鹽湖高寒地區(qū)GFRP夾芯復(fù)合筋耐久性研究1)

李雙營 趙建昌

*(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州730070)

?(青海民族大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，西寧810007)

在我國鹽湖地區(qū)，氯離子滲入混凝土結(jié)構(gòu)引起鋼筋腐蝕破壞是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要問題[1]，鋼筋銹蝕是結(jié)構(gòu)喪失原有承載力，難以達到預(yù)期使用壽命的主要因素。研究發(fā)現(xiàn)，纖維增強復(fù)合材料( fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)與鋼筋相比，有高強、輕質(zhì)、耐腐蝕等力學(xué)性能，在鐵路、房屋建筑、地下領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在鹽湖地區(qū)，纖維增強材料筋代替鋼筋作為加強筋是解決鋼筋銹蝕的有效途徑[2]；日本和歐美國家對纖維增強復(fù)合材料筋在鐵路、房屋建筑、地下領(lǐng)域等取得比較多的成果，應(yīng)用技術(shù)早于中國[3-7]。國內(nèi)東南大學(xué)、浙江大學(xué)等在纖維增強復(fù)合材料筋方面取得了一些成果：張新越等[8]在凍融環(huán)境與酸堿鹽腐蝕作用下，對自制的玻璃纖維增強材料筋的耐久性進行試驗研究，結(jié)果表明：玻璃纖維筋具有很好的凍融和耐酸鹽腐蝕的性能，碳纖維筋具有比玻璃纖維更好的凍融和耐酸堿鹽腐蝕的性能；王海良等[9]通過試驗對3種直徑不同的玄武巖纖維(basalt fiber reinforced polymer，BFRP)筋在凍融循環(huán)、酸溶液及其耦合作用下耐久性進行研究，分析環(huán)境類型及作用時間對其彈性模量、抗拉強度的影響；高永紅等[10]對直徑16 mm玻璃纖維增強復(fù)合材料 (glass fiber reinforced polymer，GFRP)筋單調(diào)一次拉伸及在應(yīng)力上限水平為0.3σb，0.6σb(σb為筋體的極限抗拉強度)的9次循環(huán)加載拉伸損傷后的GFRP筋進行拉伸試驗，分析GFRP筋體在破壞前后的拉伸力學(xué)性能變化規(guī)律，結(jié)果表明:筋材的極限抗拉強度隨循環(huán)拉伸應(yīng)力的增加呈下降趨勢，折點處強度隨循環(huán)拉伸應(yīng)力的增加呈上升趨勢；劉生緯等[11]用解析法和有限元法分析了復(fù)合材料在邊坡穩(wěn)定性中的應(yīng)用；靳文強等[12]通過實驗研究了黏土磚在濃度為10%硫酸鹽干濕循環(huán)作用下質(zhì)量、相對動彈性模量及強度退化機理；劉廷濱等[13]提出了能夠定量預(yù)測復(fù)雜環(huán)境下混凝土耐久性損失的方法；王依兵等[14]基于細觀力學(xué)理論，提出了橫觀各向異性復(fù)合材料彈性常數(shù)的分析模型。李趁趁等[15]模擬了堿性環(huán)境中FRP筋的耐久性；從FRP筋研究現(xiàn)狀及應(yīng)用形式看，國內(nèi)外學(xué)者在對FRP筋拉伸性能、抗剪性能、徐變斷裂性能及其混凝土結(jié)構(gòu)性能研究方面進行了較為深入的研究，試驗工況多為單調(diào)載荷和單種因素影響下的 FRP復(fù)合材料的各種性能的研究，而對纖維混雜結(jié)構(gòu)的研究比較少，特別是GFRP夾芯復(fù)合(內(nèi)部為鋼筋，外部是GFRP筋)的研究更為少見，另外從國內(nèi)外的研究看，在各種因素的耦合作用下FRP筋的各種性能的變化規(guī)律也很少見。因此本文主要考慮在多重因素作用下GFRP筋和GFRP夾芯復(fù)合筋的耐久性研究，為實際工程的應(yīng)用提供理論支撐。

