FRP筋的耐久性能研究現(xiàn)狀

武勝萍，蔣金洋

(東南大學(xué)，江蘇南京211189)

鋼筋銹蝕引起混凝土脹裂是目前混凝土結(jié)構(gòu)劣化的主要形式，為解決鋼筋銹蝕問題，人們開始尋求以抗銹蝕材料代替鋼筋.纖維增強聚合物(Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP)具有較高的強質(zhì)比、較好的抗疲勞性能、易施工和抗銹蝕等特點，近年來在工程中得到了廣泛應(yīng)用，特別是在大跨和具有高強、高耐久性要求的工程中［1－2］.

FRP材料自1941年美國Jackson提出后，德國、法國和日本都進行了相關(guān)的研究，并在工程中應(yīng)用.我國關(guān)于FRP的研究始于1996年，主要研究專家是高丹盈和薛偉辰等，1998年開始有少量的工程應(yīng)用實例.我國目前的研究以碳纖維增強聚合物(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP)片材加固和修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，在理論和工程應(yīng)用方面都取得了一定的成果，《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 146∶2003)已經(jīng)發(fā)布實施［1］.FRP在工程中的應(yīng)用已取得一定的成果，但有關(guān)FRP材料耐久性能方面的研究還處于探索階段.

在過去的20 a里，學(xué)者們研究了FRP筋在水分、鹽、堿等多種模擬環(huán)境下的耐久性，研究了組成材料的性能對FRP筋耐久性能的影響，如樹脂的種類、纖維的類型、體積分數(shù)、表面處理方式及制造工藝等.為節(jié)省研究時間和費用，將提高試驗溫度、加持續(xù)荷載或增加試驗溶液濃度等加速試驗用到了FRP材料的耐久性能研究中［2］.根據(jù)短期加速試驗的數(shù)據(jù)，結(jié)合Arrhenius模型研究其長期性能，利用Fick's擴散定律研究其侵蝕過程.

筆者對國內(nèi)外有關(guān)FRP筋耐久性能的研究進行總結(jié)論述，以期為FRP材料性能的后續(xù)研究提供一定的參考.

1 FRP筋的組成和制備

FRP是一種復(fù)合材料，由基體和增強材料組成，可分為纖維、基體及纖維－基體界面3部分［1］，其復(fù)雜的組成決定了其耐久性能的復(fù)雜性.FRP筋的生產(chǎn)多采用擠壓法，將多股纖維與基體材料膠合后，經(jīng)過特制的模具擠壓、拉拔成型，其生產(chǎn)過程［2］如圖1所示.為了增加FRP筋與混凝土間的黏結(jié)力，F(xiàn)RP筋成型后多會進行黏砂、繞肋、變形、織物等形式的表面處理，如圖 2 所示［3］.

圖1 FRP筋的擠壓生產(chǎn)過程

FRP筋常用基體有聚酯、乙烯基酯和環(huán)氧樹脂等，其體積分數(shù)一般為20% ～45%.基體在聚合物復(fù)合材料中起到保護纖維、轉(zhuǎn)移應(yīng)力的作用.基體的有效度與其表面的連續(xù)性和初始缺陷有關(guān)，如切開的復(fù)合材料的兩端，在切口區(qū)，纖維無基體材料保護，環(huán)境直接侵蝕纖維與樹脂間的界面，降低其黏結(jié)強度.

圖2 FRP筋常見表面形式

FRP筋常用纖維有玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維等，其體積分數(shù)一般為55% ～80%.纖維決定了復(fù)合材料的剛度和強度，纖維的力學(xué)性能和耐久性能在一定程度上決定著復(fù)合材料體系的性能.

聚合物材料的耐久性不僅與其組成材料(纖維和樹脂)的性能有關(guān)，兩組分間的界面完整性對聚合物材料的性能也具有重要作用.FRP筋與混凝土的黏結(jié)性能控制著界面區(qū)剪切力和橫向力的傳遞，材料種類選擇不恰當或制備工藝不準確將導(dǎo)致界面劣化，降低材料間應(yīng)力的傳遞.聚合物樹脂和纖維/樹脂界面易受環(huán)境影響而劣化，纖維表面使用耦合劑可以提高界面性能，保護纖維不受堿侵蝕，但耦合劑和玻璃纖維表面的化學(xué)黏結(jié)在堿性潮濕環(huán)境下不穩(wěn)定.

