环境/应力作用下FRP筋耐久性试验装置及试验方法

1.基于环境/应力作用下FRP筋耐久性试验装置的试验方法，所述的环境/应力作用下FRP筋耐久性试验装置，包括固定系统和加载系统；其中固定系统包括套管、锚具、有孔钢板；FRP筋试件从套管内穿过，填充密封两者两端的空隙并在内部填充腐蚀液；FRP筋试件的两端分别穿过有孔钢板并插入锚具内，锚具内填充胶粘剂；上端的有孔钢板卡在下部工字钢的卡槽内；加载系统由加荷构架、支架、工字钢、砝码、球铰组成；其中加荷构架、支架并排固定在底座上，下部工字钢的两端分别固定在支架和加荷构架上，上部工字钢的两端活动连接在在支架和加荷构架上，而且上、下部工字钢靠近加荷构架的一端活动连接,其特征在于试验方法包括以下步骤：
1) 安装加荷系统，将有机玻璃套管穿过FRP筋试件，填充FRP筋与有机玻璃套管之间的空隙，并涂覆粘结剂；
2) 将两块有孔钢板分别穿过FRP筋试件的两端；
3) 将环氧树脂和固化剂混合后，注入锚具内部，将FRP筋试件插入锚具后静置3-5分钟，按照同样的方法锚固FRP筋的另一端，室温静置1-2天；
4) 根据试验需要配制腐蚀液；
5) 将固定在FRP筋试件上端的有孔钢板卡在下部工字钢的卡槽内,下端的有孔钢板卡在底座卡槽内；抬起上部工字钢，将卡槽底部的螺旋旋紧后松开工字钢，此时工字钢靠近支架的一端保持悬空；
6) 根据计算所需施加的应力水平，在工字钢悬空端安装砝码；砝码安装完毕后，将腐蚀液从有机玻璃套管的上端注入后密封；
7) 至规定龄期取下试件，测试其拉伸强度的保持率和弹模变化情况。
2.根据权利要求1所述的环境/应力作用下FRP筋耐久性试验装置，其特征在于所述的有机玻璃套管保持在FRP筋试件的中部、FRP筋试件位于有机玻璃套管的中心。
3.根据权利要求1所述的环境/应力作用下FRP筋耐久性试验装置，其特征在于工字钢上下两部分通过球铰连接。

环境/应力作用下FRP筋耐久性试验装置及试验方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种环境/应力作用下FRP筋耐久性试验装置及方法，属于FRP筋耐久性测试技术，可广泛用于沿海工程、土木工程、水利水电工程、交通工程等工程领域。\n背景技术\n[0002] 据有关资料介绍，目前美国近60万座桥梁中，有近10万座钢筋锈蚀严重，美国每年因为钢筋锈蚀造成的损失高达700亿美元；在我国，配筋混凝土结构的钢筋锈蚀问题也相当严重，因此导致的损失，占到国民经济总产值的2%～4%，大约每年损失高达3000亿元。\n[0003] 引起海洋工程混凝土结构失效的最主要问题是氯离子的渗入造成的钢筋腐蚀破坏。长期以来，研究人员采用添加阻锈剂、阴极保护等方法均不能完美地解决钢筋锈蚀问题，60年代后，随着人们对纤维增强塑料(Fiber Reinforced Polymer，以下简称FRP)筋研究的深入，国内外学者普遍认为使用这种新型的聚合物材料是解决钢筋锈蚀最有效的方法。FRP筋是由树脂和纤维经胶合后拉拔成型的，其中纤维含量为55%~80%，基材含量为\n20%~45%。通常，FRP筋有多种，目前常用的有碳纤维筋(CFRP筋)、玻璃纤维筋(GFRP筋)和芳纶纤维筋(AFRP筋)。 迄今为止，工程中所使用的FRP筋大多不超过二十年。目前，国内外关于FRP筋耐久性的研究多集中在环境作用下的腐蚀机理，不涉及外加应力。而现实中，工程材料总是在有外加应力的条件下工作的，因此，有必要研究FRP筋在腐蚀环境/应力耦合作用下性能的退化。\n发明内容\n[0004] 为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种环境/应力腐蚀作用下FRP筋耐久性试验装置，实现力学与化学的结合，扩展了FRP筋耐久性试验范围和深度。\n[0005] 本发明的另一个目的在于提高一种环境/应力腐蚀作用下FRP筋耐久性的试验方法，操作简单。\n[0006] 为了实现上述方面目的，本发明提出以下技术方案：\n[0007] 环境/应力作用下FRP筋耐久性试验装置，包括固定系统和加载系统；利用加载系统对固定系统施加持续应力至规定龄期；\n[0008] 其中固定系统包括套管、锚具、有孔钢板；FRP筋试件从套管内穿过，且使有机玻璃套管保持在FRP筋试件的中部、FRP筋试件位于套管的中心，两者两端的空隙填充密封，并在套管内填充腐蚀液；FRP筋试件的两端分别穿过有孔钢板并插入锚具内，锚具内填充固化剂；然后上端的有孔钢板卡在下部工字钢的卡槽内,下端的有孔钢板卡在底座卡槽内；套管的材质为有机玻璃。