BFRP拉索筋的动态及高温力学性能研究

摘要

纤维增强复合材料(FiberReinforcedPlastic/Polymer，简称FRP)因其优异的力学性能和耐腐蚀性能，在土木工程等领域得到了广泛的应用。现今，随着人们对美好生活需要的日益增长，使用FRP替代传统钢材，是实现建筑、桥梁等结构轻量化、大跨度和长寿命发展的重要举措之一。而玄武岩纤维增强复合材料(BasaltFiberReinforcedPlastic/Polymer，简称BFRP)作为一种新型绿色环保的高性能FRP材料，逐渐成为近年来研究的热点。　　鉴于BFRP筋在实际工程应用中可能遭遇到碰撞、冲击、爆炸、地震等动态荷载，以及受到高温(火灾)环境的影响，本文试验研究了BFRP筋的动态及高温性能。采用MTS万能试验机，INSTRON高速拉伸试验机等装置对BFRP筋的力学参数进行了测试，利用数字图像相关(DIC)技术，扫描电子显微镜(SEM)，热重-热差分析仪等分析方法揭示了BFRP筋的破坏过程及损伤演变规律，并结合结构可靠度设计理论建立了BFRP筋的拉伸强度模型。本文的主要研究内容及相关成果如下：　　(1)对不同锚具形式(夹片式锚具和粘结型锚具)，不同粘结介质(RPC和环氧树脂胶)和不同锚固长度(40mm，60mm，80mm，100mm，150mm，200mm和250mm)的BFRP筋试件进行锚固性能分析。结果表明，采用夹片式锚具的BFRP筋试件发生剪切破坏；当采用粘结型锚具的BFRP筋试件的锚固长度小于临界锚固长度时，BFRP筋发生拔出破坏，通过计算得到了BFRP筋与不同的粘结介质之间的粘结强度和临界锚固长度；当锚固长度接近临界锚固长度时，试件主要发生先撕裂后拔出破坏；而当锚固长度大于临界锚固长度时，BFRP筋主要发生炸裂破坏，由此计算得到了BFRP筋的拉伸性能参数。　　(2)利用MTS万能试验机对BFRP筋的拉伸性能和剪切性能进行试验研究，得到了BFRP筋的拉伸强度，弹性模量，极限应变，韧性，剪切强度，剪切变形等基本力学性能参数，分析其破坏模式并探讨粘结介质(RPC和环氧树脂胶)、锚固长度(150mm，200mm和250mm)和测试长度(100mm，200mm，300mm，400mm和500mm)对BFRP筋拉伸性能的影响。结果表明，粘结介质对BFRP筋拉伸性能的测定有一定的影响；BFRP筋的拉伸强度、极限应变和韧性随着锚固长度和测试长度的增加而减小，弹性模量则变化不大。　　(3)利用INSTRON高速拉伸试验机对BFRP筋的动态拉伸性能进行试验研究，同时采用DIC技术对其动态拉伸过程进行分析，通过SEM对其破坏形貌进行表征，选取Gauss分布与两参数Weibull分布模型量化其拉伸强度的随机变化规律，并基于一定可靠度的概率分布关系对其动态拉伸强度进行分析。结果表明，BFRP筋的拉伸性能与应变率(1.5×10-4s-1~28.98s-1)有显著的相关性；随着应变率的增加，BFRP筋的的拉伸强度、弹性模量和韧性增大，极限应变和最大应变减小，且破坏区域更加分散，产生第一条裂缝的相对时间越短，断裂面愈发粗糙等。在实际工程应用中，使用Weibull分布可以更好地描述BFRP筋的拉伸强度，能有效提高结构的安全性。　　(4)对BFRP筋的高温拉伸性能和剪切性能进行试验研究，探究了不同处理温度(20℃~500℃)对其破坏模式和力学性能参数的影响。同时采用热重-热差分析仪对BFRP筋的热性能进行分析，研究其在高温下的热分解特性和损伤演变规律。结果表明，BFRP筋的拉伸和剪切性能与处理温度呈明显的相关性；不同温度处理后的BFRP筋表面和内部均有明显的颜色和形貌变化；当处理温度低于100℃时，BFRP筋的拉伸性能变化不明显；当处理温度高于200℃时，BFRP筋的拉伸性能退化显著，且拉伸强度，弹性模量和韧性均有不同程度的降低；当处理温度低于300℃时，BFRP筋的剪切性能退化不明显；当处理温度高于400℃时，BFRP筋的剪切强度退化显著，且破坏模式发生改变；BFRP筋的热分解过程能够很好地解释BFRP筋的拉伸和剪切强度与处理温度的关系。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 玄武岩纤维及其增强复合材料简介

1.2.1 玄武岩纤维的特点

1.2.2 玄武岩纤维增强复合材料的特点

1.2.3 纤维增强复合材料在土木工程中的应用

1.3 研究现状

1.3.1 BFRP 的基本力学性能研究现状

1.3.2 BFRP 的动态力学性能研究现状

1.3.3 BFRP 的高温力学性能研究现状

1.4 本文的研究主要内容

第2章 BFRP 筋锚固性能研究

2.1 引言

2.2 BFRP 筋基本物理参数测量

2.3 FRP 筋锚具概述

2.4 BFRP 筋的锚固性能试验

2.4.1 试验材料

2.4.2 试件制备

2.4.3 试验装置及方法

2.5.1 破坏模式分析

2.5.2 极限荷载分析

2.5.3 粘结强度及临界锚固长度分析

2.6 本章小结

第3章 BFRP 筋基本力学性能研究

3.1 引言

3.2 BFRP 筋的拉伸性能研究

3.2.1 试验装置及方法

3.2.2 锚固用粘结介质对 BFRP 筋拉伸性能的影响

3.2.3 锚固长度对 BFRP 筋拉伸性能的影响

3.2.4 测试长度对 BFRP 筋拉伸性能的影响

3.3 BFRP 筋剪切性能研究

3.3.1 试验装置及方法

3.3.2 试验结果分析

3.4 本章小结

第4章 BFRP 筋动态力学性能研究

4.1 引言

4.2 BFRP 筋的动态拉伸性能试验

4.2.1 试验装置及方法

4.2.2 动态拉伸试验合理性验证

4.3 BFRP 筋的动态拉伸性能分析

4.3.1 应变及应力分析

4.3.2 应变率分析

4.3.3 应变率对 BFRP 筋力学性能的影响

4.3.4 破坏模式及形貌分析

4.3.5 Weibull 分析

4.4 本章小结

第5章 BFRP 筋高温力学性能研究

5.1 引言

5.2 高温处理对 BFRP 筋拉伸性能的影响

5.2.1 试验装置及方法

5.2.2 试验结果分析

5.2.3 Weibull 分析

5.3 高温处理对 BFRP 筋剪切性能的影响

5.3.1 试验装置及方法

5.3.2 试验结果分析

5.4 热性能分析

5.4.1 热重分析（TGA）

5.4.2 热差分析（DTA）

5.4.3 热分解动力学分析

5.5 本章小结

结论与展望

参考文献

附录 A 攻读硕士学位期间发表的论文目录

致谢