摘 要

混凝土结构的腐蚀老化和受损已成世界性难题，对现有老化受损的混凝土结构进行补强与维修加固是土木工程学科发展的重要方向。研究者提出将FRP网格和ECC材料复合形成FRP网格增强ECC复合材料，利用其高抗拉强度和优越的裂缝控制能力实现提升受损待加固的混凝土结构力学性能和改善结构耐久性能的双重目的。本文进行了FRP网格增强ECC（FRP-ECC）直接拉伸性能试验研究，主要研究内容及成果如下：

1. 开展了10根玄武岩纤维网格（BFRP）和10根碳纤维网格（CFRP）拉伸试验，研究两种网格的抗拉强度、延伸率以及弹性模量等性能。试验结果表明，两种网格拉伸至峰值荷载过程中应力-应变关系曲线均出现了刚度增长、线性刚度以及刚度退化三个阶段，相比于BFRP网格，CFRP网格强度、弹性模量更高，延伸率更低，有着更为明显的脆性破坏性质。
2. 开展了18根FRP-ECC复合材料试件单轴拉伸试验，研究FRP网格种类和网格层数的影响对FRP-ECC试件拉伸力学性能的影响。试验结果表明，本文所采用的试件尺寸中，CFRP-ECC复合材料试件、以及一层BFRP加一层CFRP混合增强ECC试件（BCFRP-ECC）中均发生了FRP网格与ECC相对滑移现象，未能充分发挥复合材料拉伸性能。BFRP网格与ECC界面没有发生相对滑移，BFRP-ECC的破坏模式为BFRP断裂，拉应力-应变曲线以ECC开裂为分界点表现出近似双直线。BFRP-ECC较ECC具有更高的轴向刚度、抗拉强度和极限拉应变。
3. 基于本文试验成果，建立了BFRP-ECC复合材料试件的拉应力应变本构关系模型，建立的预测模型与试验值吻合较好，可以有效地预测本文所采用的BFRP-ECC复合材料试件的抗拉强度和拉应力-应变关系。

关键词：玄武岩纤维网格；碳纤维网格；增强；ECC；抗拉强度；极限拉应变；本构关系模型

Abstract

Corrosion aging and damage of concrete structures have become a worldwide problem. Reinforcement and repair of existing aging damaged concrete structures is an important direction for the development of civil engineering disciplines. The researchers propose to combine FRP mesh and ECC materials to form FRP mesh-reinforced ECC composite materials, which can improve the mechanical properties of damaged concrete structures to be strengthened and improve the structural durability by using its high tensile strength and superior crack control ability. purpose. In this paper, the direct tensile properties of FRP grid enhanced ECC (FRP-ECC) are studied. The main research contents and results are as follows:

1. 10 basalt fiber grid (BFRP) and 10 carbon fiber grid (CFRP) tensile tests were carried out to study the tensile strength, elongation and elastic modulus of the two grids. The experimental results show that the stress-strain relationship curves of the two types of meshes during peak load have three stages of stiffness growth, linear stiffness and stiffness degradation. Compared with BFRP mesh, CFRP mesh strength and elastic modulus Higher, lower elongation, and more pronounced brittle failure properties.

2. The uniaxial tensile test of 18 FRP-ECC composite specimens was carried out to study the influence of the FRP mesh type and the number of mesh layers on the tensile mechanical properties of FRP-ECC specimens. The test results show that the FRP grid and the ECC are relatively slippery in the specimen size used in this paper, CFRP-ECC composite specimen and a layer of BFRP plus a CFRP mixed-enhanced ECC specimen (BCFRP-ECC). The phenomenon of shifting did not fully exert the tensile properties of the composite. There is no relative slip between the BFRP grid and the ECC interface. The failure mode of BFRP-ECC is BFRP fracture, and the tensile stress-strain curve shows an approximate double straight line with ECC cracking as the demarcation point. BFRP-ECC has higher axial stiffness, tensile strength and ultimate tensile strain than ECC.

3. Based on the experimental results, the tensile stress-strain constitutive model of BFRP-ECC composite specimens is established. The established prediction model agrees well with the experimental values, which can effectively predict the BFRP-ECC composites used in this paper. Tensile strength and tensile stress-strain relationship of the piece.