\n[0009] 加载系统由加荷构架、支架、工字钢、砝码组成；其中加荷构架、支架并排固定在底座上，下部工字钢的两端分别固定在支架和加荷构架上，上部工字钢的两端活动连接在在支架和加荷构架上，而且上、下部工字钢靠近加荷构架的一端活动连接，为了方便两者的联动，一般通过球铰连接。\n[0010] 环境/应力作用下FRP筋耐久性试验方法，包括以下步骤：\n[0011] 1) 安装加荷系统，将有机玻璃套管穿过FRP筋试件，填充FRP筋与有机玻璃套管之间的空隙，并涂覆粘结剂；\n[0012] 2) 将两块有孔钢板分别穿过FRP筋试件的两端；\n[0013] 3) 将环氧树脂和固化剂混合后，注入锚具内部，将FRP筋试件插入锚具后静置\n3-5分钟，按照同样的方法锚固FRP筋的另一端，室温静置1-2天；\n[0014] 4) 根据试验需要配制腐蚀液；\n[0015] 5) 将固定在FRP筋试件上端的有孔钢板卡在下部工字钢的卡槽内；抬起上部工字钢，将卡槽底部的螺旋旋紧后松开工字钢，此时工字钢靠近支架的一端保持悬空；\n[0016] 6) 根据计算所需施加的应力水平，在工字钢悬空端安装砝码；砝码安装完毕后，将腐蚀液从有机玻璃套管的上端注入后密封；\n[0017] 7) 至规定龄期取下试件，测试其拉伸强度的保持率和弹模变化情况。\n[0018] 本发明装置借助杠杆原理进行工作，操作简便，可进行不同腐蚀环境/应力作用下FRP筋耐久性的研究，且可重复使用，有望填补目前国内外针对上述试验研究的空白。\n附图说明\n[0019] 图1是环境/应力作用下FRP筋耐久性试验装置的正视图；\n[0020] 图2是环境/应力作用下FRP筋耐久性试验装置的左视图；\n[0021] 其中：加荷构架1、FRP筋试件2、有机玻璃套管3、锚具4、钢板5、卡槽6、支架7、砝码8、工字钢9、球铰10。\n具体实施方式\n[0022] 下面结合附图对本发明做进一步说明：\n[0023] 图1是环境/应力作用下FRP筋耐久性试验装置的正视图，图2是环境/应力作用下FRP筋耐久性试验装置的左视图。\n[0024] 参照图1、2所示，环境/应力作用下FRP筋耐久性试验装置，包括固定系统和加载系统；其中固定系统由FRP筋试件2、有机玻璃套管3、锚具4、有孔钢板5、卡槽6组成；FRP筋试件2从有机玻璃套管3内穿过，且使有机玻璃套管保持在FRP筋试件的中部、FRP筋试件位于有机玻璃套管的中心，FRP筋试件与有机玻璃套管两端之间的空隙用填充物塞紧，并在套管和FRP筋试件2的接触部位涂抹粘结剂，发挥固定和密封功能，保证腐蚀液不露出。\n在试验之前，需将配制的腐蚀液注入有机玻璃套管中，利用加载系统对固定系统施加持续应力至规定龄期。FRP筋试件的两端分别穿过有孔钢板5后插入锚具4内，锚具4内填充固化剂；上端的有孔钢板卡在下部工字钢的卡槽6内，因为下部工字钢与上部工字钢通过球铰10连接，此时上部工字钢远离支架7的一侧受到向下的拉力，根据杠杆原理，上部工字钢的靠近支架7的一侧保持悬空。有孔钢板恰好固定于卡槽6内，且钢板的孔直径略大于筋材直径，为保证安全，宜选用10mm厚的钢板；锚具为钢质材料制成，内径为筋材直径的1-2倍；选用中性玻璃胶、环氧树脂、固化剂等材料保证密封和固定。\n[0025] 加载系统由加荷构架1、支架7、工字钢9、砝码8、球铰10组成。其中加荷构架1、支架7并排固定在装置的底座上，下部工字钢9的两端分别固定在支架和加荷构架1上，上部工字钢的两端活动连接在支架和加荷构架1上，而且上、下部工字钢近加荷构架1的一端通过球铰10连接，这样上部工字钢近支架端受到砝码的拉力后，通过近加荷构架端将作用力传递至下部工字钢、试件上。\n[0026] 环境/应力作用下FRP筋耐久性试验方法，包括以下步骤：\n[0027] 1) 检查试验室内已安装好的加荷系统是否完好。