FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)抗老化控制及抗腐蝕性研究

潘子葉

摘 要：為解決橋梁隧道隨使用時間的延長，出現(xiàn)的嚴(yán)重老化及被腐蝕的問題，針對FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的抗老化控制及抗腐蝕性研究。根據(jù)結(jié)構(gòu)化方程，確定橋梁隧道主體的老化周期及特性，并以此為基礎(chǔ)，建立有限元抗老化控制模型，完成FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的抗老化控制。通過檢測橋梁尺寸和結(jié)構(gòu)材料的方式，計算腐蝕性離子的含量水平，并且按照配合比設(shè)計指標(biāo)的實際數(shù)值結(jié)果，實現(xiàn)針對FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的抗腐蝕特性分析。實例分析結(jié)果表明，在力學(xué)載荷作用強(qiáng)度相同的情況下，增大混凝土段長度的同時，縮小水膠比數(shù)值，是避免橋梁隧道出現(xiàn)嚴(yán)重老化及被腐蝕問題，并最大化延長其使用時間的有效方法。

關(guān)鍵詞：FRP材料;橋梁隧道結(jié)構(gòu);抗老化;抗腐蝕性;有限元模型;離子含量

中圖分類號：U441 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）12-0192-05

Research on Anti-aging Control and Corrosion Resistance of FRP Bridge Tunnel Structure

Pan Ziye

（Henan Transportation Development Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract：With the extension of service time， bridge tunnel has serious aging and corrosion problems， thus it is necessary to study the anti-aging control and corrosion resistance of FRP bridge tunnel structure. First of all， structured equation is used to determine the aging period and characteristics of the main body of bridge tunnel. And on this basis， a finite element anti-aging control model is established to complete the anti-aging control of the FRP bridge tunnel structure. Then， the size of the bridge and the structural material are detected to calculate the content level of corrosive ions， and the corrosion resistance characteristics of the FRP bridge tunnel structure are analyzed according to the actual numerical results of mix ratio design index. Finally， the case analysis results show that under the same strength of mechanical load， increasing the length of the concrete section and reducing the value of the water-binder ratio are the effective method to avoid serious aging and corrosion problems of bridge tunnels， and to maximize their service time.

Key words：FRP material， bridge tunnel structure， anti-aging， corrosion resistance， finite element model， ion content

0 引言

FRP材料的中文全稱為纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料，其包含芳綸纖維、碳纖維、玻璃纖維等多種組成物質(zhì)。在實際應(yīng)用過程中，F(xiàn)RP材料可與基體材料相互纏繞，并且經(jīng)過一系列的拉擠與模壓處理，形成多種不同的復(fù)合類應(yīng)用物質(zhì)[1-2]。根據(jù)增強(qiáng)材料種類的不同，纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料可分為芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（AFRP）、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）[3]、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）等多種形式。大多數(shù)FRP材料同時具有強(qiáng)度高、比模量大、抗腐蝕性和耐久性能強(qiáng)、材料性能可設(shè)計等多項應(yīng)用優(yōu)勢，由于其熱膨脹系數(shù)水平與混凝土結(jié)構(gòu)極為接近，因此，這些材料大多被應(yīng)用于輕質(zhì)高強(qiáng)的現(xiàn)代化建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中，既可以滿足建筑施工的工業(yè)化發(fā)展的需求，也能夠使建筑結(jié)構(gòu)的物化性能在惡劣條件下保持穩(wěn)定。

交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，能夠在一定程度上決定經(jīng)濟(jì)及社會的發(fā)展水平，而各類大大小小的橋梁，恰好成為了組成不同交通運(yùn)輸線路的咽喉結(jié)構(gòu)。隨著社會的不斷發(fā)展，人們在建設(shè)橋梁的過程中，除了追求最基本的美觀與實用性之外，也越來越注重橋梁主體的抗老化與防腐蝕特性[4]。橋梁抗老化是指利用特殊手段延緩橋體結(jié)構(gòu)的衰老程度，從而使其使用時間得以大幅的延長[5]。而防腐蝕則是指通過改變混凝土水膠比數(shù)值的方式，使橋梁結(jié)構(gòu)能夠較好抵御外界的腐蝕作用。近年來，F(xiàn)RP材料應(yīng)用技術(shù)的快速成熟，使得FRP材料型橋梁逐漸成為一種主流的交通建筑結(jié)構(gòu)，為最大化延長橋體使用年限，針對FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)抗老化控制及抗腐蝕特性展開如下研究。

1 FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的抗老化控制

FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的抗老化控制主要包含結(jié)構(gòu)化方程、老化周期和特性、有限元抗老化模型3方面研究內(nèi)容。

