結(jié)構(gòu)新型聚丙烯基FRP筋、OFBG傳感器及其性能.pdf

1、FRP（Fibre Reinforced Polymer）材料以其諸如輕質(zhì)、高強(qiáng)和高耐久性等優(yōu)點(diǎn)贏得了土木工程科研人員的青睞。但目前，土木工程結(jié)構(gòu)中不論是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固還是增強(qiáng)所使用的 FRP筋、板等材料都是采用熱固性 FRP材料（FRSP，F(xiàn)iber Reinforced Thermosetting Polymer）。FRSP存在整體柔韌性較差、破壞沒有預(yù)兆、同時(shí)存在污染環(huán)境，不能二次回收等問題。再者，F(xiàn)RSP材料不具有二次成型的特點(diǎn)

2、，使得結(jié)構(gòu)中許多特殊形式不易實(shí)現(xiàn)，如彎筋或箍筋等。同時(shí)，F(xiàn)RSP不論是筋還是板多為預(yù)制使用，在現(xiàn)場(chǎng)基本沒有再加工能力。針對(duì) FRSP材料的這些不足，本文基于 FRP的另外一種體系——熱塑性FRP材料（FRTP，F(xiàn)iber Reinforced Thermoplastic Polymer），開發(fā)了玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯（GFRPP，Glass Fiber Reinforced Polypropylene）筋。對(duì)其生產(chǎn)工藝、物理及力學(xué)性能、耐久

3、性能和折彎工藝等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。同時(shí)，在充分研究了 GFRPP筋及其樹脂基體性能的基礎(chǔ)上，我們還開發(fā)出 GFRPP-OFBG（Optical Fiber Bragg Grating）智能筋以及適用于瀝青路面應(yīng)變監(jiān)測(cè)的 PP-OFBG應(yīng)變傳感器，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和工程應(yīng)用。本文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　首先，對(duì) GFRPP筋的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了研究。對(duì)增強(qiáng)纖維與樹脂熔體的浸漬過程進(jìn)行了理論分析，確定了合適的浸漬工藝；同時(shí)通過制品性能和生

4、產(chǎn)工藝要求確定了纖維與樹脂在制品中的含量，確定了混合樹脂各組分配比；并采用自行研制的在線熔融浸漬的熱塑性拉擠工藝裝置，以及熱塑性拉擠纏繞、熱塑性拉擠模壓裝置生產(chǎn)出光面 GFRPP筋和帶肋 GFRPP筋，同時(shí)確定了生產(chǎn)工藝參數(shù)并研究了生產(chǎn)工藝參數(shù)對(duì)制品性能的影響，并對(duì) GFRPP筋制品的表面及內(nèi)部缺陷進(jìn)行了分析。
　　其次，對(duì)自行研制生產(chǎn)的不同樹脂及纖維配比和表面形式的 GFRPP筋分別進(jìn)行了拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、層間剪切強(qiáng)度、沖擊韌

5、性以及吸水率等物理及力學(xué)性能的測(cè)試，并與熱固性FRP筋進(jìn)行對(duì)比研究。針對(duì)GFRPP筋徑向強(qiáng)度低，拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)容易被實(shí)驗(yàn)機(jī)夾具破壞的特點(diǎn)，通過 ANSYS有限元分析，設(shè)計(jì)出了適合于試驗(yàn)應(yīng)用的錨夾具。
　　再次，對(duì)自行研制的 GFRPP筋進(jìn)行了折彎理論的分析，并研究了 GFRPP筋折成彎筋或箍筋的具體工藝；根據(jù) GFRPP筋的折彎條件開發(fā)研制出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適合于 GFRPP筋折彎的彎曲機(jī)。同時(shí)對(duì)彎曲后的 GFRPP筋進(jìn)行了混凝土粘結(jié)性能試

6、驗(yàn)和采用 GFRPP作為箍筋的加筋混凝土梁受彎實(shí)驗(yàn)，以此來討論GFRPP作為彎筋和箍筋是否滿足土木工程需要。
　　第四，對(duì)自行研制的GFRPP筋進(jìn)行了在20℃和60℃條件下的堿溶液以及60℃條件下酸和鹽溶液中的耐久性常規(guī)和加速試驗(yàn)對(duì)比研究以及紫外光快速老化試驗(yàn)研究。通過對(duì)試件的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、抗沖擊性以及層間剪切強(qiáng)度等性能的試驗(yàn)研究，討論了 GFRPP筋耐環(huán)境腐蝕性能。并采用 FHWA法對(duì)GFRPP筋在10℃，100％RH環(huán)境

7、中的耐久性壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)，通過進(jìn)行GFRPP筋紫外光加速老化試驗(yàn)研究，對(duì)不同炭黑含量的 GFRPP筋以及熱固性FRP筋進(jìn)行了對(duì)比研究，通過對(duì)其沖擊韌性和層間剪切強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，討論了炭黑的摻入對(duì)制品耐紫外光老化性能的影響。
　　第五，在 GFRPP筋的拉擠生產(chǎn)過程中，我們通過復(fù)合 OFBG的方法研制了 GFRPP-OFBG智能筋，并對(duì)其力學(xué)性能和感知性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，同時(shí)利用雙光柵法對(duì) GFRPP筋拉擠成型過程中的溫度和應(yīng)

8、變進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，對(duì)GFRPP筋拉擠工藝過程控制參數(shù)提供參考，同時(shí)也檢測(cè)了智能筋成型工藝對(duì)其中光柵性能的影響。同時(shí)我們利用 PP基體采用擠出生產(chǎn)工藝封裝制造了PP-OFBG傳感元件，并對(duì)其進(jìn)行了傳感性能的試驗(yàn)研究，同時(shí)采用雙光柵法兩次測(cè)量對(duì)其成型過程中的溫度及應(yīng)變變化進(jìn)行了在線監(jiān)測(cè)，討論了采用此工藝來研制大應(yīng)變傳感器的問題。
　　最后，基于 PP-OFBG傳感元件，同時(shí)通過設(shè)計(jì) PP樹脂基體模量與瀝青混凝土模量相當(dāng)，本文研制開發(fā)出主