湿热海洋环境下FRP筋-珊瑚混凝土粘结滑移性能研究

发布时间：2020-06-17 12:18

【摘要】：在我国南海诸多岛屿中,珊瑚礁岛占了绝大多数,它们的地理位置决定了其经济和战略意义都十分重要。随着我国对海洋权益越来越重视,南海诸岛上的建设必然会逐渐增多。然而,大多数海岛都远离大陆,如果浇筑混凝土所用的各种建材(包括淡水)均从大陆运输,将浪费大量时间和财力。珊瑚骨料混凝土使用珊瑚礁砂作为粗、细骨料并以海水拌制,除水泥以外的材料均可在海岛上就地取材。同时,为解决珊瑚碎屑所包含的大量氯盐所导致的钢筋严重锈蚀问题,可使用纤维增强塑料筋(Fiber Reinforced Polymer Rebar,简称FRP筋)替代传统的钢筋,组成FRP筋-珊瑚混凝土结构,从而为岛礁建设提供了新的途径。FRP筋和珊瑚混凝土间的可靠粘结是两者能协同工作的基础。但是,鉴于两种新型材料特殊的物理力学特性,无论是传统的钢筋混凝土理论,还是FRP筋混凝土结构的相关研究成果,在描述FRP筋-珊瑚混凝土结构的基本力学行为特性时均可能存在局限性。相关研究的缺失将制约FRP筋-珊瑚混凝土结构相关理论发展及实际工程应用。FRP筋与珊瑚混凝土两者间粘结力的形成机理、粘结滑移过程和规律、破坏形态等问题,以及粘结滑移本构关系模型的建立,是FRP筋-珊瑚混凝土结构相关理论研究和实际工程应用的基础。而鉴于珊瑚混凝土较差的抗渗性以及南海地区高温、高盐、高湿的实际使用环境,FRP筋-珊瑚混凝土结构的粘结性能在湿热海洋环境下的劣化研究同样不能忽视。基于上述背景,本文进行了下列问题的研究:1、进行了不同类型的纤维增强塑料筋(碳纤维CFRP、玻璃纤维GFRP)与珊瑚混凝土间粘结性能的试验研究。通过对一批FRP筋-珊瑚混凝土偏心立方体试件进行单端拉拔测试,获取粘结强度,相对滑移、筋材粘结应力等关键参数,研究FRP筋-珊瑚混凝土的受力过程和破坏模式,明确了埋置长度、直径、保护层厚度等因素对粘结强度的影响,总结了FRP筋与珊瑚混凝土粘结力的形成、传递机理,并讨论两种筋材之间以及珊瑚混凝土和普通混凝土之间的区别。随后,通过先进的光纤光栅测试技术分析了粘结滑移各基本变量(FRP筋拉应力、粘结应力、相对滑移量)随埋置长度的变化规律。并将试验结果与钢筋混凝土结构研究成果进行对比,明确FRP筋-珊瑚混凝土之间的粘结性能与钢筋混凝土粘结性能的相似与区别,分析了造成该区别的原因2、进行了FRP筋-珊瑚混凝土粘结滑移本构关系模型研究。在对前人研究的归纳总结基础上,本文提出了一种适用于FRP筋-珊瑚混凝土粘结滑移的本构关系模型。该模型形式简单,物理概念明确,与试验结果吻合较好。与现有模型相比,本文提出的模型能更好的吻合滑移曲线残余段和下降段规律波动的趋势随后,基于该模型求解了粘结滑移微分方程,并推导得出了能够反映粘结应力和相对滑移量沿埋长分布情况的解析解。最后利用该解析解,推导得出FRP筋在珊瑚混凝土中锚固长度计算公式,并提出珊瑚混凝土修正系数。通过算例分析发现,该公式的计算结果相对规范值而言略偏保守3、在对已有钢筋混凝土构件有限元建模方式和各种材料单元特点的充分分析基础上,结合本文提出的粘结滑移的本构关系模型,使用ANSYS结构非线性有限元软件建立了考虑粘结滑移的CFRP筋、GFRP筋珊瑚混凝土简支梁模型然后对其受力破坏过程进行了模拟,并分析了能够直接反应FRP筋与珊瑚混凝土之间粘结滑移性能的连接弹簧单元的变形和受力。结果证明使用本文提出的粘结滑移本构关系模型能够在非线性有限元计算中有效实现FRP筋和珊瑚混凝土之间的粘结,运算结果良好、可靠4、进行了湿热海洋环境下FRP筋-珊瑚混凝土粘结性能劣化研究。首先开展了FRP裸筋在不同温度的人工海水环境下的加速老化对比试验,分析FRP筋在不同温度、浸泡时间的人工海水浸泡下腐蚀劣化机理,并通过电子扫描电镜观测筋材劣化的程度。结果表明由于树脂成分与海水发生反应以及筋材纤维本身的腐蚀损伤,FRP筋出现不同程度的劣化。相较于浸泡时间,温度的影响更加明显。且GFRP筋的劣化程度明显大于CFRP筋。随后进行了GFRP筋、CFRP筋与珊瑚混凝土在海水环境下粘结性能试验,揭示在温度、湿度、盐度环境耦合作用下FRP筋-珊瑚混凝土之间的粘结性能退化机理。试验结果表明,随浸泡时间增加,FRP筋-珊瑚混凝土极限粘结强度呈现出先增加、后减小的趋势。增加保护层厚度能有效地减缓海水对FRP筋的侵蚀,有利于保持FRP筋-珊瑚混凝土间的粘结性能最后,在试验研究的基础上,提出了高温海洋环境下FRP筋-珊瑚混凝土粘结强度折减系数公式,该系数包含浸泡时间和浸泡温度两个关键变量,模拟结果与试验结果吻合程度较高。总之,本文研究成果不仅对建立FRP筋-珊瑚混凝土结构的相关基础研究理论做出有益补充,也为FRP筋-珊瑚混凝土结构在我国南部海洋环境中的实际工程的施工、设计提供参考。具有一定的理论和工程价值。
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU528
【图文】：

