FRP网格布增强SAC-ECC复合材料力学性能及其加固钢筋混凝土梁抗弯性能研究

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纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)以其轻质高强、优异的力学、以及耐久性能良好等效果,已被广泛应用于混凝土结构的修补加固工程中。在改善和增强混凝土结构的耐久性等方面,FRP的研究与应用也已经成为海内外学者研究的热点和重要的拓展方向之一。但是随着研究的不断深入,国内外的研究学者发现,FRP作为加固材料,在使用传统外贴方式进行加固时,通常采用有机树脂作为粘结剂,导致FRP与混凝土界面粘接性能较差,容易剥离,且耐高温性能差等问题。针对上述存在的问题,本课题旨在提出一种早强高效复合修补加固层,开发以硫铝酸盐水泥(Sulphoaluminate Cement,简称SAC)为基体的纤维水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,简称ECC),利用其早期强度高、延性好的性能,与FRP网格布协同工作,成为一种新型复合加固层,用于修补加固既有钢筋混凝土结构。以ECC材料代替有机树脂作为粘结材料,有效避免了有机粘结剂耐久性差的问题。选择硫铝酸盐水泥的原因在于,相比于普通硅酸盐水泥,硫铝酸盐水泥具有更好的早期强度和耐久性能。基于以上想法,本文对FRP网格布增强SAC-ECC复合材料基本力学性能及其加固钢筋混凝土梁抗弯性能进行了试验和理论研究,主要内容有以下几个部分:1.本文的第一部分通过对比不同种类纤维的掺入对SAC-ECC拉伸性能的影响,确定了在FRP-ECC复合加固体系中能保证与FRP有效协同工作的ECC基体材料的最优配合比。2.为了了解FRP网格布增强SAC-ECC复合板在单轴拉伸试验和四点弯曲试验下的受力性能和破坏形态,进行了复合板基本材性试验,考察了复合板中不同FRP网格增强率、不同FRP增强基体以及不同龄期SAC-ECC等因素对复合板力学性能的影响。试验结果表明:对于FRP-ECC复合板,其破坏形态为中间层FRP发生断裂破坏,说明FRP被充分利用。FRP-ECC复合板在FRP“一分为二”断开后仍具有比普通ECC(对照组)更明显的应变硬化效果,可以承受更大的拉伸荷载。3.本文针对不同复合层加固钢筋混凝土梁的抗弯性能进行了研究,并对试验梁的破坏状态、荷载-挠度曲线、平截面应变和复合层应变,以及梁上的裂缝开展等参数进行分析。试验结果表明,FRP-ECC加固层与混凝土界面粘结良好,未出现加固层剥离现象。同时,FRP-ECC加固层对于控制钢筋混凝土梁的裂缝开展效果显著,有利于结构的耐久性。4.本文最后对FRP-ECC复合层加固钢筋混凝土梁的极限承载力建立了计算模型,该模型基于钢筋混凝土梁受弯构件正截面承载力的计算假定,以及对FRP-ECC复合板进行的拉伸材性试验得出的复合层本构关系。通过对比计算值和试验值,其误差值不超过3%,说明该计算模型用于对复合层加固钢筋混凝土构件的最大承载力计算具有较高精度。
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