1 試驗部分

1.1 主要原料

南京鋒暉復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的玻璃纖維增強復(fù)合筋 (GFRP筋)，直徑 12 mm 的實心筋和GFRP筋夾芯復(fù)合筋 (內(nèi)部為鋼筋，外部是 GFRP筋，簡稱 GFRP夾芯筋)，直徑 12 mm(鋼筋直徑6 mm，外裹厚度為6 mm的玻璃纖維筋)。

1.2 樣品制備

筋材試樣稱重完成后，將其做成700 mm的試拉件，其中標距L0=300 mm，夾芯鋼筋(里面是鋼筋，外面是玻璃纖維筋)，用套管錨固試拉件的兩端(圖1)，套管用無縫鋼管制作而成，兩端的錨固長度分別為200 mm，鋼管內(nèi)徑比試樣筋材桿件的直徑大4 mm，壁厚3 mm，鋼管與纖維之間的錨固用環(huán)氧樹脂和固化劑按照4:1的比例配合而成。

圖1 GFRP筋(GFRP夾芯筋)的尺寸圖

1.3 試驗方法

拉伸性能試驗采用上海華龍儀器有限公司的DN150的電子萬能試驗機，加載步驟按照 GB/T3-0022–2013纖維增強復(fù)合材料筋基本力學(xué)性能試驗方法進行[16]，先對試拉件進行5 mm/min位移控制預(yù)加載，當達到屈服強度的20%～30%時，預(yù)加載結(jié)束，卸載到載荷為0時再以5 mm/min位移控制正式加載，直到試拉件破壞，觀察應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化規(guī)律，記錄破壞載荷、抗拉強度和彈性模量等指標，試驗過程中有滑筋、端頭拉斷等現(xiàn)象時，該試拉件報廢。

鹽湖鹵水的配置按以下方法實施[17]：青海鹽湖鹵水中的元素比例是Mg2+，Ca2+，Cl－，SO2+復(fù)合型，Mg2+占35129.7 mg/L，Ca2+占4241 mg/L，Cl－占 204209 mg/L，SO2+占 22290 mg/L，本項目所用鹵水是按照實際比例配置而成。

干濕循環(huán)試驗在硫酸鹽腐蝕箱中進行，參照GB/T50082-2009普通混凝土長期性能和耐久性能實驗方法標準[18]的制度進行，在鹵水中干濕循環(huán)腐蝕的實驗步驟如下：鹵水的質(zhì)量分數(shù)為5%，其循環(huán)過程為：試件在常溫下鹵水中自然浸泡14 h，之后通過排水管排出溶液，在溫度為40°C干燥箱中烘干8 h，最后慢慢關(guān)閉干燥箱的加熱系統(tǒng)，在自然環(huán)境下冷卻2 h，一個循環(huán)過程結(jié)束。

根據(jù) GB/T50082-2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準[18]，青海鹽湖環(huán)境的凍融試驗按以下步驟實施：采用北京耐恒設(shè)備有限公司生產(chǎn)的快速凍融試驗機模擬青海鹽湖環(huán)境做凍融試驗，將直徑 16 mm GFRP筋浸入凍融機中進行凍融試驗，每天凍融循環(huán)次數(shù)為6次，在溫度為25°C中融化1 h左右，之后將凍融機的溫度控制在-18°C左右進行冷凍4 h，一個凍融循環(huán)結(jié)束。

1.4 試驗環(huán)境和參數(shù)設(shè)置

在鹽湖鹵水、干濕循環(huán)、凍融作用下各構(gòu)件的力學(xué)性能退化規(guī)律，具體有四個工況：

第一工況：鹽湖鹵水作用下 (一次拉伸)(長度700 mm，直徑16 mm的GFRP筋和GFRP夾芯復(fù)合筋)，浸泡周期 (15 d，30 d，60 d，90 d，120 d)，簡記作 L15，L30，L60，L90，L120。