Key Words：basalt fiber grid; carbon fiber grid; reinforcement; ECC; tensile strength; ultimate tensile strain; constitutive relation model

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2研究现状 2

1.2.1 FRP加固技术研究现状 2

1.2.2 ECC加固技术研究现状 5

1.2.3 FRP增强ECC复合加固技术研究现状 7

1.3 本文主要研究内容 9

第2章 FRP网格受拉性能试验研究 10

2.1 试件设计及制备 10

2.2 试件加载及测量 11

2.3 试验现象 11

2.4 试验结果及分析 15

2.4.1 抗拉强度 15

2.4.2 断裂延伸率 15

2.4.3 应力-应变关系曲线 16

2.5 本章小结 18

第3章 FRP网格增强ECC直接拉伸性能试验 19

3.1 试件设计及制备 19

3.2 试件加载及测量 23

3.3 试验现象 23

3.4 试验结果及分析 26

3.4.1 强度 26

3.4.2 应力-应变关系曲线 30

3.5 应力-应变本构关系模型 33

3.5.1 预测模型 33

3.5.2 模型检验 36

3.6 误差原因分析 38

3.7 本章小结 38

第4章 结论与展望 40

4.1 本文主要结论 40

4.2 展望 41

参考文献 42

致谢 47

绪论

1.1 研究背景及意义

混凝土结构是目前应用最为广泛的结构形式之一。然而，由于混凝土本身的脆性缺陷，以及不合理的设计、施工、使用和维护，使得混凝土结构正面临严重的耐久性问题。穆祥纯^[1]对我国既有城市危桥现状进行过分析，截至2016年底，我国各类桥梁共80多万座，其中90%以上为混凝土结构桥梁，我国早期建造的混凝土桥梁已运营20至40年，大多进入老化期，我国公路路网将近3万多座危桥亟待加固改造。美国61万多座桥梁中估计有5万多座存在“结构性缺陷”，三分之一的桥梁急需进行维修加固。混凝土结构的腐蚀老化和受损，影响其可靠性已成世界性难题，但将老化受损建筑全部推倒重建是不经济也不现实的。因此，对现有老化受损的混凝土结构进行补强与维修加固，使其仍能满足安全性、适用性和耐久性的功用要求，延长结构服役寿命，应当成为土木工程学科发展的重要方向，工程界的热点问题，对保障社会效益和经济利益具有极为重要的意义。

纤维混凝土正是为克服混凝土材料的缺陷而发展出来的一类高性能水泥基复合材料，在水泥基中加入碳纤维、钢纤维、玻璃纤维等纤维增强材料，起到阻裂、增强、增韧作用^[2]。高延性水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites，简称ECC）是纤维混凝土的改进产物，1992年由密歇根大学的Li教授和麻省理工的Leung教授^[3]基于断裂力学和微观力学设计而成。ECC通常以水泥、矿物参合料以及平均粒径不大于0.15mm的石英砂为基体，参量小于2%的短纤维为加强材料，不含有粗骨料，其极限拉应变通常在3%~7%以内，且饱和状态多裂缝开裂，裂缝平均宽度大多小于0.1mm^[4]。与普通混凝土相比，ECC具有诸多优势。在抗拉抗弯上，表现出极强的韧性和多裂缝开展，以及应变硬化特点，极限拉应变能达到5%，将近普通混凝土的500倍^[5]。使用了纤维增强材料从而提高了材料的致密度和抗裂性，使ECC表现出良好抗冻融性能。由于纤维的桥联和阻裂作用，结构在承受荷载时，ECC内部应力能稳定传递扩散，故ECC的干燥收缩能力、耗能性、延性都得到了大幅度的改善和提升。目前，在欧美、日本等发达国家和地区，已经大量将ECC应用于桥面修复、结构加固、结构构件连接、高层建筑连梁等领域中^[6]。

