不同侵蝕環(huán)境下GFRP筋抗拉性能退化試驗

宣廣宇，陸春華，徐 可，阮向杰

(江蘇大學 土木工程與力學學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

纖維增強復合材料(fiber reinforced polymer，簡寫FRP)筋，具有輕質高強、抗疲勞、耐腐蝕、電磁絕緣等優(yōu)點[1]，已逐漸成為土木、水利以及交通工程等結構設計中一種潛在用材.其中，GFRP(glass FRP)筋憑借其造價低、綜合性價比高等特點，在各類混凝土結構中有著廣泛的應用前景.作為普通鋼筋的替代品，配置FRP筋的混凝土結構構件通常會在酸、堿、氯鹽和潮濕等各種環(huán)境中服役.因此，以GFRP筋為例，其在侵蝕環(huán)境中的力學長期性能需要進行大量試驗研究與理論分析.

當前，針對GFRP筋在侵蝕環(huán)境下力學性能的研究，主要關注其抗拉性能的退化規(guī)律.研究表明所處環(huán)境不同的GFRP筋，其抗拉性能的退化存在較大差異[2]，并受到樹脂基體材料的影響[3]；且隨著腐蝕暴露齡期的增加，GFRP筋的抗拉性能退化愈明顯[4-5].目前，國內外大部分研究主要從材料本身入手，用人工配置的溶液來模擬實際服役時所處的侵蝕環(huán)境，對GFRP筋的抗拉性能進行測試分析.然而，D′antino等[6]指出：直接浸泡侵蝕比真實混凝土環(huán)境下的腐蝕更為惡劣，利用直接浸泡試驗得到的數據對GFRP筋的抗拉性能退化進行預測會顯得有些保守.此外，實際混凝土結構工程往往在荷載和環(huán)境等諸多因素耦合作用下服役，也需要考慮荷載因素[7].因此，需要增加對埋置于混凝土內GFRP筋在受荷狀態(tài)下的抗拉性能退化的對比研究.此外，一般認為FRP筋的抗拉性能退化往往是由其微觀結構變化所引起，因此將掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy，簡寫SEM)的微觀結構分析與宏觀抗拉性能退化研究相結合，已成為探討FRP筋抗拉性能退化的有效途徑[4].

鑒于此，本文首先從材料出發(fā)，通過對GFRP筋的直接浸泡試驗，探究不同浸泡環(huán)境與浸泡時間對GFRP筋抗拉性能的影響.其次以構件為落腳點，將GFRP筋埋置于混凝土梁中進行加載侵蝕試驗，對比分析堿溶液直接浸泡與實際混凝土環(huán)境對GRFP筋腐蝕的差異.最后，對GFRP筋在堿、鹽直接浸泡和實際混凝土環(huán)境下的長期性能進行了預測.此外，對埋置于混凝土梁內GFRP筋進行SEM觀測，進一步探究了GFRP筋抗拉性能的損傷機制.相關研究可為GFRP筋的實際工程應用提供一定的理論與試驗基礎.

1 GFRP筋及其初始力學性能

本文選用南京鋒暉復合材料有限公司生產的GFRP筋，公稱直徑為12 mm.該GFRP筋由玻璃纖維和乙烯基酯樹脂按一定的比例混合后通過拉擠成型工藝制備而成，質量含纖率為64%；筋材表面處理方式為帶肋纏繞式見圖1(a)，其肋紋間距與肋高尺寸見圖1(b).

圖1 GFRP筋

參考JG/T 406—2013《土木工程用玻璃纖維增強筋》[8]的要求，制作了GFRP筋拉伸試件(見圖2(a))，測得GFRP筋的初始抗拉性能，見表1.GFRP筋的典型拉伸破壞形態(tài)為炸散式，主要呈炸散絮狀，見圖2(b).

