混凝土環(huán)境中GFRP筋劣化機(jī)制研究

劉文博

（民航機(jī)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司西北分公司，陜西西安 710075）

0 前言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性中一個(gè)突出的問(wèn)題就是鋼筋銹蝕。人們?yōu)檠娱L(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久壽命，發(fā)明創(chuàng)造了FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合配筋混凝土結(jié)構(gòu)。

FRP（纖維增強(qiáng)塑料）為纖維（玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等）與基體（通常為樹(shù)脂）兩者共同構(gòu)成的新型復(fù)合材料[1]，工程師希望通過(guò)采用FRP筋來(lái)解決混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的問(wèn)題。FRP筋本身具有較高的承載能力，且性質(zhì)穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)銹蝕問(wèn)題。雖然FRP筋在耐腐蝕方面優(yōu)于普通鋼筋，但其也有著不可忽視的耐久性問(wèn)題。如AFRP筋在潮濕環(huán)境中或紫外線直接照射下性能有所降低；GFRP筋耐堿性能差，不宜在堿性環(huán)境和潮濕環(huán)境中使用[2]。本文著重討論GFRP筋在堿性環(huán)境長(zhǎng)期作用下的劣化機(jī)制。

1 堿性環(huán)境中GFRP筋的性能劣化

已有的關(guān)于GFRP筋的試驗(yàn)多在堿性溶液中進(jìn)行。Mukherjee[3]將GFRP筋浸泡于60℃堿溶液中，試驗(yàn)進(jìn)行30d時(shí)強(qiáng)度下降43%，60d時(shí)強(qiáng)度下降56%。張新越等[4]同樣將GFRP筋浸入60℃堿溶液，56d后強(qiáng)度下降24.77%。Steckel[5]進(jìn)行了GFRP筋在60℃堿環(huán)境、鹽水、紫外線照射下的力學(xué)性能研究，結(jié)果表明無(wú)論在何種環(huán)境下，GFRP筋的彈性模量并未發(fā)生明顯的降低。

關(guān)于GFRP筋還有很多類似試驗(yàn)，此處不再列出。從上述試驗(yàn)可以看出，堿性環(huán)境對(duì)GFRP筋的強(qiáng)度有著較大的影響，且影響時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度下降越大?；炷羶?nèi)部通常呈強(qiáng)堿性，因此GFRP筋在混凝土內(nèi)必定會(huì)產(chǎn)生劣化，具體劣化程度因?qū)嶋H情況而異。由于已有的試驗(yàn)絕大多數(shù)采用堿溶液模擬堿環(huán)境，與實(shí)際的混凝土內(nèi)部環(huán)境有所區(qū)別，因此已有試驗(yàn)結(jié)果僅可作為理論分析數(shù)據(jù)，具體應(yīng)用于實(shí)際工程時(shí)仍需進(jìn)行其他方面的研究。

另外，雖然混凝土在使用期間會(huì)產(chǎn)生碳化使得堿性降低，但由于碳化本身所需時(shí)間較長(zhǎng)，且不同環(huán)境及表面條件下的混凝土碳化速度千差萬(wàn)別，因此所有試驗(yàn)均不考慮混凝土碳化的影響。

2 混凝土堿性環(huán)境中GFRP筋的劣化機(jī)制

GFRP筋的劣化與混凝土的堿環(huán)境以及混凝土的微觀構(gòu)造密切相關(guān)。在混凝土固結(jié)過(guò)程中，混凝土內(nèi)部形成大量的微小孔隙，孔隙包括0.5～2.5nm的層間孔、10～50nm的毛細(xì)孔和3～5μm的氣孔[6]。這些孔隙使得水泥水化產(chǎn)生的大量陰陽(yáng)離子滲透至GFRP筋的表面，造成劣化。這其中OH-為造成劣化的主要離子，一方面是因?yàn)樗a(chǎn)生的離子以O(shè)H-為主，另一方面是因?yàn)镺H-在混凝土中的滲透速度遠(yuǎn)大于其他離子。同時(shí)水分子也會(huì)與纖維之間產(chǎn)生反應(yīng)。這些所有因素綜合起來(lái)造成了GFRP筋在混凝土堿性環(huán)境中的腐蝕。

2.1 基體的劣化機(jī)制

目前土木工程領(lǐng)域中FRP筋常用的基體包括聚酯樹(shù)脂（polyester ester）基體、乙烯基酯樹(shù)脂（viny lester）基體和環(huán)氧樹(shù)脂（epoxy）基體。其中乙烯基酯樹(shù)脂（viny lester）基體和聚酯樹(shù)脂（polyester ester）一般主要用于GFRP筋的基體，而環(huán)氧樹(shù)脂（epoxy）基體主要用于CFRP的基體。

