拉伸应力与环境耦合作用下FRP筋耐久性能实验装置

摘要

本发明提供了一种拉伸应力与环境耦合作用下FRP筋耐久性能实验装置，包括下拉板(1)、定位板(7)、设于下拉板(1)和定位板(7)之间的上拉板(2)、穿过上拉板(2)并利用定位螺帽(4)设置于下拉板(1)和定位板(7)之间的4根拉杆(3)、带有螺纹杆的万向球铰(8)、装样套管(10)、玻璃管(13)、温度控制器(15)；所述上拉板(2)底部设有加力螺帽(5)，所述上拉板(2)和定位板(7)之间设有弹簧(6)；所述下拉板(1)、上拉板(2)的中部分别设有开孔，一对带有螺纹杆的万向球铰(8)分别穿过下拉板(1)、上拉板(2)的中部开孔与装样套管(10)连接；万向球铰(8)与下拉板(1)之间设有应力传感器(9)，应力传感器(9)与数据采集器(16)连接；所述玻璃管(13)与温度控制器(15)连接。该装置精准度高，应力水平可调，长期施加荷载过程中应力分布均匀，连续性好，温度控制方便，可靠性高。

说明书

技术领域

本发明涉及FRP筋耐久性研究领域，特别涉及一种FRP筋在拉伸应力与环 境耦合作用下多因素耐久性实验方法及装置。

背景技术

钢筋混凝土结构因其价格低廉，施工简单，性能优异广泛应用土木工程、建 筑和军工等。然而，钢铁资源有限，而且钢筋混凝土结构在西部盐湖、南海及近 海工程中面临钢筋锈蚀问题，严重影响混凝土结构的服役寿命。纤维增强聚合物 筋(Fiber Reinforced Polymer rebars,简称FRP筋)具有抗拉强度高、质轻、不导电、 耐腐蚀等特点，而成为工程领域研究的热点。

FRP筋不存在钢筋的锈蚀问题，但是由于FRP筋多采用聚合物基体，聚合 物在高温潮湿、海洋盐环境、微生物环境和混凝土碱环境下易发生溶胀与溶解而 破坏基体结构，降低对纤维的保护。另外，常用增强材料玻璃纤维的骨架结构为 Si-O四面体，在强碱环境下容易发生溶出和蚀刻现象，而大大降低FRP筋的力 学性能。因此，国内外学者开始对FRP筋在潮湿环境，酸、碱、盐和高温等环 境下的耐久性能进行研究。工程结构中，环境与荷载同时作用于FRP筋混凝土 结构，载荷会引起FRP筋表面裂缝，加速离子的扩散。然而，现有研究较少考 虑载荷应力与环境耦合作用下对FRP筋耐久性能的影响，主要原因是FRP筋的 拉伸强度高，应力与环境的耦合难以实现。有研究采用FRP筋下坠重物施加载 荷，并将整体装置放入大的环境箱中实现耦合，为达到应力水平需要的重物体积 大，且浮力作用下应力水平难以控制，另外，加载装置在腐蚀环境下容易破坏， 使用周期短，成本高，精度低。

因此，研制FRP筋在拉伸应力与环境多因素耦合作用下耐久性能实验装置 具有重要的应用价值，为FRP筋耐久性能研究提供了科学的实验仪器，推动FRP 筋在工程结构中的应用，前景十分广阔。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有拉伸应力与环境耦合作用下FRP筋 耐久性能研究中的不足，利用弹簧加载、传感器技术和温控技术，提供一种适用 于研究FRP筋在拉伸应力与盐、碱、高低温耦合的作用下耐久性能的实验装置 及方法，从而对FRP筋的耐久性能进行准确的测试和评价。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明提供了一种拉伸应力与环境耦合作 用下FRP筋耐久性能实验装置，包括下拉板(1)、定位板(7)、设于下拉板(1) 和定位板(7)之间的上拉板(2)、穿过上拉板(2)并利用定位螺帽(4)设置 于下拉板(1)和定位板(7)之间的4根拉杆(3)、带有螺纹杆的万向球铰(8)、 装样套管(10)、玻璃管(13)、温度控制器(15)；所述上拉板(2)底部设有加 力螺帽(5)，所述上拉板(2)和定位板(7)之间设有弹簧(6)；所述下拉板(1)、 上拉板(2)的中部分别设有开孔，一对带有螺纹杆的万向球铰(8)分别穿过下 拉板(1)、上拉板(2)的中部开孔与装样套管(10)连接；万向球铰(8)与下 拉板(1)之间设有应力传感器(9)，应力传感器(9)与数据采集器(16)连接； 所述玻璃管(13)与温度控制器(15)连接。

