一种FRCM板预应力施加、损失监测工艺及其产品

一种frcm板预应力施加、损失监测工艺及其产品
技术领域
1.本发明涉及纤维织物增强水泥基复合材料技术领域，具体涉及一种frcm板预应力施加、损失监测工艺及其产品。


背景技术：

2.纤维织物增强水泥基复合材料(fabric reinforced cementitious mortar，简称frcm)，是一种新型复合材料，是多轴纤维编织网和精细混凝土或砂浆的结合，纤维编织网可以沿主应力方向布置，也可以双向或多向布置。由于所采用的纤维材料如耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、聚苯撑苯并恶唑纤维等具有耐腐蚀、防止化学侵蚀等优点，因此对于混凝土保护层厚度的要求较低，结构单元的厚度主要依赖于增强纤维编织网必需的锚固厚度。frcm因此可作为一种轻质、耐久、高强的薄壁材料。且相较于纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer，简称frp)，frcm由于采用干纤维和无机水泥基胶凝材料，具有纤维几何可变、与混凝土相容性好、受温度影响较小、渗透性好、不易燃、可在低温和浸水环境下应用等优点。
3.年代较久的混凝土工程在长期的物理、化学与生物等的作用下，会进入使用老化期，性能发生劣化，导致病害、事故频发。另外，新建的混凝土工程，也会因为设计、施工及使用不当等，而出现蜂窝、空洞、裂缝甚至倒塌等病害和事故。对于预应力混凝土梁或是采用预应力复材的加固混凝土梁来说，预应力损失会改变梁截面的应力分布状态，导致梁跨中挠曲或梁体开裂等病害，造成梁长期上拱度(简支梁)或下挠度(连续体系梁)过大。如果不加以控制，在结构建造完成几年后挠度将仍有明显增长趋势，极可能需要额外增加养护、维护费用，甚至最终导致结构的垮塌，造成严重的生命财产损失和经济损失。
4.对于普通frcm板(图1)而言，干纤维束与砂浆间的粘结通常是控制其力学性能的关键因素。砂浆在纤维束内外层的浸润差异导致纤维束应力不均匀，从而显著降低了纤维束的协同受力性能和有效利用率，不能充分发挥其增强作用，也导致材料性能呈现一定的离散性。
5.因此，提升frcm及其加固构件性能的关键在于改善frcm中纤维束的协同受力性能，
①
预张拉的纤维束在放张后会在轴向回缩的同时因泊松效应产生径向膨胀，砂浆基体对膨胀的纤维束会产生附加压力，进而增强纤维束与基体间的摩擦；
②
纤维束在拉伸过程中的聚束作用也有利于增强纤维丝之间的摩擦；
③
预张拉的纤维束放张时后，如果纤维束长度大于砂浆基体长度，外露在基体外的端部纤维还会因不受约束而发生径向膨胀，其直径大于基体内部的纤维从而引起锚固效应。综上，对纤维束施加预应力可以增强纤维与纤维、纤维束与基体之间的协同工作能力，是提升frcm及其加固构件力学性能的有效途径之一。
6.对于预应力cfrcm(pre-stressed carbon fabric reinforced cementitious matrix，简称p-cfrcm)及其加固混凝土梁而言，碳纤维放张回缩、蠕变、砂浆弹性压缩、砂浆干缩/徐变以及混凝土徐变等因素导致的预应力损失同样可能会影响材料和加固梁的性能
或加固效果。目前预应力碳纤维织物增强水泥基复材(p-cfrcm)及其加固构件的预应力损失的机理及其如何施加预应力以及监测预应力损失的方法尚不明确。
7.预应力锚具种类很多，但从夹持受力原理上主要分为两大类，即机械夹持锚具和粘结型锚具，对纤维束进行夹持的锚具大多是两种锚固方式的结合，锚固效果并不好，有如下的不足之处：
8.1)锚具的可靠性差；