1.1 結(jié)構(gòu)化方程

根據(jù)FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的物化特性可知，質(zhì)點在老化過程中將具有不同的演變速度，可引入各質(zhì)點相應(yīng)的老化表現(xiàn)程度和平均老化特征，從而將橋梁隧道結(jié)構(gòu)的使用年限問題轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的瞬時使用問題[6-7]。

首先對各個質(zhì)點的老化表現(xiàn)程度進(jìn)行離散化處理，用單元節(jié)點老化表現(xiàn)向量表示結(jié)構(gòu)單元中任意點的老化特征，即

式中，表示與FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)相關(guān)的形函數(shù)矩陣;e表示平均老化速度;T 表示既定時間節(jié)點。同理

式中，為任意隧道結(jié)構(gòu)點的老化速度;為單元節(jié)點的老化速度向量;為任意隧道結(jié)構(gòu)點的老化表現(xiàn)程度;為單元節(jié)點的老化表現(xiàn)程度向量。

聯(lián)合FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的物化特性向量K，可將結(jié)構(gòu)化方程表示為：

區(qū)別于使用年限問題，F(xiàn)RP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)瞬時使用問題在數(shù)值計算方面的要求更為寬泛，除了必要特征參量以外，不對其他系數(shù)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格要求。

1.2 老化周期和特性

老化周期是指FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)在力學(xué)載荷作用下，所表現(xiàn)出來的老化演變趨勢的表現(xiàn)時間，從出現(xiàn)老化特征開始，到完全老化為止的整個階段性時長，均被稱為橋梁隧道結(jié)構(gòu)的老化周期[8-9]。在圖1所示的FRP材料型橋梁隧道的結(jié)構(gòu)中，隨著力學(xué)載荷作用強(qiáng)度的增大，主墩會出現(xiàn)一定程度的物理形變，在此情況下，隧道受到來自外界的擠壓作用，并最終呈現(xiàn)向內(nèi)偏移的變化形式，從而使得隧道中部的空隙區(qū)間逐漸減小[10]。

抗老化特性則是與老化周期相對的指標(biāo)參量，對于FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)而言，其老化周期的取值結(jié)果越大，與之對應(yīng)的抗老化特性也就越明顯。設(shè)c、m表示兩個不同的力學(xué)載荷系數(shù);xc、xm分別表示與載荷系數(shù)相關(guān)的力學(xué)作用條件;表示xc與xm的平均取值結(jié)果;ω表示橋梁隧道結(jié)構(gòu)的抗老化表現(xiàn)指征向量;表示老化周期的單位表現(xiàn)時長。在上述物理量的支持下，聯(lián)立公式（4），可將FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的抗老化特性定義為：

在已知結(jié)構(gòu)化方程的前提下，可以根據(jù)老化周期及其特性表現(xiàn)條件，對FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的抗老化能力進(jìn)行預(yù)測。

1.3 有限元抗老化模型

有限元抗老化模型可用來衡量FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)是否具有抵御外界老化作用的能力。一般來說，隨著橋梁使用年限的延長，外界老化作用的表現(xiàn)強(qiáng)度也會不斷增大。設(shè) λ 代表既定的有限元系數(shù)參量;、表示兩個不同的FRP材料選型系數(shù)，聯(lián)立公式（5），可將橋梁隧道結(jié)構(gòu)的有限元抗性作用表示為：

規(guī)范的橋梁隧道結(jié)構(gòu)抗老化特性受到多項外界條件的影響，因此，為獲得較為理想化的有限元抗老化模型，應(yīng)對外界老化作用強(qiáng)度進(jìn)行定向劃分。按照既定認(rèn)知的標(biāo)準(zhǔn)，一般將不能造成明顯形變的老化作用定義為Ⅰ級影響，將造成輕微形變的老化作用定義為Ⅱ級影響，以此類推。老化作用的形變等級越高，其影響級別也就相對越高。設(shè)s、a表示兩個不同的老化作用形變等級條件，且在實際應(yīng)用的過程中，的不等式條件恒成立，聯(lián)立公式（6），可將FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的有限元抗老化模型定義為：

式中，ε 表示老化作用強(qiáng)度的定向劃分系數(shù); f? 表示抗性特征值;表示FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)在老化作用下所表現(xiàn)出來的單位形變量。對于FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)而言，有限元抗老化模型反映了橋體結(jié)構(gòu)的局限性，可作為保障橋梁應(yīng)用穩(wěn)定性的重要參考條件。

2 FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性分析

在抗老化控制思想的基礎(chǔ)上，按照橋梁尺寸和結(jié)構(gòu)材料檢測、離子含量確定以及配合比設(shè)計參數(shù)計算的處理流程，實現(xiàn)分析FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的抗腐蝕特性。

