真實海水環(huán)境下海水海砂混凝土內(nèi)FRP筋性能退化研究

修林鵬，常宇飛，周 智，歐進(jìn)萍

（1. 大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024；2. 海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南 海口 570228；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）土木與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

海洋工程建設(shè)已成為土木工程建設(shè)的重點(diǎn)工作. 當(dāng)前，河砂、淡水資源日益枯竭，無法滿足巨大的工程需求［1］. 然而，沿海地區(qū)、海島地域，海水、海砂儲量豐富，若使用海水海砂拌和混凝土，并將其用于海洋工程建設(shè)，不僅可以大幅降低河砂和淡水的使用，還可實現(xiàn)就地取材，有巨大的成本優(yōu)勢. 研究表明，海水海砂混凝土（Seawater and sea sand concrete，SWSSC）的基本力學(xué)性能與普通混凝土相似［2］.

海洋環(huán)境下，海水海砂中的氯離子會使鋼筋發(fā)生嚴(yán)重的銹蝕，降低結(jié)構(gòu)承載力和使用壽命［3］. 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（簡稱FRP）筋抗氯鹽侵蝕能力優(yōu)異［4-8］，以FRP 筋合理代替鋼筋應(yīng)用于海水海砂混凝土結(jié)構(gòu)，能夠避免由于氯離子引起的鋼筋銹蝕問題，降低建造和維護(hù)成本. 但是，海洋環(huán)境下FRP筋在海水海砂混凝土內(nèi)的耐久性仍需進(jìn)一步研究.

已有的混凝土內(nèi)FRP 筋耐久性研究集中于將FRP 筋浸泡于恒定溫度、恒定pH 的堿性溶液中進(jìn)行加速腐蝕試驗［9-13］. 然而，實際環(huán)境下由于海水中氯離子（Cl-）和硫酸根離子（SO42-）的交互作用，真實海水環(huán)境下海水海砂混凝土孔隙液的pH會發(fā)生動態(tài)變化［14］，并且環(huán)境溫度波動變化. 這導(dǎo)致真實海水環(huán)境下海水海砂混凝土內(nèi)的FRP筋退化規(guī)律與恒定溫度恒定pH堿性溶液環(huán)境中的FRP筋退化規(guī)律不同. 當(dāng)前，真實海水環(huán)境下海水海砂混凝土內(nèi)的FRP 筋的力學(xué)性能退化數(shù)據(jù)缺乏，其真實退化規(guī)律仍不明確，十分有必要在真實海水環(huán)境下對海水海砂混凝土內(nèi)的FRP筋進(jìn)行耐久性研究.

因此，本研究在海南省真實海水浸泡環(huán)境下，對海水海砂混凝土內(nèi)的BFRP 筋和GFRP 筋的拉伸性能退化進(jìn)行試驗研究. 對比分析了FRP筋在真實海水海砂混凝土內(nèi)部環(huán)境中的退化和模擬海水海砂混凝土孔溶液中的退化. 最后在試驗進(jìn)行地的年平均環(huán)境相對濕度條件下，對海水海砂混凝土內(nèi)的BFRP 筋拉伸強(qiáng)度保留率進(jìn)行了預(yù)測.

1 試驗方案

1.1 試驗材料試驗筋材為智性科技南通有限公司生產(chǎn)的BFRP筋和GFRP筋，如圖1. 兩種FRP筋的名義直徑均為6 mm，樹脂基體均為環(huán)氧樹脂，筋材表面纏繞式處理，肋間距為1d，肋深0.06d，d為筋材直徑.BFRP 筋纖維體積百分比為65%，GFRP 筋纖維體積百分比為62.8%. 試驗前對兩種筋材拉伸性能實測結(jié)果列于表1中.

表1 FRP筋腐蝕前拉伸性能

圖1 FRP筋

海水海砂混凝土砂漿原材料為：32.5 級普通硅酸鹽水泥，海水（pH=8.2），細(xì)度模數(shù)為2.0（細(xì)砂）的海砂. 配合比為水泥：海砂：海水=441 kg·m-3：661 kg·m-3：199 kg·m-3.

