模拟混凝土碱性环境下FRP筋的耐久性

通过碱溶液模拟混凝土内部孔隙水的碱性环境,研究了碱性环境对玻璃纤维增强塑料筋(GFRP筋)和玄武岩纤维增强塑料筋(BFRP筋)的拉伸强度、拉伸弹性模量以及剪切强度、破坏形态等的影响。结果表明:碱溶液作用降低了GFRP筋的拉伸强度和剪切强度,降低程度与时间有关;GFRP筋在碱溶液中发生了后固化反应,GFRP筋的力学性能变化是碱溶液作用和后期固化程度综合影响的结果。碱溶液作用降低了BFRP筋的拉伸强度、拉伸弹性模量和剪切强度,随着碱溶液作用时间的增加,拉伸强度与拉伸弹性模量降低程度有增加的趋势。玻璃纤维和玄武岩纤维中的Si-O键在水分子和碱溶液OH-作用下断裂,树脂基体中的酯键在碱溶液中水解以及纤维和树脂之间的粘结界面性能的退化是GFRP筋和BFRP筋力学性能退化的主要原因。BFRP筋的耐碱性比GFRP筋差,文章给出了机理分析并对提高FRP筋的耐碱性提出了相关建议。     

玻璃纤维复材筋拉伸性能温度效应试验研究

玻璃纤维复材(GFRP)筋拉伸性能的温度效应十分明显,特别是高温环境下其性能变化规律在工程应用中需要重点关注。以GFRP筋直径、温度值高低、温度升高方式和恒温时间等为变化因素,通过试验研究温度效应下GFRP筋拉伸力学性能的变化规律。研究结果表明:随着温度升高,GFRP筋极限抗拉强度和极限应变下降较明显,而高温作用对GFRP筋的弹性模量影响较小。高温下直径16 mm的GFRP筋的极限抗拉强度和弹性模量比直径22,25 mm的高。温度低于240℃的情况下,经恒高温作用后筋体的极限抗拉强度比未经恒高温作用的同温度下的筋材略有增加,高于240℃后两种筋材的极限抗拉强度无明显差异。当恒高温作用时间不超过1 h时,GFRP筋力学性能较为稳定。     

持续荷载作用下混凝土梁中玻璃纤维增强复合材料筋抗拉性能试验研究

通过对真实混凝土环境下玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋的耐久性试验,研究混凝土构件服役状态时所承受的静荷载、裂缝等因素对GFRP筋抗拉强度的影响,并与模拟混凝土孔隙水溶液碱环境下GFRP筋的抗拉强度退化率进行对比分析。试验结果表明:静荷载对混凝土环境作用下GFRP筋抗拉强度的退化有一定的影响,随着荷载的增大,筋体强度退化率也越快;GFRP筋抗拉强度退化率在有工作裂缝的混凝土试件中大于无工作裂缝混凝土环境;模拟混凝土碱环境下浸泡的GFRP筋长期力学性能退化率较快,与实际混凝土环境下GFRP筋的退化规律相比存在一定的偏差,因此,相应试验数据以及在此基础上建立的抗拉强度退化模型偏于保守。     

侵蚀环境下GFRP筋力学性能退化试验

为了研究侵蚀环境下玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋的力学性能退化机理,对3种不同直径的GFRP筋进行了为期半年的溶液浸泡试验。试验采用了清水、碱溶液以及盐溶液3种侵蚀环境,在浸泡不同时间后分别对筋材进行了外观检测和力学性能试验。结果表明:不同侵蚀环境下,GFRP筋的抗拉强度在碱环境中下降最多,平均为11.44%,其次是盐环境,平均为4.59%,下降最少是清水环境,平均为4.30%;GFRP筋的剪切强度在清水、盐、碱环境中分别平均下降了23.03%,18.69%,28.28%,说明侵蚀环境对其力学性能有明显的影响;在盐环境下,直径为8,12,16 mm的试样抗拉强度分别下降了3.53%,9.42%,0.82%,说明GFRP筋力学性能退化具有一定的尺寸效应;GFRP筋的剪切强度退化随浸泡时间的增加而增大,在前36 d下降较快,36 d后下降则趋于平缓。     