2 環(huán)境對FRP筋耐久性的影響

FRP筋的抗銹蝕和不導(dǎo)電性能使其在混凝土結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用，特別是腐蝕環(huán)境惡劣的海洋建筑，暴露于除冰鹽下的橋面板和路面，以及核磁共振室等易受電磁場干擾的建筑中.但是，F(xiàn)RP筋的強度和剛度對環(huán)境條件也具有一定的敏感度，如溫度、水分、酸、堿、鹽以及紫外線等.

2.1 溫 度

纖維增強聚合物中的聚合物基體存在玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg，當溫度高于Tg時，聚合物基體的力學(xué)性能將發(fā)生變化，強度和剛度降低，對纖維的保護作用減弱，F(xiàn)RP筋的極限強度以及抗侵蝕性能下降.工程中的高溫條件多指火災(zāi)，由于聚合物基體對溫度的敏感性，F(xiàn)RP筋的抗高溫性能一般由基體決定，當溫度高達150～200℃時，樹脂基體軟化、熔融或著火.纖維本身也具有一定的抗高溫性能，如芳綸纖維抗200℃，玻璃纖維抗300～500℃，在無氧條件下碳纖維可抗800～1 000℃的高溫［4］.

Tanano H等［8］試驗研究了溫度升高對多種芳綸纖維和碳纖維增強聚合物拉伸性能的影響，結(jié)果表明:芳綸纖維增強聚合物(Aramid Fiber Reinforced Polymer，AFRP)和CFRP的彈性模量隨著溫度的升高而下降，AFRP的初始彈性模量較小，且隨著溫度的升高下降較快;AFRP與CFRP的拉伸強度隨溫度的升高而下降.研究表明，CFRP筋具有較好的耐高溫性能.

2.2 水分(潮濕環(huán)境)

FRP筋作為混凝土結(jié)構(gòu)增強材料，在構(gòu)件成型時、以及服役過程中所處的環(huán)境對FRP筋的性能均有一定的影響.潮濕環(huán)境和混凝土澆注時，水溶液中的水分子對聚合物材料來說相當于塑化劑，通過FRP筋初始裂縫進入纖維和基體界面，破壞聚合物鏈中的范德瓦耳斯鍵，發(fā)生塑化反應(yīng)，產(chǎn)生膨脹，可能導(dǎo)致混凝土開裂，這在一定程度上降低了FRP筋的力學(xué)性能，減小基體的玻璃轉(zhuǎn)變溫度和纖維－基體的黏結(jié)性能［5］.Hyeong-Yeol Kim 等［10］研究了微觀尺度FRP筋在不同環(huán)境條件下的力學(xué)性能變化，拉伸測試后試樣的SEM圖如圖3所示.圖3(a)中纖維的表面出現(xiàn)了羽化現(xiàn)象，斷裂后試樣的纖維上仍黏有基體材料，這說明在FRP材料劣化前纖維與基體具有較高的黏結(jié)強度;圖3(b)—圖3(d)中試樣處于高溫水中，可觀察到羽化現(xiàn)象隨溫度和浸入水中時間的增加而減弱.

圖3 試樣的SEM圖

2.3 堿環(huán)境

FRP筋在堿溶液中的劣化始于OH－離子和水分子在基體中的擴散，在基體與纖維的界面區(qū)加速，在纖維區(qū)引起破壞.工程中常用的FRP筋基體主要有聚酯、乙烯酯和環(huán)氧樹脂，其中，聚酯和乙烯酯中的酯基連接最差，在水溶液中易發(fā)生水解反應(yīng)(如方程1)，乙烯酯基體中酯基較少，其水解作用較小，而環(huán)氧樹脂基體中不含酯基，一般在溶液中不發(fā)生水解反應(yīng).

