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发生GFRP筋拉断破坏的主要有以下几种情况。对于直径12mm的试件,个别搭接长度180mm、保护层厚度60mm的无配箍试件和配箍试件,以及搭接长度240mm、300mm、360mm的全部试件均为GFRP筋拉断破坏。商洛GRG材料对于直径10mm的试件,个别搭接长度120mm的配箍、无配箍试件及搭接长度180mm的所有配箍、无配箍试件破坏为GFRP筋拉断。而对于直径16mm的试件,无筋被拉断的现象。筋拉断破坏属于非黏结破坏,GFRP筋与混凝土的黏结很好,两者间几乎没有发生相对滑移,试件破坏是由于外荷载产生的拉应力超过了GFRP筋的抗拉强度,GFRP筋被拉断而破坏。由此可以看出,保护层达到一定厚度,直径较小、搭接长度较大的试件大多发生筋拉断破坏。根据各级荷载对应的平均黏结应力τ、加载端滑移量S、两自由端相对滑移量S1,可以得到每个试件的加载端黏结滑移曲线和自由端黏结滑移曲线。商洛GRG材料由于试件超过极限荷载后,数据变化剧烈且很不稳定,人工无法准确读取卸载过程中的荷载值及相应的滑移量,本次试验只得到黏结滑移曲线的上升段。黏结滑移曲线分析中,以两搭接筋自由端相对滑移为主,加载筋滑移仅做参考。
缠绕玻璃纤维束的GFRP筋能够在40N·m扭矩作用下坚持更长的时间而不发生破坏,这对于GFRP锚杆在边坡、煤矿支护过程中更加有利。商洛GRG材料但由于用玻璃纤维束作为缠绕物生产时,纤维束为松散状,容易搅在一起而影响生产的稳定性与连续性,用玻璃纤维带缠绕时不会出现此问题,并且抗扭性能与用玻璃纤维束差不多,均比尼龙绳缠绕的强,综合考虑用玻璃纤维带缠绕的GFRP筋材更适合作为锚杆。腐蚀环境下的力学性能,尽管FRP材料不会像金属那样产生电化学腐蚀,但仍然会在不同的化学环境中(包括酸、碱)发生性能的劣化。商洛GRG材料这种劣化随着温度的升高而加剧,由于纤维的“沥滤”作用,其很容易受到碱性和中性溶液的腐蚀,但是在树脂包裹下形成的FRP制品后会有很大的改善,目前国内外对此也开展了一定的研究,AC1440委员会有关研究没有对其产品给出明确的规定,但是强调暴露于环境中的构件,采用GFRP筋进行构件增强时,强度标准值应乘以0.7的安全系数,以作为设计强度。某实验现场取样进行常温化学物质3个月腐蚀性试验。
这些因素都会导致FRP筋材料的性能在火灾中逐步退化,造成FRP筋混凝土结构的破坏,严重威胁使用安全。因此,FRP筋混凝土结构抗火性能的研究对其在土木工程中的应用至关重要,提供这种结构的抗火设计方法和抗火防护措施势在必行。另外,当混凝土结构遭遇火灾后,钢筋或者GFRP筋和混凝土力学性能的劣化可能导致火灾后结构的安全性和耐久性不足,商洛GRG材料需随结构的损伤及剩余承载力进行计算和评估,进而对确定是否能继续服役及灾后加固修复的选择具有重要的现实意义。为了研究火灾环境中FRP筋材料和FRP筋增强混凝土结构的力学性能,保证FRP筋增强混凝土结构在火灾条件下的安全性,国外研究者从20世纪开始进行了尝试性的试验研究和理论分析。但目前国内外对FRP筋混凝土结构的抗火问题还没有系统深入,研究工作的欠缺导致对FRP筋混凝土结构的抗火性能认识不足,缺乏信心,从而影响了FRP筋在工程中的推广应用。商洛GRG材料基于此,本章对钢筋混凝土结构中应用最多的钢筋变形钢筋和钢筋的补充及替代的材料GFRP筋进行高温后力学性能的试验研究。