火灾高温下GFRP筋和混凝土粘结性能试验研究

为了研究火灾环境中不同温度下纤维增强塑料(FRP)筋和混凝土之间粘结性能的变化以及火灾后FRP筋和混凝土之间的残余粘结性能,以玻璃纤维增强塑料(GFRP)筋为例,对34组共120个混凝土棱柱体粘结试件进行了火灾高温时GFRP筋和混凝土之间粘结性能的试验研究,试验主要考虑了温度、混凝土强度和粗骨料粒径的影响,得到了高温中和降温后GFRP筋和混凝土之间的粘结强度以及GFRP筋的锚固长度。试验结果表明,随温度的升高,粘结性能会随之下降,当温度下降至室温后,其粘结性能会得到恢复。这些试验结果可以应用于GFRP筋增强混凝土结构抗火设计中。     

GFRP筋纤维混凝土黏结滑移性能试验研究

与传统钢筋相比,GFRP(glass fiber reinforced polymer)筋与混凝土之间的协同作用相对较差。为充分发挥GFRP筋力学性能,通过在水泥基材料中掺入纤维,以提升混凝土的抗裂性和韧性,从而改善GFRP筋与混凝土的黏结性能。开展FRP筋-纤维混凝土拉拔试验,通过FRP筋-混凝土拉拔试验对比,分析掺入不同纤维种类与含量的混凝土对GFRP筋的黏结性能提升情况;分析FRP筋黏结长度、混凝土中纤维含量比例对黏结 滑移性能的影响;分析相应破坏形式,确定混凝土最佳纤维含量比例,获得聚丙烯纤维混凝土和玻璃纤维混凝土与GFRP筋的黏结应力沿着筋体表面的分布。明确GFRP筋拉拔受力全过程,明确GFRP筋纤维混凝土的黏结滑移机理。     

玻璃纤维复材筋在高温氯盐环境下拉伸力学性能试验研究

玻璃纤维增强聚合物(Glass Fiber Reinforced Polymer,简称GFRP)筋作为一种替代钢筋的新型工程材料已在混凝土结构中开始使用,对高温氯盐溶液中两种基体树脂的GFRP筋在90 d浸泡周期内的腐蚀情况、破坏机理及拉伸力学性能指标的变化规律进行研究。试验结果表明,浸泡前后GFRP筋外观并无太明显的变化,质量变化均在2%之内,说明高温氯盐溶液对GFRP筋的腐蚀不大。两种基体材料GFRP筋的典型破坏形式大致相同,均为丝束状炸开的脆性破坏。在90 d的浸泡周期下,两种基体材料GFRP筋的拉伸强度变化略有不同,但强度衰减均在15%以内,且浸泡前后筋材的拉伸强度值仍可满足相关标准的要求;而弹性模量变化规律相似,高温氯盐溶液对其影响不大,模量衰减均在2%以内,且浸泡前后筋材的弹性模量值仍可满足相关标准的要求。由此可知,氯盐溶液对GFRP筋的拉伸力学性能影响不大,GFRP筋在氯盐环境的工程应用中具有良好的耐久性能。     

GFRP筋混凝土梁耐火性能计算方法

通过GFRP筋混凝土梁耐火性能的理论分析与有限元计算,提出GFRP筋混凝土结构耐火性能的计算方法。在合理选择GFRP和混凝土材料的热工参数、高温力学参数的基础上,采用有限元分析软件ABAQUS建立三面受火的GFRP筋混凝土梁的高温热力学模型。经与GFRP筋混凝土梁火灾试验结果的对比验证,该高温力学模型具有较高的精确性。对影响GFRP筋混凝土梁高温力学性能的各参数进行有限元分析,结果表明,影响梁耐火性能的主要因素为梁上作用的荷载比、GFRP筋在混凝土截面的位置和受火时间。参考欧洲规范钢筋混凝土抗火性能的设计方法,提出GFRP筋混凝土构件基于力学性能的耐火设计公式。通过混凝土500℃等温线简化受火面积和GFRP筋高温强度等效换算的方式,将火灾下截面的非均匀材料力学性质转变为随受火时间变化的均匀材料,提出了不同受火时刻GFRP筋混凝土受弯构件的承载力计算式。经与有限元分析结果的对比,该计算方法精度较高,可应用于评估不同受火时刻下GFRP筋混凝土的高温承载力。     

