碳/玻璃纤维复合杆体的锚固及其耐久性能研究-李承高
[作者] 李承高
[摘要]
纤维增强聚合物复合材料（Fiber reinforced polymer，简称 FRP）具有轻质、高强、耐腐蚀和耐疲劳等优点而逐渐成为土木工程领域的重要结构材料，并部分替代钢材用于结构的增强/加固/修复以及新建结构。
碳/玻璃纤维复合材料杆发挥了碳纤维的高力学与耐腐蚀性能与玻璃纤维的低价格与高变形等优势而逐渐应用于预应力索锚结构。碳/玻璃纤维复合材料杆的锚固与恶劣环境耐久性能是影响其设计应用的关键问题。
鉴于此，本文发展了针对碳/玻璃纤维复合材料杆的楔块-粘结复合型锚固系统，通过力学分析、有限元模拟及试验测试研究了锚固系统的应力传递机制，研究了复合材料杆在高温/高压/蒸馏水（盐水）耦合环境下的性能退化及其对疲劳性能的影响。本文的主要研究内容和研究成果如下：
（1）纤维复合材料楔形锚固机理研究
采用力学分析与试验手段揭示了纤维复合材料楔形锚固体系内部应力传递机理；对楔形锚固体系进行参数分析与优化，获得锚固体系的极限锚固承载力、锚固效率及破坏模式。研究结果表明：楔形锚固体系利用纤维复合材料与填充树脂间的化学粘结及物理挤压施加锚固作用，锚固区应力分布均匀，锚具内无滑移现象，纤维复合材料的拉伸性能得到充分发挥。
（2）碳/玻璃纤维复合材料杆体锚固方法研究
研发了一套高效的碳/玻璃纤维复合材料杆体楔块-粘结复合型锚固系统，采用有限元模拟与试验手段揭示了楔块-粘结复合型锚固系统的锚固机理。研究结果表明：碳纤维层锚固系统由于杆体截面减小而导致其锚固承载力较低；力学锚固系统由于挤压作用导致杆体表面形成初始损伤，在静力及疲劳荷载作用下锚固系统提前失效；粘结型锚固系统受碳/玻璃纤维复合材料杆体/填充树脂界面粘结强度限制，其极限锚固承载力较低；楔块-粘结复合型锚固系统，锚具内部应力分布均匀，无应力集中现象，锚固承载力高。
（3）高温高压水浸泡下碳/玻璃纤维复合材料杆体耐久性研究
研究了碳/玻璃纤维复合材料杆体在蒸馏水环境下的水吸收与长期热、力学性能演化规律及机理，并对复合材料杆体界面粘结强度进行了长期寿命预测。研究结果表明：碳/玻璃纤维复合材料杆体的吸水行为符合 Fick 定律，且浸泡温度和液体压力增加了水分子在复合材料杆体内的扩散速率；碳/玻璃纤维复合材料杆体的吸水浓度随径向位置、浸泡温度、液体压力和浸泡时间增加而增加；高温高压浸泡后，杆体树脂基体发生后固化，玻璃化温度大幅提升，且水分子进入杆体内，导致树脂水解与塑化及纤维/树脂界面脱粘；复合材料杆体界面粘结强度随浸泡温度和时间逐渐下降并趋于稳定，其稳定强度保留率仅与纤维/树脂界面类型有关。
（4）高温高压盐溶液浸泡下碳/玻璃纤维复合材料杆体耐久性研究
研究了碳/玻璃纤维复合材料杆体在盐溶液浓度下的水吸收性能与长期力学性能演化，揭示了浸泡温度、液体压力和盐溶液浓度对复合材料杆体吸水性能的影响机理及盐离子浓度对杆体吸水行为的作用机理。研究结果表明：复合材料杆体径向和纵向吸水行为符合 Fick 定律，且纵向相比径向具有较小的吸水率和较大的扩散系数；浸泡温度增加了杆体的吸水速率，液体压力次之，盐溶液浓度的影响较小；浸泡在盐溶液中导致碳/玻璃纤维复合材料杆体界面粘结强度下降，且浸泡温度影响最大。
（5）高温高压浸泡后碳/玻璃纤维复合材料杆体疲劳性能研究
研究了高温高压浸泡前后碳/玻璃纤维复合材料杆体的疲劳性能，揭示了楔块-粘结复合型锚固体系及高温高压耦合环境对复合材料杆体疲劳性能的影响机理；形成了碳/玻璃纤维复合材料杆体疲劳性能评价方法。研究结果表明：楔块-粘结复合型锚固系统相比于传统力学锚固系统锚固碳/玻璃纤维复合材料杆体其疲劳寿命提高了 5.8~7.4 倍；其疲劳破坏过程为：皮/芯界面层脱粘、疲劳荷载重分布及皮层断裂；高温高压浸泡导致杆体疲劳寿命提升 3 倍以上，其提升机理为浸泡过程导致树脂韧性的提升及皮/芯界面层热应力的释放，减小了杆体在疲劳过程中树脂基体的早期开裂及皮/芯界面的脱粘几率。
本文研究了纤维复合材料的楔形锚固机理并提出了适用于碳/玻璃纤维复合材料杆体的新型锚固体系，采用模拟与试验等手段揭示了新型锚固体系内部应力传递机理；基于 Fick 定律及扩散数学理论，定量地获得高温/高压/蒸馏水（盐水）耦合作用下水分子在复合材料杆体内部的分布；揭示了碳/玻璃纤维复合材料杆体热、力学性能退化机理，并建立了杆体的长期寿命预测模型；研究了高温/高压/蒸馏水溶液浸泡后碳/玻璃纤维复合材料杆体的疲劳性能，揭示了锚固系统、疲劳参数及耦合环境对复合材料杆体的疲劳性能影响机理，形成了碳/玻璃纤维复合材料杆体的疲劳性能评价方法。
[关键词] 碳/玻璃纤维复合材料杆体；楔形锚固机理；液体压力；耐久性能；长期寿命预测；疲劳性能
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