混合 FRP 预应力束的界面控制湿热-疲劳退化：实验、分子动力学与贝叶斯因子推断

《Engineering Structures》：Interface-controlled hygrothermal-fatigue degradation of hybrid FRP prestressing strands: Experiments, molecular dynamics, and Bayesian factor inference

　　

摘要
纤维增强聚合物（FRP）缆是钢桥缆的有前途的替代品。混杂 FRP 在性能和成本之间提供了平衡，而其在耦合疲劳和环境条件下的性能演变仍未得到充分了解。本研究制备了六种类型的钢绞线，即 T700 碳纤维 FRP（CFRP）、T300 CFRP、三种均匀混杂碳纤维 - 玻璃纤维复合材料（24 K 1:1；12 K 1:1；12 K 2:1）以及玻璃纤维 FRP（GFRP）。实验程序包括静力拉伸和横向剪切试验，随后进行拉伸疲劳试验和疲劳后残余力学评估。疲劳试验在三种环境条件下进行，荷载为极限抗拉强度的 70%：室温和湿度、高温和室内湿度（60 °C/30% RH）以及高温高湿（60 °C/98% RH）。静力结果显示，12 K 2:1 混杂纤维达到了 T300 CFRP 抗拉强度的 77.38%（成本仅为其 68.7%），表明具有优异的成本效益。在室温和干热疲劳条件下，FRP 钢绞线通常保持较高的残余拉伸和剪切强度。在高温高湿条件（60 °C/98% RH）下，退化变得更加明显，且强烈依赖于钢绞线配置。12 K 1:1 均匀混杂和 12 K 2:1 均匀混杂钢绞线分别保留了其 84.67% 和 89.82% 的抗拉强度，而 24 K 均匀混杂钢绞线在完成目标疲劳循环前失效。残余剪切强度比残余抗拉强度表现出更大的环境敏感性，表明界面退化在湿热 - 疲劳损伤过程中起主导作用。分子动力学（MD）模拟进一步揭示，湿热暴露促进水分迁移，从而增大了自由体积并加速界面滑动，强调了面向界面的混杂设计对 FRP 缆的重要性。

引言
随着悬索桥和斜拉桥跨度的增加以及相关服役环境变得更加复杂，传统钢绞线在自重、耐腐蚀性、疲劳性能和振动行为方面的局限性日益明显。为了克服这些局限性，纤维增强聚合物（FRP）因其轻质、高强度、耐腐蚀和设计灵活性，被认为是一种替代金属材料的有前途的方案 [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10]。在常用系统中，玻璃纤维增强聚合物（GFRP）成本较低，但通常强度和模量低于碳纤维增强聚合物（CFRP），且在长期服役中可能更容易发生蠕变和水分引起的界面脱粘 [11]。CFRP 具有优异的力学性能，但成本仍然较高，限制了其大规模应用 [12]。因此，旨在平衡性能和成本的混杂纤维增强聚合物（HFRP）引起了越来越多的关注。当前的 FRP 混杂策略通常分为 1) 均匀混杂，即不同纤维在复合材料内均匀分布；和 2) 皮芯混杂，即一种纤维包裹另一种纤维（例如碳包玻璃或玻璃包碳）。

FRP 的应用已扩展到传统钢筋和加固系统之外，到更复杂的结构构件，包括桥梁缆索、海洋结构和海底平台 [13], [14]。在这些应用中，FRP 材料可能暴露于耦合环境作用下，如高温高湿、酸性或盐溶液、冻融循环、紫外线暴露和重复机械荷载 [15], [16]。这些因素会引起性能退化、界面粘结力丧失和承载能力降低，从而对结构安全和耐久性构成风险。尽管紫外线暴露、化学侵蚀、盐溶液和冻融循环也是重要的退化因素，但未包含在本次实验计划中。本研究专注于湿热 - 疲劳耦合，因为高温和水分通过水分扩散、增塑、水解和界面脱粘直接影响树脂基体和纤维 - 基体界面，这与本研究调查的界面控制退化机制密切相关。因此，隔离温度、湿度和疲劳荷载的耦合效应提供了必要的基础，用于在考虑更复杂的多因素服役条件之前，理解混杂 FRP 预应力钢绞线的环境敏感性 [17], [18]。

湿热环境是主导 FRP 耐久性和长期性能退化的另一个关键因素。水分子可以在湿热暴露下穿透树脂基体，引起水解和增塑效应 [19], [20], [21]，进一步导致纤维 - 基体界面脱粘，从而降低 FRP 系统的服役可靠性和结构安全性 [22]。郭等人 [23] 报告称，湿热耦合显著削弱了 CFRP 与混凝土之间的粘结，导致粘结强度随时间降低。Larbi 等人 [24] 发现，长期湿热老化导致 FRP 层合板的抗拉强度和刚度显著降低。冯等人 [25] 和钟 [26] 分析了碳纤维/环氧层合板在水热条件下的力学退化，并报告称 CFRP 层合板在水热暴露后能保持相对稳定的力学性能。刘等人 [27] 测试了 CFRP 杆在湿热条件下的长期老化，并提出了基于退化规律的寿命预测模型。Mosallam 等人 [28] 指出，热循环和紫外线照射显著加速了用于桥梁的三向 CFRP 层合板的疲劳退化。Harle [5] 回顾了 FRP 复合材料的长期服役性能，强调环境因素对结构完整性和使用寿命至关重要。白等人 [29] 对 CFRP 加固钢筋混凝土梁在自然湿热暴露和持续荷载下进行了为期六年的耐久性评估，揭示虽然加固效果仍然有效，但梁的疲劳性能仍然下降。

