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近年来,钢筋混凝土结构的耐久性问题日益突出,一些学者提出可用纤维复合材料代替钢筋用于混凝土结构中,在提高结构性能的同时杜绝结构的锈蚀问题。但目前常用的碳纤维、玻璃纤维等由于价格、强度等方面的原因不利于在国内进行推广,东南大学城市工程科学技术研究院重点对新兴的、性价比较高的玄武岩纤维材料进行研究推广,本文主要对其增强的各种类型的纤维复合筋/索进行耐腐蚀性能的研究。
本文首先介绍了传统FRP筋的工业化生产流程,及改进后用于生产钢.连续纤维复合筋(SFCB)和钢-连续纤维复合索(SFCC)的关键工艺;并对本文中所需要用到的各种连续纤维增强复合筋/索进行单向拉伸、短梁剪切等基本力学试验,测定其抗拉极限强度、弹性模量、剪切强度等力学指标,为后文评估腐蚀环境中复合筋/索性能的退化程度提供参考。
本文依据ACI和ASTM规范配制相应的碱溶液和盐溶液,在试验室条件下,将玄武岩纤维复合筋(BFRP筋)和SFCB放入装有腐蚀溶液的恒温浸泡箱内进行浸泡,每隔一定时间后取出一组试件进行SEM观察、吸湿称重、单向拉伸试验和短梁剪切试验。将此数据与未经腐蚀的复合筋材性数据比较,研究无应力条件下,腐蚀龄期、直径、温度及腐蚀溶液种类等多种因素对复合筋性能退化的影响。
此外,本文自行设计制作了适合张拉复合索的张拉架对复合索施加一定的预应力,并通过特定的装置将复合索的试验段浸泡在盐溶液中,以模拟海洋环境中大跨桥梁拉索受腐蚀的情况。每隔一段时间后将一批复合索卸下进行拉伸试验,测得极限拉伸强度及弹性模量,并与未经腐蚀的材性数据比较,观察相应腐蚀龄期的复合索的力学性能退化情况,以此来研究应力状态下连续纤维增强复合索的耐腐蚀性能。
最后,在理论分析部分,本文介绍了国内外常用于材料寿命预测的退化模型及方法,分析了各自的预测原理、适用范围及优缺点,并选取合适的寿命预测方法,利用在不同恒温条件下不同腐蚀龄期的BFRP筋的耐碱腐蚀性能数据,通过分析两种温度条件下达到同一抗拉强度保留率时的时间关系,或同一腐蚀龄期保留率的关系,达到利用复合筋在高温下的腐蚀程度预测其在常温下的腐蚀程度的目的,并对模型中部分相关参数进行修正,从而建立起适合BFRP筋的寿命预测模型,对其长期性能进行预测。预测结果表明本文所使用的BFRP筋耐碱性能并不是十分理想,经分析主要为所使用的聚乙烯树脂性能不佳所致,建议将玄武岩纤维与其它种类的树脂复合以提高复合筋的长期性能。