CN101398357A - Frp筋/锚杆拉伸性能测试中加强试件端部的方法 - Google Patents
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Abstract
FRP筋/锚杆拉伸性能测试中加强试件端部的方法，包括：在试件的端部加强段设置一段梯度过渡段，避免了在加强段起始部位因明显的截面变化而引起的应力集中；梯度过渡段通过在待加工的FRP筋材/锚杆试件端部缠绕纤维布实现；可根据筋材/锚杆公称外径、外部钢套筒内径，确定过渡段长度及纤维布的尺寸；缠绕纤维布时基体可采用固化收缩率低的基体材料；外部钢套筒的外径、壁厚及长度可根据FRP筋/锚杆的外径、填充剂类型和性能、试验机的夹具形式及尺寸等因素确定；在纤维布加强层和外部钢套筒间浇注树脂或膨胀水泥以形成一个完整的端部加强段。本发明的方法使试件发生破坏的位置落在自由段内，有助于测得准确的材料强度性能。
Description
技术领域
本发明属于复合材料、力学性能测试领域。
背景技术
传统的钢筋混凝土结构在使用过程中会出现裂纹或微裂纹，当遭遇海水或含盐的雪水(为化雪而撒盐形成含盐雪水)或含腐蚀性的气液时会使钢筋锈蚀，从而导致结构承载能力的下降或完全丧失；在周围存在高频电磁场时，钢筋会由于偶流效应产生热量，导致热应力而使混凝土开裂破坏；广泛应用于水利水电工程、深基础、地下结构、边坡稳定、矿井巷道支护等等中的钢锚杆可能由于与地下水和地层的化学成分相互作用而腐蚀，严重影响锚杆的使用寿命；另外钢锚杆重量大，制造、运输和安装困难，且对需要回采的矿井巷道钢锚杆易损坏刀具。
针对钢筋或钢锚杆存在的这些缺点，为提高工程结构的耐久性，降低结构的全寿命成本，工程师和科学家已进行了很多探索，譬如采用不锈钢钢筋或涂敷环氧树脂钢筋代替传统的钢筋等等，一定程度上解决了一些问题，但仍未能彻底解决问题。由于纤维增强聚合物(FiberReinforced Polymer，以下简记为FRP)具备材料性能的可设计性、比强度高、耐腐蚀、不导电、不导磁、易于切割等优越性能，因此用其制作的筋材和锚杆成为较彻底地解决上述问题的一条有效途径；但FRP属于脆性材料，且各向异性，不同纤维增强时其模量差别也较大，FRP筋及锚杆与混凝土、土体或岩体的锚固性能也不同于钢筋及钢锚杆，要将其应用到实际工程中去有一系列基础性的问题和应用层面的问题需要研究。其中FRP筋/锚杆的拉伸性能的测试方法显然是基本而又重要的问题。
从开始研究FRP筋/锚杆以来，人们提出了若干种FRP筋/锚杆的拉伸性能的测试方法，但寻找一种成本低、对常规试验机适应性强的拉伸试件的制备方法一直是大家追寻的一个目标。现在被认为较为有效的方法是：将一定长度的FRP筋的两端分别采用充填了膨胀水泥或低收缩树脂类粘结剂的钢套筒加强，然而我们在采用该方法加工的试件进行试验时发现大多数试件的破坏起始点均发生在靠近自由段的钢套筒内，经数值分析，发现了这种破坏模式具有必然性，因为经数值分析知道在该位置处存在明显的应力集中现象，因此采用该方法加工的试件实际上很难测得准确的材料强度性能，需要改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种消除或显著减小无过渡段试件在靠近自由段的钢套筒端部附近区域存在的明显的应力集中的方法，使试件发生破坏的位置落在自由段内。
为达到以上目的，本发明的解决方案是：一种FRP筋/锚杆拉伸性能测试中加强试件端部的方法，在试件的端部加强段设置一段梯度过渡段，避免了在加强段起始部位因明显的截面变化而引起的应力集中。
进一步：所述梯度过渡段的实现方法是：通过在待加工的FRP筋材/锚杆试件端部缠绕纤维布实现。
所述梯度过渡段通过缠绕纤维布实现时，根据筋材公称外径、外部钢套筒内径，确定过渡段长度及纤维布的尺寸。
缠绕纤维布时基体采用固化收缩率低的基体材料。
所述外部钢套筒的外径、壁厚及长度根据FRP筋/锚杆的外径、填充剂类型和性能、试验机的夹具形式及尺寸因素确定。
在纤维布加强层和外部钢套筒间浇注树脂或膨胀水泥以形成一个完整的端部加强段。
