客户面临的挑战
预应力混凝土被广泛地应用于各种建筑结构，例如桥墩、路基、堤坝、楼宇等等，而建筑用钢筋则是预应力混凝土的核心构件。以往，此类建筑钢筋由钢材加工而成，相应的力学性能可满足不同类型的建筑要求，但是耐腐蚀性不够好是其缺陷之一。酸雨、盐雾、土壤含水、融雪剂等等，这些外部因素对混凝土钢筋都存在或多或少的腐蚀作用，严重的情况下甚至可以造成永久的破坏，道路、桥梁或者海岸工程无法确保其可靠性和完整性。这种现象在北方寒冷的地区尤为严重。过去的二十年里，先进复合材料制成的“建筑钢筋”逐渐成为钢材材质钢筋的替代选择，例如，利用玻璃纤维增强型复合材料(GFPR)、碳纤维增强型复合材料(CFRP)、玄武岩纤维增强型复合材料(BFRP)等制成的“建筑钢筋”就具有很好的强度和耐腐蚀性，轻量化、不导电并且不会磁化。
尽管纤维增强型复合材料制成的“建筑钢筋”具有诸多优点，但是此类产品却没有被广泛的采纳应用，其原因就是此类建筑钢筋的强度、耐久性和可靠性难以确定。尽管国际化建筑规范允许使用复合材料材质的建筑钢筋，但是由于缺乏相关的标准和规范，很难推动此类建筑材料的大范围应用。
佛罗里达州立大学建筑与环境工程系的Raphael Kampmann博士对相关领域的困难有深刻的理解。 “其实建筑工程师们很想使用复合材料来替代传统建筑材料，并且对比复合材料和建筑钢材的行为和表现来体现复合材料的先进之处。用于预应力混凝土的建筑钢材有标准可以遵循，无所谓从中国、美国还是欧洲购买的建筑钢材，都有全球统一的质量标准和规范。” Raphael Kampmann博士说道，“但是，纤维增强型复合材料制成的‘建筑钢筋’在土木工程领域还是个新鲜事物。如果这种新型材料需要在基建项目里面广泛地被使用，就必须首先完成大量的测试来验证其满足建筑规范要求，并且展现出其先进性。所以，种种材料，种种不同，每一种材料在被行业广泛认可和使用之前，都需要有相应的审批流程。”
力学测试的难点
只有准确的预估复合材料 “建筑钢筋”的行为和表现，才能够让建筑工程师们对使用此类材料充满信心。但是，这一过程非常复杂，存在下列问题和挑战亟待解决：
1. 标准和规范的缺失
行业、地区或者国际标准和规范规定了相应产品的性能参数指标，但不会约束其材料的组成。在建筑工程领域，每种规格的“建筑钢筋”都由厂家自行决定材料的构成和来源。因此，相应的标准和规范需要规定最终成品的性能和检验、验证方法。
2.尺寸和参数的数量不确定
建筑钢筋有多种标准尺寸，其成品直径范围从6mm到57mm。与传统的建筑钢材不一样的是，纤维增强型复合材料制成的“建筑钢筋”存在更多的尺寸类型，每一种尺寸都需要被严格的测试，否则就不能上市被应用于实际的建筑工程。
3.老化过程费时费力
除了进行初始的拉伸强度测试，Kampmann博士和他的团队在开展研究的时候需要对“建筑钢筋”进行老化处理。所谓老化处理就是复现真实世界的恶劣环境，将被测产品放置在相应环境中一段时间，再来测试前剩余强度，并且与之前全新产品的初始强度进行比较。有些时候还需要开展一些结构测试来研究纤维增强型复合材料的力学行为。老化过程有严格的时间周期限制，因此要求力学测试必须严格遵照周期来完成才可以进入下一步的研究工作。这一点看似简单，其实不然，“这要求力学测试手段必须有足够的效率，在有限的时间内能够可靠、快速地完成多个测试任务。” Kampmann博士补充道。
4.总体的测试数量
为了验证产品的性能所需要开展的测试数量着实让人大吃一惊。Kampmann博士解释道，“仅仅一个研究目标就需要我们开展超过700个拉伸测试，那么为了确定所有参数和性能指标，再加上各种各样类型和材质的产品...试验的总数量可想而知。”
5.夹具的问题
