FRP配筋海水海砂混凝土构件加速腐蚀试验装置及方法

摘要

本发明公开了一种FRP配筋海水海砂混凝土构件加速腐蚀试验装置，包括潮汐环境模拟系统、加载系统和FRP筋锚固机构；潮汐环境模拟系统包括两个水池，水池之间设有两台水泵，各个水泵分别将一个水池的出水口与另一个水池的进水口连通，各个水池内还设置加热棒、造浪泵；加载系统包括设于水池内的一组支座柱，支座柱上架设有FRP配筋海砂混凝土梁，FRP配筋海砂混凝土梁上方通过多个均布的支墩分别支撑杠杆，各个杠杆一端与通过FRP筋锚固机构锚固在水池内的FRP筋铰接，另一端连接载荷。本发明在浸泡过程中实现对海浪的模拟、在干燥过程中实现对海风的模拟，集成度高，实用性强，可对FRP配筋海砂混凝土梁经荷载/干湿循环加速腐蚀后的长期性能进行有效的测试。

说明书

技术领域

本发明涉及土木构件的力学性能试验技术领域，具体是一种FRP配筋海水海砂混凝 土构件加速腐蚀试验装置及方法。

背景技术

FRP筋由于其优良的耐腐蚀性能，成为腐蚀性环境下替代钢筋的理想材料。但由于 FRP材料用于土木工程历史较短，耐久性在实际工程中的检验成果稀少，对其耐久性能 的研究显得尤为重要。现有针对FRP筋的加速腐蚀试验，考虑的环境因素单一，尤其缺 乏外加应力的耦合作用，现实中，工程结构上总是有外荷载的。因此，在进行FRP配筋 结构耐久性试验时必须考虑外荷载的影响。

潮汐区海水的干湿循环作用对沿海基础设施产生极大的腐蚀作用，造成的损失十分 严重。氯离子渗透导致的钢筋加速锈蚀是混凝土结构失效的最主要原因，长期以来，研 究者针对海洋环境下钢筋的防腐蚀开展了大量的研究，包括添加阻锈剂、镀锌钢筋、阴 极保护等，但均不能完美的解决钢筋锈蚀问题。随着国家海上丝绸之路战略的开展，研 究海洋干湿循环环境下结构物腐蚀退化规律成为一个热点。

为了防止混凝土中的钢筋过早的发生锈蚀，各国规范对于混凝土中的氯离子的含量 都有严格的限制，这使得含盐量高的海砂在很多场合严禁使用。但当使用FRP筋作为内 部增强筋时，海砂的使用将不受限。因此，FRP筋增强海砂混凝土结构是一类非常有应 用前景的新型结构组合形式。目前，相关研究严重缺乏，试验研究该类型结构在海洋潮 汐环境下的长期性能具有十分重要的意义。

目前的干湿循环试验可采用人工搬运试件，或者使用干湿循环箱等自动设备完成。 人工反复搬运费时、费力，且对于土木工程中的大型梁、柱构件，人工搬运很难实施。 干湿循环试验箱一般用于土木工程材料领域的腐蚀试验，试件数目多、而尺寸小。对于 大型的梁、柱构件，干湿循环箱无法容纳，专门定制更大的试验箱，价格高昂，所能满 足的试件尺寸依然有限。而且，现有装置无法满足对土木工程中的梁、柱构件在干湿循 环的同时耦合施加荷载的试验需求。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种FRP配筋海水海砂混 凝土构件加速腐蚀试验装置和方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种FRP配筋海水海砂混凝土构件加速 腐蚀试验装置，包括潮汐环境模拟系统、加载系统和FRP筋锚固机构；潮汐环境模拟系 统包括两个水池，水池之间设有两台水泵，各个水泵分别将一个水池的出水口与另一个 水池的进水口连通，各个水池内还设置加热棒、造浪泵；加载系统包括设于水池内的一 组支座柱，支座柱上架设有FRP配筋海水海砂混凝土梁，FRP配筋海水海砂混凝土梁 上方通过多个均布的支墩分别支撑杠杆，各个杠杆一端与通过FRP筋锚固机构锚固在水 池内的FRP筋铰接，另一端连接载荷。

进一步，杠杆一端与通过FRP筋锚固机构锚固在水池内的FRP筋铰接，另一端通 过铰接接头与另一个杠杆中部交接，该另一个杠杆一端与通过FRP筋锚固机构锚固在水 池内的FRP筋铰接，另一端连接载荷。