所述纤维布包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维布。
所述固化收缩率低的基体材料包括环氧树脂、低收缩乙烯基树脂、低收缩聚酯树脂、膨胀水泥浆。
由于FRP筋材/锚杆抗挤压能力较差，若直接利用试验机常用的楔形拉伸夹具夹持FRP筋，极易在夹持位置发生破坏，因此通常采用钢套筒内加填充料来加固试件两端，以防试验时试件断裂在夹持部位而使试验无效。为此现行的拉伸试件常由FRP筋材/锚杆、钢套筒、中心定位圈和填充料(如树脂、膨胀水泥等)等组成。但这样制备的试件在钢套筒与试件自由段的衔接位置处难以避免截面突变的存在，从而引起应力集中，致使试件的破坏首先从该位置处发生，无法测准筋材/锚杆本身的强度，根据断裂时筋材/锚杆承受的载荷大小除以自由段横截面的面积与破坏位置处的应力水平是有差异的，由此测得的强度值不能真实反映筋材/锚杆的实际强度。
基于对引起应力集中的原因的认知，本发明提出的方法是在原先截面发生突变的位置处增加一段过渡段，实施方法是在该位置处缠绕一块经过设计和按设计裁剪的涂覆了树脂的纤维布。
通过增设过渡段后，原先存在的较为明显的应力集中现象基本可以消除，试验中试件的破坏位置将落在试件的自由段内。
增设过渡段的方法是：根据设计提出的过渡段的长度，钢套筒的内径，筋材/锚杆的外径，及所选用的双向纤维布(可以是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维布等)的厚度，计算确定纤维布的形状尺寸，涂覆树脂后缠绕在筋材/锚杆试样的两端，采用梯形形状的布，因此当沿着梯形高度方向进行缠绕后便可得到一均匀的过渡段。
附图说明
图1是本发明的改进的试件结构示意图。
图2是图1中所示A-A剖面示意图。
图3是本发明实施例的纤维布形状示意图。
图中标记：1梯度过渡段；2填充物；3FRP筋/锚杆；4纤维布；5钢套筒
具体实施方式
本发明FRP筋/锚杆3拉伸性能测试中在加强试件端部的方法，包括：(1)在试件的端部加强段有一段梯度过渡段1，避免了在加强段起始部位因明显的截面变化而引起的应力集中；(2)梯度过渡段1实现方法是：通过在待加工的FRP筋材/锚杆3试件(未进行端部加强的且具有足够长度的FRP筋材/锚杆3)端部缠绕纤维布4(可以是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维布等)实现；(3)梯度过渡段1通过缠绕纤维布4实现时，可根据筋材/锚杆3公称外径、外部钢套筒5内径，确定过渡段1长度及纤维布4的尺寸；(5)缠绕纤维布4时基体推荐采用固化收缩率低的基体材料，如环氧树脂、低收缩乙烯基树脂、低收缩聚酯树脂、膨胀水泥浆等；(6)外部钢套筒5的外径、壁厚及长度则根据FRP筋/锚杆3的外径、填充剂类型和性能、试验机的夹具形式及尺寸等因素确定；(7)在纤维布4加强层和外部钢套筒5间浇注树脂或膨胀水泥以形成一个完整的端部加强段。
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
试件的制作步骤如下：
步骤一、选择同一批次一定数量的完好筋材/锚杆3备用；
步骤二、按照试件长度尺寸用切割机切割出相应长度的筋材/锚杆3；
步骤三、根据筋材/锚杆3的直径和钢套管5的长度、内径、双向纤维布4的厚度和填充物2类型计算纤维布4的长度和宽度(如直径为13mm的筋材/锚杆3，若钢套筒5内径为20mm，长度为200mm，双向纤维布4单层涂敷树脂后厚约0.2mm，期望缠绕纤维布4后的外径达到19mm，则所需纤维布4的长度约为π(192-132)/4/0.2mm，上部的宽度(200+(30～50))mm，下部的宽度200mm)，必要时可做适当调整，并用剪刀裁下备用。纤维布4的形状为上宽下窄的梯形状，上部的宽度是基准长度加过渡段1长度(一般可取3～5cm)，下部的宽度取基准长度。若填充物2选用树脂类胶粘剂，基准长度取为钢套筒5的长度，若填充物2选用膨胀水泥，基准长度不宜大于5cm，纤维布4的形状如图3所示。布的长度能够保证缠绕于筋材/锚杆3后的外径比钢套筒5内径小0.5～1.5mm为宜。
