GFRP約束混凝土柱耐久度性能研究及應用前景分析

崔玉奇，何 翔，姜景山，戈 宇，張九漢，高 樂，孟鵬飛

（南京工程學院 建筑工程學院，江蘇 南京 211167）

0 前言

鋼筋混凝土結構由于取材便利及整體性、耐久性、耐火性及可模性良好等特點被廣泛應用于各類工程中，但是受到高酸、高堿和低溫等惡劣環(huán)境的影響，混凝土結構容易被腐蝕并遭到破壞，其力學性能會大大降低，建筑的使用壽命會受到較大的影響。根據有關資料顯示，鋼筋的銹蝕是影響鋼筋混凝土結構性能的首要因素，全世界每年有超過15%的道路、橋梁工程因鋼筋銹蝕導致結構被破壞[1]，同時鋼筋混凝土結構在發(fā)生火災時若其中的鋼筋融化將會引發(fā)更大的災難。GFRP材料具有耐久性高、耐火性好、力學性能好等特點?；贕FRP材料的屬性，國內外學者進行了大量研究，以期更好地掌握材料的力學性能及其特點，克服鋼筋混凝土構件的一些缺陷，進而更廣泛地應用于實際工程中。

1 GFRP材料性能介紹

玻璃纖維增強塑料（GFRP）是一種由合成樹脂和玻璃纖維經過特殊工藝制成的復合材料。GFRP材料制作方便，其制作工藝要求溫度相對于其他纖維增強材料（FRP）材料及金屬制品低，能降低能耗；同時，GFRP材料取材便利、價格便宜、可塑性強，可以依據工程需求進行個性化設計；但其缺點是彈性模量小、長期耐高溫性差、層間抗剪強度低。

建筑工程中最常用的GFRP材料為E-玻璃纖維和F-玻璃纖維。經過大量試驗研究發(fā)現，將GFRP材料添加到混凝土柱中，能夠較好地提高材料的極限承載力和延展性，進而提高材料的耐久性。

2 GFRP約束混凝土柱的種類和特點

2.1 GFRP約束混凝土柱的種類

GFRP約束混凝土是一種預先在GFRP管填充混凝土制成的混凝土柱，根據其內置材料的不同可以分為GFRP鋼筋混凝土柱、GFRP鋼骨混凝土柱等多種混凝土柱。同時，混凝土柱按照截面形式的不同還可以分為圓形混凝土柱、方形混凝土柱、橢圓形混凝土柱等[2]。

2.2 GFRP約束混凝土柱的特點

GFRP約束混凝土柱的特點主要由GFRP材料本身決定。①耐久度高。GFRP材料不會與酸堿鹽發(fā)生反應，同時GFRP材料能夠有效阻止水進入材料表面，減緩了材料表面樹脂的流失，延緩了材料抗拉強度的下降趨勢。②比強度高。GFRP材料的重量輕，密度是鋼材的1/4，承載力高，單位質量的材料強度高，能夠提高施工效率，降低施工成本。③抗拉強度高。GFRP材料的抗拉強度為160～320 GPa，并且GFRP材料的抗拉曲線形態(tài)接近線彈性直線形式。④抗疲勞性好。GFRP材料的抗疲勞性要遠遠強于金屬，金屬材料的破壞是由內向外漸變后發(fā)生突然擴張破壞的，而GFRP材料由內向外逐漸破壞，破壞前有明顯的預兆，方便工程人員后期對工程進行檢查和修復[3]。

3 GFRP約束混凝土柱的耐久性分析

針對GFRP約束混凝土柱的耐久度，國內外學者進行了大量研究，研究環(huán)境條件包括濕熱、海水、凍融、干濕等多種情況。

3.1 濕熱環(huán)境下GFRP約束混凝土柱的耐久性分析

針對濕熱環(huán)境，主要研究溫度和水分對GFRP約束混凝土柱耐久度的影響，長期處于濕熱環(huán)境的GFRP材料的表面會逐漸溶解，表面縫隙逐漸增大，水分就會進入材料內部，進一步加速了材料的開裂，使得其耐久度大大降低。

美國加利福尼亞大學的Sim將CFRP和GFRP材料暴露在濕熱環(huán)境一定時間后，通過試驗測量其彈性模量、抗拉強度和極限應變。當試驗環(huán)境溫度逐漸升高后，試驗結果顯示，CFRP材料的3項指標不降反升，GFRP材料的3項指標也沒有下降，但是延展性降低了。通過試驗研究發(fā)現，CFRP和GFRP材料長時間暴露在濕度環(huán)境時，CFRP和GFRP材料的耐久度大幅度降低[4]。

Cederquist將FRP和GFRP材料放在不同溫度和濕度環(huán)境下開展試驗，同時將試件放入溫度為24℃、濕度為30%的培養(yǎng)箱培養(yǎng)30 d，然后對試件進行老化試驗。試驗結果表明，FRP材料的抗拉強度隨著溫度的升高而有小幅度的升高，GFRP材料在老化前期，其抗拉強度下降較快，到老化后期，其抗拉強度下降的速度減緩，但是由于表面材料的析出及水分的進入，材料表面的微裂縫逐漸增大，使得材料的力學性能大幅度下降[5]。