1.2 試件制作試件制作參照ACI 440.3R-2012［15］. 試件總長860 mm，其中試驗段260 mm，錨固長度300 mm. 錨固采用FRP筋外套鋼管、內(nèi)注植筋膠的方式.

模具采用內(nèi)徑46 mm 的PVC 管，將FRP 筋試驗段定位在PVC 管模具中軸線位置后，內(nèi)灌海水海砂混凝土砂漿，保護(hù)層厚20 mm. 待砂漿凝固后拆除模具，試件拆模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d. 浸泡試件前，為防止FRP筋其他部位被海水腐蝕，除了砂漿覆蓋層圓柱體側(cè)面外，對試件的其余部位涂抹玻璃膠進(jìn)行防水處理，使FRP筋的腐蝕只發(fā)生在SWSSC砂漿內(nèi)部. 試件形式如圖2所示.

圖2 試驗試件

1.3 真實海水浸泡環(huán)境試件浸泡于海南省?？谑心澈Ｓ颍?0°N，110.3°E）真實海水. 將試件沉入放置在該海域的木箱中，在木箱側(cè)面距離木箱底部60 cm 處開有孔洞（長邊等距開有7 個直徑3 cm 的孔洞、短邊等距開有5 個直徑3 cm 的孔洞），保證木箱內(nèi)部海水與外部海水交互流動，箱內(nèi)海水的流速為30 cm·s-1. 試件浸泡狀態(tài)如圖3所示.

圖3 試件浸泡環(huán)境

試件浸泡期間（2021.05—2021.08），定期實測海水溫度，每周兩次，每次測量在當(dāng)天的6時和15時進(jìn)行. 所得該海域海水溫度變化如圖4所示.

圖4 真實海水溫度變化曲線

該海域海水的離子含量如表2 所示，海水的pH值為8.2.

表2 海水離子成分含量（mg·L-1）

1.4 試驗裝置與測量方案試件達(dá)到浸泡齡期后，敲開FRP 筋外的海水海砂混凝土砂漿保護(hù)層，將FRP 筋烘干后進(jìn)行拉伸試驗. 拉伸試驗在華龍測試WDW-100C 萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，量程為100 kN. 依據(jù)ACI 440.3R-2012［15］進(jìn)行拉伸試驗，試驗過程采用位移控制加載，加載速率為2 mm·min-1，采用標(biāo)距50 mm 的引伸計記錄變形. 拉伸試驗如圖5所示.

圖5 拉伸試驗裝置示意圖

FRP 筋的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和極限拉應(yīng)變按公式（1）和（2）進(jìn)行計算：

式中：fu為拉伸強(qiáng)度，F(xiàn)u為拉伸破壞最大荷載；A為FRP 筋的橫截面面積，E為彈性模量；F1、ε1分別為50%最大荷載以及相對應(yīng)的應(yīng)變；F2、ε2分別為20%最大荷載以及相對應(yīng)的應(yīng)變.

本次試驗試件包括BFRP 筋試件20 個，GFRP筋試件20個. 參數(shù)包括FRP筋種類（BFRP筋和GFRP筋），腐蝕齡期（30 d、50 d、60 d和90 d）. 每個齡期測試5個有效試樣，數(shù)據(jù)結(jié)果取算術(shù)平均值.

