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《哈尔滨工业大学》 2008年
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结构新型热固性FRP复合筋及其性能

张志春  
【摘要】: FRP(Fibre Reinforced Polymer)筋以其轻质、高强尤其是优异的耐久性而成为一些土木工程结构中钢筋的替代品。本文针对FRP筋在土木工程结构中的应用问题,研制了带肋FRP筋制作装置,研究制作了钢绞线-GFRP(SGFRP)复合筋,带肋FRP筋和BFRP筋等一系列新型FRP筋,对其中主要类型的FRP筋粘结性能、耐久性以及与光纤光栅复合的智能特性等进行了系统研究,主要研究内容如下: 1.新型FRP复合筋的研制及基本性能研究。针对FRP筋在土木工程结构应用中存在的模量低、成本高和耐久性问题,分别发明和研制了钢绞线-GFRP(SGFRP)复合筋与玄武岩纤维FRP(BFRP)筋,并对其力学性能和耐久性进行了试验研究。研究结果表明:SGFRP筋与GFRP筋相比抗拉弹性模量可以提高50%以上,而且SGFRP筋在酸、碱和盐溶液中具有很好的耐久性;BFRP筋的抗拉性能与GFRP筋相当,但是在碱、酸和盐溶液中的耐久性较GFRP筋要差,尤其是在碱溶液中,其主要原因是玄武岩纤维表面硅烷耦联剂水解。研制了拉缠带肋FRP筋制作装置和成型工艺,对FRP筋肋形式和肋间距进行了定型研究,并制作了各种带肋FRP筋。研究确定的带肋FRP筋最佳肋形式和参数为:螺距为1倍直径的反向双螺旋纤维束缠绕肋。 2.磁场固化拉挤GFRP筋力学与耐久性能。根据磁场对树脂的改性作用,对FRP拉挤成型工艺设备进行改进,研究开发了FRP筋磁场固化拉挤工艺;研究了成型磁场强度对成型后GFRP筋力学性能的影响,确定了最佳磁场强度;对最佳磁场强度成型和无磁场成型GFRP筋进行80℃水中的耐久性对比试验,以吸水率和层间剪切强度为指标,研究了磁场固化工艺对GFRP筋耐久性的影响。试验结果表明:磁场固化可以提高GFRP筋的层间剪切强度、抗压强度和在水中的耐久性。 3. FRP筋与混凝土的粘结性能及其多种因素的影响。试验研究了温度处理、腐蚀环境和恒载作用对带肋GFRP和SGFRP筋与混凝土粘结性能影响。首先分别试验研究了70℃处理200小时后,70℃下和-30℃下三种温度环境中两种Φ8mm FRP筋和Φ12mm钢筋与混凝土的粘结性能;其次试验研究了两种FRP筋与混凝土试样经过60℃下碱溶液为期1、2和3.5个月浸泡后的粘结性能,分析了碱腐蚀环境对FRP筋与混凝土粘结性能的影响;最后试验研究了两种FRP筋分别在60%和75%最大粘结荷载作用下的恒载粘结性能,分析了恒载作用对FRP筋与混凝土粘结性能的影响。 4. FRP筋的耐久性寿命预测。针对GFRP筋耐碱性问题,对光面和带肋GFRP筋利用34、60和80℃加速温度进行碱溶液中浸泡试验,分析了两种GFRP筋在碱溶液中不同温度下拉伸性能与浸泡时间关系,利用TSF法和FHWA法对两种GFRP筋在10℃、100%RH混凝土环境中的耐久性寿命进行预测;对Φ8mm带肋和Φ7mm光面SGFRP筋进行60℃下碱、酸和盐溶液浸泡试验,分析了两种SGFRP筋在各种腐蚀溶液中的耐腐蚀性能。预测结果表明:光面GFRP筋的耐久性寿命为带肋GFRP筋的4倍左右。 5. FRP-OFBG智能筋成型过程的残余应变及其对传感特性的影响。针对单向FRP筋轴向残余应变问题,从理论上分析了智能筋制作过程对其中各组分引起的残余应变,利用双光栅法对GFRP筋拉挤成型过程中的温度和应变进行了在线监测;分析了恒载和常温无应力作用对智能筋中光栅残余应变的影响,研究了智能筋的传感稳定性问题;分析了智能筋中光栅光谱劣化产生原因,提出了高温后处理对智能筋中光栅双峰和多峰现象改善的方法。
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