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随着纤维增强复合材料(FRP)加固修复结构这项技术的普及,加固土木结构的工程应用量急剧增长,对FRP材料的需求巨大,需求量的增加刺激了FRP材料的研发和生产,FRP的种类也越来越多,到目前为止,就碳纤维系列产品来说,市场上已经出现了十几种碳纤维布,各种产品的性能差异较大。要保证被加固结构的安全性和耐久性,首先要保证加固修复用FRP材料的质量。FRP加固修复后的结构在使用过程中,除了承受外部载荷的作用外,还要经受各种使用环境的考验,如温度和湿度变化、紫外线照射以及化学介质腐蚀等破坏因素的影响,这些环境因素一方面可能会影响材料本身的物理力学性能,另一方面可能会影响FRP材料与结构的界面的粘结性能。因此对于用FRP加固修复的暴露在恶劣环境的结构(如港口工程、桥梁结构和化工建筑等),更应关注其耐久性问题。
本文的研究工作受到国家863计划项目(编号2004AA3360lO)《高性能低成本复合材料在现代土木工程中应用的关键技术与材料研究开发》、国家自然科学基金项目(编号50238030)《高性能纤维增强复合材料在土木工程中应用的基础研究》和2005年度攻关计划(国际合作)项目(编号2005DFBA0002)的资助。在分析国内外已有的研究成果的基础上,本文对FRP(包括浸渍树脂)的力学性能和FRP及FRP与混凝土粘结性能耐久性的进行了深入试验研究和评价分析。
对FRP及浸渍树脂的力学性能评价是在大量试验数据的基础上,分析了影响FRP及浸渍树脂力学性能的各种因素,对不同宽度的CFRP试件的测试强度进行了神经网络预测,建立了FRP力学性能标准的系统的评价模型,通过该模型可以对FRP材料和浸渍树脂作出直观的评价。
本文对FRP及FRP与混凝土粘结性能的耐久性研究中共完成了1837个试件的制作,其中已测试的试件为860个。在试验的基础上着重分析湿热老化、干湿交变、海水浸泡和自然环境对四种FRP材料及两种浸渍树脂的影响。对CFRP-砼粘结性能进行干湿交变、海水浸泡、冻融循环、紫外线照射及自然老化试验研究,分析了在海水浸泡环境条件下混凝土等级、有无防护、有无应力作用等因素对CFRP-砼拉伸剪切强度的影响。本文建立了FRP材料、浸渍树脂及CFRP-砼粘结性能在单一工况和复合工况下性能的衰减模型,提出并计算了单一加速因子和复合加速因子。从理论上提出了一种预测FRP材料耐久性的评价方法,该方法可以通过FRP的快速老化试验的结果预测在自然环境作用下的使用寿命。