作为改进，所述温度控制器(15)的温控范围在-50～99℃。

作为另一种改进，所述玻璃管(13)为有机玻璃管。

作为另一种改进，4根拉杆(3)均匀分布。

本发明还提供了一种利用上述装置对拉伸应力与环境耦合作用下FRP筋耐久 性能测试方法，包括以下步骤：

(1)取FRP筋试样12，其两端采用螺纹钢管11锚固，FRP筋试样的中部套 装玻璃管13、底部利用橡胶塞14和环氧树脂胶密封；

(2)根据试样高度，调整加力螺帽、上拉板、定位板和定位螺帽的相对位置， 并利用水平仪控制上拉板和定位板水平，将锚固好的FRP筋试样旋入装样套管；

(3)由玻璃管的上端灌入模拟腐蚀溶液后，用保鲜膜覆盖上端口；设定温度 控制器温度；

(4)根据设定的应力水平，缓慢旋转加力螺帽对FRP筋试样施加轴心拉伸应 力，加力过程中保持上拉板水平，利用应力传感器和数据采集器实时监测应力变 化，加载至设定的应力水平；每15min采集一次荷载，当荷载水平下降5％时， 调整加力螺帽恢复至原始应力水平；

(5)达到设定的持续时间后，关闭温度控制器、应力传感器、数据采集器； 卸去载荷，取下FRP筋试样；采用MTS试验机测试FRP筋试样的拉伸强度、 弹性模量和极限拉伸应变；

通过残余强度f(t,T,a)、弹性模量损失率e(t,T,a)和残余应变能H(t,T,a)对FRP 筋拉伸与环境多因素耦合作用下的耐久性能进行评价；其中，残余强度f(t,T,a)、 弹性模量损失率e(t,T,a)和残余应变能H(t,T,a)通过公式(1)-(3)确定：

残余强度f(t,T,a)，即拉伸应力与环境耦合作用后FRP筋试样的极限拉伸强 度与对比FRP筋试样的拉伸强度的比值：

$f(t,T,a)=\frac{P_{t,T,a}}{P_0}\times 100\%---\left(1\right)$

弹性模量损失率，即拉伸应力与环境耦合作用后FRP筋试样的弹性模量与 对比FRP筋的弹性模量的差占初始弹性模量的百分量：

$e(t,T,a)=\frac{E_{t,T,a}-E_0}{E_0}\times 100\%---\left(2\right)$

残余应变能，即拉伸应力与环境耦合作用后FRP筋试样的拉伸应力应变曲 线积分面积与对比FRP筋试样的拉伸应力-应变曲线的积分面积：

$H(t,T,a)=\frac{{\int }_0^{{ϵ}_l(t,T,a)}f\left(ϵ\right)\mathrm{dϵ}}{{\int }_0^{{ϵ}_{l0}}f\left(ϵ\right)\mathrm{dϵ}}---\left(3\right)$

式中，f(e)为FRP筋拉伸加载过程中的应力变化曲线方程。

其中，P₀为FRP筋试样未腐蚀前极限拉伸强度，E₀为弹性模量、ε_l0为极限 拉伸应变；T为设定温度，a为应力水平，与模拟溶液耦合作用至龄期t d后FRP 筋试样的极限拉伸强度为P_t,T,a，弹性模量为E_t,T,a和极限拉伸应变为ε_l(t,T,a)。

优选地，所述模拟腐蚀溶液为饱和氢氧化钙溶液、强碱溶液、盐溶液或盐碱 复合溶液。

有益效果：本发明装置精准度高，应力水平可调，长期施加荷载过程中应力 分布均匀，连续性好，温度控制方便，可靠性高。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)试件同轴受力，有利于提高测试的精准度。为了保证所施加的拉力为 轴心拉伸荷载，本发明从以下两方面来减小或消除几何偏心：1)采用螺纹无缝 钢管锚固FRP筋，利用线性锚固辅助装置保证锚固两端的轴心位置；2)上、下 拉板和定位板通过水平仪控制水平；3)上、下拉板之间设有两个万向球铰，通 过万向球铰的转动减小或消除偏心。

