保留率最高，可能是B板的含胶量较高，使得增强纤维能被树脂基体更好地包覆起来，从而使两者间的粘结作用得到加强。

2.4 高温老化前后试样断面分析

为了更好对高温老化后力学性能下降的原因进行分析，本文对A板在90 ℃下老化0 d和90 d后的拉伸试样截面进行扫描电镜(SEM)观察，如图7所示。

(a) 未老化试样 (b) 老化后的试样

如图7(a)为未经老化(即0 d)的拉伸试样截面，可以看到断裂时没有长纤维拔出，纤维与树脂基体间的粘结作用良好；图7(b)是试样在90 ℃老化90 d后的拉伸截面，断口处明显存在纤维拔出现象，且表面光滑，粘附基体较少，表明试样经高温老化后，界面粘结强度降低[17]，纤维和树脂基体界面受到了破坏，导致FRP板材试样力学强度和力学模量的降低。

3 结论

① 对于以“WD/UF/WD/UF/WD/MC/WD”为基本结构的FRP板材，缠绕纱含量是单向布含量的两倍以上，因而轴向强度对材料强度起主导作用。随着FRP板材厚度的增加，单向布含量增加，轴向弯曲、拉伸强度均呈现出上升的趋势。经高温老化后，轴向弯曲、拉伸强度随厚度的变化呈相同的趋势。

② 压缩强度的变化趋势和含胶量变化趋势一致，表明树脂含量对材料的压缩强度起主要作用。

③ 高温老化后，FRP板材的三种力学强度均表现出不同程度的降低。其中，弯曲强度受高温老化的影响最小，压缩强度受高温老化的影响最为明显。燃煤电厂FRP板材在制作过程中，应重点控制树脂含量。

④ SEM测试表明，未经高温老化的试样在高倍电镜下，发现纤维与树脂间粘结良好；高温老化后，在低倍电镜下即看到明显的纤维拔出，表明纤维和树脂基体界面因高温老化而受到了破坏。