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，简称FRP），问世于20世纪40年代，由纤维与基体材料胶合凝固或经高温固化而成，常用纤维有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，基体材料有聚酯、环氧、乙烯基树脂等。FRP复合材料轻质高强，其密度通常在1.2~2.1g/cm³之间，约为钢材的1/6~1/4，拉伸应力-应变曲线呈线弹性，抗拉强度相当于高强钢丝，将近普通钢筋的2倍甚至10倍，强度质量密度比是钢筋的10~15倍。抗疲劳性好，一般是钢筋的3倍，电磁呈中性、导热系数低，耐腐蚀性、耐久性好，同时易剪裁可设计性强适用面广^[7][8]。基于FRP复合材料的优点，其目前也已被广泛应用于混凝土结构的补强修复加固中。最常见运用方式是将其制成网格、格栅、纤维布、片材、筋材、板材、管材等形式，用树脂等胶粘剂进行浸渍粘贴于结构上进行加固。将FRP作为补强加固材料，其与混凝土之间的粘结是非常重要的一点，能直接影响结构的使用性能和承载能力，然而在高温、潮湿、腐蚀性等恶劣环境下，作为粘贴FRP的树脂等胶结剂容易老化，性能下降甚至失效，则FRP与混凝土界面易剥离，不能将结构上的应力有效传递至FRP，严重影响了补强加固效果。

所以，用ECC代替树脂作为粘结基材与FRP结合进行复合增强加固，用以改善原来胶结剂在恶劣环境易老化失效的不足，成为一个新的研究应用热点。为了进一步了解FRP网格与ECC复合增强加固技术的可行性，以及该复合材料的力学性能，需要展开相关的试验研究。混凝土结构抗拉性能极差，对其加固，主要是在结构构件的受拉部位。FRP网格与ECC复合增强加固，最主要是利用了两者较混凝土优越的抗拉性能，FRP轻质高强、抗拉强度大，ECC受拉时裂缝发展分布充分、裂缝宽度小，将两者结合用于结构受拉部位进行加固，故进行FRP网格增强ECC复合材料的抗拉材性试验是研究该加固性能最直接的研究方法，分析FRP网格增强ECC的受拉力学性能，提出FRP网格增强ECC在受拉状态下可靠有效的应力-应变本构关系模型，以便于该复合增强加固技术的进一步推广应用十分有必要。

1.2研究现状

1.2.1 FRP加固技术研究现状

FRP材料加固混凝土结构技术的研究始于1984年，瑞士联邦材料实验室^[9]最早进行了碳纤维板加固钢筋混凝土梁的试验。而后，欧美、日本等国家相继开展了FRP加固混凝土结构技术的研究应用，运用最多的形式是FRP片材对已有结构进行外贴补强加固。

加固钢筋混凝土梁，一般分为正截面加固和斜截面加固两种加固模式。正截面加固是在梁底部受拉处粘贴FRP，利用FRP受拉以提高梁的抗弯承载力，故又称为抗弯承载力加固。斜截面加固是在梁侧面高剪应力区段粘贴FRP，FRP起到类似箍筋抗剪的作用，故又称为抗剪承载力加固^[10]。An, Wei等人^[11]利用环氧树脂粘贴FRP片材加固混凝土梁，研究片材面积、刚度、混凝土强度、梁配筋率等因素对结构的性能影响，研究表明外贴FRP片材可以提高梁的刚度、屈服力矩和抗弯强度，这种加固方法对配筋率相对较低的梁尤为有效。M.A.Shahawy等人^[12]对不同层数碳纤维布（CFRP）加固钢筋混凝土矩形梁的受弯性能进行研究，研究表明所用CFRP布加固梁的抗弯承载能力都得到显著提升，一层、两层和三层分别使梁的极限抗弯承载力增加了13%、66%和92%，同时随着加固层数增加，梁的挠度显著减小，加固后的梁出现密布裂缝。

粘贴FRP主动加固或被动加固混凝土柱子，主要是利用FRP在混凝土柱子周围形成环箍，对混凝土提供侧向约束，从而提高混凝土的抗压强度和极限压应变。J.L.Pan等人^[13]对FRP纤维布包裹加固细长矩形混凝土柱的承载力进行试验和数值模拟研究，探讨长细比对加固效果的影响，长细比控制在4.5~17.5之间，研究表明FRP的加固效果随长细比的增而减小，但当长细比为17.5时，加固后柱的承载力任比普通柱提高约20%。Nadeem A. Siddiqui等人^[14]对碳纤维布（CFRP）加固圆形细柱进行偏心受压试验研究，分析CFRP包裹层数和柱长度的影响，结果表明FRP对混凝土起到约束作用，对纵筋有侧向支撑作用，从而显著提高了柱子的强度和延性，其中1200mm的细长柱延性最大，600mm的短柱延性最小。随着FRP加固层数增加，柱子的承载力逐渐提高，其中1200mm长的柱子在FRP加固层数为1、2、4层情况下，极限承载力相比未加固柱子，分别提高了34.4%、111.3%、150.8%。