进一步，FRP筋锚固机构包括设于水池底部的带孔锚板，FRP筋一端穿过该带孔锚 板后通过螺帽紧固，另一端穿过杠杆端部后通过螺母紧固。

进一步，各个水池上方设有保温盖板，保温盖板上设有风扇和出风口，风扇连接时 控开关。

进一步，各个FRP配筋海砂混凝土梁上均布有多个位移计。

进一步，各个水池的底部向出水口倾斜，倾斜的角度为5°～8°。

进一步，各个水池内设有水位控制器，水位控制器、水泵、加热棒、造浪泵连接时 控开关。

进一步，所述水池四壁和底板由混凝土浇筑而成，混凝土中夹芯设置保温层。

一种FRP配筋海水海砂混凝土构件加速腐蚀试验方法，包括以下步骤：

(1)浇筑FRP配筋海水海砂混凝土梁，制作FRP筋拉伸试件并锚固；

(2)将FRP配筋海水海砂混凝土梁分别架设入水池，将锚固好的FRP筋拉伸试件 一端插入水池预埋带孔锚板中，并拧上螺帽锚固在水池底部后，盖上水池保温盖板；

(3)在FRP配筋海水海砂混凝土梁的加载位置放置支墩，在支墩上架设杠杆，将 FRP筋拉伸试件的另一端穿过杠杆上预留的孔，并用螺帽拧紧；

(4)逐级添加砝码，同时调整FRP筋拉伸试件上端的螺帽，利用水平仪使杠杆保 持水平，直到预定荷载水平达到；

(5)架设位移计，并对其中一个水池灌注5％氯化钠含量的人工海水到指定位置， 保证淹没试件；

(6)根据设定的干湿循环制度，设定时控开关的开启和关闭时间；接通电源，按 照设定的龄期，开始自动干湿循环加速腐蚀；

(7)试验过程中定期检查，并通过拧紧螺帽，保持杠杆水平，按照预定时间间隔， 测度位移计读数；

(8)当设定的龄期达到后，停止试验，取出FRP配筋海砂混凝土梁和带锚具FRP 筋拉伸试件，进行荷载/干湿循环加速腐蚀后力学性能的测试。

有益效果：本发明的一种FRP配筋海水海砂混凝土构件加速腐蚀试验装置，在浸泡 过程中实现对海浪的模拟、在干燥过程中实现对海风的模拟，集成度高，实用性强，可 方便实现土木工程梁、柱构件尺寸试件的自动干湿循环加速腐蚀试验，并且对梁、柱、 受拉构件在干湿循环的同时耦合施加应力，使得耐久性试验更接近真实服役状态，解决 现有干湿循环设备无法满足土木工程大型构件在海洋潮汐环境下的耐久性试验、无法提 供有效外荷载耦合作用的不足。本发明的方法，可以对FRP配筋海水海砂混凝土梁经荷 载/干湿循环加速腐蚀后的长期性能进行有效的测试，从而对该新型结构形式的工程应用 提供有效支撑。

附图说明

图1为本发明试验装置的纵向剖面结构示意图；

图2为本发明的横向剖视结构示意图；

图3为本发明的电路原理图；

图4为图2中FRP筋握裹有混凝土的结构示意图；

图5为FRP筋锚固机构结构示意图；

图6为铰接接头结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、图2所示的一种FRP配筋海水海砂混凝土构件加速腐蚀试验装置，包括潮 汐环境模拟系统、加载系统和FRP筋锚固机构；潮汐环境模拟系统包括两个水池13， 水池13之间设置有两台水泵26，27，各个水泵分别将一个水池的出水口16与另一个水 池的进水口17连通，各个水池13内还设置加热棒21，23、造浪泵22，24；各个水池 13上方设置有保温盖板15，保温盖板15上设置有风扇20，25和出风口19，风扇20， 25连接时控开关，加载系统包括设置在水池内的一组支座柱10，支座柱10之间架设置 有FRP配筋海水海砂混凝土梁9，FRP配筋海水海砂混凝土梁9上方通过多个均布的支 墩8分别支撑杠杆11，各个杠杆11一端与通过FRP筋锚固机构锚固在水池内的FRP 筋12铰接，另一端连接载荷1。FRP筋锚固机构包括设置在水池底部的带孔锚板6，FRP 筋12一端穿过该带孔锚板6后通过螺帽紧固，另一端穿过杠杆11端部后通过螺母紧固。 各个FRP配筋海水海砂混凝土梁9上均布有多个位移计18，各个水池13的底部向出水 口16倾斜，倾斜的角度为5°～8°，各个水池13内设置有水位控制器31，32，水位控 制器31，32、水泵26，27、加热棒21，23、造浪泵22，24连接时控开关。杠杆11一 端与通过FRP筋锚固机构锚固在水池内的FRP筋12铰接，另一端还可以是通过铰接接 头3与另一个杠杆2中部交接，该另一个杠杆2一端与通过FRP筋锚固机构锚固在水池 内的FRP筋5铰接，另一端连接载荷1。水池13四壁和底板由混凝土浇筑而成，混凝 土中夹芯设置保温层。而盖板15可以为内夹保温层的竹木板，盖板15上预留进出风口 19和供FRP筋5，12、位移计18穿过的孔洞。水泵26，27可以是磁力水泵，也可以是 其他的耐海水腐蚀的水泵，比如不锈钢泵。

