cfrp筋及其加筋混凝土梁的力学性能和感知性能试验研究

cfrp筋及其加筋混凝土梁的力学性能和感知性能试验研究

在传统的钢筋混凝土结构中，桥梁、道路、海洋结构和其他不利环境条件下，钢筋混凝土结构的严重硬化主要原因是钢筋腐蚀。混凝土结构中钢筋在氯离子、高湿度、高温度和海洋大气中锈蚀严重。环氧涂层、阴极保护、增加混凝土保护层厚度、聚合物混凝土等措施未能提供长期理想的解决办法。碳纤维聚合物筋(CarbonFiberReinforcedPolymer,CFRP)的耐腐蚀特点为解决锈蚀问题提供了新的途径。CFRP筋既具有结构材料优良的力学性能,又具有功能材料的感知特性,因此它既能用作受力筋又能作为传感器。CFRP筋的感知特性主要反映在其受力变形过程中电阻发生变化,已有一些学者对这一特性进行了初步的研究。1cfrp筋表面处理哈尔滨工业大学和哈尔滨玻璃钢研究院联合研制开发的CFRP筋是由T700碳纤维束浸渍在环氧树脂中,通过拉挤模具成形、并经过高温固化而成。为增强CFRP筋与混凝土的粘结,对CFRP筋进行表面处理,常用的表面处理形式有螺旋缠绕纤维束、粘砂、刻痕。本文中研究用的CFRP筋表面处理形式是螺旋缠绕玻璃纤维束,碳纤维体积含量为64%,环氧树脂体积含量为36%。在拉挤过程中,碳纤维通过1.2m长的拉挤模具,模具温度为220℃,拉出速率为25cm/min。2cfrp的牵引力学2.1试验测量和加载CFRP筋受拉标准试件是按照拉挤玻璃纤维增强塑料杆力学性能试验方法加工制作的。在进行受拉试验之前,先测量试件的直径和长度。试验采用50kN万能材料试验机,荷载传感器采集荷载,25mm引伸计测量试件纵向变形。试件加载速率为1mm/min。试验单调加载直到试件断裂停止。CFRP筋受拉试验装置如图1所示。2.2cfrp钢筋的受拉试验CFRP筋的应力-应变曲线直到破坏是线弹性的,最后是脆性破坏,如图2所示。表1是12根CFRP筋的受拉试验结果,其平均抗拉强度为1596MPa,是普通钢筋的3.19倍;平均弹性模量为128.34GPa,是普通钢筋的64%。3cfr筋的感知性能3.1cfrp感知性能试验测试CFRP筋感知性能的试件直径4mm,长300mm。在试验段用导电胶粘铜箔,改善铜箔与导电碳纤维的导电性。两个铜箔间距约为120mm。表2是CFRP筋感知性能试验数据。试件加载速度为1mm/min,用25mm引伸计测量试件拉应变。试件两个铜箔间的初始电阻和电阻变化值用多功能万用表测量。一般混凝土结构用CFRP筋的使用环境温度为常温,试验在室温(约20℃)条件下进行。3.2碳纤维断裂和电阻CFRP筋的感知性能就是利用碳纤维的压阻效应来监测筋的应变和断裂。碳纤维电阻变化主要有以下原因:弹性变形产生的几何变化;碳纤维间电子交换产生电阻率变化;碳纤维相互接触产生电阻率变化;碳纤维断裂。图3是CFRP筋电阻变化率-应变曲线。最初电阻变化是由于碳纤维弹性变形产生的,曲线斜率类似应力-应变曲线,是线性的。随着应变增加,碳纤维间相互接触产生电阻率变化,曲线斜率逐渐偏离线性。到临近破坏时,部分碳纤维断裂,电阻值明显增加,曲线斜率急剧增加。CFRP筋断裂时电阻变化率为30%~45%。4cfp加筋混凝土梁的感觉性能4.1纤维束、混凝土梁、cfrp筋土体制作了两组共计6根2.1m长混凝土梁,梁截面为100mm×200mm,混凝土保护层为15mm。第一组梁用的CFRP筋表面是螺旋缠绕纤维束,第二组梁用的CFRP筋表面是螺旋缠绕纤维束并粘砂。梁下部纵向筋为3根直径的4mmCFRP筋,上部为2根直径3.2mm的钢筋。直径6mm钢箍筋间距50mm防止剪切破坏。梁受三分点加载,在梁支座和跨中分别放置3个位移传感器测量混凝土梁的变形。使用螺旋千斤顶分级加载,用荷载传感器测量荷载。用精密电子万用表测量CFRP筋电阻。在每一步加载,记录荷载、跨中变形和CFRP筋电阻值,混凝土梁试验装置如图4所示。4.2混凝土梁破坏过程图5是混凝土梁载荷-变形曲线。开始加载时梁未开裂,刚度较大,随着荷载增加,当作用弯矩超过开裂弯矩时首先在跨中出现垂直裂缝,引起梁刚度减少。表3是CFRP加筋混凝土梁试验结果。混凝土梁中CFRP筋电阻变化率-荷载曲线如图6所示。CFRP筋电阻变化率随荷载的增加而增加,当荷载增加到最大值,混凝土梁破坏时,CFRP筋电阻达到最大值。混凝土梁中CFRP筋电阻由一个纯弯段和两个弯剪段三部分电阻组成。最初电阻变化是由于碳纤维弹性变形,随着荷载的增加,碳纤维间相互接触导致电阻率变化,最后CFRP筋中部分碳纤维断裂,使电阻继续增加。混凝土梁的破坏是混凝土压碎,而CFRP筋未拉断,CFRP筋电阻变化率为3.96%~6.74%,是CFRP筋受拉试验值的20%。这是由于CFRP筋在三分点受弯混凝土梁中应力分布不是常数。在中间1/3处是纯弯段,CFRP筋应力是最大值;而在两端各1/3处CFRP筋应力是从端部的零值逐渐增加到最大值。5混凝土梁中cfrp筋应力本文中研究CFRP筋及其加筋混凝土梁的力学性能和感知性能,基于试验结果得到以下结论(1)CFRP筋受拉直到破坏是线弹性的,其破坏形式是脆性的。极限抗拉强度为1621MPa,是普通钢筋的3.19倍。弹性模量为128.38GPa,是普通钢筋的64%。(2)CFRP筋受拉破坏时电阻变化率为30%~45%,电阻变化率-拉应变曲线的斜率随应变增加而明显增加。(3)混凝土梁中CFRP筋的电阻变化率为3.96%~6.74%,是CFRP筋受拉时的20%。受弯