FRP筋常用的纖維中，玻璃纖維最易受堿溶液侵蝕，玻璃纖維在堿溶液中的劣化機理主要有兩種:溶出與蝕刻.溶出即為堿金屬離子從玻璃結(jié)構(gòu)中擴散出來，是玻璃在水中的主要分解方式(如方程2)，而OH－離子破壞玻璃中的Si—O—Si結(jié)構(gòu)稱為蝕刻(如方程3).方程2和3是玻璃纖維在堿溶液中的劣化，也是玻璃纖維在水中的劣化.混凝土水化產(chǎn)物的形成會引起纖維的刻蝕變脆，有機聚合物作基體的芳綸纖維聚合物對水分吸收較敏感，而碳纖維不易受化學(xué)侵蝕.基體和纖維間約為1 mm的非均質(zhì)界面區(qū)的黏結(jié)性能較差，最易受到侵蝕，侵蝕機理主要有3種:基體滲透開裂，界面劣化和層間分離［11］.

玻璃纖維增強聚合物(Glass Fiber Reinforced Polymer/Plastic，GFRP)以高抗拉強度、高強質(zhì)比和較低的價格在工程中應(yīng)用最廣，但較差的抗堿侵蝕性限制其發(fā)展.混凝土內(nèi)部堿度和濕度較高，pH值一般為10.5～13.5.在高堿環(huán)境下，GFRP 筋中單絲纖維間水化產(chǎn)物濃度不斷增加，玻璃纖維受到堿的化學(xué)侵蝕易脆化，強度和剛度均降低.

Micelli F 等［12］研究了 FRP 筋浸泡于 1.4%KOH+1.0%NaOH+0.16%Ca(OH)2(pH=12.6)組成的堿溶液中，于室溫和60℃溫度條件下拉伸強度和短梁剪切強度的變化，將短梁試驗裝置(ASTM D4475)用于研究橫向和縱向力學(xué)性能.試驗結(jié)果顯示:堿環(huán)境引起GFRP筋脆化，產(chǎn)生微裂縫，提高浸泡溫度加劇了堿對聚合物基體的侵蝕，減弱了基體對纖維的保護，加速了FRP筋劣化，橫向和縱向力學(xué)性能隨浸泡時間和浸泡溫度的增加而減小.堿溶液侵蝕下FRP筋損傷的微觀表征，SEM圖如圖4［13］所示.圖4(a)和(b)中堿溶液擴散至GFRP試樣G1的表面，外部纖維損傷，但芯部和橫截面損傷不大;圖4(c)和(d)中試樣G2在堿溶液侵蝕下劣化嚴重，圖(d)中G2于60℃浸泡42 d已產(chǎn)生開裂;圖4(e)—(h)表明CFRP具有較好的抗堿侵蝕性，試樣C1的纖維－基體界面在堿溶液侵蝕下弱化，試樣C3切口處纖維發(fā)生堿侵蝕，但內(nèi)部纖維完整性較好.

圖4 堿溶液環(huán)境下FRP筋SEM圖

2.4 酸環(huán)境

隨著環(huán)境污染加劇，我國的酸雨增加，研究酸性環(huán)境下FRP筋與混凝土的黏結(jié)性能具有一定的意義.目前的研究多采用模擬的方法，將FRP筋增強的混凝土結(jié)構(gòu)浸泡于模擬的酸雨溶液中，研究其性能變化.文獻［14］給出了120個GFRP筋和鋼筋與混凝土的拉拔試驗研究結(jié)果，如圖5所示.由圖5可知:GFRP筋在自來水、pH=2、pH=3和pH=4的環(huán)境下浸泡75 d后，GFRP筋與混凝土的黏結(jié)強度與自然條件下的黏結(jié)強度相比，分別減小11%，22%，17.2%和14%;鋼筋在pH=2和pH=3的環(huán)境下浸泡75 d后，鋼筋與混凝土的黏結(jié)強度與自然條件下的黏結(jié)強度相比，分別減小19.6%和12.3%.GFRP筋和鋼筋與混凝土的黏結(jié)強度均隨pH值的減小而減小，而GFRP筋的減小程度較大.

