CN114851599A - 纤维复合材料蠕变控制方法、纤维复合材料及加固方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维复合材料蠕变控制方法、纤维复合材料及加固方法，纤维复合材料蠕变控制方法包括：对固化成型后的纤维复合材料在加热状态下，施加预张拉力进行张拉；加热温度为40~60℃；预张拉持续时间为0.5~1小时；施加的预张拉应力为0.3~0.7 f u，f u是材料的拉伸强度标准值。本发明方法，对固化成型后的纤维增强复合材料，在设定的加热温度、张拉时间和张拉力下进行张拉，在缩短常温预张拉时间的同时，通过树脂的蠕变带动纤维材料沿加载力方向变形，从而控制复合材料的蠕变率，从而保证纤维增强复合材料对结构施加的预应力效应。且加工成本低、易于实施，对实际工程应用有着重要意义。

Description

纤维复合材料蠕变控制方法、纤维复合材料及加固方法
技术领域
本发明属于土建交通基础设施建设领域，涉及一种纤维增强复合材料的蠕变性能提升方法。
背景技术
纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)是由纤维纱按一定比例浸渍树脂后，通过拉挤、注塑、模压等工艺成型的复合材料，具有高强、质轻、耐腐蚀和耐疲劳等优点。目前在桥梁、水工建筑物、海港码头及加固工程中已得到应用。由于FRP只在沿纤维方向拥有高强度，因此将其作为预应力材料使用能够有效地发挥其高强性能。尽管FRP在预应力结构中有着广阔的前景，但还存在着一些问题。由于FRP是黏弹性材料，在持续应力下会产生蠕变，即应变会随着时间而增长。当应力足够大时，甚至会出现持荷过程中的材料断裂现象(称为蠕变断裂)；另一方面，FRP较大的蠕变变形会导致使用期间预应力的损失过大，从而降低其对结构施加的预应力效应。例如，玄武岩纤维纤维复合材料(BFRP)虽然具有较高的蠕变断裂应力(0.6fu)，但其在0.5fu的应力下1000小时的蠕变率达到4.7％，这意味着BFRP在预张拉后40天内预应力将损失近5％。因此，作为预应力材料，FRP的蠕变性能还有待于提高，有必要采取适当的方法提升FRP材料的蠕变性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种控制纤维复合材料蠕变的方法、纤维复合材料及加固方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明首先提供一种控制纤维复合材料蠕变的方法，包括：
对固化成型后的纤维复合材料在加热状态下，施加预张拉力进行张拉；加热温度为40～60℃；预张拉持续时间为0.5～1小时；施加的预张拉应力为0.3～0.7fu，fu是材料的拉伸强度标准值。
施加的预张拉应力大小根据纤维增强复合材料的类别确定；碳纤维复合材料，应力为0.6～0.7fu；玄武岩纤维复合材料，应力为0.5～0.6fu；玻璃纤维复合材料，应力为0.3～0.4fu。
加热温度的优选范围为50～60℃。
对固化成型中的纤维复合材料进行第一阶段张拉。
第一阶段对纤维复合材料施加的预张拉力大小在50～100N。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
常规的常温张拉或加热张拉，都仅是单纯的对材料施加预应力，并不考虑纤维的状态；而本发明方法，对固化成型后的纤维增强复合材料，在设定的加热温度、张拉时间和张拉力下进行张拉，在缩短常温预张拉时间的同时，通过树脂的蠕变带动纤维材料沿加载力方向变形，从而控制复合材料的蠕变率，从而保证纤维增强复合材料对结构施加的预应力效应。
本发明方法，可以加快施工进度、提高施工效率。
从材料成本的角度看，本发明方法，相比于混杂纤维、添加改性剂等方法，无需改变材料成分，只需加热和张拉预应力，节约成本。从性能提升效果上看，混杂纤维、添加改性剂等方法在材料中引入了新成分，增加了新的增强相-树脂界面，复合材料的性能受界面影响大，界面增多，对材料性能带来的不确定因素增加；而本发明方法未在材料中引入新的界面，因此采用本发明方法对材料的提升效果更加稳定。
纤维增加复合材料在加热下的蠕变率是一个非线性的，在60℃左右处于最佳状态，在40℃到60℃之间则变化较为平稳，超过60℃则急速上升，因此，本发明方案中的加热温度选定为40℃到60℃，优选的范围是50℃到60℃，在50℃到60℃的范围内，蠕变率控制率最佳。
纤维增加复合材料的蠕变率与张拉时间也是非线性的，张拉时间区间为0.5～1小时，此时蠕变率控制率较好。为了提高张拉效率，所以可以缩短张拉时间到0.5个小时。
附图说明
图1为第一阶段预张拉的纤维调直效果(扫描电镜图)；
图2为预张拉提升FRP蠕变性能原理图；
图3为蠕变实验装置；
图4为预张拉处理对蠕变应变发展的影响
图5为CFRP筋不同加速温度下预张拉处理后的蠕变率；
图6为CFRP筋不同预张拉时间处理后的蠕变率；
图7为CFRP筋不同预张拉应力处理后的蠕变率；
图8为BFRP筋不同加速温度下预张拉处理后的蠕变率；
图9为BFRP筋不同预张拉时间处理后的蠕变率；
图10为BFRP筋不同预张拉应力处理后的蠕变率；
图11为GFRP筋不同加速温度下预张拉处理后的蠕变率；
图12为GFRP筋不同预张拉时间处理后的蠕变率；
图13为GFRP筋不同预张拉应力处理后的蠕变率；
图14为50℃和65℃下FRP蠕变后的损伤(扫描电镜图)；
图15为72小时蠕变后FRP筋的拉伸强度和弹性模量与相应初始值的比值。
具体实施方式
一种纤维复合材料(FRP)蠕变控制方法，通过两阶段张拉分别对纤维和FRP施加预张拉力，使得材料内部弯曲纤维调直，实现纤维之间更好的共同工作，从而控制FRP材料的蠕变变形，提升FRP材料的蠕变性能(图1、图2)。其中，第一阶段张拉是在FRP生产过程中进行的，通过张紧器等装置对纤维施加预张拉，拉力控制在50～100N，使纤维粗砂平直即可，拉力不宜过大；由于树脂固化收缩会对纤维均匀排布造成影响，因此需对FRP进行第二阶段预张拉。第二阶段预张拉应力不应超过FRP的蠕变断裂应力，常温下所施加预张拉的持续时间为3～4小时；第二阶段预张拉过程中对FRP材料进行加热处理，温度应控制在40～60℃，温度加速下的预张拉持续时间宜为0.5～1小时。需要说明的是，预张拉应力是由蠕变断裂应力决定的，本发明提出的加速温度为40～60℃，在这个温度范围内，蠕变断裂应力基本不会发生改变，因此对于40～60℃的温度加速情况，这个应力范围依然适用。
为了证实上述方法的有效性，本发明采用FRP筋进行了预张拉提升蠕变性能试验，并结合附图对本发明做详细说明。
一、实验材料与实验步骤
采用直径为6mm的乙烯基树脂基CFRP筋、BFRP筋和GFRP筋作为实验材料。通过先期的强度试验测得，CFRP筋极限拉伸强度标准值为2160MPa，弹性模量为143GPa；BFRP筋极限拉伸强度标准值为1500MPa，弹性模量为55GPa；GFRP筋极限拉伸强度标准值为1180MPa，弹性模量为41GPa。蠕变试验仪器采用国产RD-200高温电子蠕变试验机(图3)，最大荷载为200kN。温度由高温箱控制。
总共进行了38组蠕变试验(表1)其中3组为未进行预张拉的对照组。由于试验组较多，规范规定的1000小时的蠕变时间较长，通过前期试验发现，FRP筋前几十个小时的蠕变变形占1000小时蠕变变形的80％，因此蠕变试验时间确定为72小时(3天)。
表1 FRP筋预张拉试验组
Figure BDA0003628718220000041
Figure BDA0003628718220000051
Figure BDA0003628718220000061
上述试验表明，预张拉后FRP筋的蠕变变形得到了明显的控制(图4)。对比常温和温度加速下的蠕变率可以看出，预张拉期间的温度加速作用能够显著降低FRP筋的蠕变率。
图5～图13反映了预张拉对FRP筋蠕变性能的提升规律。从图5、8、11可以看出，当采用温度加速时，温度宜控制在40～60℃，尤其是在50℃-60℃的温度范围，FRP蠕变更小且稳定。温度过低则加速效果不明显；温度过高一方面能耗增加，同时会使FRP蠕变过大，材料内部出现不可逆的损伤(图14)。
从图6、9、12可以看出，温度加速下的预张拉时间宜控制在0.5～1小时，时间过短则加速效果不明显；时间过长会造成蠕变率不降反增。
从图7、10、13可以看出，对FRP筋施加预张拉的应力不宜超过其蠕变断裂应力，对于CFRP，应力为0.6～0.7fu(fu是材料的拉伸强度标准值)；对于BFRP，应力为0.5～0.6fu；对于GFRP，应力为0.3～0.4fu。预张拉应力过低则加速效果不明显；过高则会使FRP蠕变过大，材料内部出现不可逆的损伤。
对72小时蠕变后的FRP进行拉伸性能测试，所得到的蠕变后拉伸强度和弹性模量与相应初始值的比值，如图15所示。从图中可以看出，预张拉处理对FRP进的强度和弹性模量无影响。