混凝土结构的梁柱节点是在地震作用下最容易破坏的部位之一，节点的抗震性是结构稳定的重要因素。Muhammad N. S. Hadi等人^[15]研究了粘贴FRP加固钢筋混凝土梁柱节点的抗震性能，分析了在模拟地震作用下，节点破坏模式随碳纤维布（CFRP）用量的变化规律。该试验采用一种新的粘结加固方法，即用混凝土保护层将节点处柱子绕成圆形，再用树脂将CFRP粘贴包裹在梁柱节点处。结果显示，CFRP包裹在改变截面的梁柱节点后可以提高其约束效率，降低在节点处鼓包的可能性。在地震荷载作用下，不同厚度CFRP加固节点，尽管破坏模式不同，但加固后节点的抗剪承载力和抗震性能均有显著提高。

在国内，欧阳煜等人^[16]对玻璃纤维（GFRP）片材加固混凝土框架结构的性能进行试验研究，开展了GFRP粘贴加固混凝土梁、方柱以及梁柱节点的相关试验。试验结果表明，在加固梁中GFRP片材的受力机理与普通钢筋混凝土结构中的箍筋相似，梁的抗剪承载力取决于GFRP片材的有效应变；在加固柱中，GFRP片材能有效提高柱子的强度延性（轴压极限承载力最大提高33%左右），其侧限约束作用随片材厚度增加而降低；在加固节点中，仅提高节点核心区抗剪极限承载力，不提高梁的抗弯极限承载力，因此有助于梁铰破坏机制产生，从而提高了节点的延性。胡建强等人^[17]对高强复合玻璃纤维布（GFRP）与混凝土粘结性能行为开展了静载、疲劳、冻融等试验，进行了较为系统的研究，并建立了粘结性能的计算模型。试验结果表明，随混凝土强度等级提高，粘贴FRP用的树脂与混凝土基层将的粘结性能提高，FRP种类也影响了粘结性；在冻融循环中，加固后梁开裂荷载、极限承载力均得到了大幅度提高，粘结界面粘结良好，粘结层有良好抗冻害能力；疲劳荷载作用下，有效的粘结能有效抑制混凝土裂缝开展以及FRP与混凝土的剥离。Hongjun Liang等人^[18]对干湿循环和持续荷载对FRP与混凝土界面粘结性能的综合影响进行试验研究，制作了60个双搭接剪切粘结FRP混凝土复合材料试件，干湿循环360天并持续承载。试验结果表明，干湿循环暴露使复合材料试件的破坏模式由混凝土基体转变为粘结混凝土界面，进一步扩大了局部脱胶面积，使复合材料试件的极限应变由12000με降低到8000με。在持续载荷和干湿暴露的联合作用下，降解程度将进一步提高。该研究还定量分析了玻璃钢类型、干湿循环次数和持续加载水平对试件断裂能的影响，提出了一种能准确预测环境暴露后断裂能的回归模型。

国内外相关试验研究为FRP加固技术的可靠性提供有力支持，FRP加固技术在许多国家都得到重视，也在工程界得到广泛认可并推广应用。美国混凝土协会于1991年成立FRP应用研究的组织ACI440委员会，展开详细研究，并于2004年发布了《钢筋或加固混凝土建筑用纤维增强聚合物(FRPs)的指导测试方法》^[19]。日本建筑院于1993年率先颁布了《FRP加固混凝土结构设计指南》指导FRP加固工程应用，1996年日本土木工程学会（JSCE）又颁布了《连续纤维材料补强加固混凝土结构物的设计及施工规程》^[20]。加拿大在1996年出版的《加拿大公路桥梁设计规范》（CAN/CSA-S6-96）^[21]已将FRP加固技术纳入其中。我国于2003年颁布实施《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》（CECS 146：2003）^[22]，使相关工程建设施工更为规范完善。目前国内外对FRP加固混凝土结构的科研主要就以下几个方向展开：FRP加固的混凝土梁板柱的受力性能、FRP与混凝土之间的粘结性能、不同种类FRP混合加固方法等等^[23]。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：