第二工況：鹽湖鹵水+干濕循環(huán)作用下 (一次拉伸)(長度 700 mm，直徑 16 mm 的 GFRP筋和 GFRP夾芯復(fù)合筋)，循環(huán)周期 (10周期，20周期，30周期，40周期，50周期)，簡記作L15+X10，L30+X20，L60+X30，L90+X40，L120+X50。

第三工況：凍融作用：(一次拉伸)(長度550 mm，直徑16 mm的GFRP筋和GFRP夾芯復(fù)合筋)，凍融循環(huán)次數(shù)(10次，50次，100次，150次，300次)；簡記作 D10，D50，D100，D150，D300。

第四工況：鹽湖鹵水+干濕循環(huán)+凍融耦合作用(一次拉伸)(長度550 mm，直徑16 mm的GFRP筋和GFRP夾芯復(fù)合筋)。干濕循環(huán)10次，凍融10次；干濕循環(huán)20次，凍融 50次；干濕循環(huán)30次，凍融100次；干濕循環(huán)40次，凍融150次；干濕循環(huán) 50次，凍融 300次，簡記作 L15+X10+D10，L30+X20+D50， L60+X30+D100， L90+X40+D150，L120+X50+D300。

每個工況各需要90根玻璃纖維筋 (GFRP)和GFRP筋夾芯復(fù)合筋 90根，共 360根玻璃纖維筋(GFRP)和360根GFRP筋夾芯復(fù)合筋。

2 玻璃纖維筋的破壞機理

玻璃纖維筋是由玻璃纖維和聚合物基材通過環(huán)氧樹脂和固化劑按照一定的比例組合而成，玻璃纖維含量較大，約占60%～82%，其余為基體。國內(nèi)外試驗研究表明：玻璃纖維含量與FRP筋的強度、力學(xué)性能和耐久性成正比例關(guān)系，玻璃纖維筋力學(xué)性能和耐久性退化的主要原因是[19]：當玻璃纖維筋中的Si–O鍵隨著各種環(huán)境因素特別是堿溶液OH－作用斷裂，樹脂基體中的酯鍵隨著各種環(huán)境因素的退化可用下式表示

金清平等[20]借助掃描電子顯微鏡觀察筋體各階段受力下的細觀結(jié)構(gòu) (圖 2)，掃描圖顯示樹脂和玻璃纖維填充不致密，黏結(jié)和分布不均勻，內(nèi)部存在一定的缺陷。根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)的特征，玻璃纖維筋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會隨著干濕循環(huán)、凍融次數(shù)等環(huán)境的侵蝕發(fā)生變化，導(dǎo)致力學(xué)性能改變。

圖2 聚乙烯晶體的掃描圖[20]

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 力學(xué)指標計算

GFRP筋材拉伸強度計算公式為

式中，σ為筋材實測抗拉強度，MPa；d為筋材直徑，mm；P為筋材最大實測載荷，kN。

GFRP筋拉伸彈性模量計算公式為

式中，P1和ε1為50%最大破壞載荷對應(yīng)的載荷和相應(yīng)的應(yīng)變，N和無量綱；E為FRP筋拉伸彈性模量，MPa；P2和ε2為最大極限載荷的 25% 對應(yīng)的載荷和應(yīng)變，N和無量綱。

