侵蚀环境下GFRP筋与混凝土粘结性能退化试验研究

发布时间：2020-09-01 08:07

　　众所周知,服役钢筋混凝土结构在全寿命周期内的性能退化分析已得到国内外学者们的普遍关注。其中,钢筋锈蚀问题一直以来是影响结构全寿命周期性能退化的主要矛盾。为了有效缓解这一矛盾,提高结构的全寿命周期性能,用高性能纤维增强塑料筋(Fiber Reinforced Polymer Bars,简称FRP筋)来代替普通钢筋是一个行之有效的方法。因此,研究FRP筋材的耐久性及其与混凝土间的粘结性能是推广FRP筋在混凝土结构中应用的必然要求。本文在国家自然科学基金“基于耐久性的FRP筋与普通钢筋混合配筋混凝土构件设计及性能研究(51578267)”的资助下,采用试验研究、理论分析等方法,开展了侵蚀环境下GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)筋的力学性能退化及GFRP筋与混凝土间粘结性能退化等研究,主要工作有:1、GFRP筋材以及GFRP筋与混凝土粘结试件的侵蚀试验研究。共制备了三批侵蚀试验试件:(1)拉伸试件,对三种不同直径(8、12和16mm)的GFRP筋材进行了180d侵蚀溶液的浸泡试验;(2)弯曲、剪切试件,对三种不同直径的GFRP筋材进行了12、36和72d侵蚀溶液的浸泡试验;(3)粘结性能试件,对GFRP筋-混凝土粘结试件进行了150、210和270d侵蚀溶液的浸泡试验。试验分别采用了清水、碱溶液和盐溶液等三种侵蚀环境,对比分析了不同侵蚀环境、浸泡时间对试件表观劣化的影响。试验结果表明:碱环境对筋材造成的损伤较大,其表面有纤维起皮、脱落等现象;随浸泡时间的增加,筋材原本光滑的表面变得粗糙和凹凸不平;经盐环境侵蚀后,GFRP筋-混凝土粘结构件表面发白,并有一层盐附着在混凝土表面。2、侵蚀作用后GFRP筋拉伸力学性能退化试验研究。通过对34根受侵蚀作用后的GFRP筋材进行拉伸试验,研究了筋材的破坏模式,分析了直径、侵蚀环境对筋材抗拉强度以及弹性模量的影响规律。拉伸试验结果表明:筋材直径越大,其破坏越分散;侵蚀环境对筋材的弹性模量影响不大,但对其抗拉强度的影响显著,基本表现为在碱环境条件下性能降低最多,其次是盐环境,最少的是清水环境;抗拉强度具有一定的尺寸效应,并且还和其长径比有很大关系。3、侵蚀作用后GFRP筋弯曲、剪切力学性能退化试验研究。分别对受侵蚀作用后的22根弯曲试样和44根剪切试样进行了弯曲、剪切试验,主要对比分析了浸泡时间、侵蚀环境和直径对GFRP筋的弯曲、剪切性能的影响等。试验结果表明:侵蚀环境以及浸泡时间对弯曲弹性模量和最大应变的影响不大;直径越大的剪切试样,其端部破坏的断层越多,而且整体破坏更为严重;侵蚀环境对试样的弯曲、剪切强度均有不同程度的退化作用;试样的剪切强度随浸泡时间的增加而降低,并且在前36d其剪切强度下降较快,36d后下降速度减缓。4、GFRP筋与混凝土粘结性能退化试验研究与理论分析。通过对36个受侵蚀作用后的粘结试件进行拉拔试验,对比分析了侵蚀环境、浸泡时间以及尺寸对试件粘结强度和粘结-滑移关系的影响。试验结果表明:侵蚀环境对其粘结强度有较明显的影响,其中盐环境对其影响最为敏感,其次为清水环境,影响较小的是碱环境;粘结性能随时间的增加而降低,基本呈现先陡后缓趋势;粘结-滑移曲线主要分为微滑移阶段、线性上升阶段、双曲线下降阶段和周期性波动残余应力阶段等;基于弹性力学厚壁圆筒模型,建立了GFRP筋与混凝土的粘结强度理论模型,结合国内外学者开展的相关试验结果,通过试验值和理论值对比分析,得到均值为1.02,变异系数?为0.09,表明试验值与理论值吻合良好,从而验证了本文推导出的粘结强度理论模型的准确性。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU528
【部分图文】：

筋材,实物

2.1 引言试验是指导人们认识世界和改造世界的必要手段，但是并不是所有试验都适用于实体进行。用模型进行模拟试验不但能够低成本、有效、方便地对现象进行研究，而且能够对未创造出来的实物对象进行预测。所以，本课题围绕筋材直径、浸泡时间、侵蚀环境等主要参数，设计制作了一批 GFRP 筋材试样及其与混凝土的粘结构件，开展室内侵蚀试验模拟现场环境结构作用下的性能劣化行为分析。2.2 试验材料的物理力学性能2.2.1 GFRP 筋材的物理力学性能拉伸试样采用南京锋晖复合材料有限公司拉挤成型的 GFRP 筋，由玻璃纤维和乙烯基酯树脂组成。筋材试样如图 2.1 所示，其物理力学性能参数见表 2.1。

状态图,拉拔,试件,侵蚀环境

混凝土搅拌机搅拌均匀后浇筑到试模中，然后置于振动台上振捣保证其密实性。浇筑的试件如图2.3a 所示。三种直径的筋材总共浇筑了 90 个粘结试件，在标准养护室养护 28d，养护状态如图 2.3b 所示。浇筑拉拔试件时，每批浇筑 6 个标准混凝土试块，标准养护 28d 后测试其力学性能指标。(a) 浇筑完成的试件 (b) 标准养护状态图 2.3 拉拔试件的制备与养护Fig 2.3 Preparation and maintenance of pull-out specimen2.4 侵蚀环境浸泡试验在自制的无盖铁皮箱以及玻璃溶液箱中进行，温度为常温。侵蚀环境主要有以下几种。(1)碱环境：根据 ACI 440.3R-04 规范[67]建议的方法进行配置，在 1L 去离子水中加入 118.50g Ca(OH)2、0.90g NaOH、4.20g KOH，实测 pH 值为 12.82；(2)盐环境：依据 ASTM d665-06 规范[68]

侵蚀环境,拉伸试样

2.5.1 轴向拉伸试样侵蚀试验方法GFRP 筋拉伸试样浸泡时间为 180d，试样总共 34 根。恶劣侵蚀环境特别是盐、碱环境对筋材的腐蚀较大，所以主要针对这两种环境，每种直径筋材分别准备了 4 根；而清水、实验室环境是为了做对比分析，样本略少，每种直径分别有1~2 根。避免 GFRP 筋两端被溶液腐蚀造成试验结果误差，用环氧树脂封住试样两端，在放入浸泡池之前，试样需要编号标记，便于表观观测以及试验时容易区分，浸泡池如图 2.4 所示。在试验周期内，为了减缓溶液中水分的蒸发，试样放入容器之后，用聚乙烯薄膜封住容器口，并定时补充水分，使腐蚀溶液的水位保持恒定。定期检测溶液的 pH 值，保证 pH 值的稳定。取出达到龄期的试样，用无离子水洗净干燥后进行拉伸力学性能测试。

【参考文献】