酸性腐蝕環(huán)境下CFRP錨桿的耐久性試驗研究

朱街祿，楊文瑞，2

（1.江西科技學院 土木工程學院，江西 南昌 330098；2.武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063）

酸性腐蝕環(huán)境下CFRP錨桿的耐久性試驗研究

朱街祿1，楊文瑞1，2

（1.江西科技學院 土木工程學院，江西 南昌 330098；2.武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063）

通過環(huán)氧砂漿試塊和CFRP錨桿抗酸腐蝕性試驗研究了酸腐蝕對其質量、彈性模量、抗拉強度、延伸率等性能的影響。結果表明：環(huán)氧砂漿試塊在酸性溶液中浸泡90 d過程中，質量、彈性模量、抗壓強度的最大損失率分別為1.98%、2.81%、11.25%。CFRP錨桿的質量、彈性模量、抗拉強度、延伸率的最大損失率分別為0.65%、3.29%、6.51%、5.06%。通過對試驗數據的分析得到了錨桿的荷載-滑移關系曲線，該曲線說明酸腐蝕降低了CFRP錨桿的粘結性能。進一步分析實驗數據得到了酸腐蝕90 d后錨桿的粘結-滑移曲線，該曲線具有一定的工程應用價值。并利用Arrhenius方程，得到了錨桿在試驗環(huán)境中抗拉強度保留率與時間對數的關系曲線，引入了換算因子TSF的概念，對錨桿服役受酸雨腐蝕20年的強度保留率進行了預測。

CFRP錨桿；環(huán)氧砂漿試塊；抗拉強度；Arrhenius方程；強度保留率

0 引言

FRP筋具有較高的抗拉強度和耐腐蝕性能、自重輕且易于施工，因此自20世紀90年代開始，FRP應用于工程領域中并替代鋼筋錨桿。錨桿錨固被廣泛應用于工程領域，可直接用于新建結構或原結構的加固中[1-3]。目前被廣泛應用的FRP筋主要包括CFRP、AFRP、GFRP等[4]。錨桿的工作環(huán)境較為惡劣，如錨桿被酸雨的侵蝕、被巖土中鈉、鈣鹽的電化學腐蝕等，這些都會影響錨桿使用的安全性。基于CFRP錨桿在酸性腐蝕環(huán)境下的耐久性試驗研究，國內相關的研究還較少[5]。

本試驗采用高濃度溶液加速的方法，開展了CFRP錨桿在酸性腐蝕環(huán)境下相關試驗，試驗結果對于CFRP錨桿的設計及工程應用上具有一定的指導意義。

1 試驗

1.1 試驗材料及設備

CFRP錨桿：試驗選用柳州某公司出產的7 mm直徑光圓筋材，錨具長度采用了245、300、350 mm三種類型。CFRP錨桿示意見圖1。

圖1 CFRP錨桿示意

環(huán)氧砂漿試塊：主要成分為環(huán)氧樹脂+固化劑+填料，固化劑及填料按照一定比例混合，依據GB 50203—2011《砌體結構工程施工質量驗收規(guī)范》的要求制作環(huán)氧砂漿試塊（見圖2）。拉伸試驗設備為液壓萬能試驗機。

圖2 環(huán)氧砂漿試塊

1.2 試驗方法

本腐蝕試驗采用98%濃度的濃硫酸稀釋設計出pH值=3的強酸環(huán)境，為了避免浸泡容器受到腐蝕，用PEVA耐腐蝕材料對浸泡容器進行多層密封處理。為了避免錨具受到嚴重腐蝕而影響力學性能測試，浸泡前在錨具表面涂上黃油。在第10、20、30、40、50、60、70、80、90 d觀測其外表顏色、對其質量和尺寸等物理性能進行測試。每周測試1次浸泡液的pH值，保證其pH值不變。未浸泡及浸泡第30、60、90 d后對環(huán)氧砂漿試塊和錨桿在萬能試驗機上進行力學性能試驗。進行環(huán)氧砂漿試塊的抗壓破壞試驗測試其抗壓強度，并通過應力應變計算其彈性模量。通過CFRP錨桿的拉伸破壞試驗測試其抗拉強度，通過試驗數據計算其延伸率、彈性模量等物理性能指標。最后通過試驗數據對錨桿的粘結性能進行分析。

2 試驗結果分析

2.1 環(huán)氧砂漿試塊

在試驗過程中，試塊外表顏色的變化不能用肉眼觀測出。每隔10 d將其取出時，試塊表面均存有水珠，表明浸泡液僅對其表面有侵蝕，未能侵蝕入試塊內部?？芍h(huán)氧砂漿試塊內部具有很好的密實性，膠層之間能緊密膠結。試驗過程中，環(huán)氧砂漿試塊性能指標損失如圖3所示。

