單根FRP筋粘結型錨具的設計與試驗研究

郁步軍，蔡文華，，梁書亭，張繼文

(1.鹽城工學院 土木學院，江蘇 鹽城 224051； 2.東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 210096)

碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer or Plastics 簡稱CFRP)是以碳纖維為增強材料，以樹脂為基體材料，并摻入輔助劑，經拉拔成型和必要的表面處理形成的一種新型復合材料。其筋材由于輕質高強、耐腐蝕性能好等優(yōu)點現(xiàn)已廣泛應用于土木工程領域，但由于其軸向和橫向的性能差異較大(20∶1)使得其材料單向拉伸性能的測試不能直接在萬能試驗機上進行，必須通過錨固系統(tǒng)作為過渡。

針對FRP筋材國內外已開發(fā)出多種形式的單筋錨具[1,2],但試驗和工程應用情況的調查發(fā)現(xiàn)，粘結型錨具具有更好的應用前景[3,4]。但這種錨具在測試FRP筋單向拉伸力學性能時，常常出現(xiàn)FRP筋拔出和在錨具端口處斷裂現(xiàn)象，必須通過多組試驗才能確定FRP筋的單向拉伸力學性能。本文在對傳統(tǒng)的單根FRP筋粘結型錨具研究的基礎上，設計出一種制造簡單，錨固性能好的單筋錨具，并對6組樹脂封裝的CFRP筋組裝件進行單向拉伸試驗，得出了CFRP筋的單向拉伸力學性能。此款單筋錨具的設計和試驗研究，為各種FRP筋材的單向拉伸力學性能的測試以及應用提供有益參考。

1 單筋錨具的設計

傳統(tǒng)的FRP筋單筋粘結型錨具組件的構造如圖1所示，主要由套筒、灌注介質和FRP筋組成。套筒外側一般留有螺紋，方便與張拉桿、連接套和螺母等相連，而內側常常采用圓柱形或是錐形。此種單筋錨具組件在單向拉伸試驗過程中，常常出現(xiàn)復合筋材在錨具端口處斷裂或是筋材的拔出破壞。為了更加有效地測試出FRP筋的單向拉伸力學性能，設計了如圖2所示的單根FRP筋錨具。本設計將傳統(tǒng)錨具圓柱形內腔和內錐形內腔進行集合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點，F(xiàn)RP筋長度可綜合筋材的極限強度、樹脂的性能、錨具內壁的處理等來確定；端堵的設計除了能夠更好地保證筋材的對中之外，還能起到阻擋FRP筋材與樹脂凝固體在張拉過程中被拔出的作用；錨具尾部的蓋板上有著與端堵上位置、大小一樣的同心圓，以保證FRP筋在錨具內部處于筆直的狀態(tài)。本次試驗中所用錨具總長280 mm，其中：端堵厚10 mm，直筒段長120 mm，內錐段長150 mm。

圖1 傳統(tǒng)單根FRP錨具Fig.1 Traditional single FRP anchorage

圖2 設計錨具Fig.2 Designed anchorage

2 試驗設計

在FRP筋的拉伸測試中，當FRP筋的自由長度l和直徑d的比值l/d在40～70時，試件的拉伸試驗對FRP筋結構沒有明顯的影響。此次CFRP筋受拉性能測試中，CFRP筋的直徑為8 mm，l/d取62.5。碳筋由諾爾泰復合材料設備制造有限公司生產，其外形如圖3所示。

CFRP筋經碳纖維紗和樹脂基體按照一定的體積比，加工成型。碳纖維紗采用日本進口，其技術參數(shù)如表1所示；樹脂基體采用陶氏化學生產的Pultrusion System SU810/815雙組分環(huán)氧樹脂體系，主要用于纖維拉擠，其技術參數(shù)如表2所示。

圖3 國產CFRP筋Fig.3 Domestic CFRP tendon

表1碳纖維紗技術參數(shù)
Table1Thetechnicalparametersofcarbonfiberyarn

纖維類型拉伸強度拉伸模量碳纖維原絲TR 50S12L5 041/MPa730/ksi514/(kgf·mm-2)242/GPa35.1/ksi24.7/(103kgf·mm-2)

表2樹脂基體技術參數(shù)
Table2Thetechnicalparametersofresinmatrix

別類測試項目環(huán)境溫度℃測試值工藝參數(shù)粘度凝膠時間凝膠時間2525120300^400 mPa·s>24 h3^4 min機械和物理性質熱變形溫度拉伸強度斷裂伸長率拉伸試驗彈性模量彎曲強度彎曲彈性模量吸水性 25 25 23(24 h)105^115 ℃60^75 MPa2%^4%2.5^3 GPa100^120 MPa3^5 GPa<0.1