表1 GFRP筋初始實測力學性能

圖2 GFRP筋拉伸試樣(mm)

2 試件制作及侵蝕試驗方案

2.1 直接浸泡試驗

在進行浸泡試驗前，用環(huán)氧樹脂將待侵蝕GFRP筋試樣的兩端(長度300 mm，見圖2(a))進行密封處理，以保護錨固段筋材，避免其遭受侵蝕.待環(huán)氧樹脂全部硬化后，將GFRP筋分別置于裝有堿溶液、鹽溶液和清水的溶液箱中進行浸泡試驗.溶液具體配置方法：①堿溶液：依據ACI 440.3R-04規(guī)范[9]中的相關建議與方法進行配置，用于模擬混凝土內的堿性環(huán)境，具體配比見表2；②鹽溶液：依據ASTM D665-14e1規(guī)范[10]中的相關建議與方法進行配置，用來模擬海水環(huán)境，具體配比見表3；③清水：由自來水組成，近似模擬室外潮濕環(huán)境.試驗在結構實驗室內進行，環(huán)境溫度為室溫；在試驗周期內，定期測量侵蝕溶液的pH值，保證其溶質的含量處于穩(wěn)定狀態(tài).

為定量描述侵蝕溶液浸泡下GFRP筋的力學性能退化過程，將試件分別浸泡45、90、135和180 d后取出(每種溶液取一組3根)，并使其干燥，然后按圖2(a)進行拉伸試件制備并進行力學性能測試.試驗發(fā)現，拉伸試件的破壞形式仍以炸散式為主，個別試件由于筋材與錨具間黏結不足而出現滑移破壞，視為無效結果，在計算中不予采用.

以堿溶液為例，不同浸泡時間后GFRP筋拉應力-應變曲線關系見圖3.由圖3可見，浸泡后試件拉應力-應變的變化特性與未浸泡試件類似，即從開始加載到峰值荷載，其拉應力-應變曲線基本呈線性增長，超過峰值荷載后突然下降，呈現脆性破壞特征.不同的是，浸泡后試件的峰值荷載隨浸泡時間的增加而逐漸降低.

圖3 堿溶液直接浸泡下GFRP筋拉應力-應變關系

表2 堿性溶液各組分配比

表3 鹽溶液各組分配比

2.2 混凝土梁內GFRP筋侵蝕試驗

將GFRP筋作為受力筋配置在混凝土梁內，梁尺寸和配筋構造詳圖見4(a).混凝土設計強度等級為C30，其配合比為水泥 ∶水 ∶砂∶石=449 ∶220 ∶615 ∶1 116，水灰比為0.49.其中水泥采用P.O 42.5硅酸鹽水泥；粗骨料采用粒徑為5～22 mm的碎石；砂選用粗砂；水為自來水.實測28 d標準立方體混凝土強度為37.9 MPa.

為了反映實際結構中混凝土梁的受荷情況，采用圖4(b)所示的兩兩自錨方式對試驗梁施加持續(xù)荷載至開裂狀態(tài).隨后將兩兩自錨梁分成兩部分，一部分試件直接置于室外，承受一般大氣環(huán)境的作用，記為自然老化環(huán)境；另一部分試件置于質量分數為5%的NaCl溶液中進行干濕循環(huán)作用，每個干濕循環(huán)周期為6 d，干濕比例為1∶1，模擬實際混凝土構件遭受海水干濕交替作用，記為加速侵蝕環(huán)境，見圖5(a).以上兩類試件的暴露時間均為366 d.待試驗結束后，將混凝土梁破型，從中取出GFRP筋，見圖5(b).清洗并干燥后按圖2(a)進行拉伸試件制備并進行力學性能測試.經測定，試件的破壞形式與拉應力-應變關系與直接浸泡試驗的試件類似.

圖4 試驗梁構造圖與自錨方式示意(mm)

圖5 混凝土梁內GFRP筋的長期侵蝕試驗

3 試驗結果及分析

3.1 直接浸泡下GFRP筋抗拉性能變化

對不同浸泡齡期的GFRP筋進行拉伸試驗，結果見表4.

表4 直接浸泡下GFRP筋拉伸試驗結果

3.1.1 抗拉強度

對比本文試驗和現有文獻[2,11-12]結果，直接浸泡后GFRP筋的抗拉強度保留率見圖6.GFRP筋的抗拉強度隨著浸泡時間的增加，均出現下降的趨勢.其中，在堿環(huán)境下退化最為明顯，鹽環(huán)境次之，清水環(huán)境影響最小.文獻[11,13]研究發(fā)現堿性溶液有較高濃度的OH-，并會與GFRP筋中的Si-O發(fā)生化學反應，使GFRP筋內部受損，抗拉強度退化明顯.已有文獻[14]指出，GFRP筋抗堿能力較為一般，而其在氯鹽環(huán)境下有著較好的耐腐蝕性能.本文試驗結果在一定程度上也驗證了這點.此外，本文GFRP筋在清水浸沒180 d后，其抗拉強度退化了11.3%.一般認為，GFRP筋在清水長時間浸泡過程中，水分會導致玻璃纖維與樹脂基體發(fā)生膨脹，且樹脂基體在清水中發(fā)生水解反應后產生少量OH-，并破壞GFRP筋中的Si-O的結構，從而導致GFRP筋的抗拉強度在清水中也出現一定程度的退化[11].

