郁步軍，蔡文華，，梁書亭，張繼文

(1.鹽城工學(xué)院 土木學(xué)院，江蘇 鹽城 224051； 2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer or Plastics 簡稱CFRP)是以碳纖維為增強(qiáng)材料，以樹脂為基體材料，并摻入輔助劑，經(jīng)拉拔成型和必要的表面處理形成的一種新型復(fù)合材料。其筋材由于輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，但由于其軸向和橫向的性能差異較大(20∶1)使得其材料單向拉伸性能的測試不能直接在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，必須通過錨固系統(tǒng)作為過渡。

針對FRP筋材國內(nèi)外已開發(fā)出多種形式的單筋錨具[1,2],但試驗(yàn)和工程應(yīng)用情況的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，粘結(jié)型錨具具有更好的應(yīng)用前景[3,4]。但這種錨具在測試FRP筋單向拉伸力學(xué)性能時(shí)，常常出現(xiàn)FRP筋拔出和在錨具端口處斷裂現(xiàn)象，必須通過多組試驗(yàn)才能確定FRP筋的單向拉伸力學(xué)性能。本文在對傳統(tǒng)的單根FRP筋粘結(jié)型錨具研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種制造簡單，錨固性能好的單筋錨具，并對6組樹脂封裝的CFRP筋組裝件進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，得出了CFRP筋的單向拉伸力學(xué)性能。此款單筋錨具的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究，為各種FRP筋材的單向拉伸力學(xué)性能的測試以及應(yīng)用提供有益參考。

1 單筋錨具的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的FRP筋單筋粘結(jié)型錨具組件的構(gòu)造如圖1所示，主要由套筒、灌注介質(zhì)和FRP筋組成。套筒外側(cè)一般留有螺紋，方便與張拉桿、連接套和螺母等相連，而內(nèi)側(cè)常常采用圓柱形或是錐形。此種單筋錨具組件在單向拉伸試驗(yàn)過程中，常常出現(xiàn)復(fù)合筋材在錨具端口處斷裂或是筋材的拔出破壞。為了更加有效地測試出FRP筋的單向拉伸力學(xué)性能，設(shè)計(jì)了如圖2所示的單根FRP筋錨具。本設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)錨具圓柱形內(nèi)腔和內(nèi)錐形內(nèi)腔進(jìn)行集合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)RP筋長度可綜合筋材的極限強(qiáng)度、樹脂的性能、錨具內(nèi)壁的處理等來確定；端堵的設(shè)計(jì)除了能夠更好地保證筋材的對中之外，還能起到阻擋FRP筋材與樹脂凝固體在張拉過程中被拔出的作用；錨具尾部的蓋板上有著與端堵上位置、大小一樣的同心圓，以保證FRP筋在錨具內(nèi)部處于筆直的狀態(tài)。本次試驗(yàn)中所用錨具總長280 mm，其中：端堵厚10 mm，直筒段長120 mm，內(nèi)錐段長150 mm。

圖1 傳統(tǒng)單根FRP錨具Fig.1 Traditional single FRP anchorage

圖2 設(shè)計(jì)錨具Fig.2 Designed anchorage

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在FRP筋的拉伸測試中，當(dāng)FRP筋的自由長度l和直徑d的比值l/d在40～70時(shí)，試件的拉伸試驗(yàn)對FRP筋結(jié)構(gòu)沒有明顯的影響。此次CFRP筋受拉性能測試中，CFRP筋的直徑為8 mm，l/d取62.5。碳筋由諾爾泰復(fù)合材料設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)，其外形如圖3所示。

CFRP筋經(jīng)碳纖維紗和樹脂基體按照一定的體積比，加工成型。碳纖維紗采用日本進(jìn)口，其技術(shù)參數(shù)如表1所示；樹脂基體采用陶氏化學(xué)生產(chǎn)的Pultrusion System SU810/815雙組分環(huán)氧樹脂體系，主要用于纖維拉擠，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖3 國產(chǎn)CFRP筋Fig.3 Domestic CFRP tendon

表1碳纖維紗技術(shù)參數(shù)
Table1Thetechnicalparametersofcarbonfiberyarn

纖維類型拉伸強(qiáng)度拉伸模量碳纖維原絲TR 50S12L5 041/MPa730/ksi514/(kgf·mm-2)242/GPa35.1/ksi24.7/(103kgf·mm-2)

表2樹脂基體技術(shù)參數(shù)
Table2Thetechnicalparametersofresinmatrix

別類測試項(xiàng)目環(huán)境溫度℃測試值工藝參數(shù)粘度凝膠時(shí)間凝膠時(shí)間2525120300^400 mPa·s>24 h3^4 min機(jī)械和物理性質(zhì)熱變形溫度拉伸強(qiáng)度斷裂伸長率拉伸試驗(yàn)彈性模量彎曲強(qiáng)度彎曲彈性模量吸水性 25 25 23(24 h)105^115 ℃60^75 MPa2%^4%2.5^3 GPa100^120 MPa3^5 GPa<0.1