圖5 不同環(huán)境條件下試樣與混凝土的黏結(jié)強度

2.5 鹽環(huán)境

海洋和除冰鹽環(huán)境是混凝土結(jié)構(gòu)常處的環(huán)境，研究FRP筋在此環(huán)境下的耐久性對工程具有實際意義.但是有關(guān)FRP筋在Cl－環(huán)境下的耐久性研究結(jié)果變化較大，主要是難以將其與水分和堿金屬離子侵蝕區(qū)分開，有試驗研究表明，GFRP在海洋和除冰鹽環(huán)境下?lián)p傷較嚴重［15］.

Yi Chen等［11］研究了GFRP筋于自來水、2種模擬堿溶液、鹽溶液和含氯離子堿溶液5種環(huán)境下的拉伸強度和層間剪切強度的變化.結(jié)果表明:提高溫度加速了GFRP筋劣化，堿度較大的溶液中的GFRP筋拉伸強度下降較大，鹽溶液和模擬海洋溶液中的GFRP筋強度略有下降，在40℃和60℃ NaCl溶液中浸泡70 d的GFRP筋拉伸強度分別為自然條件下拉伸強度的98%和74%.Hyeong-Yeol Kim等［10］研究了質(zhì)量分數(shù)為3%的NaCl溶液和質(zhì)量分數(shù)為4%的CaCl2溶液中GFRP筋的性能變化，結(jié)果與Yi Chen的研究結(jié)果相似，在鹽溶液侵蝕下FRP筋纖維表面存在較弱的羽化現(xiàn)象，基體與纖維間的黏結(jié)性能良好.

2.6 紫外線

紫外線對混凝土結(jié)構(gòu)中FRP筋的性能影響較小，但FRP筋儲存時需注意.研究表明:紫外線作用下不同的樹脂類型會發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，引起表面氧化［16－17］.AFRP 復(fù)合材料中，纖維和樹脂基體均受紫外線的影響，暴露2 500 h拉伸強度約減小13%.GFRP筋暴露500 h拉伸強度僅下降8%，而CFRP 筋強度幾乎不變［18］.

Miceli［12］在研究耦合環(huán)境下GFRP筋性能時考慮了紫外線，采用了輻照度為6.80×10－2W/cm2，光譜帶為300～800 nm和輻照度為6.10×10－3W/cm2，光譜帶為300～400 nm的模擬光.結(jié)果表明，耦合環(huán)境下GFRP筋的性能變化較小.Uomoto T等［19］研究了紫外線和水分共同作用下，耦合應(yīng)力和無應(yīng)力條件下FRP筋拉伸性能變化，結(jié)果顯示，CFRP筋強度下降了0% ～20%，AFRP筋強度下降了0% ～30%，GFRP筋強度下降了0% ～40%.

3 結(jié)語

纖維增強聚合物作為混凝土結(jié)構(gòu)增強筋代替鋼筋解決銹蝕問題，是工程領(lǐng)域的一個新的應(yīng)用方向.但FRP筋和鋼筋具有不同的耐久性能，不同的環(huán)境條件、不同的組成、不同的制備工藝等都決定了FRP筋耐久性能的復(fù)雜性.

國內(nèi)外對于FRP筋在不同環(huán)境條件下的耐久性研究較多，但還沒有統(tǒng)一的標準，采用不同試驗方法和試驗制度得到的FRP筋耐久性各不相同，有些甚至相悖.而且，有關(guān)FRP筋在凍融循環(huán)和干濕循環(huán)下的性能研究，環(huán)境與荷載耦合條件下FRP筋耐久性研究，F(xiàn)RP筋在高性能混凝土［20］以及超高性能混凝土環(huán)境下的耐久性能研究，以及環(huán)境因素對FRP筋與混凝土黏結(jié)性能的影響研究較少，利用加速試驗預(yù)測FRP筋長期性能和服役壽命的統(tǒng)計和數(shù)值模型多建立在Arrhenius方程之上，考慮的因素也較少，因此要形成FRP筋耐久性能系統(tǒng)數(shù)據(jù)，還需進行深入的研究.

另外，有關(guān)FRP筋本身的耐久性研究較多，而從工程尺度進行的研究較少，今后應(yīng)拓展該方面的研究，進一步推進FRP筋在工程中的應(yīng)用.

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