GFRP筋混凝土柱海水環(huán)境受壓性能

孫 麗，楊澤宇，居理宏，張春巍

(1. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168； 2. 沈陽(yáng)市現(xiàn)代建筑產(chǎn)業(yè)化管理辦公室，遼寧沈陽(yáng) 110825； 3. 青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033)

0 引 言

纖維材料的耐久性一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)心的重點(diǎn)，因?yàn)樵跍貪穸茸兓?、紫外線輻射、化學(xué)物質(zhì)侵蝕和凍融往復(fù)循環(huán)等惡劣環(huán)境下，纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料(FRP)耐久性的優(yōu)劣直接決定FRP筋能否替代鋼筋在腐蝕環(huán)境中工作。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量與FRP材料和FRP構(gòu)件耐久性相關(guān)的試驗(yàn)，取得了一定進(jìn)展。

祁德慶等[1]分析了纖維筋的耐久性，在酸、堿、鹽和其他溶液環(huán)境中浸泡后，對(duì)纖維材料起到主要腐蝕作用的是溶液中的氯離子和氫氧根離子。任慧韜等[2-3]在研究中得出了纖維筋的耐久性能在凍融循環(huán)、堿性環(huán)境和浸水等環(huán)境下的變化情況；此外，在普通混凝土梁中摻入短切碳纖維可改善混凝土的韌性并起到增強(qiáng)阻裂的效果。畢永清[4]在試驗(yàn)中探究了碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)混凝土梁和CFRP混凝土柱在人工海水侵蝕環(huán)境下的強(qiáng)度、變形和試驗(yàn)材料的破壞情況。付凱等[5-6]根據(jù)ASTM D665規(guī)定的試驗(yàn)方法，開展了不同溫度條件下GFRP筋在人工海水環(huán)境中的加速老化試驗(yàn)，并設(shè)計(jì)了FRP縱筋在細(xì)長(zhǎng)混凝土柱中的應(yīng)用方案。孫麗等[7-9]研究了偏心受壓GFRP混凝土柱相關(guān)受力性能，通過(guò)GFRP筋混凝土柱海水腐蝕后的抗壓性能試驗(yàn)，得出了在近似海洋腐蝕環(huán)境下GFRP筋作為受力筋在受壓構(gòu)件中可以有效提高其結(jié)構(gòu)耐久性。國(guó)外學(xué)者為了達(dá)到理想狀態(tài)下的預(yù)測(cè)效果[10-11]，通常采用阿倫尼烏斯方程作為GFRP筋壽命預(yù)測(cè)的理論基礎(chǔ)，來(lái)實(shí)現(xiàn)侵蝕程度在不同溫度條件下的相互轉(zhuǎn)換。劉小艷等[12-13]通過(guò)試驗(yàn)提出了運(yùn)用加速腐蝕試驗(yàn)來(lái)預(yù)測(cè)GFRP筋使用壽命的新思路，并通過(guò)在水泥基材料中摻入碳纖維來(lái)研究纖維材料對(duì)構(gòu)件導(dǎo)電性和抗壓強(qiáng)度的影響。閻西康等[14]通過(guò)試驗(yàn)探究了腐蝕時(shí)間不同的鋼筋混凝土梁其正截面承載力的變化情況。張新越等[15]通過(guò)對(duì)FRP加筋混凝土短柱進(jìn)行軸心受壓破壞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在沒(méi)有其他多余約束條件時(shí)，GFRP筋混凝土柱的極限抗壓強(qiáng)度略高于CFRP筋混凝土柱。王軍強(qiáng)等[16]以Fick第二擴(kuò)散定律作為理論依據(jù)，探究鋼筋混凝土構(gòu)件在海洋環(huán)境下的壽命預(yù)測(cè)模型。畢傈俐[17]通過(guò)試驗(yàn)將剛度和強(qiáng)度都不同的纖維筋按面積比進(jìn)行混合，通過(guò)纖維筋的依次斷裂來(lái)使試驗(yàn)構(gòu)件的破壞形態(tài)從脆性破壞變成延性破壞。趙洋[18]設(shè)計(jì)的材料腐蝕試驗(yàn)針對(duì)溫差、濕度、海水濃度和紫外線因素等，通過(guò)模擬自然環(huán)境試驗(yàn)和加速試驗(yàn)來(lái)認(rèn)識(shí)腐蝕規(guī)律和機(jī)理對(duì)材料耐腐性的影響。GFRP材料長(zhǎng)期處于強(qiáng)堿環(huán)境下時(shí)抗拉強(qiáng)度下降較大，強(qiáng)堿環(huán)境對(duì)GFRP材料的破壞很嚴(yán)重。Zhang等[19]通過(guò)對(duì)FRP筋混凝土柱的軸向壓縮試驗(yàn)，分析了其失效模式和應(yīng)變曲線。