如图3中所示，加热棒21、造浪泵22、时控开关29、风扇20与电源28串联，加 热棒23、造浪泵24、时控开关34、风扇25与电源28串联，时控开关30、水位控制器 31、水泵26与电源28串联，时控开关33、水位控制器32、水泵27与电源28串联。

以实际一天两次涨落潮为例，00:00时刻左水池高水位浸没试件，右水池低水位干 燥试件。此时，左水池水位控制器探头的上控水位探头淹没，水位控制器31为接通状 态。设定，00:00时刻，时控开关30接通，水泵26工作，海水从左水池抽至右水池。 当左水池水位降低至左水池水位控制探头下控水位时，水位控制器31断开，水泵26停 止抽水。记录所用时间，例如20分钟。下一步，00:30时刻，时控开关34接通，加热 棒23、造浪泵24、风扇25开始工作，左边水池中试件受海风干燥作用，右边水池中试 件受高温海水和海浪的耦合作用。5:30时刻，时控开关34断开，加热棒23、造浪泵24、 风扇25停止工作。6:00时刻，时控开关33接通，此时，水位控制开关32为接通状态， 水泵27工作，海水从右边水池抽至左边水池。当右水池水位降低至水位控制探头下控 水位时，水位控制开关32断开，水泵27停止抽水。6:30时刻，时控开关29接通，加 热棒21、造浪泵22、风扇25开始工作，左边水池中试件受高温海水和海浪的耦合作用， 右边水池中试件受海风干燥作用。11:30时刻，时控开关29)断开，加热棒21、造浪泵 22、风扇25停止工作。12:00时刻，时控开关30接通，水泵26工作。

在上述12小时内，左右水池中的试件各都经历了一次干湿循环。之后，重复以上 过程即可。表1是各时控开关的接通和断开时间点。

表1各时控开关的接通和断开时间点

动作 时控开关30 时控开关34 时控开关32 时控开关29 接通 00:00 00:30 06:00 06:30 断开 00:30 05:30 06:30 11:30 接通 12:00 12:30 18:00 18:30 断开 12:30 17:30 18:30 23:30

对于其他的干湿循环制度，本领域技术人员可以参考以上实例，对时控开关的接通、 断开时间进行设定。

本发明还提供一种FRP配筋海水海砂混凝土构件加速腐蚀试验方法，其具体实施步 骤如下：

(1)浇筑FRP配筋海水海砂混凝土梁，采用螺纹锚具制作FRP筋5，12拉伸试件。

在实验室内完成FRP配筋海水海砂混凝土试验梁的浇筑和养护。将FRP筋5，12 插入螺纹锚具内，锚具内灌注制备好的嵌固胶，锚固FRP筋5，12。其中FRP筋5，12 试验段也可以握裹有海水海砂混凝土。

(2)将两根FRP配筋海水海砂混凝土试验梁分别架设进两个水池，将锚固好的FRP 筋5，12拉伸试件一端插入水池预埋带孔锚板6中，并拧上螺帽；

(3)盖上按预定位置留孔的保温盖板；

(4)架设荷载施加系统。首先，在试验梁的加载位置放置支墩8，在支墩上放置球 铰7。之后，架设工字钢杠杆2，11，将FRP筋5，12拉伸试件的另一端穿过工字钢预 留的孔，并用螺帽在工字钢上翼缘拧上。

(5)逐级添加砝码，同时利用扳手拧动两根FRP筋5，12拉伸试件上端的螺帽， 利用水平仪使工字钢保持水平，直到预定荷载水平达到。

(6)架设位移计，并对其中一个水池灌注5％氯化钠含量的人工海水到指定位置， 保证淹没试件。

(7)根据设定的干湿循环制度，设定时控开关的开启和关闭时间。接通电源，按 照设定的龄期，开始自动干湿循环加速腐蚀；

(8)试验过程中定期检查，并通过拧紧螺帽，保持工字钢水平。按照预定时间间 隔，测度位移计读数；

(9)当设定的龄期达到后，停止试验，取出试验梁和带锚具FRP筋5，12拉伸试 件，进行荷载/干湿循环加速腐蚀后力学性能的测试。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。