玻璃纤维复材筋与水泥基复合材料界面力学性能试验研究及精细化有限元仿真

玻璃纤维复材(GFRP)筋水泥基复合材料(ECC)构件受力变形过程中,筋材与基体协调变形能力影响构件及组合构件的工作性能。本文通过GFRP筋ECC黏结-滑移试验建立界面黏结滑移本构,结合ECC变形及开裂后力学属性,采用ABAQUS有限元软件进行GFRP筋ECC构件黏结界面力学性能分析,研究筋材及基体应变分布随加载过程的演化及不同黏结-滑移关系对构件工作性能的影响。研究表明,GFRP筋材直径影响黏结滑移性能及界面破坏模式,界面力学属性的提高能够增加二者协同工作性能,改善构件的开裂属性;基于试验中筋材应变分布,分析基体破坏、应力分布,研究构件受拉破坏过程整体拉伸刚度变化,为反演宏观构件正常工作状态下工作机理提供分析方法。     

冻融循环对GFRP筋与混凝土粘结性能的试验研究

通过对冻融循环作用前后玻璃纤维筋(GFRP筋)、混凝土及两者之间粘结强度的试验研究,以不同直径和埋深为参数,探讨了冻融循环对材料特性及界面粘结性能的影响。试验结果表明:在有限次冻融循环作用后,GFRP筋与混凝土的极限粘结强度下降了10%,且冻融循环对混凝土和直径较小的GFRP筋力学性能影响较大。     

GFRP筋混凝土柱海水环境受压性能

从新的角度和采用真实的腐蚀条件,首先通过混凝土材料在海洋环境下的腐蚀试验排除海洋环境对混凝土材料的影响,然后对玻璃纤维增强塑料（GFRP）筋体进行腐蚀试验,将不同腐蚀时间的GFRP筋进行绑扎、支模和浇筑,制作成混凝土柱并进行试验。根据相关力学试验结果,对比混凝土构件内筋体腐蚀前后其极限承载力、破坏形态以及筋体腐蚀后构件各项性能的变化情况。结果表明:人工制备的高浓度海水溶液对混凝土材料的力学性能影响不大,有必要排除混凝土保护层对传统腐蚀试验的影响;在柱内筋体受到180 d腐蚀的条件下,钢筋混凝土柱的极限承载力保留率下降到70.2%,降低了29.8%;GFRP筋混凝土柱的极限承载力保留率下降到86.5%,降低了13.5%;海水环境下GFRP筋在受压构件中具有比钢筋更好的性能优势和使用价值。     

混凝土环境中GFRP筋性能衰退的规律及机理

为了探究玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋在模拟和真实混凝土环境中性能衰退的规律及机理,设置了碱溶液(AS)和混凝土包裹GFRP筋后置于自来水中(CS)2种侵蚀环境,采用短梁剪切法分析了GFRP筋力学性能的衰退规律,并借助扫描电子显微镜、差示扫描量热法分析了GFRP筋的微观结构和玻璃化转变温度(T_g).结果表明：随着温度的升高,GFRP筋层间剪切强度衰退的速率加快;GFRP筋在60℃的AS中老化183 d后层间剪切强度保留了48.6%,Tg降低了9.2%,部分纤维与树脂脱黏,树脂出现孔洞;相同条件下CS中GFRP筋的层间剪切强度保留了61.4%,Tg降低了3.4%,纤维产生浅坑.基于Arrhenius方程建立了北京地区GFRP筋的性能预测模型.     