在本文試驗浸泡周期內，GFRP筋抗拉強度的退化在初期較快，隨后逐漸變緩.以本試驗中堿環(huán)境為例，在浸泡45 d后，GFRP筋的強度損失率接近總損失率的50%；而90 d至180 d(共浸泡90 d)的損失率僅為40%，文獻[2,11-12]的試驗結果也驗證這一退化規(guī)律.其原因可能在于，隨著浸泡時間的增加，溶液在GFRP筋中的擴散達到一定深度后難度加大，反應生成物在GFRP筋內部產生堆積，使侵蝕速率日趨平緩[15].

圖6 GFRP筋抗拉強度保留率隨暴露時間退化關系

由圖6可見，文獻[2]鹽環(huán)境中GFRP筋的退化速度和損傷程度均明顯高于本試驗和文獻[11]的結果，究其原因為本試驗與文獻[12]的溶液溫度為室溫，而文獻[2]的溶液溫度為60℃，這表明所處環(huán)境溫度的提高對GFRP筋抗拉強度的退化起到了明顯的加速作用.已有文獻[11]研究發(fā)現，隨著溶液溫度的升高，OH-與纖維的化學反應速率會相應提升，加快了筋材被腐蝕的速度，從而加大GFRP筋抗拉強度退化的程度.

3.1.2 彈性模量

由表4可見，經3種溶液浸泡后，GFRP筋材的彈性模量退化不明顯，彈性模量損失基本上在5%以內；且由于測量、試驗裝置等因素的影響，還會造成彈性模量略有提高的情況出現[15].因此，結合本文和文獻[11]試驗結果，可認為在常溫下GFRP筋的彈性模量受侵蝕環(huán)境影響不大.此外，文獻[2]溶液溫度雖為60 ℃，而其彈性模量的變化也與本文相近.具體原因在于[16]：FRP筋中的纖維是影響其彈性模量的主要因素，當筋材在常溫下時，并未達到纖維的軟化溫度，故在試驗周期內其彈性模量變化不大.

3.1.3 極限拉應變

不同浸泡環(huán)境下GFRP筋的極限拉應變保留率隨時間變化關系見圖7.圖7也給出了文獻[2,11]的試驗結果.由圖7可見，GFRP筋極限拉應變的退化過程與其抗拉強度的變化趨勢相近.主要原因為浸泡后GFRP筋的拉應力-應變關系仍為直線關系，且極限拉應變在數值上表現為抗拉強度與彈性模量和橫截面積乘積的比值[8].在本文試驗和文獻[2,11]中，隨著浸泡時間的增加，GFRP筋的抗拉強度逐漸下降，且其彈性模量保留率均在95%以上，所以極限拉應變與其抗拉強度的變化趨勢相近，即隨著時間的增加逐漸呈下降趨勢.

圖7 GFRP筋極限拉應變保留率隨暴露時間退化關系

3.2 混凝土梁內GFRP筋抗拉性能變化

對于置于一般大氣環(huán)境下的混凝土梁(自然老化環(huán)境)，其內部GFRP筋所處的環(huán)境可視為混凝土內堿環(huán)境為主，并受大氣環(huán)境的影響.經366 d后，測得本文試驗中自然老化環(huán)境下GFRP筋的抗拉強度保留率為92.8%.為對比分析堿環(huán)境下直接浸泡與混凝土環(huán)境對GFRP筋腐蝕的差異，綜合本文試驗和現有文獻[11-12,17-18]結果，自然老化環(huán)境與堿溶液直接浸泡(180 d)后GFRP筋的抗拉強度保留率對比關系見圖8.

