混凝土结构用热塑性FRP筋基本力学性能研究

发布时间：2020-08-06 18:42

【摘要】：纤维增强复合材料(FRP)因其轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳等诸多优点,在土木工程领域中得到了广泛应用。目前,对FRP材料的应用主要采用热固性FRP,但是因为其不具备二次加工性能导致材料固化成型后形状无法再次改变,在施工现场完全不具备再加工能力,FRP箍筋和弯筋等只能通过工厂预制生产,同时热固性FRP普遍存在硬脆、耐冲击性差、固化成型周期长、难以回收再利用、环境适应性差等缺陷。针对热固性FRP存在的诸多不足,本文研究开发了一种以热塑性环氧树脂为基体材料、新型绿色环保的玄武岩纤维为增强材料的热塑性BFRP筋。重点研究了热塑环氧BFRP筋的生产工艺、基本力学性能、耐碱腐蚀性能、与混凝土的粘结性能、二次弯曲理论与工艺及弯筋的力学性能。具体研究内容及成果如下:1.热塑性FRP筋生产工艺研究。通过对传统热固性FRP筋拉剂工艺的改进,确定了适合热塑性FRP筋生产的溶液法拉剂工艺;通过制作三种不同浸胶纱分析了FRP筋内部残留溶剂对其力学性能的影响。2.热塑性FRP筋基本力学性能研究。对热塑性BFRP筋分别进行了拉伸性能、层间剪切性能、双剪性能试验,并与热固性BFRP筋、热塑性GFRP筋进行对比。结果表明:热塑性BFRP筋的抗拉强度与弹性模量均与热固性BFRP筋相当,但是层间剪切强度及双剪强度均明显较低;同时热塑性BFRP筋三项力学性能均优于GFRP筋。3.热塑性FRP筋耐碱腐蚀性能研究。对热塑性BFRP筋进行了不同温度下的高温加速耐碱腐蚀试验,并与热固性BFRP筋、热塑性GFRP筋进行对比。结果表明:热塑性BFRP筋耐碱腐蚀性能优于GFRP筋;但是与热固性BFRP筋相比,耐碱腐蚀性能明显较差;SEM观测结果显示热固性BFRP筋只在截面外侧边缘发生了树脂与纤维界面脱粘导致纤维完全松散的情况,而热塑性BFRP筋未出现明显的纤维松散,但是整个横截面均存在由于界面脱粘导致的明显孔洞和裂缝。4.热塑性FRP筋与混凝土的粘结性能研究。采用单向轴心拔出试验对热塑性BFRP筋与混凝土的粘结性能进行了试验研究,考察了混凝土强度等级、肋纹表面形式、直径等参数的影响,并与热固性BFRP筋、热塑性GFRP筋、钢筋等进行了对比。结果表明:提高混凝土强度等级可以适当提高粘结强度;表面肋纹形式对热塑性BFRP筋与混凝土的粘结性能影响较大,一体化深肋纹试件粘结性能最优;热塑性BFRP筋与混凝土的粘结性能优于GFRP筋;与热固BFRP筋相比,两者与混凝土的粘结性能相当。5.热塑性FRP筋弯曲工艺及性能研究。针对热塑性FRP筋具备二次加工性能的突出特点,开展了对弯曲工艺及力学性能的系列研究。建立了计算FRP弯筋弯曲部位强度的宏观力学模型;开发了一种适合热塑性FRP筋二次弯折的简易弯曲装置;对FRP弯筋进行了拉伸力学性能试验,结果表明:热塑性BFRP弯筋弯曲部位强度保留率与直径d成反比,与弯曲半径r/d成正比,同时热塑性FRP筋弯曲部位强度保留率略低于热固性FRP筋;分别采用规范经验公式和宏观力学强度模型对弯曲部位强度进行理论计算,并与试验结果进行了对比分析。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU528
【图文】：

土木工程,材料,热塑性树脂,热固性树脂

（e）FRP 型材用于桁架桥梁（f）FRP 连接件用于预制墙板中图 1-1 FRP 材料在土木工程中的典型应用据树脂基体组成成分的不同，将 FRP 材料分为热固树脂基 FRP 和热塑树脂基热固性树脂(thermosettingresin)是指加热后树脂产生化学变化，逐渐硬化成型，不能不软化同时也不能溶解的一种树脂。热固性树脂主要包括环氧树脂、不饱和脂、乙烯基酯等。而热塑性树脂(thermoplastic resin)具有受热软化、冷却硬化的此过程中不发生任何化学反应，无论加热和冷却重复进行多少次均能保持原有性所示）。常见的热塑性树脂主要有聚丙烯 PP、聚乙烯 PE、聚酰胺 PA、聚苯硫亚胺 PEI 等。

热塑树脂,热塑性树脂,热固,基本力学性能

（e）FRP 型材用于桁架桥梁（f）FRP 连接件用于预制墙板中图 1-1 FRP 材料在土木工程中的典型应用根据树脂基体组成成分的不同，将 FRP 材料分为热固树脂基 FRP 和热塑树脂基 FR。热固性树脂(thermosettingresin)是指加热后树脂产生化学变化，逐渐硬化成型，再既不能不软化同时也不能溶解的一种树脂。热固性树脂主要包括环氧树脂、不饱和聚树脂、乙烯基酯等。而热塑性树脂(thermoplastic resin)具有受热软化、冷却硬化的性在此过程中不发生任何化学反应，无论加热和冷却重复进行多少次均能保持原有性能1-2 所示）。常见的热塑性树脂主要有聚丙烯 PP、聚乙烯 PE、聚酰胺 PA、聚苯硫醚酰亚胺 PEI 等。

热塑性复合材料,广泛应用

维在 FRP 材料中分布不均，具有随机性，经过加工后长度变得更短，无法充分发挥强作用；长纤维的长度为 3-10mm，在 FRP 复合材料中长度较长且均一性好，排列纤维损伤小，从短纤维 FRP 发展到长纤维 FRP，热塑性复合材料的力学性能得到了；随着工艺的不断发展，目前对连续纤维增强热塑性复合材料的生产研究已经取得果，纤维长度可以与制品尺寸相同，具有很好的可设计性，另一方面制品的力学性化性能随纤维长度的进一步增加也有了大幅度提升，达到了质的飞跃。近年来，国内外热塑性树脂复合材料发展速度迅猛，已经大大超出热固性树脂复合展速度。主营全球市场研究的美国咨询公司 Lucintel 在发布的市场研究报告中指出年到 2020 年，连续纤维增强热塑性塑料市场在全球预计将以高达 6.9%的复合年增增长；美国 MarketsandMarkets 公司在发布的《热塑性复合材料市场》报告中指出，到热塑性复合材料制品市场份额将扩大至 99 亿美元；2016-2020 年中国复合材料市场及发展趋势分析报告指出，2015 年我国热塑性复合材料的新增量高达 230 万吨，接料总产量的一半。同时，热塑性复合材料在汽车制造业、医疗机械、航空航天等领了广泛的发展和应用（如图 1-3 所示），成为复合材料领域异常活跃的开发与研究

【参考文献】