1.4 掃描電子顯微鏡觀測為了解腐蝕對兩種FRP筋內(nèi)部纖維-樹脂界面的影響，本研究對FRP 筋拉伸斷裂面進(jìn)行了掃描電子顯微鏡（SEM）觀測. 觀測所用的儀器為日本Hitachi 公司生產(chǎn)的型號為S-3000N的掃描電子顯微鏡.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 FRP筋表觀變化 BFRP 筋和GFRP 筋的表觀變化如圖6 和圖7 所示. 如圖所示，其中BFRP筋隨著腐蝕時間的增長，表面失去了原有光澤，肋間凹處由原來的黑色變?yōu)榱死w維原絲的黃棕色，表面纖維松散加?。槐砻胬叩念伾饾u由黑色向灰色轉(zhuǎn)變，肋寬變窄，肋高減小. 以上的變化表明了BFRP 筋表面纖維樹脂的粘結(jié)發(fā)生了較為嚴(yán)重的退化，這種退化可能會影響B(tài)FRP筋-海水海砂混凝土之間的粘結(jié)性能.反觀GFRP 筋，隨著腐蝕時間的增長，GFRP 筋表面纖維絲狀逐漸明顯，但未見纖維松散，表面的纖維之間仍保持良好的粘結(jié)，并且GFRP 筋表面肋未見明顯變化. 由以上對兩種筋材的表觀變化分析可知，BFRP筋的表面退化明顯高于GFRP筋.

圖6 BFRP筋表觀變化

圖7 GFRP筋表觀變化

2.2 拉伸強(qiáng)度變化為便于對比分析，對兩種筋材的性能采取規(guī)格化處理，以保留率（腐蝕后殘余性能/初始性能）隨腐蝕齡期的變化表征FRP筋性能退化.

拉伸強(qiáng)度試驗結(jié)果列于表3中.

表3 BFRP筋和GFRP筋拉伸強(qiáng)度表

由圖8 可知，經(jīng)過90 d 的真實海水浸泡，SWSSC 內(nèi)的BFRP 筋拉伸強(qiáng)度有顯著的退化.90 d 時，BFRP筋拉伸強(qiáng)度為576.4 MPa，強(qiáng)度保留率為46.0%.SWSSC內(nèi)的BFRP筋拉伸強(qiáng)度0～30 d退化最快，經(jīng)過30 d的腐蝕，BFRP 筋強(qiáng)度保留率下降了43.4%；30 d 以后退化速率變慢強(qiáng)度保留率逐漸趨于穩(wěn)定，50～90 d 強(qiáng)度保留率僅下降了1.9%. 這與其他學(xué)者得到的BFRP 筋拉伸強(qiáng)度前期退化快，后期退化慢的規(guī)律相一致［16-17］. 經(jīng)過90 d的真實海水浸泡，SWSSC內(nèi)的GFRP筋拉伸強(qiáng)度總體呈下降趨勢，強(qiáng)度下降較少，強(qiáng)度保留率均在88%以上，展現(xiàn)了很好的耐久性.

圖8 拉伸強(qiáng)度保留率退化曲線

對未腐蝕和腐蝕后的BFRP筋和GFRP筋的拉伸斷裂面進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）觀測，SEM對比圖如圖9和圖10所示.

圖9 BFRP筋SEM對比圖

圖10 GFRP筋SEM對比圖

SWSSC 內(nèi)部鹽堿環(huán)境下，F(xiàn)RP 筋的退化包括纖維退化、樹脂基體水解和纖維-樹脂界面退化三部分［9-10，17-18］. 通過SEM 圖分析可知，在未腐蝕前，兩種FRP筋的纖維表面均存在大量樹脂，纖維與樹脂之間有良好的粘結(jié)；隨著SWSSC內(nèi)鹽堿性孔溶液對FRP筋的腐蝕，SWSSC內(nèi)的BFRP筋和GFRP筋纖維表面樹脂均有不同程度地減少，樹脂對纖維的握裹減弱，纖維-樹脂界面粘結(jié)性能下降. 另外，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)兩種FRP筋的纖維絲表面光滑、沒有坑蝕，表明纖維絲沒有發(fā)生明顯破壞.

