单根FRP筋粘结型锚具的设计与试验研究

郁步军，蔡文华，，梁书亭，张继文

(1.盐城工学院 土木学院，江苏 盐城 224051； 2.东南大学 土木工程学院，江苏 南京 210096)

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer or Plastics 简称CFRP)是以碳纤维为增强材料，以树脂为基体材料，并掺入辅助剂，经拉拔成型和必要的表面处理形成的一种新型复合材料。其筋材由于轻质高强、耐腐蚀性能好等优点现已广泛应用于土木工程领域，但由于其轴向和横向的性能差异较大(20∶1)使得其材料单向拉伸性能的测试不能直接在万能试验机上进行，必须通过锚固系统作为过渡。

针对FRP筋材国内外已开发出多种形式的单筋锚具[1,2],但试验和工程应用情况的调查发现，粘结型锚具具有更好的应用前景[3,4]。但这种锚具在测试FRP筋单向拉伸力学性能时，常常出现FRP筋拔出和在锚具端口处断裂现象，必须通过多组试验才能确定FRP筋的单向拉伸力学性能。本文在对传统的单根FRP筋粘结型锚具研究的基础上，设计出一种制造简单，锚固性能好的单筋锚具，并对6组树脂封装的CFRP筋组装件进行单向拉伸试验，得出了CFRP筋的单向拉伸力学性能。此款单筋锚具的设计和试验研究，为各种FRP筋材的单向拉伸力学性能的测试以及应用提供有益参考。

1 单筋锚具的设计

传统的FRP筋单筋粘结型锚具组件的构造如图1所示，主要由套筒、灌注介质和FRP筋组成。套筒外侧一般留有螺纹，方便与张拉杆、连接套和螺母等相连，而内侧常常采用圆柱形或是锥形。此种单筋锚具组件在单向拉伸试验过程中，常常出现复合筋材在锚具端口处断裂或是筋材的拔出破坏。为了更加有效地测试出FRP筋的单向拉伸力学性能，设计了如图2所示的单根FRP筋锚具。本设计将传统锚具圆柱形内腔和内锥形内腔进行集合，充分发挥两者的优点，FRP筋长度可综合筋材的极限强度、树脂的性能、锚具内壁的处理等来确定；端堵的设计除了能够更好地保证筋材的对中之外，还能起到阻挡FRP筋材与树脂凝固体在张拉过程中被拔出的作用；锚具尾部的盖板上有着与端堵上位置、大小一样的同心圆，以保证FRP筋在锚具内部处于笔直的状态。本次试验中所用锚具总长280 mm，其中：端堵厚10 mm，直筒段长120 mm，内锥段长150 mm。

图1 传统单根FRP锚具Fig.1 Traditional single FRP anchorage

图2 设计锚具Fig.2 Designed anchorage

2 试验设计

在FRP筋的拉伸测试中，当FRP筋的自由长度l和直径d的比值l/d在40～70时，试件的拉伸试验对FRP筋结构没有明显的影响。此次CFRP筋受拉性能测试中，CFRP筋的直径为8 mm，l/d取62.5。碳筋由诺尔泰复合材料设备制造有限公司生产，其外形如图3所示。

CFRP筋经碳纤维纱和树脂基体按照一定的体积比，加工成型。碳纤维纱采用日本进口，其技术参数如表1所示；树脂基体采用陶氏化学生产的Pultrusion System SU810/815双组分环氧树脂体系，主要用于纤维拉挤，其技术参数如表2所示。

图3 国产CFRP筋Fig.3 Domestic CFRP tendon

表1碳纤维纱技术参数
Table1Thetechnicalparametersofcarbonfiberyarn

纤维类型拉伸强度拉伸模量碳纤维原丝TR 50S12L5 041/MPa730/ksi514/(kgf·mm-2)242/GPa35.1/ksi24.7/(103kgf·mm-2)

表2树脂基体技术参数
Table2Thetechnicalparametersofresinmatrix

别类测试项目环境温度℃测试值工艺参数粘度凝胶时间凝胶时间2525120300^400 mPa·s>24 h3^4 min机械和物理性质热变形温度拉伸强度断裂伸长率拉伸试验弹性模量弯曲强度弯曲弹性模量吸水性 25 25 23(24 h)105^115 ℃60^75 MPa2%^4%2.5^3 GPa100^120 MPa3^5 GPa<0.1

为了提高灌注树脂的密实性，保证灌注的质量，设计制作了灌注支架，如图4所示。在灌注树脂时务必使构件垂直放置，筋材居中，并不断轻轻击打套筒壁使树脂更密实，同时保护筋材中部不被树脂污染以方便贴应变片，以便测试其应变。受拉试件如图5所示。

