硫酸盐环境下CFRP-混凝土界面粘结性能退化规律及劣化机理研究

发布时间：2020-08-05 22:29

【摘要】：碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP)由于具有高强、轻质、非磁性、耐久性好、施工方便等优点在既有结构的改造加固中得到广泛应用。CFRP增强混凝土结构是通过CFRP与混凝土界面间的粘结力实现两种材料之间的荷载传递,从而使两种材料组合在一起协同工作,因此CFRP-混凝土界面的粘结性能是外贴CFRP增强混凝土结构技术的关键。在实际工程中,许多经CFRP增强的混凝土结构常处于恶劣环境中,CFRP-混凝土界面在恶劣环境下的耐久性直接关系到CFRP增强混凝土结构的长期受力性能。目前,对CFRP-混凝土界面的耐久性研究仍不充分,本文结合国家自然科学基金项目“西部寒旱地区硫酸盐环境及荷载共同作用下FRP-砼界面粘结性能退化规律及劣化机理研究”(51368053),采用硫酸盐持续浸泡和硫酸盐干湿循环两种加速侵蚀试验来模拟硫酸盐侵蚀环境,对CFRP-混凝土界面各组成部分在硫酸盐侵蚀作用下的力学性能进行试验研究,探讨硫酸盐环境下CFRP-混凝土界面粘结性能退化规律和劣化机理。本文的主要研究内容和结论如下:(1)通过CFRP片材在室温、硫酸盐持续浸泡、硫酸盐干湿循环作用下的拉伸试验,研究了硫酸盐侵蚀环境对CFRP片材破坏形态、应力-应变关系、抗拉强度、弹性模量、伸长率的影响。试验结果表明,硫酸盐侵蚀作用对CFRP片材力学性能影响较小。(2)通过硫酸盐持续浸泡和硫酸盐干湿循环作用下混凝土耐久性试验,对硫酸盐侵蚀作用下混凝土抗压强度随侵蚀时间的退化规律进行了研究,分析了混凝土水胶比、粉煤灰掺量、硫酸盐浓度变化对混凝土抗压强度的影响。试验结果表明,适当减小混凝土水胶比和增加粉煤灰掺量可以提高混凝土在硫酸盐侵蚀环境中的耐久性;通过对试验数据的分析拟合,建立了考虑硫酸盐侵蚀影响的混凝土抗压强度衰减模型。(3)采用双面剪切试件,对室温下、硫酸盐持续浸泡作用和硫酸盐干湿循环作用下CFRP-混凝土界面粘结性能进行了试验研究,分析了硫酸盐侵蚀作用对CFRP-混凝土界面的破坏形态、极限承载力、应力和应变分布、有效粘结长度等性能参数的影响,同时探讨了混凝土水胶比、粉煤灰掺量及界面粘结长度对界面力学性能的影响。试验结果表明:a)经硫酸盐侵蚀作用后,界面的破坏形态发生了改变,随着侵蚀时间的增加,界面破坏由界面以下混凝土层的破坏逐渐变为CFRP-混凝土界面处破坏;b)经硫酸盐侵蚀作用后,界面极限承载力、CFRP最大应变值和界面最大剪应力等界面参数均随着侵蚀时间的增加而下降,且随侵蚀时间的增长其下降速率加快;c)采取减小混凝土水胶比、增加粉煤灰掺量等提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的措施后,可以提高CFRP-混凝土界面在硫酸盐侵蚀环境中的耐久性能;d)经硫酸盐侵蚀作用后,界面有效粘结长度随硫酸盐侵蚀时间的延长而有所增加。(4)通过对界面承载力随侵蚀时间的变化规律的回归分析,引入硫酸盐环境下承载力综合影响系数(考虑了水胶比、粉煤灰掺量、硫酸盐溶液浓度的影响),建立了考虑硫酸盐持续浸泡和硫酸盐干湿循环作用影响的CFRP-混凝土界面承载力模型。(5)通过对界面粘结-滑移曲线的归纳分析,得到了界面特征值(界面剪应力峰值及其对应的滑移量)和界面延性参数的计算表达式,在此基础上建立了考虑硫酸盐持续浸泡和硫酸盐干湿循环作用影响的CFRP-混凝土界面粘结-滑移本构关系模型。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU528
【图文】：

图 1.1 混凝土桥梁硫酸盐侵蚀破坏本课题基于不同浓度硫酸盐溶液，利用持续浸泡和干湿循环加速侵蚀试验模盐侵蚀环境，通过持续加载的双剪切试验，深入研究多种因素（混凝土水胶掺量、硫酸盐溶液浓度、界面粘结长度、浸泡和干湿循环时间等）影响下 土界面粘结性能的力学特性及界面劣化机理，为西部硫酸盐侵蚀环境下 CFR土结构设计与应用提供理论依据。RP-混凝土界面粘结性能试验研究及理论研究现状实际工程中，FRP-混凝土界面粘结性能的下降或界面的剥离破坏是引起 FR土结构承载力丧失的主要原因。因此，FRP 与混凝土之间良好的粘结性能是料共同受力和变形的基础。目前，国内外学者通过实验研究、理论研究或实论研究相结合的方法对 FRP-混凝土界面的粘结性能方面做了大量工作。

兰州交通大学博士学位论文件的制作过程如下：由于树脂胶不与塑料布粘结，因此在试件制作前在操作台上铺一 CFRP 布的初始宽度为 100mm，将 CFRP 布裁剪成长度为 100铺在塑料布上。将树脂胶均匀刷在 CFRP 片材上，用刷子在表面来回刷，确保粘一面刷完后再刷另一面。将刷好胶的试件放在室温下固化 3~7 个手时进行下一道工序。对粘结树脂不粘手时的整片片材进行裁剪，裁剪时按碳纤维股数 股，试件平均宽度约 16mm。为了使 CFRP 片材在加载过程中受力均匀，在试件两端粘贴两层片，加强片与试件同宽。制作好的试件在室温下养护一周后再进行FRP 试件如图 2.2 所示。

图 2.3 CFRP 纵向拉伸测试系统CFRP 主要力学指标计算方法如下：1）抗拉强度按式（2.1）计算：btPbh （2.1式中：t 为抗拉强度；bP 为试样破坏时的最大载荷； b 为试样宽度； h 为试样厚度。2）弹性模量按式（2.2）计算：tPlEbh l 或tPEbh （2.2式中：tE 为弹性模量； P 为载荷-形变曲线或载荷-应变曲线上初始直线段的载荷增量 l 为与 P 对应的标距 l 内的变形增量； 为测量标距； 为与 P 对应的应变增量。3）拉伸破坏伸长率按式（2.3）计算：100%btll （2.3）式中：t 为拉伸破坏伸长率；b l 为试样破坏时标距 l 的总伸长量。

【参考文献】

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本文编号：2781968