盐、碱腐蚀下内嵌FRP筋加固混凝土界面粘结性能研究

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内嵌FRP加固法(NSM-FRP)因能够显著地提高加固结构、构件的承载力,有效改善结构刚度、避免磨损和撞击等意外荷载的作用、提高FRP材料的利用率和加固效率,现如今已广泛地应用到建筑结构、桥梁结构、地下工程等实际工程中。加固结构、构件在服役期与普通钢筋混凝土结构一样会遭受潮湿、温度变化、各种腐蚀介质的侵蚀,暴露出FRP与混凝土界面粘结强度下降、FRP材料劣化等问题。FRP与混凝土能够长期共同工作的基础是二者间可靠的粘结性能,尽管目前对内嵌FRP筋混凝土界面粘结性能的研究成果较多,但多基于未腐蚀状态下的试验分析与模型研究,对腐蚀环境下内嵌FRP加固混凝土界面粘结性能的研究较少,本课题通过对盐、碱腐蚀下内嵌FRP筋加固混凝土界面进行粘结性能研究,以期为内嵌FRP加固混凝土技术在恶劣环境下的实际工程应用提供一定的参考依据。本文分别对40个盐、碱环境下内嵌FRP筋混凝土试件开展拉拔试验研究,分析试件的受力过程、破坏模式、破坏机理,腐蚀环境下试件表面的宏观特征及粘结长度、FRP筋类型、腐蚀溶液类型、腐蚀时间等主要因素对拉拔试件界面粘结性能影响。试验表明,试件的破坏模式表现为结构胶劈裂破坏、FRP筋拉断破坏、FRP筋与结构胶剥离破坏、结构胶劈裂同时FRP筋拉断破坏、FRP筋与结构胶整体与混凝土界面的剥离破坏五种类型,通过破坏模式分析发现,粘结长度影响破坏模式的主要因素,粘结长度较短易发生界面间剥离破坏,粘结长度较长易发生FRP筋拉断破坏。对影响因素进行分析,发现在盐、碱腐蚀环境下,试件的最大粘结应力与粘结长度、FRP筋类型、腐蚀时间、腐蚀溶液类型都有关系。在盐溶液腐蚀环境下,内嵌的玻璃纤维筋(GFRP)建议选取6d、8d等适中的粘结长度,玄武岩纤维筋(BFRP)建议选择5d较短的粘结长度。在碱溶液腐蚀环境下内嵌的GFRP筋和BFRP筋建议分别选择粘结长度为6d和8d作为其最佳粘结长度,以达到经济和有效提高粘结应力的目的。在盐环境下,以腐蚀60天为分界线,在60天前随着腐蚀时间的增加,试件的粘结应力不断降低,在60天后,随着腐蚀时间的增加,粘结应力不断增大。在碱环境,相同粘结长度情况下,内嵌GFRP筋加固混凝土试件的粘结应力随腐蚀时间的增加无明确的变化规律,而对于内嵌BFRP筋的试件则是粘结应力随着腐蚀时间的增加出现下降趋势。与内嵌GFRP筋试件相比,内嵌BFRP筋试件更耐盐腐蚀,抗盐腐蚀能力大约为内嵌GFRP筋试件的1.5倍,但其耐碱腐蚀能力相对较低。在总结已有粘结-滑移本构关系模型的基础上,通过对试件粘结-滑移曲线进行分析,建立了盐、碱腐蚀下内嵌FRP混凝土的粘结-滑移关系数学模型,并通过与试验结果进行对比,验证了模型的正确性。采用合理的材料本构关系、选择混凝土和FRP筋单元类型为实体单元,通过将内嵌FRP筋混凝土粘结-滑移本构关系表达式所求出的特征值系数输入Fric子程序接触面关系中,建立了盐、碱腐蚀下内嵌FRP筋加固混凝土界面粘结滑移有限元模型,将模拟结果与试验结果对比,两者吻合较好。在此基础上,进行FRP筋直径对粘结滑移性能的影响分析,研究表明,随着直径的增加,盐、碱腐蚀环境下极限荷载增加,粘结应力不断减小。本文从微观角度进行了腐蚀溶液对FRP筋、混凝土、粘结剂化学反应机理的分析,并探究了混凝土碳化对内嵌FRP筋混凝土界面粘结性能的影响。分析表明,腐蚀环境下发生的化学反应导致了FRP筋材各组成成分的劣化,使得FRP筋材中的硅氧键断裂,形成具有膨胀性的硅醇,破坏了树脂与纤维的结合;在腐蚀溶液的催化下,结构胶内的不饱和聚酯树脂会发生水解反应,-COOR和-CH2-O-等不饱和酯键断裂,使得结构胶与FRP筋界面与结构胶与混凝土界面的化学胶着力降低。但腐蚀溶液中的分子与混凝土中水泥分子、结构胶分子发生碰撞产生范德华力,却使得混凝土与结构胶界面的粘结力增大。这说明,腐蚀环境对内嵌FRP筋混凝土界面粘结破坏机理的影响不容忽视。
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