姚建鵬進行了碳纖維薄板增強混凝土試驗，結合已有模型建立了室溫大氣下的界面黏結滑移模型和濕熱環(huán)境下的界面滑移模型，對兩種模型得到的數據進行對比分析，結果表明相對于處于室溫環(huán)境下的試件，濕熱環(huán)境下的試件表面的膠層更容易被破壞。同時，試件在濕熱環(huán)境中逐漸老化后，其剪切黏結強度和承載力都大幅度下降，在控制濕度不變的情況下，隨著溫度的增高，試件的剪應力隨之降低。同時，隨著試件老化和被腐蝕得越來越嚴重，試件的剪切力變得很低，剪切力傳遞很短的距離后，材料就會發(fā)生剝落[6]。

3.2 海水環(huán)境下GFRP材料的耐久度分析

GFRP材料在高酸度環(huán)境下，材料受到腐蝕后開始從表面慢慢發(fā)生溶出，受腐蝕的情況與高分子材料相似，材料溶出后，材料的質量減小，隨之溶出物質不斷增加，材料表面的縫隙變大，液體進入材料內部后，材料的質量短暫增加，但隨著時間的推移，材料的質量會越來越低。

在堿度較高的條件下，GFRP材料會發(fā)生皂化反應，材料里的樹脂水解產生酸根離子和醇。GFRP材料的樹脂基體具有抗堿性能，使材料性能受到的影響不大。

張建將CFRP材料放入人工配置的不同濃度的海水中進行腐蝕老化試驗，探求材料的力學規(guī)律，試驗結果表明試件受到浸泡后，表現出較大的脆性，受到破壞時很難保持自身的完整性。試驗表明，在經過海水浸泡后，試件剛開始的抗拉強度和極限應變與最初相比有所上升，但是在經過150 d長時間的浸泡后，試件的抗拉強度和極限應變都大幅度下降。試驗還發(fā)現，即使采用強度等級更高的混凝土，混凝土界面的黏結強度總是呈現下降的趨勢，但是強度更高的混凝土的界面黏結強度相對于強度低的混凝土要好[7]。

王鐵成研究了海水濃度對CFRP圓形混凝土柱的耐久度的影響，將CFRP試塊放入海水中浸泡12 h，再放入烘箱中烘干12 h。通過上述循環(huán)步驟模擬混凝土受到海水腐蝕程度不同的情況。試驗結果表明，隨著循環(huán)次數的增加，CFRP混凝土構件相對于普通混凝土表現出更高的承載力，但是隨著后期實驗次數逐漸增加，試件的承載力呈現緩慢下降的趨勢。試驗研究發(fā)現，海水腐蝕會導致材料表面樹脂溶解，海水開始進入材料表面，CFRP材料阻礙了海水進入材料的表面，使得CFRP材料相對于普通混凝土材料在剛度方面有更好的表現[8]。

張慧娟將GFRP約束混凝土構件分別放入水和濃度為10%的NaCl溶液中，將試件浸泡30 d后取出用碳纖維布裹好烘干，水浸環(huán)境下設置7組試驗，海水環(huán)境下設置10組試驗，試驗結果表明：無論是水浸環(huán)境還是海水環(huán)境，其承載力下降的趨勢基本相同，兩者均呈現指數型下降規(guī)律，隨著時間的增長，GFRP約束混凝土短柱的承載力趨于穩(wěn)定，海水濃度的增強并未對材料的承載力產生較大影響[9]。

楊苗苗對CFRP和GFRP進行了海水浸泡試驗，分別將兩種材料放入20℃、40℃、60℃的海水及60℃的蒸餾水中浸泡30 d，經過測量，處于3個溫度段的海水中浸泡的GFRP材料其拉伸強度分別下降18%、43%、58%；處于60℃蒸餾水中的GFRP材料的拉伸強度下降了25%。將試件烘干后發(fā)現，海水的浸泡導致了材料結構發(fā)生了不可逆的變化，雖然材料烘干后相對于浸泡時的強度有了提高，但是不能完全恢復[10]。

3.3 凍融環(huán)境下GFRP約束混凝土柱耐久性研究

混凝土建筑被廣泛運用于世界各地，其中不乏高寒地區(qū)，高寒地區(qū)的混凝土結構經常遭受凍融破壞。國內外學者為了使FRP材料在高寒地區(qū)也能發(fā)揮良好的力學性能，對其耐久性做了大量的研究。例如，針對凍融循環(huán)對于混凝土的破壞問題就有國外學者提出了冰的分離層假說、充水系數理論、靜水壓力假說等。