GFRP筋增强混凝土结构的抗火设计

通过火灾环境中混凝土内的温度场试验,以及火灾高温中玻璃纤维聚合物筋(GFRP筋)的力学性能和黏结性能试验,根据不同抗火等级对不同混凝土构件所要求的耐火极限时间,给出了GFRP筋增强混凝土结构的抗火设计方法.当抗火等级要求较高时,不宜采用GFRP筋增强混凝土结构.     

环境和应力对GFRP筋耐久性影响的研究进展

混凝土结构中GFRP筋耐久性的研究对推广其在土木工程中的应用具有重大意义,一直以来是研究者们十分关心的问题.目前研究者通常采用加速腐蚀方法研究GFRP筋耐久性,通过分析GFRP筋腐蚀前后的力学性能变化和物理变化来评价GFRP筋的耐久性能.GFRP筋耐久性研究通常可分为2种情形：①仅考虑环境作用;②考虑长期持续应力和各种环境条件的共同作用.文中按环境因素分类对上述两种GFRP筋耐久性研究进行了综述与总结,并对今后的研究工作提出建议.基于Vijay模型和已有文献数据的GFRP筋耐久性计算结果表明现有规范的GFRP筋强度折减系数是保守的.     

GFRP筋拉伸力学性能温度效应试验研究

 玻璃纤维增强塑料(GFRP)材料的力学性能对工作环境温度很敏感,在设计时应充分考虑环境温度对此的影响。通过试验研究在不同工作环境温度(20 ℃～120 ℃)条件下GFRP筋拉伸力学性能的温度效应。加载设备采用MTS322电液伺服静动万能试验机,试验温度由环境箱进行自动控制。试验结果表明：试件在加载过程中,会因损伤而发出清脆响声,其表面出现白斑状裂纹,随荷载增加响声增大而渐密;破坏形态多为较大范围内发生片状裂开破坏,偶见某一断面断裂破坏,均为脆性破坏;GFRP筋的力学性能对环境温度非常敏感,极限抗拉强度、抗拉初始弹性模量、屈服应变和极限延伸率随着环境温度增加而下降,而抗拉屈服后弹性模量变化规律则相反;GFRP筋应力–应变曲线在20 ℃～80 ℃时为双线性,随着温度升高,其屈服点逐渐降低,在100 ℃,120 ℃时应力–应变曲线变为线性。通过试验分析,建立考虑环境温度影响的GFRP筋应力–应变关系及其相关参数同环境温度的关系;提出考虑环境温度影响的GFRP筋极限抗拉强度计算公式。试验研究成果为GFRP筋在不同环境温度条件下应用提供了科学依据。     

海洋环境下碳-玻璃纤维混杂筋吸湿行为和层间剪切性能研究

采用薄碳纤维层外包裹玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋，制备碳-玻璃纤维混杂筋(HFRP筋),提升芯层GFRP筋长期力学性能，在海工结构中具有巨大的应用潜力。对水，强、弱碱，盐碱等溶液下GFRP、HFRP裸筋吸湿行为和层间剪切强度变化规律进行研究，同时与水、模拟海水溶液下砂浆包裹GFRP和HFRP筋的层间剪切强度进行对比分析。研究表明：强碱、盐碱溶液下，HFRP裸筋吸湿率小于GFRP裸筋，HFRP裸筋层间剪切强度保留率大于GFRP裸筋，碳纤维层延缓芯层GFRP筋劣化速率；水、弱碱溶液下，HFRP裸筋吸湿率大于GFRP裸筋，60℃下HFRP裸筋层间剪切强度保留率小于GFRP裸筋。水、模拟海水溶液下砂浆包裹GFRP和HFRP筋的破坏模式和层间剪切强度变化与水、弱碱溶液下GFRP和HFRP裸筋相似。基于Arrhenius理论，预测了强碱、盐碱溶液下GFRP和HFRP裸筋在4,17,21℃下的长期层间剪切强度。     