2.1 橋梁尺寸和結(jié)構(gòu)材料的檢測

為使隧道結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力得到大幅地提升，針對FRP材料型橋梁尺寸的檢測，應(yīng)包含如下幾個實施流程。

（1）利用檢定過的數(shù)顯卡尺、鋼卷尺等操作工具，對FRP材料型橋梁構(gòu)件的特定尺寸信息進(jìn)行量測。在實施量測處理時，應(yīng)選取不少于3個斷面作為實測對象，且為了保證測量數(shù)據(jù)的合理性，應(yīng)以多個數(shù)據(jù)參量的平均值代替橋梁部件的實測尺寸。

（2）對于FRP材料型橋梁而言，由于組成構(gòu)件大都具有相對穩(wěn)定的物化性質(zhì)，所以隨著使用年限時間的延長，關(guān)聯(lián)構(gòu)件也總是保持相同的老化程度[11]。在此情況下，為保證橋梁主體隧道結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗腐蝕性能力，應(yīng)注重對混凝土材料水膠比數(shù)值的精準(zhǔn)控制。

（3）一般來說，為保證橋梁主體的絕對穩(wěn)定性[12]，隧道結(jié)構(gòu)大都存在于兩個支點之間，此時應(yīng)注重對于支點與橋面材料的同步保護(hù)。

結(jié)構(gòu)材料檢測也叫對FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)抗腐蝕性能力的檢測，一般來說，隨著橋梁跨度的增大，隧道結(jié)構(gòu)所需承擔(dān)的被腐蝕風(fēng)險會不斷增大。設(shè)表示FRP材料型橋梁的跨度系數(shù); l 表示橋梁結(jié)構(gòu)的水平長度; ρ 代表混凝土材料的水膠比均值; y 表示橋梁隧道的結(jié)構(gòu)化系數(shù)。聯(lián)立上述物理量，可將FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性檢測條件表示為：

根據(jù)公式（8）可知，在實際應(yīng)用過程中，混凝土材料的水膠比數(shù)值越小，隧道結(jié)構(gòu)在抗腐蝕方面的表現(xiàn)能力也就越強(qiáng)。

2.2 離子含量

混凝土作為FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的主要組成物質(zhì)，其中包含大量的粗骨料、細(xì)骨料、添加纖維等顆粒狀產(chǎn)物。而離子含量檢測則是探究FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)抗腐蝕特性的關(guān)鍵執(zhí)行環(huán)節(jié)，可在完全過濾懸浮性顆粒物質(zhì)的同時，對混合溶液中Ca2+、Mg2+、Cu2+、Fe2+、Fe3+、Cl-、SO42-等金屬與非金屬離子含量的實時檢測。在建設(shè)FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的過程中，為增強(qiáng)混凝土物質(zhì)的凝固度與硬度水平，在原有基礎(chǔ)上，添加大量的金屬與非金屬離子，一方面能夠?qū)υ形镔|(zhì)的物化性質(zhì)進(jìn)行鞏固[13-14];另一方面可實現(xiàn)提升隧道結(jié)構(gòu)整體抗腐蝕性能力。設(shè)r1代表一種金屬類離子，r2代表一種非金屬類離子，聯(lián)立公式（8），可將其含量表達(dá)式分別定義為：

式中，β1表示金屬離子的抗腐蝕特征;β2表示非金屬離子的抗腐蝕特征;I1表示金屬離子在單位時間內(nèi)的抗腐蝕表現(xiàn)作用強(qiáng)度;I2表示非金屬離子在單位時間內(nèi)的抗腐蝕表現(xiàn)作用強(qiáng)度;W1表示與金屬離子相關(guān)的抗腐蝕抵御作用能力;W2表示與非金屬離子相關(guān)的抗腐蝕抵御作用能力。根據(jù)金屬離子、非金屬離子在混凝土原料中的具體含量水平，可以繼續(xù)求解FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的水膠比數(shù)值。

2.3 配合比設(shè)計參數(shù)

配合比設(shè)計參數(shù)描述了混凝土材料中，金屬離子與非金屬離子之間的混合配比關(guān)系。對于FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)來說，隨著使用年限的延長，外界老化作用的表現(xiàn)強(qiáng)度也在不斷增大，在此情況下，只有合理分配混凝土材料中的金屬離子與非金屬離子配比關(guān)系，才能實現(xiàn)對水膠比數(shù)值的有效控制，即使隧道結(jié)構(gòu)具有最強(qiáng)的抗腐蝕性能力[15]。在已知金屬離子、非金屬離子含量的前提下，可根據(jù)FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的質(zhì)量水平，對配合比設(shè)計參數(shù)值進(jìn)行計算，從而使得整個橋梁結(jié)構(gòu)體的抗腐蝕能力得以大幅提升。設(shè)G表示FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的自身質(zhì)量;η表示配比標(biāo)準(zhǔn);θ 表示金屬離子與非金屬離子之間的配比系數(shù)。聯(lián)立公式（9），可將配合比設(shè)計參數(shù)表達(dá)式定義為：

