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由于黏结树脂对高温比较敏感,当温度高于一定限值时会发生玻璃化,即处于流塑状态,它对纤维丝的黏结作用会逐渐退化乃至丧失;处于高温环境中的连续纤维丝的性能也会发生不同程度的变化。山西假树因为高温下FRP筋的各种组成材料本身的变化,造成FRP筋的力学性能也会发生相应的变化。Rehm和 Franke以及Sen研究发现,E-玻璃的熔化温度为1260℃,但在200℃时其强度比20℃时要下降很多,当温度达到550℃时,玻璃纤维的抗拉强度仅是室温条件下的1/2;黏结树脂的玻璃化点一般在100~200℃,超过这一温度树脂将会发生玻璃化、热分解和炭化,从而失去黏结能力;由黏结材料和玻璃纤维丝共同组成的整体—GFRP筋材在100℃时的强度大约是20°C时的70%(钢材大约是95%),若温度高于400°C,则下降到30%(钢材大约是50%)。由此可以看出:高温对GFRP筋材的影响是巨大的。山西假树当火灾发生时,处于火场中的建筑构件均受到高温环境的影响,虽然处于混凝土保护层之内的FRP筋不直接暴露在火场中,但其周围的环境温度会随过火时间的延长而逐渐升高。

不同于单根筋黏结,搭接筋接触缺少混凝土握裹,与混凝土黏结也会相对弱一些。为保证连接可靠,同时充分利用筋材强度,合适的搭接长度十分关键。山西假树国外一般采用梁式黏结试验方法开展钢筋的搭接性能研究,在试验梁的纯弯段进行搭接,变化参数包括钢筋端部形状、配箍率、搭接百分率(25%、50%)、钢筋类别4个参数,通过观察荷载-挠度曲线和裂缝形态,研究了搭接钢筋对试验梁受力性能的影响。对于FRP筋,参照钢筋搭接性能的研究方法,改变搭接长度、筋直径和保护层厚度,进行了GFRP筋和CFRP筋搭接性能的试验研究。研究结果表明,搭接段能够很好地传递作用力,随着搭接段长度的增加,梁的裂缝区域和裂缝数量都会减少。山西假树随保护层厚度的增加,搭接段GFRP筋的黏结强度非线性增长,但保护层厚度增加到一定程度,搭接强度不再增长。进而分析了FRP筋对梁极限受弯承载力的影响,并对不同直径FRP筋的平均黏结强度和临界搭接长度进行了讨论。总之,FRP筋的黏结强度比钢筋的小很多,且筋材的弹性模量对黏结强度的影响很大。

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。山西假树常温时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,山西假树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。

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。山西假树对于直径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。山西假树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。

GFRP筋试件的破坏均为整体缓慢切断,断口较整齐,且都有不同程度的挤压变形,没有发生脆性剪断,这说明GFRP筋中的树脂性能较好,山西假树纵向纤维对横向剪切有一定的作用。结果分析,对不同缠绕方式的GFRP筋进行剪切性能测试,通过理论分析。表面缠绕玻璃纤维東对剪切强度有明显的提高,玻璃纤维束的缠绕使GFRP筋成型时纤维更加紧密,与树脂充分结合,两者的协同工作性更强,从而使GFRP筋的剪切强度得到提高,同时,玻璃纤维束本身对剪切强度也有所贡献。在GFRP筋直径较小时,缠绕两层纤维束的GFRP筋剪切强度明显高于缠绕一层的GFRP筋,但是当直径较大时,两者的差别则不是很明显。山西假树玻璃纤维筋在一定工况下会涉及扭矩这个力学指标,这里简单介绍一下玻璃纤维筋进行扭转测试的方法。本试验采用玻璃纤维带缠绕的GFRP筋和尼龙绳缠绕的GFRP筋进行抗扭性能测试测试其扭矩是否符合规范规定的用于煤矿支护的GFRP锚杆的要求。试验设备和试验试样,使用计算机控制扭转试验机,型号是NDW31000。计算机控制电子式扭转试验机主要用于非金属材料扭转性能试验。

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,山西假树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。山西假树基于此,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。
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