為了提高灌注樹脂的密實性，保證灌注的質量，設計制作了灌注支架，如圖4所示。在灌注樹脂時務必使構件垂直放置，筋材居中，并不斷輕輕擊打套筒壁使樹脂更密實，同時保護筋材中部不被樹脂污染以方便貼應變片，以便測試其應變。受拉試件如圖5所示。

圖4 灌注支架Fig.4 Perfusion bracket

圖5 CFRP筋受拉測試試件Fig.5 The tension test specimens of CFRP tendon

3 試驗裝置及測量方案

CFRP筋單向拉伸力學性能試驗在改裝的液壓萬能試驗機上進行，以0.76 mm/min的速度進行加載，試驗裝置如圖6所示。試驗過程中，力值大小由萬能試驗機伺服加載裝置給出，同時通過在CFRP筋表面粘結的應變片和引伸計測量CFRP筋的應變、延伸率，計算得到CFRP筋的極限抗拉強度和彈性模量，以及張拉過程中筋材的應力—應變的發(fā)展過程。在錨具套筒的外側粘貼應變片觀察其應力應變發(fā)展情況。

圖6 CFRP筋材性試驗裝置Fig.6 The material test device of CFRP tendon

4 試驗現(xiàn)象

試件在加載過程中會出現(xiàn)時斷時續(xù)細碎的噼噼啪啪的響聲，接近破壞時，響聲逐漸連續(xù)，并且聲音越來越大，直至試件突然破壞，其破壞形態(tài)如圖7所示。單筋錨具在CFRP筋拉伸過程中，其外觀沒有明顯的變化。

圖7 CFRP筋破壞形態(tài)Fig.7 The failure modes of CFRP tendons

6組試件試驗中CFRP筋主要出現(xiàn)了兩種破壞形態(tài)。圖7a所示破壞狀態(tài)為CFRP筋正常破壞形態(tài)，破斷從筋材自由部分的中間開始，擴展至近錨固區(qū)域。斷裂時，隨著“嘭”的一聲響，黑色碎片向四面八方散開，后慢慢飄落；圖7b所示破壞狀態(tài)為CFRP筋非正常破壞形態(tài)，雖然破斷面在試件的中部，但破斷處比較整齊。

6組試件的滑移均不明顯，對其進行測量，C2試件的滑移量最大，為3.6 mm。

由試驗組件的破壞形態(tài)和滑移可知，用本文設計的單筋FRP粘結型錨具進行復合筋材的單向拉伸試驗時，試驗組件的破壞狀態(tài)良好。

5 試驗結果及分析

試驗過程測得其中3組試件的應力-應變曲線如圖8所示，各組CFRP筋材的極限應力、彈性模量和延伸率如表3所示。試驗中為了防止筋材破壞時把引伸計打壞，當CFRP筋材的應變發(fā)展到一定程度時將其卸下，故未能得到CFRP受拉全過程應力—應變曲線。

圖8 CFRP筋實測應力—應變曲線Fig.8 The measured stress-strain curves of CFRP tendons

表3 CFRP筋拉伸材性試驗結果
Table3ThestretchmaterialtestresultsofCFRPtendons

試件極限應力/MPa彈性模量/GPa延伸率/%C12 545150.41.65C22 551153.71.69C32 467158.01.89C42 523152.91.72C52 549156.71.76C62 511151.21.74平均值2 524153.81.74

從圖8可知，CFRP筋應力—應變曲線近似成線性關系。表3所示的試驗結果表明，采用本文設計的單筋錨具進行單向拉伸試驗可有效地得到FRP筋材的力學性能，試驗得到CFRP筋強度平均值為2 524 MPa，彈性模量為153.8 GPa，延伸率為1.74%。

表4給出了此次試驗所用CFRP筋與日本三菱化學株式會生產的Leadline物理力學性能的對比。

表4兩種CFRP筋物理力學性能
Table4ThephysicalandmechanicalpropertiesoftwokindsofCFRPtendons

筋材數(shù)據(jù)來源名義直徑/mm抗拉強度/MPa彈性模量/GPa延伸率/%試驗用筋試驗值82 524153.81.74Leadline生產廠家7.92 600(2 250)1471.6

從表4可見，試驗用CFRP筋的性能與Leadline非常接近，其物理力學性能較好，可用于實際結構工程中。

試驗加載過程中，套筒上粘貼的應變片讀數(shù)變化穩(wěn)定，說明錨具套筒的應力發(fā)展情況良好。

6 結論

通過試驗證明，本文設計的單筋粘結型錨具是成功的，可有效地用于各種FRP筋的錨固，并且具備結構設計合理、安全可靠等特點。本文所做的工作為解決FRP筋的錨固問題做了極為有益的嘗試。

參考文獻：

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