基體相比于纖維，其彈性模量和強(qiáng)度均較小，主要作用包括約束各根纖維，使得各根纖維之間能夠共同工作；為纖維提供工作環(huán)境，隔離侵蝕性物質(zhì)，延緩纖維的腐蝕?；w的劣化一方面使得基體密實(shí)性減少，侵蝕性物質(zhì)滲入速度增加，加快纖維腐蝕。另一方面會(huì)使得基體與纖維間的粘結(jié)能力減少，降低纖維間共同工作的能力。

基體的劣化包括物理原因及化學(xué)原因。其中物理原因?yàn)樗譂B入基體內(nèi)部，占據(jù)基體空穴，引起材料自由體積變化，最終使基體產(chǎn)生微裂紋[7]?；瘜W(xué)原因?yàn)閯t為酯的水解，這也是基體劣化最主要的原因。

幾乎所有樹(shù)脂類聚合物均會(huì)水解，水解的過(guò)程會(huì)打開(kāi)酯鍵，生成相應(yīng)的羧酸和醇（環(huán)氧樹(shù)脂例外）。其宏觀表象即為基體密實(shí)性降低，孔隙增大，與纖維間粘結(jié)性降低，具體水解過(guò)程見(jiàn)式（1）。

R-COO-R′+H-OH→R-COOH+R′+OH-（1）

水解后由于酯鍵斷裂，使得原本較長(zhǎng)的分子鏈斷裂為較短的分子鏈，進(jìn)而導(dǎo)致前述的基體密實(shí)性減少和粘結(jié)能力減少。基體與纖維脫粘后纖維的受力將會(huì)急劇增加，有學(xué)者甚至認(rèn)為GFRP筋力學(xué)性能的降低主要是由于脫粘引起的。

2.2 玻璃纖維的劣化機(jī)制

GFRP筋常用的玻璃纖維包括無(wú)堿玻璃纖維（E-glass）和耐堿玻璃纖維（AR-glass），其中耐堿玻璃纖維為無(wú)堿玻璃纖維外層加涂聚合物涂料制成，但多用于混凝土增強(qiáng)纖維，此處不再談?wù)?。以下所討論的GFRP筋纖維均為無(wú)堿玻璃纖維。

無(wú)堿玻璃纖維的主要成分為SiO2，同時(shí)包含少量Al2O3、CaO、MgO等。玻璃纖維的劣化本質(zhì)上是SiO2與水以及堿性物質(zhì)的反應(yīng)造成的。由于混凝土內(nèi)部呈強(qiáng)堿性（pH達(dá)12.5或更高），含大量OH-，OH-以及水分通過(guò)基體的微小間隙滲透至纖維表面，進(jìn)而與纖維中的SiO2進(jìn)行反應(yīng)，破壞纖維的骨架結(jié)構(gòu)，主要反應(yīng)方程式見(jiàn)式（2）及（3）。

式（2）為SiO2與水的反應(yīng)過(guò)程，由于該過(guò)程中Na+會(huì)從纖維中擴(kuò)散出來(lái)，因此該過(guò)程又稱為“浸出”。該過(guò)程一方面會(huì)產(chǎn)生OH-，為式（3）提供反應(yīng)物。另一方面會(huì)在水與玻璃纖維之間生成凝膠層（比玻璃纖維的比重低），更有利于OH-與水的傳輸，進(jìn)而加速腐蝕。凝膠層同時(shí)也會(huì)降低基體與纖維間的粘結(jié)能力。

式（3）為SiO2與OH-的反應(yīng)過(guò)程，該過(guò)程為堿環(huán)境下纖維的主要破壞原因。由于其破壞玻璃纖維中的Si-O鍵，因此稱之為“蝕刻”。Si-O鍵為玻璃纖維中的主要化學(xué)鍵，SiO2的高承載力主要來(lái)源于它。Si-O鍵的破壞將直接導(dǎo)致玻璃纖維結(jié)構(gòu)骨架的完整性遭到破壞，降低纖維的各項(xiàng)使用性能，甚至導(dǎo)致斷裂。

3 結(jié)語(yǔ)

在混凝土環(huán)境下GFRP筋的劣化不可避免，混凝土中的堿環(huán)境是造成GFRP筋腐蝕的主要原因。已有的試驗(yàn)多在堿溶液的環(huán)境下進(jìn)行，與實(shí)際工程的情況有所區(qū)別。GFRP筋的劣化包括基體的劣化及纖維的劣化，二者的劣化機(jī)理各有不同。基體的劣化主要是酯的水解，而纖維的劣化則是與水分子及氫氧根離子反應(yīng)的結(jié)果。在今后的試驗(yàn)研究中，學(xué)者應(yīng)充分考慮GFRP筋劣化原因的復(fù)雜性，選用合適的分析方法，避免分析模型與實(shí)際情況誤差較大造成試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。