(2)应力水平可调，长期施加荷载过程中应力分布均匀。本发明采用4个 弹簧加载，应力传感器安装于下球铰和下拉板之间，与数据采集系统连接，控制 加载的应力水平，持荷过程中实时监测应力变化，一旦应力损失超过5％，则同 时拧紧加力螺帽使之恢复设定的原始应力值，克服了重物加载装置的大体积问 题。

(3)腐蚀溶液与加载装置分离，采集精度高，且可靠性、连续性好，节约 时间。腐蚀溶液通过有机玻璃管固定于FRP筋试样的自由段，不损伤实验加载 装置，有效避免了因溶液作用导致的加载架腐蚀、施力物受腐蚀溶液影响而应力 不稳定的问题。

(4)温度控制方便，可靠性高。本发明采用具有制冷、制热功能的微电脑 温度控制器控制浸泡试件的模拟溶液温度，温度范围为-50℃～99℃，控制精度高， 方便可靠，可研究FRP筋高低温下的耐久性能，适用性好。

附图说明

图1是本发明拉伸应力与环境耦合作用下FRP筋耐久性能实验装置的结构 示意图。

图2是本发明具体实施例中，60℃，0.6应力水平与pH＝13.68强碱溶液耦合 作用下GFRP筋的拉伸应力-应变曲线。

图3是本发明具体实施例中，60℃，0.6应力水平与pH＝13.68强碱溶液耦合 作用下GFRP筋的拉伸应力-应变积分曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

拉伸应力与环境耦合作用下FRP筋耐久性能实验装置，见图1，包括下拉板 1、定位板7、设于下拉板1和定位板7之间的上拉板2、穿过上拉板2并利用定 位螺帽4设置于下拉板1和定位板7之间的4根拉杆3、带有螺纹杆的万向球铰 8、装样套管10、玻璃管13、温度控制器15；4根拉杆3均匀分布；上拉板2 底部设有加力螺帽5，上拉板2和定位板7之间设有弹簧6；下拉板1、上拉板2 的中部分别设有开孔，一对带有螺纹杆的万向球铰8分别穿过下拉板1、上拉板 2的中部开孔与装样套管10连接；万向球铰8与下拉板1之间设有应力传感器9， 应力传感器9与数据采集器16连接；玻璃管13与温度控制器15连接，玻璃管 13为有机玻璃管；温度控制器15的温控范围在-50～99℃。

利用上述装置对拉伸应力与环境耦合作用下FRP筋耐久性能测试，包括以 下步骤：

(1)根据试验要求，截取长为70倍直径的FRP筋12根，2根作为备用试 样，试样两端由内外表面带螺纹的无缝钢管锚固，钢管外径为25mm，厚3mm， 锚固长度为15倍的FRP筋直径，钢管内部填充环氧树脂胶，利用线性锚固辅助 装置保证FRP筋处于锚具的轴心位置；6根FRP筋试样用于测试腐蚀前的拉伸 强度、弹性模量和极限拉伸应变，另外6根FRP筋用于测试拉伸应力与环境耦 合作用后的拉伸强度、弹性模量和极限拉伸应变。

(2)将有机玻璃管套在FRP筋试样的中部(拉伸过程中可以自由伸长的一 段，即FRP筋两端采用锚具锚固，没有锚固的剩下的自由段)，底部利用橡胶塞 和环氧树脂胶密封。

(3)根据试样高度，调整加力螺帽、上拉板、定位板和上端定位螺帽的位 置，并利用水平仪控制上拉板和定位板水平，将锚固好的FRP筋试样旋入上下 装样套管。

(4)根据试验要求由玻璃管的上端口灌入模拟腐蚀溶液，用保鲜膜覆盖上 端口，温度控制器固定与玻璃管的外侧。然后根据设定的应力水平，缓慢旋转加 力螺帽对FRP筋试样施加轴心拉伸应力，加力过程中保持上拉板水平，应力传 感器的采集系统实时监测应力的变化，加载至设定的应力水平。通过采集系统每 15min采集一次荷载，当荷载水平下降5％时，调整加力螺帽恢复至原始应力水 平。

(5)达到实验要求持续时间，则关闭温度控制器，应力传感器数据采集系 统，卸去载荷，取下FRP筋试样。

测试同种应力水平与环境耦合作用下6根FRP筋试样的拉伸强度、弹性模 量和极限拉伸应变，保证有5个有效数据。通过残余强度，弹性模量损失率和残 余应变能对FRP筋拉伸与环境多因素耦合作用下的耐久性能进行评价，其定义 如下：