大直径GFRP筋拉伸性能试验方法研究

总结分析了目前大直径GFRP筋拉伸试验方法的不足,包括端部锚固方法不尽合理,有效长度和锚固长度的选取不统一等。研究提出了一套可靠可行的改进方法,并通过室内试验进行了验证;测试了大直径GFRP筋的极限抗拉强度、弹性模量及延伸率等主要力学性能指标。结果表明,新的端部锚固以及室内加载措施能满足大直径筋材性能试验的要求,大直径GFRP筋的极限抗拉强度较小直径GFRP筋降低明显,最大的接近50%,且弹性模量变化不大。     

模拟混凝土环境下GFRP筋抗压性能加速老化试验研究

参照ACI 440.3R-04提供的试验方法,将90根玻璃纤维增强塑料（GFRP）筋分别放入40℃、60℃和80℃的模拟混凝土溶液中进行加速老化试验,侵蚀时间分别为3.65 d、18.0 d、36.5 d、92.0 d和183.0 d,分析了温度、侵蚀时间、SiO2含量等参数对GFRP筋受压力学性能的影响。研究表明：侵蚀183.0 d后,40℃、60℃、80℃模拟混凝土环境下的GFRP筋抗压强度较侵蚀前分别下降了29.59%、39.12%和47.62%,其抗压弹性模量分别下降了10.12%、12.47%和19.06%。采用扫描电子显微镜（SEM）对侵蚀前后GFRP筋的微观形貌进行了观测,发现侵蚀后GFRP筋的劣化区域内纤维与周围树脂之间出现了明显的脱粘现象,而且随着温度的提高这种脱黏现象更加明显。采用X射线荧光光谱分析仪（XRF）分析了侵蚀前后GFRP筋的SiO2含量变化,结果表明随着侵蚀时间的增加,模拟混凝土环境下GFRP筋中SiO2含量呈递减趋势;侵蚀前GFRP筋中SiO2含量为62.11%,在40℃、60℃和80℃模拟混凝土环境下侵蚀183.0 d后,GFRP筋中SiO2含量较侵蚀前分别下降到52.05%、50.66%和47.65%。基于XRF分析提出了模拟混凝土环境下GFRP筋抗压强度的预测模型。     

GFRP筋耐海水侵蚀性能研究

在60℃加速腐蚀试验条件下,将25根I型GFRP筋和25根II型GFRP筋浸泡于海水溶液中,龄期分别为1、2、3、4、6个月,研究海洋环境对GFRP筋耐久性的影响。试验表明:随龄期增长,GFRP筋的力学性能呈衰减趋势;相比于弹性模量,溶液对其抗拉强度的影响更大;6个月后两种GFRP筋的抗拉强度保持率大于80%,表现了较好的抗海水腐蚀性能,有助于解决海洋工程中钢筋易锈蚀的问题。II型GFRP筋具有更好的耐久性,建议可用于实际的海洋工程中。     

人工海水环境下GFRP筋抗拉性能加速老化试验

根据ASTM D665规定的试验方法,开展了40,60,80℃人工海水环境中玻璃纤维塑料（GFRP）筋抗拉性能的加速老化试验.GFRP筋试件数量共90根,直径为16mm,侵蚀时间分别为3.65,18.00,36.50,92.00,183.00d.结果表明：在40,60,80℃人工海水环境中侵蚀183.00d后,GFRP筋的抗拉强度分别下降了17.71%,24.89%和28.65%,而弹性模量仅分别下降了6.57%,4.40%和-3.77%.采用扫描电子显微镜（SEM）对腐蚀前后GFRP筋的微观形貌进行了观测,发现在GFRP筋的腐蚀劣化区域,环境温度为60℃的GFRP筋其纤维和树脂之间的界面变得松散（与环境温度为40℃筋相比）,而环境温度为80℃的GFRP筋内部则出现了孔洞.GFRP筋吸湿试验结果表明：在侵蚀初期,GFRP筋的吸湿曲线近似为线性;随着侵蚀时间的增加,吸湿曲线变缓并趋于水平;GFRP筋在人工海水溶液中的吸湿过程符合Fick定律.最后,在分析了环境温度、侵蚀时间等参数对GFRP筋抗拉性能影响的基础上,基于Fick定律提出了人工海水环境下GFRP筋抗拉强度的退化模型.