大多数现有研究专注于平板或简单杆状纤维增强聚合物（FRP），而对具有复杂几何形状、扭曲配置和多个界面接触的 FRP 钢绞线关注有限。此类钢绞线的疲劳损伤机制可能不同于常规杆，其在实际服役条件下的疲劳行为仍未得到充分了解。此外，很少有系统研究检查 FRP 钢绞线，特别是 HFRP 钢绞线，在耦合疲劳荷载和湿热环境下的性能演变。因此，在现实服役条件下对 HFRP 钢绞线进行疲劳研究不仅填补了重要的研究空白，还为桥梁和其他重大工程应用中 FRP 钢绞线的耐久性设计和寿命预测提供了必要指导 [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36]。

从力学角度来看，FRP 预应力钢绞线的拉伸和横向剪切响应反映了不同的损伤机制。拉伸响应主要由连续纤维的轴向承载能力以及纤维与树脂基体之间的荷载传递控制，因此代表了预应力应用的主要强度指标。相比之下，横向剪切响应对基体剪切阻力、纤维 - 基体粘结、局部缺陷以及钢绞线内的杆间接触更敏感。因此，横向剪切试验可以提供有关界面控制和基体控制损伤的有用信息，这可能仅由轴向抗拉强度不能完全反映。因此，结合使用拉伸和横向剪切试验提供了更全面的基础，用于评估耦合疲劳荷载和湿热环境下 FRP 钢绞线的力学退化。

分子动力学（MD）模拟能够实现应力传递、界面滑动、键断裂和分子扩散的原子尺度表征，为性能预测和设计优化提供理论基础 [37]。之前的研究证明了环境因素对界面性能的显著影响：李等人 [38] 报告称，湿度降低界面粘结并促进水分扩散进入基体，湿热和循环荷载增加自由体积并驱动界面演化；刘等人 [39] 将实验与 MD 模拟相结合，并确认高温高湿条件下的水解和界面滑动降低了 CFRP 钢绞线的疲劳强度；闫等人 [40] 表明化学接枝和表面粗糙度具有协同增强效应，显著提高了界面剪切强度。

本研究采用实验与 MD 相结合的方法，以系统调查耦合疲劳荷载和湿热环境下预应力 FRP 钢绞线的力学性能。通过设计碳 - 玻璃纤维混杂，将 CFRP 的高强度与 GFRP 的成本效率相结合，旨在满足结构性能要求的同时降低工程成本。

部分章节片段
FRP 钢绞线结构系统与混杂设计
由中复神鹰碳纤维有限公司（中国连云港）供应的 T700 24 K、T300 24 K 和 T300 12 K 碳纤维，以及由欧文斯科宁复合材料（中国）有限公司提供的 WS4000 2400 Tex 玻璃纤维被选用。基体系统由 Tanscite? GL6831A 环氧树脂和 Tanscite? GL6831B 固化剂组成，由赫茨新材料有限公司供应。所有 FRP 钢绞线的名义树脂含量为 27%，对应 73% 的纤维含量和 27:73 的树脂 - 纤维比。
疲劳试验与损伤表征
FRP 钢绞线的拉伸疲劳加载规程参考 GB/T 5224–2023 [41] 设计。六种与静力试验所用同一批次的 FRP 钢绞线在三种环境条件下进行了检验：环境条件（23 °C, 30% RH）、干热条件（60 °C, 30% RH）和湿热条件（60 °C, 98% RH）。选择这些条件是为了提供一个受控的加速框架，以比较不同 FRP 钢绞线的湿热敏感性
建模
为了阐明环氧树脂 FRP 的疲劳行为及其在湿热环境下的劣化机制，全原子模型被用于复合材料系统 [36], [39], [43]。基体由双酚 A（DGEBA）树脂和三乙烯四胺（TETA）固化剂组成，如图 16 (a) 所示。制备了一个代表性交联单元并排列形成包含 40 个代表性分子的非晶胞，初始密度为 0.8 g/cm3，如图 16(b) 所示

结论
本研究通过静力与疲劳 - 环境耦合实验，系统调查了 CFRP、GFRP 和 HFRP 预应力钢绞线的力学行为，并得到 MD 模拟的支持。揭示了混杂配置、服役环境和界面微结构对 FRP 钢绞线性能的耦合效应，为优化混杂设计和提高长期耐久性提供了理论和实践指导。主要结论如下：
(1) T700 CFRP

CRediT 作者贡献声明
王月：写作 – 审查与编辑，项目行政，方法论，概念化。
谭立豪：写作 – 审查与编辑，验证，形式分析。
奚明阳：写作 – 审查与编辑，方法论，概念化。
秦仁元：写作 – 审查与编辑，可视化，验证，监督，项目行政，方法论，调查，资金获取，形式分析。
李一泽：写作 – 原稿，可视化，方法论。
孙康欣：写作 – 审查

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

致谢
作者衷心感谢中国国家关键研发计划（2022YFC3801800）、国家自然科学基金（编号 52308241，编号 52178097）以及广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515011020）提供的财政支持。作者还感谢广东省科学技术协会青年科技人才支持计划（编号 SKXRC2025444）的支持。

刘悦 | 孙康欣 | 奚明阳 | 谭立豪 | 李一泽 | 秦仁元 | 王月
北京科技大学未来城市学院城市化与城市安全研究所，中国北京市海淀区学院路 30 号，100083