參照配合比設(shè)計參數(shù)的實值結(jié)果，對混凝土材料中的金屬離子與非金屬離子進(jìn)行按需混合，在有效控制FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)所承擔(dān)老化作用強(qiáng)度的同時，實現(xiàn)對其抗腐蝕性能力的最大化提升。

3 實例分析

在實際應(yīng)用過程中，抗老化能力、抗腐蝕能力均能反映橋梁隧道的可使用年限時長，一般來說，抗老化能力與抗腐蝕能力越強(qiáng)，橋梁隧道的可使用年限時間也就越長。

混凝土段長度能夠反映FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)所具備的抗老化能力。已知FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的抗老化能力表達(dá)式為：

式中，f 表示力學(xué)載荷作用強(qiáng)度; L 表示混凝土段長度數(shù)值。根據(jù)公式（11），可提出假設(shè)（1）：在力學(xué)載荷作用強(qiáng)度保持穩(wěn)定的情況下，混凝土段長度越大，F(xiàn)RP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)所具備的抗老化能力也就越強(qiáng)。

混凝土水膠比數(shù)值則能夠反映FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)所具備的抗腐蝕性能力。已知FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能力表達(dá)式為：

式中，φ表示混凝土材料的配比條件;μ表示混凝土水膠比數(shù)值。根據(jù)公式（12），可提出假設(shè)（2）：在力學(xué)載荷作用強(qiáng)度保持穩(wěn)定的情況下，混凝土水膠比數(shù)值越小，F(xiàn)RP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)所具備的抗老化能力也就越強(qiáng)。

建立如圖2所示的FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)示意圖，通過人工模擬的方式，使橋體所承擔(dān)的力學(xué)載荷作用強(qiáng)度與理想數(shù)值保持一致。在該力學(xué)載荷作用強(qiáng)度下，多次更改混凝土段長度與水膠比數(shù)值，并根據(jù)具體的實驗數(shù)值，對FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)的抗老化及抗腐蝕能力進(jìn)行預(yù)測。

圖3反映了不同混凝土段長度條件下，F(xiàn)RP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)所具備的抗老化能力的數(shù)值變化情況。

由圖3可知，隨著實驗時間的延長，F(xiàn)RP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)所具備的抗老化能力全部呈現(xiàn)不斷下降的數(shù)值變化趨勢。當(dāng)混凝土段長度取值為18 cm時，F(xiàn)RP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)所具備的抗老化能力最大值為56.2%;當(dāng)混凝土段長度取值為19 cm時，F(xiàn)RP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)所具備的抗老化能力最大值為68.1%;當(dāng)混凝土段長度取值為20 cm時，F(xiàn)RP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)所具備的抗老化能力最大值為69.4%;當(dāng)混凝土段長度取值為21 cm時， FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)所具備的抗老化能力最大值為74.8%。綜上可知，假設(shè)（1）成立。

表1記錄了不同混凝土水膠比數(shù)值條件下，F(xiàn)RP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)所具備的抗腐蝕能力的數(shù)值變化情況。

由表1可知，隨著實驗時間的延長，F(xiàn)RP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)所具備的抗腐蝕能力呈現(xiàn)不斷下降的變化趨勢。當(dāng)混凝土水膠比數(shù)值等于10、8、5、3時，F(xiàn)RP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)所具備的抗腐蝕能力均值水平逐漸升高，與假設(shè)（2）的猜想結(jié)果相符合。綜上可知，在力學(xué)載荷作用強(qiáng)度相同的情況下，增大混凝土段長度并適當(dāng)縮小水膠比數(shù)值，能夠同時提升FRP材料型橋梁隧道結(jié)構(gòu)所具備的抗老化能力與抗腐蝕能力，對于延長橋梁隧道的使用時間，可以到一定的促進(jìn)性作用。

4 結(jié)語

對于FRP材料型橋梁隧道的結(jié)構(gòu)而言，抗老化控制應(yīng)從增大混凝土段長度的角度著手，在結(jié)構(gòu)化方程的基礎(chǔ)上，計算主體結(jié)構(gòu)的老化周期與特性，從而建立更加完善的有限元抗老化模型。而在抗腐蝕性研究方面，則應(yīng)該注重有效控制水膠比的數(shù)值，一方面注重金屬與非金屬離子之間的配比關(guān)系;另一方面計算配合比設(shè)計指標(biāo)的具體數(shù)值。

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