9.2)锚具的通用性差，碳纤维网格众多，协同受力性能不好且无法对单一纤维束进行锚固；
10.3)锚具的制作工艺较复杂、造价也较高；
11.4)由于碳纤维材料抗剪能力较差，以及它自身对缺陷的敏感性，导致这些锚具系统制造工艺复杂、尺寸较大、可靠性差，并且成本也较昂贵，因而不便于在工程应用中大量推广应用。


技术实现要素：

12.本发明提供了一种frcm板预应力施加、损失监测工艺，一方面通过两端大小不一的波形锚具对纤维束进行锚固，从而实现对frcm板预应力的施加和预应力损失监测，另一方面又具有施工简单、快捷的优势。
13.一种frcm板预应力施加、损失监测工艺，包括步骤：
14.1)铺设和装配：
15.在模腔内铺设纤维网，将纵向纤维束一端穿过固定设置的第二端挡板后依次穿入第二荷载传感器和第二波形锚具，另一端依次穿过垫板、第一荷载传感器、第一套筒且与纤维束夹具固定连接；
16.第二波形锚具包括第二套筒和设于第二套筒内、用于夹持固定纵向纤维束的第二波形夹片；
17.第一套筒、第二套筒的两端开口分别自靠近邻近的垫板、第二端挡板的一端向另一端渐扩；
18.将纤维束夹具通过夹具螺杆、螺母与反力框架、穿心千斤顶连接；
19.2)张拉：
20.通过顶升穿心千斤顶带动纤维束夹具移动、张拉纵向纤维束直至第二荷载传感器示数达到目标值，旋紧反力框架处螺母完成张拉；
21.3)监测装置装配：
22.将第一波形夹片装入第一套筒中组装成第一波形锚具，然后将第一波形锚具紧顶第一荷载传感器；
23.4)浇注、养护、拆模，反旋反力框架处螺母进行预应力放张，然后剪断纵向纤维束得到带有第一波形锚具、可进行预应力损失监测的frcm板。
24.本发明工艺采用先铺设、装配、张拉纤维网再放置模具进行浇注、养护、拆模的步骤，通过波形锚具锚固后穿心千斤顶顶升张拉纤维束达到预应力施加的效果，通过波形锚具减少了剪力对碳纤维束的影响，提高了张拉效率。
25.通过波形夹片夹紧纤维束的方式，确保纤维束在拉伸过程中保持紧密，能够良好
协同受力，提升纤维增强效率。
26.波形锚具可增大纤维的锚固长度，提高其抗拉拔强度，减少了夹片剪力对碳纤维束的影响，避免纤维束在拉伸过程中的剪切破坏，充分发挥纤维束的力学性能，提升锚具的锚固性能。
27.波形锚具主要由波形夹片(包括上波形齿板、下波形齿板)和套筒等组成。上、下波形齿板波形线是相互吻合的，上、下波形齿板两者之间可以无缝隙地紧密地结合在一起，该特点成为夹持和锚固纤维束的基础，可有效防止纤维束打滑、松弛或意外夹断。
28.第一套筒、第二套筒的两端开口分别自靠近邻近的垫板、第二端挡板的一端向另一端渐扩，这样的设计可有效对抗纤维束收缩，监测预应力损失。
29.纤维网可通过平织方式制造，材质优选自耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、聚苯撑苯并二恶唑纤维和天然纤维中的至少一种。
30.在一优选例中，纵向纤维束的另一端用两块带孔的加强片夹紧固定，加强片与纵向纤维束的接触面上涂有纤维浸渍胶(如环氧浸渍胶等)；
31.纤维束夹具用于夹紧固定加强片。
32.加强片带有穿孔，可增强加强片与纵向纤维束之间、加强片与纤维束夹具之间的摩擦力。
33.在一优选例中，第一波形夹片、第二波形夹片与纵向纤维束的接触面上涂有纤维浸渍胶(如环氧浸渍胶等)。
34.通过在加强片/波形夹片与纵向纤维束的接触面涂纤维浸渍胶的方式，增大纤维束-加强片/波形夹片界面的接触面积及粗糙度，进一步改善干纤维束与加强片/波形夹片间的粘结性能。
35.在一优选例中，步骤1)中，用轴向承力杆固定连接相对设置的第一端挡板、第二端挡板，所围成的空间即为模腔。