防波堤,裂缝,混凝土,珊瑚

图１．２珊瑚混凝土强度与水灰比关系逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｓｔｒｅｎｇｔｈ邋ａｎｄ邋ｗａｔｅｒ－ｃｅｍｅｎｔ邋ｒａｔｉｏ邋ｏｆ邋ｃｏｒａｌ邋ｃｏｎｃｒｅｔｅ土相关研究动态逡逑研究动态逡逑二次世界大战以后，作为海洋权益大国的美国为维护其既得署有大量的军事基地，这些基地大部分处于热带海岛上且位置分需建筑材料如果全部从大陆运输因耗费巨大而变得不切实际。军方最早开始了珊瑚混凝土的应用，随后该国制定的《Ｕｎｉｆｉｅｄｌ邋Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ》［６］土木工程标准中指出：如果常规材料如碎石、可以使用珊瑚礁砂作为混凝土的粗细骨料。到目前为止，太平、中途岛和夸贾林环礁等岛礁上仍有由珊瑚混凝土建造的建筑。ｗｅ

示意图,拉挤工艺,示意图

大部分产品都使用的是拉挤成型工艺。拉挤工艺是将浸渍树脂胶液的连续纤维束、带或逡逑布等，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、固化，连续不断地生产长度不限的ＦＲＰ逡逑型材，如图１．４所示。这种工艺具有生产效率高、成品纤维含量高、质量稳定等优点，逡逑缺点是只能生产截面形状固定的型材。逡逑ＧＴｉ邋Ｐｕｌｔｒｕｓｉｏｎ邋Ｍｏｃｈｉｎｅ逡逑Ｕ逦；＞；－逦＾逦；逦？雄，逦＇ｓ＾＾５逡逑减■涵ＯＶａ逦：’邋ｉ逦９逡逑图１．４拉挤工艺示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｐｕｌｔｒｕｓｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑ＦＲＰ筋是ＦＲＰ材料中在土木工程领域使用较广的一种新型筋材。与传统增强材料逡逑——钢筋相比，具有如下特点［１１４逡逑？优点逡逑（１）

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