為了提高灌注樹脂的密實(shí)性，保證灌注的質(zhì)量，設(shè)計(jì)制作了灌注支架，如圖4所示。在灌注樹脂時(shí)務(wù)必使構(gòu)件垂直放置，筋材居中，并不斷輕輕擊打套筒壁使樹脂更密實(shí)，同時(shí)保護(hù)筋材中部不被樹脂污染以方便貼應(yīng)變片，以便測試其應(yīng)變。受拉試件如圖5所示。

圖4 灌注支架Fig.4 Perfusion bracket

圖5 CFRP筋受拉測試試件Fig.5 The tension test specimens of CFRP tendon

3 試驗(yàn)裝置及測量方案

CFRP筋單向拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)在改裝的液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，以0.76 mm/min的速度進(jìn)行加載，試驗(yàn)裝置如圖6所示。試驗(yàn)過程中，力值大小由萬能試驗(yàn)機(jī)伺服加載裝置給出，同時(shí)通過在CFRP筋表面粘結(jié)的應(yīng)變片和引伸計(jì)測量CFRP筋的應(yīng)變、延伸率，計(jì)算得到CFRP筋的極限抗拉強(qiáng)度和彈性模量，以及張拉過程中筋材的應(yīng)力—應(yīng)變的發(fā)展過程。在錨具套筒的外側(cè)粘貼應(yīng)變片觀察其應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展情況。

圖6 CFRP筋材性試驗(yàn)裝置Fig.6 The material test device of CFRP tendon

4 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件在加載過程中會出現(xiàn)時(shí)斷時(shí)續(xù)細(xì)碎的噼噼啪啪的響聲，接近破壞時(shí)，響聲逐漸連續(xù)，并且聲音越來越大，直至試件突然破壞，其破壞形態(tài)如圖7所示。單筋錨具在CFRP筋拉伸過程中，其外觀沒有明顯的變化。

圖7 CFRP筋破壞形態(tài)Fig.7 The failure modes of CFRP tendons

6組試件試驗(yàn)中CFRP筋主要出現(xiàn)了兩種破壞形態(tài)。圖7a所示破壞狀態(tài)為CFRP筋正常破壞形態(tài)，破斷從筋材自由部分的中間開始，擴(kuò)展至近錨固區(qū)域。斷裂時(shí)，隨著“嘭”的一聲響，黑色碎片向四面八方散開，后慢慢飄落；圖7b所示破壞狀態(tài)為CFRP筋非正常破壞形態(tài)，雖然破斷面在試件的中部，但破斷處比較整齊。

6組試件的滑移均不明顯，對其進(jìn)行測量，C2試件的滑移量最大，為3.6 mm。

由試驗(yàn)組件的破壞形態(tài)和滑移可知，用本文設(shè)計(jì)的單筋FRP粘結(jié)型錨具進(jìn)行復(fù)合筋材的單向拉伸試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)組件的破壞狀態(tài)良好。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)過程測得其中3組試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示，各組CFRP筋材的極限應(yīng)力、彈性模量和延伸率如表3所示。試驗(yàn)中為了防止筋材破壞時(shí)把引伸計(jì)打壞，當(dāng)CFRP筋材的應(yīng)變發(fā)展到一定程度時(shí)將其卸下，故未能得到CFRP受拉全過程應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

圖8 CFRP筋實(shí)測應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.8 The measured stress-strain curves of CFRP tendons

表3 CFRP筋拉伸材性試驗(yàn)結(jié)果
Table3ThestretchmaterialtestresultsofCFRPtendons

試件極限應(yīng)力/MPa彈性模量/GPa延伸率/%C12 545150.41.65C22 551153.71.69C32 467158.01.89C42 523152.91.72C52 549156.71.76C62 511151.21.74平均值2 524153.81.74

從圖8可知，CFRP筋應(yīng)力—應(yīng)變曲線近似成線性關(guān)系。表3所示的試驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文設(shè)計(jì)的單筋錨具進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)可有效地得到FRP筋材的力學(xué)性能，試驗(yàn)得到CFRP筋強(qiáng)度平均值為2 524 MPa，彈性模量為153.8 GPa，延伸率為1.74%。

表4給出了此次試驗(yàn)所用CFRP筋與日本三菱化學(xué)株式會生產(chǎn)的Leadline物理力學(xué)性能的對比。

表4兩種CFRP筋物理力學(xué)性能
Table4ThephysicalandmechanicalpropertiesoftwokindsofCFRPtendons

筋材數(shù)據(jù)來源名義直徑/mm抗拉強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa延伸率/%試驗(yàn)用筋試驗(yàn)值82 524153.81.74Leadline生產(chǎn)廠家7.92 600(2 250)1471.6

從表4可見，試驗(yàn)用CFRP筋的性能與Leadline非常接近，其物理力學(xué)性能較好，可用于實(shí)際結(jié)構(gòu)工程中。

試驗(yàn)加載過程中，套筒上粘貼的應(yīng)變片讀數(shù)變化穩(wěn)定，說明錨具套筒的應(yīng)力發(fā)展情況良好。

6 結(jié)論

通過試驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的單筋粘結(jié)型錨具是成功的，可有效地用于各種FRP筋的錨固，并且具備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、安全可靠等特點(diǎn)。本文所做的工作為解決FRP筋的錨固問題做了極為有益的嘗試。

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