兩種FRP 筋內(nèi)部的變化說明了，真實海水浸泡下SWSSC 內(nèi)的BFRP 筋和GFRP 筋拉伸性能的退化主要是由樹脂基體水解導(dǎo)致纖維-樹脂界面退化，纖維間應(yīng)力傳遞困難，F(xiàn)RP 筋整體受力能力下降引起的.在SEM 圖中可以明顯看到，經(jīng)過90 d 的真實海水浸泡，SWSSC 內(nèi)的BFRP 筋纖維表面樹脂含量明顯少于GFRP 筋纖維表面樹脂含量，結(jié)合通過試驗測試得到的SWSSC 內(nèi)的BFRP 筋拉伸強(qiáng)度的退化速度快于GFRP筋，可以表明在SWSSC內(nèi)部孔溶液環(huán)境中GFRP筋耐久性優(yōu)于BFRP筋.

Wang 等［9］學(xué)者將BFRP 筋和GFRP 筋浸泡于不同溫度的模擬SWSSC 孔溶液中，測試了不同浸泡時間兩種筋材的拉伸強(qiáng)度保留率. 為對比真實環(huán)境和實驗室升溫加速模擬環(huán)境所得的SWSSC 內(nèi)FRP 筋拉伸強(qiáng)度退化規(guī)律的異同，現(xiàn)對其試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，同時收集了BFRP 筋在60 ℃堿溶液浸泡下的拉伸強(qiáng)度退化數(shù)據(jù)［11］作為對比. 需要指出的是，以上試驗研究所采用的BFRP筋和GFRP筋的直徑、樹脂基體、纖維種類和纖維體積百分比均與本次試驗所采用的相同. 不同腐蝕環(huán)境下BFRP 筋和GFRP 筋拉伸強(qiáng)度保留率退化曲線見圖11和圖12.

由圖11可知，腐蝕前期（0～30 d），真實海水浸泡下SWSSC 內(nèi)的BFRP 筋拉伸強(qiáng)度退化較快，明顯快于浸泡于40 ℃和48 ℃的模擬SWSSC 孔溶液的BFRP 筋（裸筋），與浸泡于55 ℃的模擬SWSSC 孔溶液的BFRP 筋和浸泡于60 ℃堿溶液的BFRP 筋退化速度相當(dāng). 相比于升溫模擬環(huán)境，真實海水浸泡下SWSSC包裹的BFRP 筋的拉伸強(qiáng)度在腐蝕后期退化緩慢，并逐步趨于穩(wěn)定，而直接浸泡在模擬溶液中的BFRP 筋拉伸強(qiáng)度在腐蝕后期仍具有明顯的退化趨勢. 原因可由以下兩點(diǎn)解釋：

圖11 不同環(huán)境下BFRP筋的拉伸強(qiáng)度保留率退化

（2）海水中的SO2-4和Mg2+與氫氧化鈣和水化鋁酸鈣發(fā)生反應(yīng)生成難溶性物質(zhì)，使海水海砂混凝土內(nèi)部更加密實，從而增大了腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散到BFRP筋表面的難度，后期BFRP筋退化緩慢.

由圖12 可知，真實海水浸泡下SWSSC 內(nèi)的GFRP 筋退化慢于升溫模擬環(huán)境下GFRP 筋的退化. 本次試驗進(jìn)行過程中真實海水的平均溫度超過了30 ℃，但與GFRP 筋裸筋浸泡于恒溫32 ℃模擬SWSSC 孔溶液相比，真實海水浸泡下SWSSC內(nèi)的GFRP筋退化速度仍較慢.

圖12 不同環(huán)境下GFRP筋的拉伸強(qiáng)度保留率退化

2.3 彈性模量變化彈性模量測試結(jié)果列于表4中.

表4 BFRP筋和GFRP筋彈性模量表

圖13 為BFRP 筋和GFRP 筋彈性模量的退化曲線，如圖所示，真實海水浸泡下海水海砂混凝土內(nèi)的BFRP筋和GFRP筋的彈性模量沒有產(chǎn)生太大變化.

圖13 彈性模量保留率退化曲線

FRP筋的彈性模量可由公式（3）表示［9］.

式中，Ec、Em、Ef、Vm和Vf分別為FRP 筋彈性模量、樹脂基體彈性模量、纖維彈性模量、FRP 筋的樹脂體積分?jǐn)?shù)和纖維體積分?jǐn)?shù).