從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)況可以看出，海洋環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)件主要受到氯離子和氫氧根離子的侵蝕，并且在傳統(tǒng)的FRP混凝土構(gòu)件耐久性試驗(yàn)研究中可以看出，傳統(tǒng)的試驗(yàn)方案存在一定局限性，并不能得到真實(shí)、保守、有指導(dǎo)性意義的試驗(yàn)結(jié)論。因此，本文制備了10倍海水濃度的NaCl弱堿性鹽溶液，并從新的思路和試驗(yàn)方案入手，排除混凝土保護(hù)層等其他因素，得到FRP筋混凝土柱在高濃度海水環(huán)境下的最不利情況，為FRP筋在實(shí)際工程中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊受壓性能試驗(yàn)

本試驗(yàn)腐蝕溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的NaCl弱堿性鹽溶液，濃度設(shè)定的目的是以極限狀態(tài)加速溶液中離子侵蝕的速率，同時(shí)通過(guò)未經(jīng)腐蝕的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件與經(jīng)過(guò)腐蝕的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件的強(qiáng)度對(duì)比，明確本試驗(yàn)腐蝕環(huán)境對(duì)混凝土材料本身的影響，試驗(yàn)方案如表1所示。將制作好的標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊一組直接進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)，另一組放入到試驗(yàn)溶液中浸泡。浸泡180 d后取出試件再進(jìn)行軸心受壓破壞試驗(yàn)，探究試驗(yàn)中的腐蝕環(huán)境對(duì)混凝土材料本身極限抗壓承載力的影響。

1.2 新試驗(yàn)方法的混凝土柱軸心受壓破壞試驗(yàn)

對(duì)2種筋籠進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)中第1個(gè)數(shù)字為不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的組次編號(hào)，4個(gè)數(shù)字0，1，2，3分別對(duì)應(yīng)0，60，120，180 d的腐蝕天數(shù)。字母“R”代表的是鋼筋筋籠，字母“G”代表GFRP筋筋籠。第2個(gè)數(shù)字為相同腐蝕環(huán)境下的筋籠編號(hào)，見表2。

表1 混凝土腐蝕的試驗(yàn)方案Tab.1 Test Scheme of Concrete Corrosion

表2 鋼筋和GFRP筋筋籠腐蝕時(shí)間和編號(hào)Tab.2 Corrosion Time and Serial Number of Rebars and GFRP Bar Cages

進(jìn)行軸心受壓破壞試驗(yàn)，得出被10倍海水濃度的NaCl弱堿性鹽溶液腐蝕后的筋籠對(duì)混凝土柱極限承載力的影響，試驗(yàn)方案見表3。

表3 混凝土柱軸心受壓破壞試驗(yàn)方案Tab.3 Failure Test Scheme of Concrete Columns Under Axial Compression

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊的受壓性能試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊的軸心受壓破壞試驗(yàn)，分別得出了不同腐蝕環(huán)境下每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊的極限荷載和抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4，5所示。

表4 未腐蝕條件下的混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊受壓性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Compressive Property Test Data of Concrete Standard Cube Under Non Corrosion Condition

表5 長(zhǎng)期腐蝕條件下的混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊受壓性能 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.5 Compressive Property Test Data of Concrete Standard Cube Under Long Term Corrosion

從表4，5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度隨著腐蝕時(shí)間的增加而變化不大，不僅沒(méi)有降低反而略有升高。繪制混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊的極限荷載變化曲線，如圖1所示。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