GFRP筋極限應(yīng)變計算公式為

式中，εu為 GFRP筋的極限應(yīng)變，無量綱；fu為GFRP筋的極限抗拉強度，MPa。

3.2 GFRP筋和GFRP夾芯筋的單調(diào)一次拉伸和循環(huán)拉伸的表觀特征及本構(gòu)關(guān)系

3.2.1 GFRP筋一次拉伸和循環(huán)拉伸的表觀特征及本構(gòu)關(guān)系

GFRP筋單調(diào)一次拉伸試驗中，載荷小于68 kN時，應(yīng)力達到302 MPa，應(yīng)變0.581%，試件表面幾乎無變化，載荷與應(yīng)力幾乎成正比例關(guān)系；當載荷大于68 kN時，隨著載荷的增加，由于應(yīng)力集中導(dǎo)致纖維絲斷裂破壞，GFRP筋不定時發(fā)出一聲較微弱的聲響，部分玻璃纖維筋從樹脂基體中剝離。當施加載荷接近203 kN時，出現(xiàn)急促的纖維斷裂聲響；樹脂在極限抗拉強度 67 MPa時發(fā)生失效破壞，此時應(yīng)變3.523%，載荷在68 kN～203 kN之間，載荷與應(yīng)力幾乎成正比例關(guān)系，但是斜率減小，從實驗現(xiàn)象可以得出：GFRP筋單調(diào)一次拉伸試驗中應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系可以用兩條折線來表示，如圖3(模型a)，彈性模量由4.441減小到2.778，隨著載荷的增加，試件中部薄弱處首先出現(xiàn)裂縫，部分玻璃纖維集中成束狀，基體突然破壞，屬于脆性破壞。

GFRP 筋循環(huán)拉伸作用下，應(yīng)力達到 0.4σb(270 MPa)，還沒有達到 302 MPa(折點應(yīng)力)，所以，應(yīng)變較小，彈性模量也小，循環(huán)5次過程中由載荷-位移曲線可以得到：起始位移為3.70 mm。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，加載應(yīng)力上限0.4σb對應(yīng)的載荷減小為54 kN，在循環(huán)加載-卸載過程中載荷-位移的關(guān)系均呈正比例。當循環(huán)次數(shù)結(jié)束載荷卸載完成后，GFRP筋的實際位移為4.00 mm，比GFRP筋起始位移3.70 mm增加了0.30 mm，殘余變形幾乎沒有發(fā)生。

3.2.2 GFRP夾芯復(fù)合筋一次拉伸的表觀特征及本構(gòu)關(guān)系

直徑為16 mm的GFRP夾芯筋(內(nèi)鋼筋8 mm，外 GFRP筋 8 mm)一次拉伸作用下，當作用在GFRP夾芯筋復(fù)合材料的載荷逐漸增加時，低延伸率的玻璃纖維首先破壞，但是它們被高延伸率的鋼筋約束著，雖然玻璃纖維已經(jīng)斷裂不連續(xù)，但玻璃纖維仍能夠繼續(xù)承擔(dān)剪切載荷，并且仍對剛度有貢獻，導(dǎo)致GFRP夾芯筋復(fù)合材料的斷裂應(yīng)變比單一碳纖維大?；蛘咭部梢赃@樣理解，在GFRP夾芯筋復(fù)合材料中，高延伸的鋼筋起著抑制玻璃纖維裂紋傳播的作用，能夠減少玻璃纖維災(zāi)難性裂紋增長的概率，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可用圖4(模型b)表示。

圖3 模型a

圖4 模型b

3.3 工況一：在鹽湖鹵水作用下(一次拉伸)GFRP筋和GFRP夾芯筋

表 1為鹽湖鹵水作用的測試結(jié)果，可以看到，在鹽湖鹵水環(huán)境下，隨著齡期的增加，GFRP筋和GFRP夾芯筋的抗拉強度都減小，GFRP筋從677.98減小到 598.12，減小了 12%，而 GFRP夾芯筋從455.58減小到376.18，減少了17%，GFRP夾芯筋由于構(gòu)造的原因減少幅度較大；另外，GFRP筋無屈服強度，GFRP夾芯筋有屈服強度，并且隨著在鹵水溶液中浸泡齡期的增大，GFRP夾芯筋的屈服強度減?。欢鳪FRP筋隨著在鹵水溶液中浸泡齡期的增大，彈性模量先減小后增大，但GFRP夾芯筋的彈性模量一直增大；GFRP筋和GFRP夾芯筋的斷裂應(yīng)變都減小，GFRP筋由3.523減小到0.581，表現(xiàn)出明顯的脆性，GFRP夾芯筋由18.314減少到13.178，斷裂時相對應(yīng)變較大，有一定的延性。