圖3 環(huán)氧砂漿試塊在酸腐蝕過程中性能指標的損失比例

由圖3可知，環(huán)氧砂漿試塊的質量損失較小，在試驗前30 d，質量基本保持不變，最大質量損失率約為1.98%。彈性模量在試驗過程中變化較小，最大損失約為2.81%?？箟簭姸仍谇?0 d變化幅度較小，第60 d到第90 d這個階段抗壓強度損失較大，最大損失率為11.25%。

2.2 CFRP錨桿

CFRP錨桿酸腐蝕過程表面狀況見圖4，性能指標損失率見圖5。

圖4 CFRP錨桿在酸腐蝕過程中的表面狀況

圖5 CFRP錨桿在酸腐蝕過程中性能指標的損失率

由圖4、圖5可見，CFRP錨桿浸泡30 d后，質量基本無變化，但其表面已經形成了1層保護層，可認為腐蝕還沒有開始；浸泡60 d后，錨桿上涂抹的保護層已經消失，錨具出現腐蝕現象，但是筋材還未出現腐蝕現象，質量比30 d前有所減少；浸泡90 d后，錨具腐蝕現象進一步加劇，筋材出現溶脹現象，質量和浸泡60 d相比反而有所增加，可解釋為腐蝕液已從其表面滲透到錨桿內部，從而導致其質量有所增加。在酸腐蝕過程中，錨桿質量損失較小，最大質量損失率在第60 d，約為0.65%。彈性模量、抗拉強度、延伸率等指標損失率隨著浸泡時間的延長而增大，第90 d時，以上3項物理性能指標的最大損失率分別為3.29%、6.51%、5.06%。

2.3 CFRP錨桿粘結滑移變化

通過試驗計算出錨桿總位移和CFRP桿件的彈性變形量，二者的差值為錨桿的滑移量。以未受到酸腐蝕、腐蝕60天、腐蝕90 d三種情況為例，繪制出錨桿荷載-滑移關系曲線（見圖6）。

圖6 酸腐蝕荷載-滑移曲線

由圖6可知，在相同荷載作用下，酸腐蝕90 d錨桿的滑移量最大、酸腐蝕60 d錨桿滑移量次之，最小為未腐蝕錨桿的滑移量?？芍狢FRP錨桿粘結滑移量隨著腐蝕試驗的進行而增大，酸腐蝕對其粘結性能產生了不利影響。

2.4 酸腐蝕90 d粘結-滑移曲線擬合

整理出3種錨固長度錨桿在酸腐蝕90 d后粘結應力-滑移曲線，對曲線進行擬合，曲線擬合方程為：

由式（1）可得線性回歸相關參數，其中相關系數R=0.992，測定系數R2=0.984。試驗曲線與酸性環(huán)境下的擬合曲線對比見圖7。

圖7 試驗曲線與酸性環(huán)境下擬合對比曲線

采用圖7的結果，對245、300、350 mm三種錨固長度的錨桿進行對比，可知誤差均在10%以內。該擬合成果可用于預測在相同酸性環(huán)境條件下、不同荷載作用下的任意錨固長度和任意直徑的CFRP錨桿產生的滑移值。

3 CFRP錨桿工作壽命預測

3.1 Arrhenius方程

采用短時間試驗數據對CFRP錨桿長期使用壽命預測時，最常用的是Arrhenius方程[6-7]。根據Arrhenius方程，酸性腐蝕環(huán)境下CFRP錨桿的抗拉強度退化速率如式（2）所示：

式中：k——CFRP錨桿的抗拉強度退化速率；

f——CFRP錨桿的抗拉強度；

t——時間；

A——和材料性能相關的常數；

Eα——導致CFRP錨桿抗拉強度發(fā)生退化的活化能；

R——摩爾氣體常數，8.3145 J/（mol·K）；

T——絕對溫度，K。

美國聯邦公路局給出的FHWA法是基于Arrhenius方程的一種壽命預測方法[見式（3）所示]，李彬和王偉等[7-8]也通過試驗研究表明錨桿抗拉強度保留率Rt與時間的對數基本保持線性關系。

式中：Rt——CFRP錨桿的抗拉強度保留率，%；

t——時間；

a，b——常數。

可將圖5中CFRP錨桿的抗拉強度損失率變換為抗拉強度保留率（見圖8），根據最小二乘法進行曲線擬合，得到a，b的取值。擬合曲線為：

Rt=-6.927lgt+106.5 （4）

由式（4）可得回歸相關系數R=0.996，測定系數R2=0.992。

圖8 CFRP錨桿抗拉強度保留率隨時間對數關系

相關研究表明[6-9]，可將Arrhenius方程引入換算因子TSF這一概念，用于2個不同溫度下CFRP錨桿腐蝕到相同程度所需的時間計算。陳詩學[10]對換算因子進行了進一步研究，通過試驗建立了以pH值為參數的換算因子模型如式（5）所示：

式中：TSF——換算因子；

A——待定系數，可由試驗求出；

e——自然常數；

10-pH——相應pH值溶液氫離子濃度。

參考該文研究結果，當pH值=3時，TSF=1；當pH值=4.5時，TSF=1.459。錨桿在pH值=3溶液中浸泡90 d后抗拉強度損失6.51%，可對應于錨桿浸泡pH值=4.5抗拉強度損失6.51%的浸泡天數為90×1.459=131.31 d。