开展纤维增强型复合材料“建筑钢筋”力学测试最大的问题是没有合适的夹具。不能像做一般钢筋拉伸测试那样来夹持，因为过大的加持力会让复合材料“钢筋”纤维成分变形造成对中偏差，过小的加持力会因为复合材料光滑表面而出现打滑现象。如果利用纤维增强型复合材料的力学测试夹具夹持则相应的反作用力也会让样件出现不正确的变形甚至被压碎，造成的后果是无法准确得出样件的拉伸强度。
在ASTM D7205-2016 纤维增强型聚合物基复合材料拉伸性能的标准试验方法中描述了一种解决夹具问题的方法。可以使用膨胀性砂浆或者合成树脂将测试样件的两端锚系在钢制套管内，然后再通过夹持套管来实现载荷的传递。这种办法听上去挺简单易行，但实际上会有两个问题不好解决。首先，两端的套管和锚系部分增长了样件尺寸，这要求测试设备需要有更大的垂直测试空间。锚系部分也必须足够结实，既可以夹持住样件，同时还需要有足够大的摩擦力。很多时候，为了获得准确的测试结果需要较大尺寸的锚系部分，造成测试系统没有足够的空间来完成拉伸测试。其次，采用锚系和套管的办法显著增大了样件夹持部分的直径，试验机配置的标准夹具可能没有能力夹持如此大的样件。
测试解决方案
佛罗里达州立大学的团队针对试验需求开发了定制夹具，该夹具可以适用各种尺寸的纤维增强型复合材料“建筑钢筋”的力学测试。这种夹具也采用了锚系的方式，但是使用自锁螺母的形式来实现样件的紧固，确保样件在测试过程中可以有效对中。
这种样件的安装方式有效提升了测试的速度和效率，也保证了精度。Kampmann表示“如果你有700个样件等着你拉断它们，这需要尽可能快。通常情况下，就像做一般的钢筋测试那样，你希望夹持样件然后拉断它，但是必须关注对中的问题。我们现在的解决方案简单快捷，所要做的就是把样件插入然后锁紧，接着就可以开始做试验了。当我们需要一个接一个的做试验，但是不需要反复地调整设置夹具了。” Kampmann接着说道，“这种夹具不是简单的帮助我们节约了时间，更帮助我们提高了测试的可靠性。不管是谁来做试验，在什么时候做试验，总是能够得到一致的测试结果。因为这个夹具是‘一站式’安装到位，唯一的问题就是它不能跟着这些被测的样件散布到世界各地。”
试验夹具安装在 MTS Landmark® 电液伺服测试系统，该系统具有足够的刚度和可调测试空间，可以容纳不同尺寸的样件来完成测试。夹具安装就位之后，一般不需针对新的被测样件调整对中就可以得到精确的测试结果。这帮助测试团队节约了大量时间来完成所有必需的测试任务。
客户的收益
佛罗里达州立大学的研究团队使用了MTS Landmark电液伺服测试系统、 MTS TestSuite™ 测试应用软件以及MTS的引伸计产品配合定制夹具来完成纤维增强型复合材料“建筑钢筋”的拉伸测试。Kampmann博士和他的团队如是讲述了自己与MTS的合作体验。“无论我们有什么样的问题，我们总是可以很快得到答案。会有很多工程师来帮助我们。他们的客户服务真的是很棒，为我们着想，在他们找到合适的解决方案之前，他们永不言弃。”
对于纤维增强型复合材料“建筑钢筋”的未来，Kampmann博士充满了信心。“我相信未来十年此类复合材料的应用会进入爆发的阶段，随之而来的就是测试任务量的暴涨，而我们现在恰好站在了整个行业的浪尖，成为了弄潮儿。现在，国际建筑工程行业已经允许使用复合材料材质的建筑材料，但是不是所有类似材料都做到了标准化，也都没能做到被充分测试和验证。”他和他的团队已经完成了玻璃纤维、碳纤维以及玄武岩纤维增强型复合材料的相关测试，正着手开拓其他类型的复合材料测试：“我们开发的测试夹具与被测的材料和样件无关，换句话说，我们的夹具有很好的通用性，可以在未来扩展到其他类型复合材料的类似测试之中。相关的新材料如果打算进入这个市场，那就来做一下力学测试。最起码，当这些材料打算用于实际的工程项目之前，无论怎样，都得来做一下力学测试。”