能够自动测量抗扭强度、屈服点,配备扭转计可测量切变模量、规定非比例扭转应力,而且能够自动记录扭矩与转角的曲线。商洛GRG材料试验机配有全数字测量控制系统,性能稳定,精度高。所用抗扭试件,使用的是肋间距为27mm,缠绕物分别为尼龙绳和玻璃纤维带的两种GFRP筋。试验现象,对于尼龙绳缠绕的GFRP筋进行测试时,当抗扭试验机逐步增加扭矩的过程中,筋材表面会逐渐出现一些细小的裂痕,当扭矩达到一定程度时,试件会突然破坏并出现严重的扭曲,甚至变成“麻花状”;对于玻璃纤维袋缠绕的GFRP筋,刚开始加载时与一般GFRP筋材相差无几,在达到规定的扭矩时玻璃纤维带缠绕的GFRP筋在破坏前会保持相当长的一段时间,即将破坏时,先发生缠绕带的断裂剥落,緊接着整个筋材发生破坏,形成以近似的“屈服平台”,这将有利于锚杆支护中锚杆的嵌入与防损坏。商洛GRG材料表面缠绕尼龙绳的GFRP筋不能达到行业标准规定的P筋材的抗扭力矩应达到的40N·m,用玻璃纤维带缠绕的GFRP筋则都能达到40N·m;缠尼龙绳的GFRP筋几乎都是在达到最大扭矩时发生脆性破坏,没有一个近似“屈服平台”,这对于锚杆支护的应用不利。
1mmGP筋的极限应变先随温度升高而降低,100℃时降至整个试验温度范围的最低点,商洛GRG材料随后开始逐渐增大,350℃时达最大值,比常温时增加了36.66%;10mm GMP筋极限应变先随温度升高小幅增大,100℃时达最大值,随后逐渐降低,300℃时降至最小值,比常温时降低了38.33%;小12mmGP筋的极限应变温度低于300℃时和常温相差不多,350℃时极限应变急剧降低,比常温时降低了44.12%。350℃高温后GFRP筋极限抗拉强度维持在室温时的80%以上,但是由于到达此温度时GFRP筋已经变得极为柔软,刚度很小,弹性模量不足常温时的70%,所以即使高室温后极限强度有所恢复,建议GFRP筋的耐高温极限仍然不能高于300℃。可以看出:GFRP筋的极限荷载、极限抗拉强度、平均拉伸弹性模量和极限应变在温度较高时比常温低。商洛GRG材料造成GFRP筋强度、弹性模量和极限应变降低的主要原因有3方面:①黏结胶体随温度的升高逐渐玻璃化、炭化和热分解,导致对抗拉强度的贡献逐渐减小乃至丧失;②黏结胶体黏结作用的降低导致GFRP筋纤维丝协同受力的能力下降,最终导致GFRP筋性能的劣化。
其中,直径10mm、搭接长度180mm的试件表现为黏结强度与是否配置箍筋无关,商洛GRG材料主要是因为搭接长度180mm的试件全部发生筋拉断破坏,为非黏结破坏。虽然配箍率对黏结强度影响不大,但配箍试件试验结果离散性小,且破坏表现出一定延性。搭接长度不很大时,配箍率的增大,改善了试件受力不均匀性,限制裂缝开展,加强了GFRP筋外围混凝土的抗劈裂能力。GFRP筋直径,不同筋直径试件GFRP筋与混凝土间的黏结强度变化规律。从中可以看出,黏结强度随GFRP筋直径的增加。注:表中显示的是混凝土强度C35,搭接长度分别为120mm、180mm,降低率=(GFRP筋直径10mm试件的黏结强度一其他直径试件的黏结强度)度×100%。显示的是混凝土强度C35,搭接长度分别为120mm、180mm,箍筋箍试件的黏结强度。(a)搭接长度120mm试件搭接长度120mm、180mm无配箍试件黏结强度随搭接长度120mm的无配箍试件,从直径10mm、12mm到0.12MPa、0.95MPa,降低率分别为1.01%、8.02%。分析其GFRP筋表面的变形大于其横截面中心的变形,这会导分布不均匀,即剪切滞后现象。商洛GRG材料直径越大,横截面面积越大,剪切滞后现象就越明显,GFRP筋与混凝土的黏结强度也就会GFRP筋直径越大,包裹在筋表面的混凝土泌水越大,FRP筋与混凝土之间的接触面积减小,造成GFRP筋降低。
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