玻璃FRP棒材的拉伸性能表征外文翻译资料

 2022-07-27 10:21:13

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玻璃FRP棒材的拉伸性能表征

摘要：对于结构工程师的设计目的以及棒材制造商要求的质量控制/优化目的来说用于混凝土加固的纤维增强聚合物（FRP）棒的表征是必要的。本文报告了一个测试协议从复制实验获得的结果旨在说明关于FRP棒材拉伸强度分布的统计学有效估计。测试了四种选择类型的具有相同直径的玻璃FRP（GFRP）棒，总共调查来自同一个制造商32个棒材。代替聚合物树脂基锚固件，使用填充有膨胀水泥质浆料的钢管作为端部限制器。该实验进行基于随机完全区块设计来获得统计分析数据，使用商用的数据分析软件程序进行分析。该研究项目表明，该测试程序提供可靠的数据用于拉伸性能表征和确定高斯分布，可以表示GFRP条的拉伸强度测试。

关键词：玻璃纤维；拉挤；拉伸强度

1.引言

复合材料成为由钢筋引起缺陷的混凝土结构有前途的替代品[3,4,9,10,13-15,19]（Teng 2001）。

纤维增强聚合物（FRP）有着诸多优势，例如轻质高强和耐腐蚀耐疲劳性，这些特点使工程师感兴趣。如在表1中给出了三种基于不同增强纤维（玻璃，碳和芳族聚酰胺）的复合材料与传统钢材进行比较。除了在新建筑中使用，现场结果和实验室调查显示了FRP棒材作为钢筋加固和修复方面应用的有效性。例如，其中一种增强方式，包括使用近地面安装的玻璃钢棒被提出用于混凝土和砖石结构[6,18]。

为广泛接受和实施施工，全面表征FRP的机械性能是有必要的，尤其有必要定义FRP棒材作为增强材料抗拉强度的平均值和分布趋势，工程师可以使用这些用于设计目的和复合材料制造商的质量控制和优化目的[8]。各种因素影响FRP棒的拉伸强度。最重要的因素是纤维类型和纤维体积分数，纤维的体积分数定义为纤维量与单位长度棒材总体积的比值。棒材制造工艺，质量控制和热固性树脂固化速率也会影响抗拉强度[1]。

本文建立了四种玻璃纤维FRP（GFRP）棒拉伸试验方案表征和报告测试结果。 每组八个样本测试以产生统计学上拉伸强度的有效平均值分布。总共对32个同一厂商棒材进行了测试。棒材是用填充有膨胀水泥浆料的钢管锚定。

表1 窗体顶端

窗体底端

表1 FRP材料和钢材的机械性能比较

标本分为8组，每组4个，每个棒材都能代表八组中的一组。这些组作为随机完成的“块”（RCB）设计，从而适应在任何环境因素或测试条件下的系统趋势。每组的棒按随机顺序制备，测试按照相同的顺序进行。 用统计学数据分析软件分析测试得到的数据。

2.材料性能

2.1 GFRP棒材

本研究计划中使用的GFRP棒材使用玻璃纤维和拉伸拉挤成型制造热塑性树脂。 使用热塑性树脂制成的棒材表现出基本的强度和模量性质，和那些含有等量同类型的纤维含量的热固性材料相似。 由于滞后效应，拉伸强度因棒材的横截面尺寸不同而有所差异，因此拉伸强度应该是基于棒材尺寸。而模量受棒材横截面积尺寸的影响不是很显著，却受到纤维等级的影响。55%的玻璃纤维体积含量的棒材经过测试，模量从40到47GPa.

使用热塑性树脂生产的棒材具有独特的后期成型能力。热塑性复合材料允许在产品离开拉挤线之后弯曲。另外，以热塑性为主产品可以通过局部熔化焊接使两个构件连接在一起。这可以通过下列的方法来完成，例如传统的接触式加热，或超声波或无线电频率技术。热焊接的可能性能够生产轻质加强网格和可以减少项目上的钢筋位置的网格成本。 一个潜在的关注现有的热固性产品具有较低的耐受性[12]。 施工现场由于处理和放置而产生的物理冲击很平常， 热塑性材料的冲击韧性和耐磨性显着高于热固性材料[7]。所有的四种类型的棒材都是由矩阵中的刚性的热塑性聚氨酯构成的E玻璃纤维所组成。 如上所述，所有的样品唯一的区别是涂层，这是防止碱侵蚀的关键因素。