36.在一优选例中，轴向承力杆为六根，其中外侧的四根轴向承力杆与第一端挡板、第二端挡板围成长方体模腔，中间的两根轴向承力杆用于放置平台(平台具体可以是钢板或木板等)，步骤4)浇注时所用的模具放置在平台上。
37.在一优选例中，第二端挡板上开有供纵向纤维束穿过的通槽。
38.在一优选例中，本发明工艺有多个通过纵向纤维束串联的模具(可以同时制备多个frcm板)，每个模具在远离第二端挡板的一端外侧都依次设有供纵向纤维束穿过的垫板、第一荷载传感器、第一套筒，步骤3)中每个第一套筒中都装入第一波形夹片组装成第一波形锚具并将第一波形锚具紧顶相邻的第一荷载传感器，步骤4)剪断纵向纤维束得到多个带有第一波形锚具、可进行预应力损失监测的frcm板。
39.本发明还提供了所述的frcm板预应力施加、损失监测工艺制备得到的带有第一波形锚具、可进行预应力损失监测的frcm板。
40.拆模后，第一波形锚具、第一荷载传感器、垫板与frcm板一端相顶，可直接反应预应力损失情况。
41.本发明与现有技术相比，主要优点包括：
42.1、本发明通过波形锚具限制张拉过程中纤维束纵向回缩，通过波形夹片、加强片夹紧碳纤维束的方式，确保碳纤维束在拉伸过程中保持紧密，能够良好协同受力，提升纤维
增强效率，方便预应力损失监测。
43.2、本发明通过波形锚具的方式增大纤维的锚固长度，提高其抗拉拔强度，提升锚具的锚固性能。
44.3、本发明通过采用波形夹片的方式减少了夹片剪力对纤维束的影响，避免纤维束在拉伸过程中的剪切破坏，充分发挥纤维束的力学性能。
45.4、本发明通过波形夹片、加强片涂纤维浸渍胶的方式，增大纤维束-加强片/波形夹片界面的接触面积及粗糙度，进一步改善干纤维束与加强片/波形夹片间的粘结性能。
46.5、本发明通过单个波形锚具可以对单根纤维束进行锚固，且可以对单根纤维束的预应力损失进行监测，更好地完成对全过程中的纤维束与基体之间的粘结性能的研究。
47.6、本发明整个装置采用装配设计，第二端挡板中心开有通槽，可根据试验需要调节端挡板尺寸、模腔纵向长度和纤维束间距，整体灵活通用。
48.7、本发明采用先张法进行预应力张拉，在砂浆达到一定强度后可剪断纤维束得到多块可以进行预应力监测的frcm板，避免长时间占用张拉装置，且拆卸方便，可流水线工作。
49.8、本发明的成型工艺可采用可拆卸模具，且在锚固端波形夹片、套筒采用分体设计，方便纤维穿过，具有施工方便的特性。
附图说明
50.图1为现有技术的frcm板内配纤维网的示意图；
51.图2为张拉钢架轴测图；
52.图3为纤维束夹具、螺杆、螺母轴测图；
53.图4为加强片轴测图；
54.图5为反力框架轴测图；
55.图6为预应力损失监测装置轴测图；
56.图7为波形锚具装配完成后正视图；
57.图8为波形锚具装配完成后轴测图；
58.图9为整个预应力张拉、损失监测装置轴测图；
59.图中：
60.11-轴向承力杆，12-端部带槽挡板，13-端部带孔挡板，14-第一螺栓，15-第二荷载传感器；
61.2-纤维束夹具，21-夹具夹片，22-夹具螺栓，23-夹具螺杆，24-与穿心千斤顶连接固定用的第一螺母，25-与反力框架连接固定用的第二螺母；
62.31-带孔的加强片(亚克力板)，32-纤维束；
63.4-反力框架，51-钢垫板，52-第一荷载传感器；
64.6-波形锚具，61-套筒，62-波形夹片，7-frcm板。
具体实施方式
65.下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照
常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