Claims (7)

1.一种纤维复合材料蠕变控制方法，其特征在于，包括：
对固化成型后的纤维增强复合材料在加热状态下，施加预张拉力进行张拉；加热温度为40~60℃；预张拉持续时间为0.5~1小时；施加的预张拉应力为0.3~0.7 f u，f u是材料的拉伸强度标准值。
2.根据权利要求1所述的纤维复合材料蠕变控制方法，其特征在于：施加的预张拉应力大小根据纤维增强复合材料的类别确定；碳纤维增强复合材料，应力为0.6~0.7 f u；玄武岩纤维增强复合材料，应力为0.5~0.6 f u；玻璃纤维增强复合材料，应力为0.3~0.4 f u。
3.根据权利要求2所述的纤维复合材料蠕变控制方法，其特征在于：加热温度为50~60℃。
4.根据权利要求1-3任一项所述的纤维复合材料蠕变控制方法，其特征在于，还包括：对固化成型中的纤维增强复合材料进行第一阶段张拉。
5.根据权利要求4所述的纤维复合材料蠕变控制方法，其特征在于：第一阶段对纤维复合材料施加的预张拉力大小在50~100N。
6.一种纤维复合材料，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的纤维复合材料蠕变控制方法进行蠕变性能提升。
7.一种结构加固方法，其特征在于，包括：
采用权利要求1-5任一项所述的纤维复合材料蠕变控制方法对纤维复合材料进行张拉；
采用张拉后的纤维复合材料进行加固。
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