本文通過對民宿的概念的了解，結(jié)合宜興湖父鎮(zhèn)民宿的實際狀況，對湖父鎮(zhèn)民宿的自然條件、旅游資源、交通條件進(jìn)行深度的分析。知道了目前湖父鎮(zhèn)民宿的各方面發(fā)展還不是很完善，在法律法規(guī)、基礎(chǔ)的設(shè)施建設(shè)、服務(wù)人員的素質(zhì)方面都需要進(jìn)行改正，但是我們可以通過一系列的措施去解決這些發(fā)展中必不可少的問題。民宿的發(fā)展也一定會帶動宜興市旅游業(yè)的發(fā)展，民宿的發(fā)展也會創(chuàng)造更多的就業(yè)崗位，民宿的發(fā)展更加帶動了宜興的經(jīng)濟(jì)效益。雖然我國的民宿產(chǎn)業(yè)發(fā)展的比較晚，但是在旅游業(yè)高速發(fā)展的今天，民宿一定會向觀光旅游一樣成為旅游業(yè)的支柱。宜興湖父鎮(zhèn)民宿也一定會發(fā)展至宜興旅游業(yè)的一大亮點(diǎn)。

玄武巖纖維彈性模量為79.3～93.1 GPa、E-玻璃纖維彈性模量為72.5～75.5 GPa，遠(yuǎn)高于環(huán)氧樹脂的彈性模量（1.8～4.1 GPa），故FRP筋彈性模量主要取決于纖維的彈性模量. 兩種筋材彈性模量沒有發(fā)生明顯的退化，表明了經(jīng)過90 d的真實海水浸泡，海水海砂混凝土內(nèi)的兩種筋材纖維沒有產(chǎn)生大的損傷，上述對兩種FRP筋的SEM分析同樣證明了這一點(diǎn).

2.4 BFRP筋拉伸強(qiáng)度預(yù)測 本次試驗，BFRP 筋拉伸強(qiáng)度退化出現(xiàn)了退化平穩(wěn)段. 故本部分僅對海洋環(huán)境下海水海砂混凝土內(nèi)的BFRP筋拉伸強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測.退化模型［19］表達(dá)式如（4）所示：

式中：Y為強(qiáng)度保留率；t為時間；Y∞、τ為擬合參數(shù).

該退化模型假定：腐蝕初始，F(xiàn)RP筋的性能退化較快，之后性能退化變慢，最后趨向穩(wěn)定. 本次試驗得到的真實海水浸泡下海水海砂混凝土內(nèi)的BFRP 拉伸強(qiáng)度退化規(guī)律符合該假定. 另外，該模型指出FRP材料力學(xué)性能退化的主要原因為纖維-樹脂界面的脫粘，此退化機(jī)理已被之前的研究［5，9］所驗證. 故結(jié)合本次試驗所得數(shù)據(jù)與該退化模型進(jìn)行強(qiáng)度保留率預(yù)測.

BFRP 筋拉伸強(qiáng)度保留率擬合曲線如圖14 所示. 結(jié)合本次試驗數(shù)據(jù)與上述退化模型得到的擬合參數(shù)為：Y∞=44.7%，τ=18.4，R2=0.99；文獻(xiàn)［12］中，研究者將BFRP 筋包裹在保護(hù)層厚度為32 mm 的普通混凝土內(nèi)部后，浸泡于60℃的自來水中，結(jié)合其試驗數(shù)據(jù)與退化模型得到的擬合參數(shù)為：Y∞=46.2%，τ=16.3，R2=0.98；文獻(xiàn)［17］中，研究者將BFRP 筋包裹在厚度為20 mm 的海水海砂混凝土砂漿內(nèi)部后，浸泡于室溫下的人工海水中，結(jié)合其試驗數(shù)據(jù)與退化模型得到的擬合參數(shù)為：Y∞=35.9%，τ=19.9，R2=0.98.