图1 测试用GFRP棒材

类型1是短E玻璃纤维增强热塑料聚氨酯（ETPU）复合材料; 类型2是短碳纤维增强热塑性聚氨酯复合材料;类型3是纯热塑性聚氨酯;类型4在热塑性聚氨酯中掺杂了硅灰石（硅灰石是替代在GFRP中的砂石和石灰石所用的一种填料，它能通过降低熔融温度来减少能源消耗）。

初步拉伸试验表明，直接拉伸长度较短

图2 固定的螺纹端

的棒材将导致涂层与核心分开。 这可以通过增加固定长度或创造更合适互锁机制来避免。 一个锚定系统基于以往的经验[11]而选定，初步测试结果表明这种方法能提供足够的固定力。 该固定装置包括使用如2.2节所述的膨胀水泥泥浆，螺纹玻璃钢棒。这些棒材穿过8英寸（200毫米）从棒的末端与每个丝线五丝线。（2线/厘米），如图2所示。 螺纹的深度被选择为0.图3 孔洞直径

12英寸（3mm）来确保与核心材料相接触。

2.2 样品制备

锚定和锚定位很重要，因为它们可能导致不期望的故障模式。一个锚固系统包括一个使用膨胀水泥浆的钢管，它用来提供在棒材上的配置压力。基于以前研究[11]和初步测试，确定了305毫米（12英寸）的锚定装置足够用来固定棒材。测试样品总长度为40db加上2La一个是按照未发布的ACI规定提供[2]，其中db是棒材的公称直径，La是锚地长度。根据制造商所提供的数据，72小时后，完全扩张具有不断发展的趋势，水粉比应小于0.34，对于该实验使用0.29的比率。最大压力值的发展遵循管径的函数（图3）。管道的机械和物理性能如下：公称管尺寸标示112附表80S，1.9英寸（48.26毫米）的外径，0.2英寸（5mm）标称壁厚和30ksi（205MPa）的压力。

塑料盖板被用来封闭管道的两端以将棒材保持在管道的中心。 以此目的，在那里钻了稍大于棒材中心的孔洞。 用盖板封住管道的末端并用胶带来封闭孔洞，以防止水泥浆泄漏。之后，棒材的末端通过孔洞滑移到胶带上。木模板用于保持棒材和管的垂直对齐。在这个位置管道内充满了膨胀水泥。管道的另一端也是封闭的另一个钻孔，同样该钻孔也是用盖板封住。最初准备的膨胀灌浆液是液体，它需要24小时硬化才能使样品转动并准备了第二个锚定装置。开始拉伸前测试时，塑料盖板被去除。


图4 底端固定装置
2.3示例组
如图1所示，四种GFRP棒被评估。对于每种类型，准备了八个样品并进行了测试。 待测样品分为8个组，它代表RCB设计中的块，每个块包含一个样品类型。测试每组四个棒材要连续进行但顺序随机。一组中的四个棒材要在短时间内测试（1小时），假定一组中的测试条件相似。当然对于每组而言，制备了一批水泥浆料，从而消除了由于灌浆造成的每组中的棒材之间的差异。这个实验程序与RCB设计一致，即把组作为块。这种设计减少了随着时间的推移，由于测试条件的变化而引起的变化。

图5 失效模式

图6 类型1的失效模式

2.4 拉伸测试

测试按照相同的顺序进行，事先将样品准备好，使所有棒材的准备和测试时间是一样的。测试采用万能试验机。顶端标本被顶部十字头上的器具固定，而底端在施加载荷之前是不固定的。 将一个开槽钢板放在锚杆的底部和中间十字头的底部。当样品加载时，该板接合底部锚杆（图4）。以恒定速度施加载荷直到试样失效。

2.5测试结果和数据分析

表2 方差表

表3 每种类型的标准差和平均强度

表4 拉伸测试结果

所有样品正如预期的那样突然失效。 图5表明了每种棒材的代表性样品的失效模式。所有的失效都是从界面脱粘开始（图6）并以棒材断裂结束。每根棒材分裂成不同的数量和大小的碎片。这也可能与涂层的类型有