（1）冰的分離層假說?；炷恋谋鶅鍪怯赏舛鴥戎鸩窖由斓?，逐層發(fā)生結冰，外層先結冰，結冰過程中產生潛熱，使得水晶體接觸并使周圍孔隙中的水誘出，導致冰晶體繼續(xù)增長，當溫度降低時，混凝土內部將繼續(xù)結冰進而形成一個冰層，而水結冰的過程中體積會增大，混凝土就會在一層層結冰的過程中逐漸膨脹，導致其耐久性逐漸變差。該研究結論具有一定的局限性，只適用于抗?jié)B性能差且長期處于低溫環(huán)境下的混凝土構件。

（2）充水系數理論。充水系數是指土中孔隙水的體積與整個土體積之比。充水系數理論將充水系數作為混凝土構件能否發(fā)生凍融循環(huán)的評判標準，然而充水系數測定的水是孔隙中容易蒸發(fā)的水而不是整個孔隙內的水，因此充水系數可以作為評判混凝土抗凍性能的指標之一，而不是決定性標準。

（3）靜水壓力假說。硬化的混凝土內存在各種大小不同的孔隙，其直徑差距較大。由于孔隙表面存在張力，因此不同直徑的孔隙內孔隙水的冰點不同，孔隙越小，則該孔隙內的孔隙水冰點越低。

為了研究凍融循環(huán)對于GFRP混凝土柱耐久性的影響，國內外學者開展了大量試驗和研究。高哲等研究玄武巖透水混凝土的抗凍性能，采用快凍法開展了4組試驗，實驗結果發(fā)現普通混凝土在55次凍融循環(huán)后發(fā)生破壞，玄武巖纖維混凝土則在65次凍融循環(huán)后發(fā)生破壞，而加入VAE86和玄武巖纖維的混凝土則在經過77次凍融循環(huán)后才發(fā)生破壞[11]。張凱翔[12]研究了玄武巖纖維體積摻入量對于纖維增強混凝土的影響，試驗結果表明在摻入量體積占總體積0．3%時，混凝土相對于其他摻入量能表現出更好的抗凍性能?？傮w而言，對于纖維增強混凝土抗凍性的研究表明，將纖維摻入混凝土確實能提高纖維增強混凝土的抗凍性能。對于采用什么材料能夠提高纖維增強混凝土的抗凍性，已經開展的試驗表明引氣劑、粉煤灰、VAE86等都是有效的。

4 GFRP約束混凝土柱長期使用耐久度下降的機理分析

GFRP約束混凝土柱長期使用情況下耐久度下降主要是受較高酸堿度、極端天氣等惡劣環(huán)境影響及材料本身的自由度下降等原因的影響。考慮到環(huán)境的復雜性，材料耐久度的下降難以歸咎為是某一種因素影響的結果，但是材料應用的環(huán)境不同，其環(huán)境的主要特點也不同，例如處于熱帶就要考慮濕熱環(huán)境對材料耐久度的影響，需要接觸到海水時就要研究海水對材料耐久度的影響，只有做好特定環(huán)境下的針對性應對措施，才能更好地提高材料的耐久度。

5 應用前景

隨著建筑技術的發(fā)展、建造材料的革新及應用場景的延伸，建筑越來越需要考慮極端環(huán)境下的承載性能，GFRP材料具有良好的耐久性，相對于普通混凝土柱，其在濕熱、浸泡、凍融等極端環(huán)境下都能表現出更好的性能，同時相對于鋼筋混凝土柱，其耐腐蝕性更好，耐火性也更好，更利于后期的檢測和修復[13]。GFRP管也可以作為施工過程中混凝土澆筑的模板，能減少施工時間，降低施工成本，大大提高施工效率。

6 結論與展望

大量試驗研究表明，纖維復合混凝土材料能夠有效提高材料在極端環(huán)境下的耐久度，通過添加一些特殊試劑改善GFRP材料本身的性質，可進一步提升GFRP材料的耐久性。GFRP材料具有較好的抗拉性和耐腐蝕性的特點，這些優(yōu)點能夠保證材料在一定的時間內表現出良好的力學性能。目前，國內外學者主要對于GFRP材料在濕熱、海水等環(huán)境下的耐久度進行研究，研究的內容局限于少數環(huán)境條件。未來，隨著工程應用環(huán)境的變化和工程應用范圍的拓展，建筑工程需要面對越來越多不同的極端環(huán)境，因此需要研究干熱、凍融、濕冷等各種情況。此外，在對GFRP混凝土在不同環(huán)境下耐久度試驗研究中還發(fā)現，在GFRP混凝土中添加一些其他材料能夠改善或克服GFRP材料彈性模量較低、容易開裂的缺點，使GFRP混凝土柱的耐久性更強。同時，試驗所用的都是小試塊、短柱試件，而實際工程中使用的都是長柱，此外材料的配合比及試驗儀器尺寸對于材料耐久度的影響也需要考慮，這些都要求研究人員對GFRP混凝土柱開展更多的研究。