圖8 兩種堿環(huán)境下GFRP筋抗拉強度保留率對比

由圖8可見，本文試驗、文獻[12,18]在堿溶液直接浸泡(180 d)后的結果遠遠大于本文自然老化試驗和文獻[11,17]的結果.究其原因為自然老化環(huán)境雖是堿性，由于受混凝土碳化的影響，其pH值會逐漸下降，從而導致混凝土腐蝕GFRP筋的能力隨時間逐漸降低.而將GFRP筋直接浸泡在堿溶液時，溶液pH值始終保持恒定，與實際混凝土相比，其腐蝕筋材效果更強，從而導致GFRP筋提前發(fā)生了劣變，大大降低其抗拉強度.

對于置于NaCl溶液干濕循環(huán)條件下混凝土梁(加速侵蝕環(huán)境)，其內部GFRP筋所處的環(huán)境以混凝土內堿環(huán)境為主，并受NaCl溶液的影響.為探究其與自然老化環(huán)境下混凝土梁內GFRP筋抗拉性能退化的差異，結合本文試驗和相關文獻[11,17,19]結果，圖9給出了加速侵蝕環(huán)境與自然老化環(huán)境下混凝土梁內GFRP筋抗拉強度保留率的對比.

圖9 混凝土梁內GFRP筋抗拉強度保留率

由圖9可見，加速侵蝕環(huán)境下本文試驗和現有文獻[17,19]的結果稍大于本文試驗和現有文獻[11,17]在自然老化環(huán)境的結果，究其原因為加速侵蝕環(huán)境下持續(xù)荷載產生的裂縫為NaCl溶液進入混凝土內部提供了途徑，使其到達GFRP筋表面的難度大大降低，從而導致其損失率高于自然老化環(huán)境.此外由于本文試驗和文獻[17,19]中的構件是置于NaCl溶液中，而GFRP筋有較強的抗氯離子侵蝕能力，故不會造成梁內GFRP筋出現較大程度的退化.而文獻[11]的梁是置于堿性溶液中，該梁中GFRP筋退化程度明顯高于在梁置于NaCl中的情況.因此，結合本試驗和現有文獻[11,17,19]，可以認為當梁置于NaCl溶液時，其內部GFRP筋退化程度有限，而當梁置于堿溶液中，其內部GFRP筋會出現較大程度的退化.

4 GFRP筋微觀結構分析

由于混凝土內GFRP筋的侵蝕效果更符合工程實際，故對未侵蝕和埋置于混凝土梁內GFRP筋的微觀結構進行了SEM觀測分析.因經過混凝土梁內侵蝕后GFRP筋的表面較為松散，為有效降低在制作電鏡觀測試樣時由人為因素導致GFRP筋內部結構損失，在切割和拋光處理前，用環(huán)氧樹脂對試樣進行嵌固.經測定未侵蝕及混凝土梁內侵蝕后GFRP筋(橫/縱)斷面的SEM結果分別見圖10、11.圖中虛線為GFRP筋試樣的外邊緣，實線是腐蝕臨界線，平整無玻璃纖維部分為環(huán)氧樹脂嵌固膠.

由圖10可見，未侵蝕的GFRP筋纖維與樹脂基體黏結緊密，且外邊緣未見纖維松散；在混凝土自然老化環(huán)境下，纖維與樹脂基體之間的黏結發(fā)生了松弛，其邊緣最外層纖維出現松散；而在混凝土加速侵蝕環(huán)境下，纖維與樹脂基體之間的黏結程度進一步降低，松散區(qū)域越來越大.值得注意的是，橫斷面上可明顯地觀察到腐蝕區(qū)域與未腐蝕區(qū)域的臨界線(圖中實線)，雖然經過侵蝕后纖維與樹脂基體黏結出現不同程度的松散，但內部的纖維和樹脂基體仍保持較好的黏結，未出現明顯的松弛.

圖10 侵蝕前后GFRP筋橫斷面SEM照片

由圖11可見，隨著環(huán)境的改變，纖維與樹脂基體雖出現不同程度的脫黏，見圖中標記處，但纖維絲的表面仍較為光滑，其表面無明顯損傷出現.這也是混凝土梁內GFRP筋抗拉性能未出現明顯退化的主要原因.

結合試驗結果和SEM微觀結構分析，可以看出GFRP筋的受侵蝕是一個沿筋材徑向從外部逐漸向內部不斷深入的過程，并且腐蝕主要造成了纖維和樹脂基體黏結的降低，在腐蝕嚴重的外層會出現脫黏，而筋材內部未腐蝕區(qū)域并沒有受到影響，纖維與樹脂基體仍能保持初始的性能，所以筋材能保持較好的抗拉性能.