66.如图2～图9所示，本实施例以碳纤维束为例，frcm板预应力施加、损失监测工艺，包括步骤：
67.1)支模、铺设和装配：
68.用6根轴向承力杆11和第一螺栓14固定连接相对设置的端部带槽挡板12和端部带孔挡板13，形成一个长2400mm、宽500mm的长方体模腔。所述长方体模腔内可设多个模具。
69.外侧的四根周向承力杆11在端部挡板上围成一个长300mm、高200mm的矩形，中间的两根轴向承力杆11位于所述矩形水平中心线下方20mm处，可在其上放置10mm厚的钢板或木板作为用于放置模具的平台。
70.端部带槽挡板12中间开一个高度为5mm、长度为300mm的通槽，方便纤维束穿过以及后续调整纤维束间距、根数。
71.端部带孔挡板13中间开直径为10mm的通孔，作为连接纤维束夹具2、反力框架4和穿心千斤顶的通道。
72.纤维束夹具2包括2片相对设置的厚度为4mm的夹具夹片21、用作顶紧夹具夹片21的夹具螺栓22，通过夹具螺杆23连接反力框架4、穿心千斤顶。夹具螺杆23上套设有在预应力施加时连接穿心千斤顶和纤维束夹具2的第一螺母24，在预应力施加完成后维持预应力水平的第二螺母25。
73.在围成的模腔内铺设纤维网，各模具通过纵向纤维束串联(纵向纤维束位于上模具、下模具之间)，且每个模具在远离端部带槽挡板12的一端外侧都依次设有供纵向纤维束穿过的钢垫板51、第一荷载传感器52、第一套筒61。
74.纵向纤维束一端穿过端部带槽挡板12后在端部带槽挡板12外侧依次穿入第二荷载传感器15和第二波形锚具6。第二波形锚具6包括第二套筒61和设于第二套筒61内、用于夹持固定纵向纤维束的第二波形夹片62。
75.纵向纤维束另一端用两块带孔的加强片31夹紧固定，加强片31与纵向纤维束的接触面上涂有纤维浸渍胶。纤维束夹具2通过夹具螺栓22紧顶夹具夹片22从而夹紧固定加强片31。
76.所有套筒61的两端开口分别自靠近邻近的钢垫板51或端部带槽挡板12的一端向另一端渐扩。
77.将纤维束夹具2通过夹具螺杆23、第二螺母25、第二螺母24与反力框架4、穿心千斤顶连接。
78.反力框架4中心开10mm的通孔确保夹具螺杆的通过，反力框架4上方有2mm厚的k型钢板用于加强反力框架的刚度。
79.本实施例所用到的所有波形夹片62与纵向纤维束的接触面上均涂有纤维浸渍胶。
80.2)张拉：
81.通过顶升穿心千斤顶带动纤维束夹具2移动、张拉纵向纤维束直至第二荷载传感器15示数达到目标值，旋紧反力框架4处的第三螺母25完成张拉。
82.张拉完成后在反力框架4处用第二螺母25旋紧达到维持预应力水平的效果，通过第二荷载传感器15测定纤维束的轴向拉力，确保预应力水平处于合理范围。
83.3)监测装置装配：
84.每个第一套筒61中都装入第一波形夹片62组装成第一波形锚具并将第一波形锚具紧顶相邻的第一荷载传感器52。
85.第一波形锚具、第一荷载传感器52可在后续浇筑完成砂浆达到一定强度、纤维放张后进行预应力损失的监测。
86.4)浇注、养护、拆模，反旋反力框架4处第三螺母25进行预应力放张，然后剪断纵向纤维束得到多个带有第一波形锚具、可进行预应力损失监测的frcm板7。
87.第一波形锚具、第一荷载传感器52、钢垫板51与frcm板7一端相顶，可直接反应预应力损失情况。
88.本发明工艺中，互相配合的纤维束夹具和加强片既约束纤维位移也起到使纤维协同受力的效果。纤维束张拉装置采用分体设计、整体装配，以方便纤维束穿过、定位。装配后纤维束夹具中心、加强片中心、纤维束和两端挡板中心在同一水平线上，保证纤维束轴向受拉、防止其受剪破坏。
89.此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。