残余强度f(t,T,a)：拉伸应力与环境耦合作用后FRP筋试样的极限拉伸强度 与对比FRP筋试样的拉伸强度的比值。

$f(t,T,a)=\frac{P_{t,T,a}}{P_0}\times 100\%$

式中，P_t,T,a为应力水平为a，温度为T的模拟溶液中浸泡t d后FRP筋的拉 伸强度平均值；P₀为对比FRP筋的拉伸强度平均值。

弹性模量损失率：拉伸应力与环境耦合作用后FRP筋试样的弹性模量与对 比FRP筋的弹性模量的差占初始弹性模量的百分量。

$e(t,T,a)=\frac{E_{t,T,a}-E_0}{E_0}\times 100\%$

式中，E_t,T,a为应力水平为a，温度为T的模拟溶液中浸泡t d后FRP筋的弹 性模量平均值；E₀为对比FRP筋的弹性模量平均值。

残余应变能：拉伸应力与环境耦合作用后FRP筋试样的拉伸应力应变曲线 积分面积与对比FRP筋试样的拉伸应力-应变曲线的积分面积。

$H(t,T,a)=\frac{{\int }_0^{{ϵ}_l(t,T,a)}f\left(ϵ\right)\mathrm{dϵ}}{{\int }_0^{{ϵ}_{l0}}f\left(ϵ\right)\mathrm{dϵ}}$

式中，f(e)为FRP筋拉伸加载过程中的应力-变化曲线方程；e_l(t,T,a)为应力 水平为a，温度为T的模拟溶液中浸泡t d后FRP筋的极限拉伸应变；e_l0为对比 FRP筋试样的极限拉伸应变。

下面对60℃温度，应力水平0.6、pH＝13.68强碱溶液耦合作用下GFRP筋的 耐久性能进行测试：

本实施例筋采用Aslan 100玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋，基体为乙烯基酯 树脂，体积分数约为30％，增强材料为E-glass纤维，体积分数约为70％，直径 为10mm。模拟腐蚀溶液为pH＝13.68的强碱溶液，溶液组成如表1所示。

表1模拟溶液组成(单位：g/L)

本实施例中，FRP筋试样长为700mm，每端锚固长度为150mm，自由段长 度为400mm，应力水平为0.6。根据拉杆长度、弹簧刚度、装样套管直径，FRP 筋试样长度L为500～1500mm、直径6～16mm、拉伸荷载为10～80kN均可以实现 本发明的目的。

截取12根长为700mm的GFRP筋试样，将试样两端由内外表面带螺纹的无 缝钢管锚固，钢管外径为25mm，厚3mm，锚固长度为150mm，钢管内部填充 环氧树脂胶，利用线性锚固辅助装置保证GFRP筋处于锚具的轴心位置。待最后 一端胶灌入72h后，其中6根GFRP筋用MTS 810实验机参照GB/T 228.1-2010 《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》进行拉伸强度测试，利用引伸计 采集拉伸初期应变量，用于计算弹性模量和修正极限拉伸应变，保证有5个有效 断裂拉伸强度数据，否则增加试样数量继续进行测试。

根据测得的GFRP筋拉伸强度，采用本发明的测试装置和实验方法，对试件 施加0.6应力水平(施加的拉伸应力/极限拉伸强度)，有应力传感器实时监测， 在持荷过程中一旦应力损失超过5％，则调整加力螺帽恢复至原始应力值。控制 环境温度为60℃，将pH＝13.68的模拟溶液灌入有机玻璃管。试验持续时间为30 d，拆下浸泡装置，卸载拉伸荷载，取下试样，然后用MTS 810实验机参照GB/T  228.1-2010《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》进行拉伸强度测试， 利用引伸计采集拉伸初期应变量，用于计算弹性模量和修正极限拉伸应变，保证 有5个有效断裂拉伸强度数据，否则增加试样数量继续进行测试。

测得应力与环境耦合作用后的GFRP筋试样的极限拉伸强度、弹性模量和极 限拉伸应变，采用残余强度，弹性模量损失率和残余应变能对FRP筋拉伸-环境 多因素耦合作用下的耐久性能进行评价，如表2、图2和图3所示。

表2应力与环境耦合作用后GFRP筋耐久性能