图4 灌注支架Fig.4 Perfusion bracket

图5 CFRP筋受拉测试试件Fig.5 The tension test specimens of CFRP tendon

3 试验装置及测量方案

CFRP筋单向拉伸力学性能试验在改装的液压万能试验机上进行，以0.76 mm/min的速度进行加载，试验装置如图6所示。试验过程中，力值大小由万能试验机伺服加载装置给出，同时通过在CFRP筋表面粘结的应变片和引伸计测量CFRP筋的应变、延伸率，计算得到CFRP筋的极限抗拉强度和弹性模量，以及张拉过程中筋材的应力—应变的发展过程。在锚具套筒的外侧粘贴应变片观察其应力应变发展情况。

图6 CFRP筋材性试验装置Fig.6 The material test device of CFRP tendon

4 试验现象

试件在加载过程中会出现时断时续细碎的噼噼啪啪的响声，接近破坏时，响声逐渐连续，并且声音越来越大，直至试件突然破坏，其破坏形态如图7所示。单筋锚具在CFRP筋拉伸过程中，其外观没有明显的变化。

图7 CFRP筋破坏形态Fig.7 The failure modes of CFRP tendons

6组试件试验中CFRP筋主要出现了两种破坏形态。图7a所示破坏状态为CFRP筋正常破坏形态，破断从筋材自由部分的中间开始，扩展至近锚固区域。断裂时，随着“嘭”的一声响，黑色碎片向四面八方散开，后慢慢飘落；图7b所示破坏状态为CFRP筋非正常破坏形态，虽然破断面在试件的中部，但破断处比较整齐。

6组试件的滑移均不明显，对其进行测量，C2试件的滑移量最大，为3.6 mm。

由试验组件的破坏形态和滑移可知，用本文设计的单筋FRP粘结型锚具进行复合筋材的单向拉伸试验时，试验组件的破坏状态良好。

5 试验结果及分析

试验过程测得其中3组试件的应力-应变曲线如图8所示，各组CFRP筋材的极限应力、弹性模量和延伸率如表3所示。试验中为了防止筋材破坏时把引伸计打坏，当CFRP筋材的应变发展到一定程度时将其卸下，故未能得到CFRP受拉全过程应力—应变曲线。

图8 CFRP筋实测应力—应变曲线Fig.8 The measured stress-strain curves of CFRP tendons

表3 CFRP筋拉伸材性试验结果
Table3ThestretchmaterialtestresultsofCFRPtendons

试件极限应力/MPa弹性模量/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

从图8可知，CFRP筋应力—应变曲线近似成线性关系。表3所示的试验结果表明，采用本文设计的单筋锚具进行单向拉伸试验可有效地得到FRP筋材的力学性能，试验得到CFRP筋强度平均值为2 524 MPa，弹性模量为153.8 GPa，延伸率为1.74%。

表4给出了此次试验所用CFRP筋与日本三菱化学株式会生产的Leadline物理力学性能的对比。

表4两种CFRP筋物理力学性能
Table4ThephysicalandmechanicalpropertiesoftwokindsofCFRPtendons

筋材数据来源名义直径/mm抗拉强度/MPa弹性模量/GPa延伸率/%试验用筋试验值82 524153.81.74Leadline生产厂家7.92 600(2 250)1471.6

从表4可见，试验用CFRP筋的性能与Leadline非常接近，其物理力学性能较好，可用于实际结构工程中。

试验加载过程中，套筒上粘贴的应变片读数变化稳定，说明锚具套筒的应力发展情况良好。

6 结论

通过试验证明，本文设计的单筋粘结型锚具是成功的，可有效地用于各种FRP筋的锚固，并且具备结构设计合理、安全可靠等特点。本文所做的工作为解决FRP筋的锚固问题做了极为有益的尝试。

参考文献：

[1] 方志，梁栋.单根碳纤维(CFRP)预应力筋粘结式锚具的试验研究[J].南华大学学报：理工版,2004,18(1):35-37.

[2] 张鹏，邓宇.单根碳纤维塑料筋新型锚具的研制[J].施工技术，2003,32(11):32-33,59.

[3] 蒋剑彪，崔毅，梅葵花,等.国内首座CFRP斜拉桥的关键技术[J].公路交通科技：应用技术版，2006(2):111-114,122.

[4] 王鹏.CFRP筋束在体外预应力桥梁中的应用研究[D].南京：东南大学,2008.