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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,湖北GRC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。湖北GRC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。

湖北GRC材料通过几个月的试验研究发现,常规的酸性溶液、碱性溶液和NaCI溶液对于GFRP筋(乙烯基树脂、无碱玻璃纤维粗纱)制品确实有一定的侵蚀作用,同时由于乙烯基树脂极好的抵抗化学介质的性能,使得常规化学物质的常温侵蚀作用效果十分有限,一般不会超过5%。如此看来,ACI440委员会强调暴露于环境中的构件,采用GFRP筋进行(混凝土)构件增强时,强度标准值应乘以0.7的安全系数,以作为设计强度的提法,是具有客观科学依据的。酸性溶液,为了确认GFRP筋对于酸性溶液的抵抗能力,采用少28mm、由乙烯基酯树脂生产的玻璃纤维筋进行测试。试验条件如下。①分别采用pH值为2和5的H2SO4溶液作为实验介质。②GFRP螺纹筋的浸泡。将GFRP螺纹筋分别放入两种H2SO4溶液中常温浸泡,浸泡时间为90天。③浸泡后的GFRP螺纹筋再进行拉伸试验。将浸泡后的GFRP螺纹筋取出后,用清水将表面洗净。湖北GRC材料实验结果如下。①GFRP螺纹筋经过pH=2的H2SO溶液浸泡90天后,拉伸强度由602.51MPa下降到579.31MPa,拉伸强度保持率达96.1%,下降幅度仅3.85%。②弹性模量由41.68GPa上升到43.19GPa,基本保持不变。

由此可推断,树脂的改性对GFRP筋的剪切强度有较明显的影响,并且随温度的升高GMP筋和GP筋的剪切强度呈现相似的变化规律。湖北GRC材料常温时GP筋的剪切强度比GMP筋高29.01%,150℃后GP筋的剪切强度继续增加,到200℃高温后剪切强度达最大值193.32MPa,比常温时增加了31.91%,而GMP筋的剪切强度在200℃高温后开始降低,到300℃高温后剪切强度比常温时已经下降了16.37%;在250℃、300℃高温后GFRP筋的剪切强度比常温时略有增加;两种类型的筋在350℃高温后的剪切强度与常温时相比都已经剧烈地下降,GP筋的剪切强度比常温时的降低了60.76%,GMP筋的残余强度更低,比常温时的降低了66.66%。从曲线上看,GP筋的剪切强度比GMP筋的剪切强度随温度变化大,GMP筋的曲线较平缓,对温度的敏感性较GFRP筋小。从以上分析,可以大致确定,FRP筋的耐高温极限为300℃。烧失量对剪切强度的影响,烧失量为0时剪切强度随温度的升高有增加的趋势;随着烧失量从0增加到1g,剪切强度直线下降,湖北GRC材料说明黏结树脂的分解降低了GFRP筋的抗剪承载力;当烧失量超0mGm|过1g时,剪切强度更是剧减,说明黏结胶体的热分解和炭化已经非常严重,对玻璃纤维丝的黏结作用已经基本丧失。

配箍试件劈裂基本无声响,试件表面细小裂缝从出现到延伸贯通历经几级加荷,达到峰值荷载时,压力表显示读数迅速下降接近0力且无法再次加上,混凝土表面裂缝宽度较无配箍试件破坏时小很多,如图521所示,表现出一定延性性质。湖北GRC材料此外,无论配箍还是无配箍劈裂破坏试件,GFRP筋表面均有明显的磨损,筋与混凝土的咬合齿未完全被剪坏,孔壁GFRP筋肋轮廓形状还比较清晰,由此可说明破坏时GFRP筋并未沿纵向产生较大滑移。发生混凝土劈裂破坏的主要有以下几种情况。对于筋直径12mm的试件,搭接长度120mm、混凝土保护层厚度30mm和45mm的全部试件以及个别保护层厚度60mm的无配箍试件发生混凝土保护层劈裂破坏。此外,混凝土强度为C30,以及配箍试件中,箍筋间距大于60mm的大部分试件也发生劈裂破坏。搭接长度180mm的试件,其破坏形态大部分与搭接长度120mm的相一致,只是随搭接长度的增大,个别试件承载能力超过GFRP筋的好的极限抗拉强度时筋被拉断。湖北GRC材料对于直径10mm的试件,搭接长度120mm和180mm的均无劈裂破坏现象。

试件发生劈裂破坏时,随着混凝土强度的增大,混凝土的抗劈拉强度提高,对应试件破坏荷载增大,黏结强度提高。注:表中显示的是直径12mm,搭接长度分别为120mm、180mm,不同混凝土强度无配箍试件的黏结强度。湖北GRC材料混凝土强度C35、C40试件的黏结强度一混凝土强度C30试件的黏结强度)/混凝土强度C30试件的黏结强度×100%。配箍率,不同配箍率试件GFRP筋与混凝土间的黏结强度变化规律。从中可以看出,黏结强度随着配箍率的增大而提高,对于GFRP筋直径12mm、搭接长度120mm的试件,当箍筋间距80mm时,黏结强度较无配箍试件降低了0.17MPa;箍筋间距为6mm、40mm时,黏结强度依次增加了0.37MPa、1.16MPa,增长率分别为3.16%、9.9%。当箍筋间距为8omm时,搭接段只横跨了两根箍筋,对提高外围混凝土抗劈裂能力基本无作用;随箍筋间距减小,配箍率增大,搭接段橫跨箍筋数增多,箍筋和架立筋形成骨架对核心混凝土起到围箍作用,箍筋承担了部分劈拉力,使得试件的抗劈拉能力增强。湖北GRC材料显示的是直径12mm,混凝土强度C35,搭接长度分别为120mm、180mm,不同配箍率试件黏结强度。

①对GFRP筋纵向拉伸性能进行试验研究。湖北GRC材料确定其基本力学性能(包括抗拉强度、弹性模量和极限应变),为此类筋材研究提供材性依据。②对GFRP筋的搭接强度进行试验研究。试验参数包括GFRP筋搭接长度、混凝土保护层厚度、混凝土强度、配箍率、GFRP筋直径,分析在上述参数下GFRP筋搭接强度的变化规律和机理。③对试验得到的GFRP筋与混凝土黏结滑移曲线进行研究。分析在GFRP筋搭接长度、混凝土保护层厚度、混凝土强度、配箍率、GFRP筋直径5参数影响下黏结-滑移(搭接筋的两自由端相对滑移)曲线的变化,并分析其原因。④通过在搭接段中点和四分点粘贴应变片,分析各级荷载下搭接段应变分布及变化情况,研究其搭接性能。⑤基于试验结果,提出GFRP筋的搭接强度计算公式及GFRP筋在混凝土中的搭接长度计算公式,为确定受拉GFRP筋搭接长度合理取值提供试验和理论依据。FRP筋与混凝土的搭接性能试验概况。试验方法,与钢筋搭接一样,FRP筋的绑扎搭接接头传力,其本质是FRP筋在混凝土中的锚固。湖北GRC材料FRP筋的绑扎搭接接头是采用镀锌铁丝将两根筋并排搭接绑扎,而铁丝绑扎只是为了固定搭接筋,形成牢固的平面网架或空间骨架。
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