未經(jīng)腐蝕與腐蝕180 d的混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊抗壓強(qiáng)度平均值分別為36.1 MPa和36.3 MPa?？梢钥闯雎入x子腐蝕對(duì)混凝土材料本身的影響不大，其抗壓強(qiáng)度不僅沒(méi)有大幅度衰減還略有升高。這是因?yàn)榛炷敛牧媳旧沓嗜鯄A性，其化學(xué)組成主要為硅酸三鈣(3CaOSiO2)、硅酸二鈣(2CaO-SiO2)和鋁酸三鈣(3CaOAl2O3)，3種組成都不與氯化鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以對(duì)試件承載力的影響不大。同時(shí)，混凝土試塊所處環(huán)境從空氣變成了溶液，提高了混凝土的養(yǎng)護(hù)條件從而使強(qiáng)度略有升高。

2.2 基于新試驗(yàn)方法的混凝土柱軸心受壓破壞試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

鋼筋混凝土柱在受壓試驗(yàn)中發(fā)生了軸壓破壞和劈裂破壞。筋籠未腐蝕的混凝土柱發(fā)生軸壓破壞，而筋籠腐蝕180 d的混凝土柱發(fā)生劈裂破壞，并且構(gòu)件延性也大幅度降低。長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕使筋體的力學(xué)性能發(fā)生了較大變化，筋體受力性能、屈服強(qiáng)度等因素的降低使構(gòu)件在鋼筋受力薄弱區(qū)域發(fā)生了應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致了劈裂破壞的發(fā)生。裂縫情況如圖2所示。

GFRP筋混凝土柱在受壓試驗(yàn)中同樣發(fā)生了軸壓破壞和劈裂破壞，但與鋼筋混凝土柱相比，筋籠腐蝕120 d的GFRP筋混凝土柱開始出現(xiàn)了劈裂破壞現(xiàn)象，提前了一個(gè)腐蝕階段。因?yàn)镚FRP筋是脆性材料且延性較差，在與混凝土協(xié)同工作時(shí)更容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。雖然GFRP筋混凝土柱的極限承載力不斷降低，但較鋼筋混凝土柱降低29.8%而言，其降低幅度并不大，只有13.5%。GFRP筋長(zhǎng)期腐蝕后其混凝土柱的承載力要高于同條件鋼筋混凝土柱的承載力，裂縫情況如圖3所示。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)表6可以看出，隨著柱內(nèi)筋體腐蝕時(shí)間的增加，混凝土柱極限承載力不斷降低，并且降低幅度較大。在腐蝕120 d時(shí)承載力急劇下降。腐蝕60 d時(shí)，鋼筋混凝土柱極限承載力的保留率為92.6%，降低了7.4%；腐蝕120 d時(shí)，鋼筋混凝土柱的極限承載力保留率下降到83.1%，降低了16.9%；腐蝕180 d時(shí)，鋼筋混凝土柱的極限承載力保留率為70.2%，降低了29.8%。從數(shù)據(jù)可以看出，鋼筋在腐蝕溶液中的耐腐蝕能力較差，筋體的力學(xué)性能受到極大的影響，當(dāng)柱內(nèi)筋體腐蝕180 d時(shí)，鋼筋混凝土柱在結(jié)構(gòu)中基本處于失效狀態(tài)，雖然仍具有延性但極限承載力已經(jīng)越來(lái)越低。

由表7可以看出，GFRP筋混凝土柱極限承載力的降低幅度較為均勻。腐蝕60 d時(shí)，極限承載力保留率為95.4%，降低了4.6%。腐蝕120 d時(shí)，極限承載力保留率為92.1%，降低了7.9%。腐蝕180 d時(shí)，極限承載力保留率為86.5%，降低了13.5%。從數(shù)據(jù)可以看出，GFRP筋具有較強(qiáng)的耐腐蝕能力。