3.2 酸雨對CFRP錨桿耐久性的影響

由于自然界中的大量二氧化碳可溶于水，當溶解達到氣液相平衡后，pH值約為5.6。因此當降雨的pH值小于5.6時，可定義為酸雨。酸雨已成為我國嚴重的環(huán)境問題之一[11]。根據相關文獻[12]，江西省近5年降雨年均pH值如表1所示，其中南昌市酸雨年均pH值和江西省酸雨年均pH值較為接近，取南昌市酸雨基本pH值為4.5。

表1 江西省近5年降雨年均pH值

相關資料顯示[13]，南昌市1951～2007年年平均降雨日數為144.58 d，考慮到降雨后CFRP錨桿不可能立刻晾干，假設CFRP錨桿在這144.58 d平均每天受酸雨侵蝕時間為4 h，相當于CFRP錨桿每年在pH=4.5的溶液中浸泡578.32 h，在pH=4.5的溶液中浸泡90 d相當于南昌地區(qū)外露CFRP錨桿受酸雨侵蝕5.449年。受酸雨侵蝕20年后，強度保留率為88.56%（見表2）。與文獻[5，14]的研究，CFRP錨桿具有較好的耐酸腐蝕性，在酸雨腐蝕環(huán)境下，CFRP錨桿受到輕微腐蝕的結論一致。

表2 利用Arrhenius對錨桿服役年限后強度保留率預測

4 結語

（1）環(huán)氧砂漿試塊在酸性溶液中浸泡90 d過程中，其尺寸和外觀顏色沒有發(fā)生顯著變化。質量、彈性模量、抗壓強度有所降低，其最大損失率分別為1.98%、2.81%、11.25%。隨著浸泡時間的延長，環(huán)氧砂漿試塊的抗壓強度損失較大，長時間酸腐蝕環(huán)境會對環(huán)氧砂漿試塊產生顯著不利影響。

（2）CFRP錨桿在酸性溶液中浸泡90 d過程中，其尺寸和外觀顏色沒有發(fā)生顯著變化。最大質量損失發(fā)生在第60 d，質量損失率為0.65%。彈性模量、抗拉強度、延伸率等損失率隨浸泡時間的延長而變大，第90 d時，以上3項物理性能指標的最大損失率分別為3.29%、6.51%、5.06%。試驗結果表明，以上物理性能指標降低幅度較小，CFRP錨桿的耐酸腐蝕性較好。

（3）由錨桿的荷載-滑移關系曲線可知，CFRP錨桿粘結滑移量隨著腐蝕試驗的進行而增大，酸腐蝕對其粘結性能產生了不利影響。

（4）對酸腐蝕90 d后粘結-滑移曲線進行了擬合，該擬合曲線可以較好地反映CFRP錨桿與環(huán)氧砂漿酸性環(huán)境腐蝕后其粘結性能的變化。該試驗曲線具有一定的工程應用價值，可為修訂相關工程規(guī)范時提供參考。

（5）利用Arrhenius方程，得到了錨桿在試驗環(huán)境中抗拉強度保留率與時間對數的關系曲線。引入換算因子TSF的概念，將實驗環(huán)境換算成酸雨侵蝕環(huán)境，對錨桿受酸雨腐蝕20年的強度保留率進行了預測。

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Experimental investigation on durability of CFRP anchor in acid corrosion environment

ZHU Jielu1，YANG Wenrui1，2
（1.School of Civil Engineering，Jiangxi University of Technology，Nanchang 330098，China；2.School of Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China）

The anti-acid corrosion test was carried out to study the effect of acid corrosion on their quality，elastic modulus，tensile strength，elongation of epoxy mortar blocks and CFRP anchors.The results showed that the maximum loss of quality，elastic modulus and compressive strength were 1.98%，2.81%，11.25%for epoxy mortar blocks soaked in acid solution for 90 days，and the maximum loss of quality，elastic modulus，tensile strength and elongation were 0.65%，3.29%，6.51%，5.06%for CFRP anchors. The load-slip curve of anchor was obtained to show that the bonding property of CFRP anchors was reduced under acid corrosion.The bond-slip curve was obtained in acid solution for 90 days by further analysis，and it has certain value for engineering application.By Arrhenius equation，the tensile strength retention rate-time logarithm relation curve was obtained.The strength retention rate of CFRP anchors under acid corrosion for 20 years was predicted by the introduction of the concept of conversion factor of TSF.

CFRP anchor，epoxy mortar block，tensile strength，Arrhenius equation，strength retention rate

TU593

A

1001-702X（2016）08-0058-04

江西省教育廳科技項目（GJJ151148）；

南昌市重點實驗資助項目（2014ZDSY006）；

江西科技學院重點學科項目

2016-03-14

朱街祿，男，1982年生，江西余江人，講師，碩士。