选取FRP筋试件一根，将有机玻璃套管穿过试件，用胶皮塞住FRP筋与有机玻璃套管之间的空隙并使套管固定于FRP筋的中间，在接触部位涂抹中性玻璃胶，起到粘接和密封的作用，保证腐蚀液不露出；\n[0028] 2) 将两块有孔钢板分别从两端穿过FRP筋；\n[0029] 3) 将环氧树脂和固化剂按照一定比例混合后，注入锚具内部一半深度，将FRP筋插入锚具后静置3-5分钟后，按照同样的方法锚固FRP筋的另一端。由于玻璃胶和固化剂需要一定时间才可形成较好的效果，应将试件静置于室温下1-2天，此时可根据试验需要配制酸、碱、盐等不同浓度的腐蚀液；\n[0030] 4) 将试件上的有孔钢板卡在卡槽内，保证固定。抬起上端的工字钢，将卡槽底部的螺旋旋紧后松开工字钢，此时工字钢靠近支架的一端保持悬空；\n[0031] 5) 根据计算所需施加的应力水平，在工字钢悬空端安装砝码。砝码安装完毕后，将配置好的腐蚀液从有机玻璃套管的上端注入后密封；\n[0032] 6) 至规定龄期取下试件，测试其拉伸强度的保持率和弹模变化情况。\n[0033] 实施例1100h应力作用下GFRP筋试件的耐久性试验。\n[0034] GFRP筋等效横截面积为204mm2，极限拉伸强度为800MPa，弹性模量为37.0GPa。经测量，上端工字钢从球铰处到悬挂砝码处长度为1.1m，记为S1；下端工字钢从球铰处到卡槽中心的长度为0.9m，记为S2；下端工字钢从卡槽中心处到与支架固定端长度为0.05m，记为S3；设悬挂砝码的重力为F1，工字钢下端卡槽可提供的作用力为F2，根据杠杆原理和S1，S2，S3，有F1×（S1+S2+S3）=F2×S3，计算得出F1=41F2，即加载端施加的应力约为砝码重量的41倍。\n根据实验安排，选择应力水平为其极限拉伸强度的5%、10%、15%，即所需悬挂砝码的质量分\n2\n别为20kg、40kg、60kg。将试件两端穿过有孔钢板，钢板尺寸为97mm，厚度为10mm，孔直径为\n17mm。将环氧树脂和固化剂按4：1的质量比混合后，将锚具与试件粘接好，静置一天。一天后，将锚固好的试件安装在卡槽内，卡槽内径为100mm，有钩，钩长5mm，可以保证钢板稳固，试件不偏心。将上端工字钢抬起，旋紧螺旋，工字钢一端悬空后，在悬空端安装砝码。静置\n100h后取下试件，将试件两端的锚具锯掉，此时试件长度为80cm，根据ACI440规范的相应要求，需在试件两端各锚固30cm的锚具（？），静置一天后，测试在应力作用100h后GFRP筋的拉伸强度和弹性模量变化。数据表明，GFRP筋在5%、10%、15%应力水平作用100h后，拉伸强度保持率呈降低趋势，但强度保持率均大于90%。弹性模量也呈降低趋势，下降幅度不超过5%。\n[0035] 实施例2 100h环境/应力作用下GFRP筋试件的耐久性试验\n[0036] GFRP筋等效横截面积为204mm2，极限拉伸强度为800MPa，弹性模量为37.0GPa。根据杠杆原理和工字钢长度，计算得出加载端施加的应力为砝码重量的40倍（计算过程同实施例1）。选择应力水平为其极限拉伸强度的5%、10%、15%，即所需悬挂砝码的质量分别为\n20kg、40kg、60kg。\n[0037] 模拟GFRP筋在沿海工程所处的实际环境配制腐蚀液：将0.9g/L 的NaOH，11.85g/L的 Ca(OH)2，4.2g/L的 KOH配制成pH=13的碱溶液，与混凝土孔溶液pH值相似；将海水与配制好的碱溶液混合，达到模拟GFRP筋在海洋混凝土结构中受腐蚀的效果。\n[0038] 将长度为40cm，内径为40mm有机玻璃套管用胶皮固定于试件中部，用中性玻璃胶\n2\n封闭试件与套管之间的空隙。将试件两端穿过有孔钢板，钢板尺寸为97mm，厚度为10mm，孔直径为17mm。将环氧树脂和固化剂按4：1的质量比混合后，将锚具与试件粘接好，静置一天。一天后，将锚固好的试件安装在卡槽内，卡槽内径为100mm，有钩，钩长5mm，可以保证钢板稳固，试件不偏心。将腐蚀液注入有机玻璃套管中并保证密封。将上端工字钢抬起，旋紧螺旋，工字钢一端悬空后，在此端安装砝码。\n[0039] 静置100h后取下试件，将试件两端的锚具锯掉，此时试件长度为80cm，在试件两端各锚固30cm的锚具，静置一天后，测试在应力作用100h后GFRP筋的拉伸强度和弹性模量变化。数据表明，GFRP筋在5%、10%、15%应力水平和腐蚀环境耦合作用100h后，拉伸强度保持率呈降低趋势，强度损失不大于15%。弹性模量呈降低趋势，降低幅度不大于5%。