圖11 侵蝕前后GFRP筋縱斷面SEM照片

5 GFRP筋抗拉強度退化對比分析與預測

5.1 直接浸泡下GFRP筋抗拉強度退化對比分析

參照已有研究成果[4,20-21]，對于鹽與堿溶液直接浸泡下的GFRP筋，可用Arrhenius模型對其抗拉強度保留率的退化進行數值擬合分析：

(1)

式中：Y為GFRP筋抗拉強度保留率；t為侵蝕時間，d；τ為擬合回歸參數.結合本文試驗，對其在鹽與堿溶液直接浸泡下抗拉強度保留率進行了擬合.

圖12(a)給出了本文試件在堿溶液浸泡下的擬合曲線以及與現有文獻[11-12,18]的對比，圖12(b)為其在鹽溶液浸泡下的擬合曲線以及與現有文獻[4,11,22]的對比.由圖12可見，本文擬合關系曲線能較好描述現有文獻[4,11-12,18,22]的試驗結果.由此可說明，本文擬合曲線具有一定適用性.

5.2 混凝土梁內GFRP筋抗拉強度退化對比分析

文獻[17]給出了自然老化環(huán)境下混凝土梁內GFRP筋抗拉性能退化模型：

(2)

結合文獻[11]和本文試驗的試驗結果，其與根據式(2)計算得到的理論值之間的對比見表5.該退化模型的理論計算值Y1與試驗值Y2吻合度較高，該退化模型具有一定的可行性.

圖12 直接浸泡下GFRP筋抗拉強度退化數值擬合與對比分析

表5 自然老化環(huán)境下混凝土梁內GFRP筋抗拉強度保留率理論值與實測值的對比

5.3 GFRP筋長期性能預測

由于試驗及人為物力等因素，研究GFRP筋長期性能退化往往是借助加速老化試驗進行的[23-24].文獻[25]提出可以從考慮環(huán)境因素的短期試驗數據回歸分析得到R10，即FRP筋抗拉強度每10 a的對數(記為Log decade)下降的百分比，進而對FRP筋的長期性能進行預測.結合此方法對本文所用GFRP筋在鹽、鹽溶液浸泡下的服役壽命進行預測.GFRP筋在鹽、堿溶液直接浸泡下服役50、100 a后的抗拉強度保留率見圖13.

圖13 GFRP筋長期性能預測

由圖13可見，本文GFRP筋直接在鹽溶液中服役50 a和100 a后，其抗拉強度保留率分別為41.3%、35.5%，而直接在堿溶液中服役50 a和100 a后，其保留率則為26.1%、19.2%.

上述結果為GFRP筋在鹽、堿溶液直接服役的預測值，對其在自然老化環(huán)境下性能的預測需進一步探討.參考本文GFRP筋在堿溶液與自然老化試驗值，結合其在堿溶液的擬合曲線可推算出本文GFRP筋在自然老化環(huán)境下暴露一年相當于堿溶液直接浸泡37 d.再結合文獻[25]的方法，預測出其在自然老化環(huán)境下服役100 a后，抗拉強度保留率為42.0%.可見，GFRP筋在實際工況下服役100 a后，仍能夠保持一定的力學性能.

6 結 論

1)GFRP筋的抗拉性能隨溶液直接浸泡時間的增加而降低；其中浸泡180 d后，GFRP筋的抗拉強度在堿溶液中退化最為明顯，鹽溶液次之，清水環(huán)境影響最小.

2)對于混凝土梁內GFRP筋，其抗拉強度下降速率明顯小于堿溶液直接浸泡.分析認為混凝土的pH值會隨碳化作用而逐漸下降，從而導致其腐蝕GFRP筋的能力隨時間逐漸降低.

3)結合試驗結果和SEM微觀結構分析，可認為導致GFRP筋抗拉性能退化的主要原因是纖維與樹脂基體黏結性能的降低.

4)由鹽、堿溶液直接浸泡下GFRP筋長期性能的預測結果，可以發(fā)現GFRP筋的抗拉性能出現明顯退化.相比而言，混凝土內GFRP筋在服役100 a后仍能保持良好的力學性能.