关。

除了总结统计，同时对数据用方差分析（ANOVA）技术确定每种棒材类型之间的任何显着差异（表2）。标准差和平均值如表3所示。个人的结果测试报告在表4中并绘制在图7中。获得的数据使用SAS进行分析，这是一款统计数据分析软件程序。

分析显示，从一个块到另一个块没有显着测试条件差异（表5）。而3号棒材的平均强度为903 MPa（131 ksi），其他类型有着更高的平均强度，从979MPa（142ksi）至1014MPa（147ksi）（参见表2）。检测结果表明类型1,2和4表现出类似的结果，而类型3显示具有平均拉伸强度与其他三个显着不同。这种不同可能与涂层的类型有关，这是唯一的在本研究中需要考虑的变量。类型3的棒材由于平均强度低，因此排除了对类型

3的进一步的研究。使用相同的软件程序进行测试。Shapiro-Wilk Cramer-von Misses [16]Kolmogorov-Smirnow测试[5,17]运行，所有三种类型表明P值大于0.05，这表明结果具有正常或近似的正态分布（表6）。正常概率密度函数（pdf）估计测试数据也绘制在图8中。这个图中显示了高斯分布代表了试验棒材的拉伸强度。总体上所有类型的平均强度确定为990 MPa（142 ksi）。

为了估计在规定的最大误差范围内的平均强度，实验需要进行重复，重复的次数可以使用公式（1）

公式1

d-平均强度估计的最大可接受误差

Zp-标准正常的100 * pth百分点分配（100p也是可信度，真正的平均值将在估计平均值内)

sigma;-标准差。从具有代表性的测试中标准差估计为45 MPa（6.5ksi）

例如，为了估计平均强度使之具有95％的可信度，在5 ksi误差范围内，一个样品

图7 不同块的测试结果

表5 块的强度

表6 标准测试结果

的尺寸需要至少在棒材上测量五处。 在相同的误差范围内要获得99％的可信度至少需要重复测定9根棒材。为了获得1或5 ksi的误差范围不同可信度的最小测试次数如表7所示。对于24根棒材测试，一个5 ksi的误差范围转换为一个错误约为平均强度的0.5％， 如果这样的误差在99％的可信度下估计平均强度是可以接受的，推荐至少测试9根钢筋的样品。

2.6 结论

根据本次的研究结果得出以下结论：

（1）测试结果和三个正常测试表明高斯分布代表着拉伸强度测试棒材的数量，为ACI 440.1R-01假设。

（2）对于具体测试的样品，涂层可能对FRP棒的拉伸强度产生影响。 涂层使用固化剂似乎略微增加拉伸强度。

（3） 方差分析表明，三种GFRP类型1，2和4具有相似的拉伸强度。

窗体底端

（4）纤维的界面脱粘是影响GFRP棒材失效模式的关键因素。

图8 拉伸强度分布图

表7 针对不同百分位数和精度所需的测试次数

致谢

十分感谢致力于用复合材料修复建筑和桥梁NSF行业/大学合作研究中心（RB2C）和陶氏化学品支持这项研究。作者希望感谢Osman Ozturk博士对这项实验工作所做的贡献。

参考文献

[1] ACI Committee 440. In: Guide for the design and construction of concrete reinforced with FRP bars, 440. 1R-03. Farmington Hills, MI: American Concrete Institute; 2003.

[2] ACI Committee 440. Recommended test methods for FRP rods and sheets. In: Unpublished draft specifications. Farmington Hills, MI:American Concrete Institute; 2002.

[3] Non-metallic reinforcement for concrete structures—FRPRCS-5. In: Burgoyne C, editor. Proceedings of International Conference, Cambridge, UK.

[4] Cosenza E, Manfredi G, Nanni A, editors. Composites in construction:a reality. Proceedings of International Workshop, Capri, Italy. Reston,VA: ASCE; 2001. p. 277.

[5] Dean A, Voss D. Design and analysis of experiments. In: Springer texts in statistics. New York: Springer; 1999 pp. 122–134.

[6] De Lorenzis L, Nanni A, La Tegola A. Strengthening of reinforced concrete structures with near surface mounted FRP rods. In: PLAST 2000, Milan, Italy.

[7] drsquo;Hooghe EL, Hoek B, Edwards CM

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