步骤四、按照选定的钢套筒5尺寸，切割钢套筒5，并使套筒横断面与套筒纵向保持垂直。若采用树脂胶粘剂填充，须对钢套筒5进行去锈处理，将之浸泡于重铬酸钾：H2SO4:水＝1：10：60(体积比)温度为55±5℃的混合溶液中5～10分钟，这样既能达到除锈的目的，又能在钢套筒5的内壁形成细微的凹凸，增强与填充料的结合效果；然后再用丙酮清洗以达到去油的目的。若采用膨胀水泥，则可省略除锈的步序。
若填充物2与纤维布4缠绕采用同类基体材料，或树脂胶粘剂，或水泥基胶粘剂，则纤维布4缠绕与胶粘剂充填可一次成型：
步骤五、将钢套筒5一端置于平板基座上，并用石膏密封下部，待石膏硬化(也可选用其它适宜的密封方法)；
步骤六、配制树脂或水泥浆，涂适量树脂或水泥浆于裁下的纤维布4上，将纤维布4缠绕于筋材/锚杆的相应位置上，形成期望的过渡段1；
步骤七、沿壁浇注适量树脂或水泥浆于钢套筒5内，然后将缠好纤维布4过渡段1的筋材/锚杆3插入钢套筒5内，使其徐徐下沉，直至树脂或水泥浆自动溢出；
步骤八、待树脂或水泥浆固化后，拆除石膏模，按照5～7的步骤浇注筋材/锚杆3的另一端。由于钢套筒5与缠布的筋材/锚杆3之间的空隙已很小，使得能够保持较好的对中效果。
步骤九、待另一端也加固好，树脂或水泥浆也固化后，拆除石膏模。把两头均已加固好的试件放入烘箱，根据基体类型进行相应的后处理。至此考虑了过渡段1的一根试件就完全加工好了。
若采用膨胀水泥为填充物2，而纤维布4缠绕采用树脂基胶粘剂，则纤维布4缠绕与膨胀水泥的充填分二次成型，执行完第四步后接着执行步骤十：
步骤十、配制树脂，涂适量树脂于裁下的纤维布4上，将纤维布4缠绕于筋材/锚杆3的相应位置上，形成期望的过渡段1；一端固化后再缠另一端，均固化充分后备用。
步骤十一、按选用的膨胀水泥的调配要求，调配具有适当流动性的水泥浆；
步骤十二、将FRP筋/锚杆3插入一端已密封好的钢套筒5内，并灌入已调配好的水泥浆，缓慢摇晃筋材/锚杆3，消除气泡，然后使其垂直立于钢套筒5内，上端用固定模固定；
步骤十三、固化后，再按11～12步加固另一端。
步骤十四、固化充分后，考虑了过渡段1的采用膨胀水泥充填物的一根试件就完全加工好了。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1、一种FRP筋/锚杆拉伸性能测试中加强试件端部的方法，其特征在于：在试件的端部加强段设置一段梯度过渡段，避免了在加强段起始部位因明显的截面变化而引起的应力集中。
2、根据权利要求1所述的FRP筋/锚杆拉伸性能测试中加强试件端部的方法，其特征在于：所述梯度过渡段的实现方法是：通过在待加工的FRP筋材/锚杆试件端部缠绕纤维布实现。
3、根据权利要求2所述的FRP筋/锚杆拉伸性能测试中加强试件端部的方法，其特征在于：所述梯度过渡段通过缠绕纤维布实现时，根据筋材公称外径、外部钢套筒内径，确定过渡段长度及纤维布的尺寸。
4、根据权利要求2所述的FRP筋/锚杆拉伸性能测试中加强试件端部的方法，其特征在于：缠绕纤维布时基体采用固化收缩率低的基体材料。
5、根据权利要求3所述的FRP筋/锚杆拉伸性能测试中加强试件端部的方法，其特征在于：所述外部钢套筒的外径、壁厚及长度根据FRP筋/锚杆的外径、填充剂类型和性能、试验机的夹具形式及尺寸因素确定。
6、根据权利要求3所述的FRP筋/锚杆拉伸性能测试中加强试件端部的方法，其特征在于：在纤维布加强层和外部钢套筒间浇注树脂或膨胀水泥以形成一个完整的端部加强段。
7、根据权利要求2所述的FRP筋/锚杆拉伸性能测试中加强试件端部的方法，其特征在于：所述纤维布包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维布。
8、根据权利要求4所述的FRP筋/锚杆拉伸性能测试中加强试件端部的方法，其特征在于：所述固化收缩率低的基体材料包括环氧树脂、低收缩乙烯基树脂、低收缩聚酯树脂、膨胀水泥浆。
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