表1 鹽湖鹵水作用的測試結(jié)果

3.4 工況二：凍融作用下 (一次拉伸)GFRP筋和GFRP夾芯筋力學(xué)性能退化規(guī)律

從表2的數(shù)據(jù)可以得到，在鹽湖鹵水環(huán)境下，隨著齡期的增加，GFRP筋和GFRP夾芯筋的抗拉強度都減小；另外，GFRP筋無屈服強度，GFRP夾芯筋有屈服強度，并且隨著齡期的增加，屈服強度在減小；GFRP筋隨著齡期的增加，彈性模量先減小后增大，而GFRP夾芯筋的彈性模量一直增大；GFRP筋和GFRP夾芯筋的斷裂應(yīng)變都減小，GFRP筋由3.423減小到0.421，表現(xiàn)出明顯的脆性，GFRP夾芯筋由15.324減少到10.175。鹽湖鹵水單因素作用下抗拉強度、彈性模量、斷裂應(yīng)變降低的幅度更大，這是由干濕循環(huán)的環(huán)境改變導(dǎo)致的。

3.5 工況三：鹽湖鹵水+干濕循環(huán)(一次拉伸)GFRP筋和GFRP夾芯筋力學(xué)性能退化規(guī)律

從表3鹽湖鹵水+干濕循環(huán)作用下的測試結(jié)果可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加，GFRP筋和GFRP夾芯筋的抗拉強度都減??；另外，GFRP筋無屈服強度，GFRP夾芯筋有屈服強度，并且隨著凍融次數(shù)的增加，其屈服強度和彈性模型的變化表現(xiàn)出的現(xiàn)象與在鹵水溶液中表現(xiàn)出的現(xiàn)象一樣；GFRP筋和GFRP夾芯筋的斷裂應(yīng)變都減小，GFRP筋由3.512減小到0.897，表現(xiàn)出明顯的脆性，GFRP夾芯筋由17.324減少到13.31。

從表4鹽湖鹵水浸泡+干濕循環(huán)作用+凍融循環(huán)耦合作用下的測試結(jié)果可以看出，隨著干濕、凍融循環(huán)次數(shù)的增加，GFRP筋和GFRP夾芯筋的抗拉強度都減?。涣硗?，GFRP筋無屈服強度，GFRP夾芯筋有屈服強度，并且隨著干濕循環(huán)凍融次數(shù)的增加，其屈服強度逐漸減??；GFRP筋的彈性模量隨著干濕循環(huán)凍融次數(shù)的增加先減小后增加，而GFRP夾芯筋的彈性模量隨著干濕循環(huán)凍融次數(shù)的增加而增加；GFRP筋和 GFRP夾芯筋的斷裂應(yīng)變都減小，GFRP筋由3.347減小到0.321，表現(xiàn)出明顯的脆性，GFRP夾芯筋由17.319減少到10.175.各種因素耦合作用下，各物理量的減小程度更大，GFRP筋和GFRP夾芯筋都表現(xiàn)出明顯的脆性。

表4 鹽湖鹵水+干濕循環(huán)+凍融耦合作用下的測試結(jié)果

4 鹵水作用、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)及耦合作用下的數(shù)據(jù)分析