圖14 BFRP筋拉伸強(qiáng)度保留率擬合曲線

在混凝土內(nèi)部的水中，只有自由水和部分吸附水可以運(yùn)輸對FRP 筋有較大損傷的OH-等離子成分，混凝土內(nèi)部的自由水和吸附水的含量與環(huán)境相對濕度密切相關(guān)［20］.

本試驗采用真實海水浸泡的方式研究海水海砂混凝土內(nèi)BFRP 筋的退化，環(huán)境相對濕度為100%，混凝土內(nèi)部處于吸水飽和狀態(tài)，這種情況下混凝土內(nèi)部環(huán)境對BFRP 筋的損傷最大；而實際結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境，環(huán)境相對濕度絕大多數(shù)情況都小于100%.

Huang 等［20］學(xué)者提出環(huán)境相對濕度修正系數(shù)nH，以此來表達(dá)環(huán)境相對濕度對混凝土內(nèi)的FRP 筋退化的影響，其大小為混凝土內(nèi)可運(yùn)輸OH-等對FRP 筋有侵蝕性的離子的自由水和吸附水之占比，nH可按表5通過線性內(nèi)插法取值.

表5 修正系數(shù)nH取值

引入環(huán)境相對濕度修正系數(shù)nH和相應(yīng)的擬合參數(shù)后，海水海砂混凝土內(nèi)BFRP 筋拉伸強(qiáng)度預(yù)測模型為：

?？谑心昶骄鄬穸葹?2%（數(shù)據(jù)來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心），通過線性內(nèi)插法計算得到對應(yīng)的nH為0.442. 通過式（5）的計算，50 年后，?？谑心昶骄h(huán)境相對濕度條件下，海水海砂混凝土內(nèi)BFRP 筋拉伸強(qiáng)度保留率為75.6%.

需要注意的是，本文對真實海水環(huán)境下海水海砂混凝土內(nèi)BFRP筋的長期性能預(yù)測為初步探索，并且本文所得試驗數(shù)據(jù)以及BFRP 筋長期性能的預(yù)測僅適用于本文所處的環(huán)境和所用的材料，需要后續(xù)更多的試驗數(shù)據(jù)來補(bǔ)充和完善真實海水環(huán)境下海水海砂混凝土內(nèi)BFRP筋的長期性能預(yù)測.

3 結(jié) 論

本文對真實海水浸泡下海水海砂混凝土砂漿內(nèi)的BFRP 筋和GFRP 筋拉伸性能退化規(guī)律進(jìn)行了試驗研究，并對兩種FRP筋在腐蝕前后的斷面進(jìn)行了SEM觀測. 得出如下結(jié)論：

（1）經(jīng)過90 d 的真實海水浸泡，海水海砂混凝土內(nèi)的BFRP 筋拉伸強(qiáng)度退化顯著，而GFRP 筋保持很高的強(qiáng)度保留率. 兩種FRP 筋在海水海砂混凝土內(nèi)拉伸強(qiáng)度退化主要由樹脂的水解、纖維-樹脂界面性能退化引起.

（2）經(jīng)過90 d 的真實海水浸泡，海水海砂混凝土內(nèi)的BFRP 筋和GFRP 彈性模量基本無退化，F(xiàn)RP 筋的彈性模量主要取決于纖維的模量，這也表明BFRP筋和GFRP筋纖維模量無明顯退化.

（3）相比裸筋浸泡于腐蝕溶液中，由于外層混凝土層的保護(hù)，真實海水浸泡下海水海砂混凝土內(nèi)的BFRP 筋在退化后期退化速度緩慢，強(qiáng)度保留率趨于穩(wěn)定；真實海水浸泡下海水海砂混凝土內(nèi)的GFRP 筋退化很慢.

（4）依據(jù)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，得到：海南省?？谑姓鎸嵑Ｋh(huán)境下（年平均相對濕度為82%）海水海砂混凝土內(nèi)的BFRP 筋拉伸強(qiáng)度保留率在50 a 后的預(yù)測值為75.6%（所得結(jié)果僅代表本文所用材料和所處試驗環(huán)境）.