2種筋體材料混凝土柱軸心受壓破壞試驗(yàn)的對(duì)比分析如圖4所示。由圖4可以看出，試驗(yàn)鋼筋混凝土柱的承載力下降幅度較大。當(dāng)腐蝕180 d時(shí)，混凝土柱的抗壓承載力由688.7 kN下降到483.9 kN，保留率只有70.2%。同時(shí)，鋼筋混凝土柱極限承載力下降的速率越來(lái)越快，腐蝕0～60 d時(shí)抗壓承載力保留率下降7.4%；腐蝕60～120 d時(shí)，抗壓承載力保留率下降9.5%；腐蝕120～180 d時(shí)，抗壓承載力保留率下降12.9%。GFRP筋混凝土柱承載力下降較為平緩，當(dāng)腐蝕180 d時(shí)，混凝土柱的抗壓承載力由647 kN下降到559.9 kN，抗壓承載力保留率為86.5%，并且下降速率也較為穩(wěn)定。腐蝕0～60 d時(shí)，抗壓承載力保留率下降4.6%；腐蝕60～120 d時(shí)，抗壓承載力保留率下降3.3%；腐蝕120～180 d時(shí)，抗壓承載力保留率下降5.6%。通過(guò)對(duì)比相同腐蝕時(shí)間對(duì)應(yīng)的混凝土柱承載力可以得出，未腐蝕階段和腐蝕的前期階段鋼筋混凝土柱的抗壓承載力大于GFRP筋混凝土柱，因?yàn)殇摻钆c混凝土材料之間的協(xié)同作用要優(yōu)于GFRP筋。兩者間極限承載力的差距隨著筋體腐蝕時(shí)間的增加而逐漸縮小。當(dāng)筋體腐蝕90 d左右時(shí)，2種不同筋體材料的混凝土柱抗壓承載力基本相等。筋體腐蝕90 d后，GFRP筋混凝土柱的極限抗壓承載力逐漸大于鋼筋混凝土柱的極限抗壓承載力，并且差距逐漸增大。這說(shuō)明在腐蝕環(huán)境中GFRP筋的耐腐蝕性比鋼筋更強(qiáng)，并且可以有效地改善混凝土受壓構(gòu)件在海水腐蝕環(huán)境下的耐久性能。

表6 腐蝕溶液環(huán)境下鋼筋混凝土柱軸心受壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.6 Axial Compression Test Data of Reinforced Concrete Columns in Corrosive Solution Environment

表7 腐蝕溶液環(huán)境下GFRP筋混凝土柱軸心受壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.7 Axial Compression Test Data of GFRP-reinforced Concrete Columns in Corrosive Solution Environment

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)混凝土材料本身呈弱堿性，其化學(xué)組成主要為硅酸三鈣、硅酸二鈣和鋁酸三鈣，三部分化學(xué)組成都不與氯化鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，試驗(yàn)配制的腐蝕溶液對(duì)混凝土材料本身的力學(xué)性能影響不大。因此，用腐蝕后的筋籠來(lái)制作混凝土柱，再進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)，得到的海水環(huán)境下構(gòu)件的力學(xué)性能將更加真實(shí)可靠。

(2)在傳統(tǒng)模擬海洋環(huán)境下混凝土柱腐蝕試驗(yàn)中，由于混凝土柱保護(hù)層的作用，腐蝕溶液并不能很好地侵蝕到混凝土柱內(nèi)的筋體。因此，傳統(tǒng)試驗(yàn)得出的結(jié)論不具有代表性。本文給出了構(gòu)件在腐蝕過(guò)程中的最不利條件(柱內(nèi)筋體直接暴露在腐蝕溶液中)，得到了構(gòu)件遭受腐蝕破壞的保守時(shí)效。鋼筋混凝土柱腐蝕180 d后承載力下降近30%，承載力保留率只有未腐蝕狀態(tài)下的70.2%，在建筑結(jié)構(gòu)中基本處于失效工作狀態(tài)。GFRP筋混凝土柱腐蝕180 d后承載力只下降了13.5%，小于鋼筋混凝土柱強(qiáng)度一半的下降量，承載力保留率為未腐蝕狀態(tài)下的86.5%。

(3)在軸心受壓試驗(yàn)中，GFRP筋混凝土柱的破壞形態(tài)為脆性破壞，在柱內(nèi)筋體未腐蝕階段，與鋼筋混凝土柱相比沒(méi)有優(yōu)勢(shì)；經(jīng)長(zhǎng)期腐蝕后，GFRP筋混凝土柱的優(yōu)勢(shì)逐漸明顯。同時(shí)，腐蝕環(huán)境下GFRP筋混凝土柱抗壓強(qiáng)度的下降趨勢(shì)較為穩(wěn)定。因此，在沿海地區(qū)和海洋工程里，GFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有更大的優(yōu)勢(shì)。