為方便分析GFRP筋、GFRP夾芯筋在鹵水作用、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)及耦合作用后力學(xué)性能的退化規(guī)律，將工況1鹽湖鹵水腐蝕齡期120天(L120)、工況2鹽湖鹵水+干濕循環(huán)(L120+X50)、工況3凍融作用下(D300)、工況4鹽湖鹵水+干濕循環(huán)+凍融耦合(L120+X50+D300)作用下的各力學(xué)性能繪制成圖，從圖 5～圖 8可以得到，耦合因素作用下GFRP筋和GFRP夾芯復(fù)合筋的極限抗拉強度、彈性模量均比單因素作用下小，而在單因素作用下，隨著齡期的增加，彈性模量先減少后增加，且腐蝕性的大小關(guān)系是：鹽湖鹵水+干濕循環(huán)+凍融耦合＞鹽湖鹵水+干濕循環(huán)＞凍融＞鹽湖鹵水，GFRP筋在各種因素作用下，其腐蝕程度較小，無明顯的屈服強度，屬于脆性破壞，而直徑為16 mm的GFRP夾芯復(fù)合筋由于內(nèi)外鋼筋和纖維筋各8 mm，所以各力學(xué)性能比較理想，外部的玻璃纖維筋由于腐蝕較小起到一個保護的作用，且隨著載荷的增加玻璃纖維的應(yīng)變要比鋼筋的應(yīng)變小，極限抗拉強度大，所以GFRP夾芯復(fù)合筋的裂縫首先出現(xiàn)在纖維表面，雖然纖維表面出現(xiàn)裂縫，但是纖維起著保護和承載兩方面的作用，當裂縫較多時，GFRP夾芯復(fù)合筋的承載能力主要鋼筋承擔(dān)，表現(xiàn)出鋼筋的力學(xué)性能，所以在受載荷作用的過程中表現(xiàn)出一定的延性，兩者配合承載體現(xiàn)了各自的優(yōu)缺點，性能互補，達到一定的目的。

圖5 GFRP筋和GFRP夾芯筋極限抗拉強度的對比圖

圖6 GFRP筋在彈性模量的變化圖

圖7 GFRP夾芯筋彈性模量的變化圖

圖8 GFRP筋和GFRP夾芯筋彈性模量的變化圖

5 結(jié) 論

(1)GFRP筋的一次拉伸試驗不存在屈服強度，應(yīng)力應(yīng)變曲線用兩段折線來表示，在破壞之前，應(yīng)變的變化量較小，表現(xiàn)出明顯的脆性；GFRP夾芯復(fù)合筋是一個新型材料，在一次拉伸過程中，由于外部的玻璃纖維筋腐蝕較小起到一個保護的作用，且隨著載荷的增加玻璃纖維的應(yīng)變要比鋼筋的應(yīng)變小，極限抗拉強度大，所以GFRP夾芯復(fù)合筋的裂縫首先出現(xiàn)在纖維表面，雖然纖維表面出現(xiàn)裂縫，但是纖維起著保護和承載兩方面的作用，當裂縫較多時，GFRP夾芯復(fù)合筋的承載能力主要鋼筋承擔(dān)，表現(xiàn)出鋼筋的力學(xué)性能，存在明顯的屈服強度，應(yīng)力應(yīng)變用三段線來表示，表現(xiàn)出明顯的延性，同時抗腐蝕能力增強，在鹽湖地區(qū)是一種比較理想的新型材料。

(2)在多重因素耦合作用下，隨著鹽湖鹵水腐蝕周期、凍融次數(shù)、干濕循環(huán)次數(shù)的增加，GFRP筋和GFRP夾芯復(fù)合筋的抗拉強度逐漸減小，但是GFRP筋減小的幅度較小，而GFRP夾芯復(fù)合筋由于有鋼筋的存在，抗拉強度減小比較大，特別是在鹽湖鹵水90 d以上，凍融150次以上時GFRP夾芯復(fù)合筋的極限抗拉強度實驗不是很明顯，屈服強度減小并且與抗拉極限強度接近，表現(xiàn)出明顯的脆性。在各種因素作用下GFRP筋隨著齡期的增加彈性模量先減少后增加，而GFRP夾芯復(fù)合筋的彈性模量逐漸減小，相對來講減小的幅度不是很大。

(3)各種耦合因素作用下 GFRP筋和 GFRP夾芯復(fù)合筋的極限抗拉強度、彈性模量均比單因素作用下小，而在單因素作用下，隨著齡期的增加，彈性模量先減少后增加，且腐蝕性的大小關(guān)系是鹽湖鹵水+干濕循環(huán)+凍融耦合＞鹽湖鹵水+干濕循環(huán)＞凍融＞鹽湖鹵水。