混凝土梁中GFRP筋加速老化與自然老化相關性分析*

董 杰 何雄君 章 恒 張 晶 楊永超 宋 淵 饒 軍

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司2) 廣州 510500)

混凝土梁中GFRP筋加速老化與自然老化相關性分析*

董 杰1)何雄君1)章 恒1,2)張 晶1)楊永超1)宋 淵1)饒 軍1)

(武漢理工大學交通學院1)武漢 430063) (廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司2)廣州 510500)

通過將GFRP筋配置于混凝土梁中并施加持續(xù)荷載后，置于不同的老化環(huán)境進行了老化試驗.其中，自然老化試驗是將試件暴露在自然環(huán)境中，加速老化試驗是將試件分別浸泡在3種不同溫度(20，40，60 ℃)的堿溶液及鹽溶液中.完成相應作用時間后，對試件的拉伸性能、剪切性能、壓縮性能進行測試.通過灰色關聯(lián)分析的方法，計算了各加速老化工況與自然老化工況之間的關聯(lián)度，即尋找出了退化趨勢與自然老化工況最相似的加速老化工況，進而進行加速因子及加速轉(zhuǎn)換因子的計算.根據(jù)確定的加速因子，即可在短期內(nèi)快速的預測自然老化過程GFRP筋的性能退化規(guī)律.

GFRP筋；加速老化；灰色關聯(lián)分析；加速因子

0 引 言

為研究混凝土梁中GFRP筋在使用過程中的耐久性能，將產(chǎn)品長期暴露于某種自然環(huán)境中，是最能真實地反映其性能退化規(guī)律的方法.然而自然老化的試驗周期非常長，為短期內(nèi)快速了解其老化性能，目前主要通過人工加速老化試驗的方法來對其老化性能進行研究.

文中考慮GFRP筋復雜的服役環(huán)境，將配置有GFRP筋的混凝土梁分別置于不同的加速環(huán)境中，完成相應的作用時間后，從梁中取出GFRP筋測試其各項力學性能.通過對試驗數(shù)據(jù)的比對分析，選用合理的數(shù)學分析方法，尋求人工加速老化與自然老化之間的聯(lián)系，進而能為快速預測材料實際使用過程中的性能退化規(guī)律提供可靠依據(jù).

1 試 驗

1.1 試件制備

試驗選用某公司生產(chǎn)的直徑10 mm的GFFP筋，單根長110 cm.由生產(chǎn)廠家提供的主要參數(shù)見表1.

表1 試驗用GFRP筋主要參數(shù)

為了模擬GFRP筋實際工作環(huán)境的老化性能，參照文獻[1-2]的試驗要求，將1根長為1 100 mm的GFRP筋布置在混凝土梁中，其布置形式見圖1.GFRP筋混凝土梁澆筑時選用C30混凝土，梁的幾何尺寸為1 100 mm×80 mm×110 mm.

圖1 混凝土梁中GFRP筋的布置形式(單位：mm)

配有GFRP筋的混凝土結(jié)構物在實際工作環(huán)境中，往往需要長期承受外荷載的作用.為了模擬這種狀態(tài)，將對GFRP筋混凝土梁施加持續(xù)荷載.在施加持續(xù)荷載之前，先需要根據(jù)四點試驗確定試驗用GFRP筋混凝土梁的極限抗彎承載力FL[3].通過施加持續(xù)荷載Fs=0.25FL模擬GFRP筋的長期受荷狀態(tài).持續(xù)荷載的施加，是在成對的混凝土梁之間通過彈簧和反力架等施加荷載來實現(xiàn)的.對于施加持續(xù)荷載的GFRP筋混凝土梁，加載時要保持GFRP筋處于梁體受拉一側(cè).

1.2 試驗方案

1.2.1 自然老化試驗

自然老化試驗是將施加持續(xù)荷載的GFRP筋混凝土梁置于室外環(huán)境，本文中的自然老化試驗在湖北武漢地區(qū)進行.在試驗周期內(nèi)武漢地區(qū)的氣溫變化見圖2，自然老化試驗見圖3.

圖2 試驗周期內(nèi)武漢地區(qū)的氣溫變化圖

圖3 GFRP筋混凝土梁的自然老化試驗

在自然老化前，取出混凝土梁中的筋體進行力學性能測試并作為各項性能初始值.每次取樣過程中取出4根GFRP筋試件，其中3根用于拉伸試驗試件的取樣，1根用于壓縮試驗、剪切試驗的試件取樣.隨后，每隔90 d進行一次GFRP筋取樣，見表2.

表2 GFRP筋混凝土梁自然老化試驗的取樣時間

1.2.2 加速老化試驗

文獻[4-6]通過試驗指出，影響GFRP筋性能退化的主要控制因素為溫度和浸泡溶液類型，而Taketo通過試驗發(fā)現(xiàn)GFRP筋浸泡在酸性溶液中，并未出現(xiàn)明顯退化現(xiàn)象，具有優(yōu)異的耐酸性能.因此，試驗主要考慮溫度、堿性環(huán)境，以及鹽環(huán)境對GFRP筋性能的影響.

試驗中的溶液環(huán)境，根據(jù)文獻[1]提供的配置方法，分別按表3所示的組成配置堿溶液及鹽溶液.為了考慮溫度的影響，試驗中將溶液溫度分別控制在(20±2)，(40±2)和(60±2) ℃.

為了研究混凝土環(huán)境及持續(xù)荷載的作用對GFRP筋性能的影響，試驗將裸筋、混凝土梁及施加持續(xù)荷載的混凝土梁浸泡在60 ℃的堿溶液中.

表3 試驗用GFRP筋主要參數(shù) g/L

為了研究GFRP筋在服役狀態(tài)下的性能退化規(guī)律，分別將施加持續(xù)荷載的混凝土梁浸泡在20 ℃,40 ℃,60 ℃的溫度下，加速老化時間分別為30 d,60 d,90 d,120 d,150 d和180 d.各工況下的GFRP筋到達預定加速老化時間后，將混凝土梁取出.每種工況取出的4根梁，3根用于拉伸試驗的試件取樣，另外1根用于剪切試驗、壓縮試驗及掃描電鏡的試件取樣.

混凝土梁取出后置于室內(nèi)自然風干，待混凝土梁晾干后敲碎梁體取出GFRP筋.在取樣的過程中，盡量要減少人為因素對筋體的損壞，另外須把筋體表面殘存的混凝土清除干凈，以減少其對力學性能測試的影響.

1.3 性能測試

抗拉強度及拉伸模量的測試參考文獻[1-2]的有關要求，將試件放入雙剪測試裝置中，在萬能試驗機上進行剪切試驗,見圖4.并對的試件的最大荷載和破壞形式進行記錄.

圖4 雙剪測試裝置圖

2 試驗結(jié)果分析

2.1 人工加速老化與自然老化之間的關聯(lián)度計算

結(jié)合GFRP筋老化過程力學性能的退化規(guī)律，選用灰色關聯(lián)分析法對GFRP筋的人工加速老化與自然老化的相關性進行定量分析，并確定各人工加速老化工況與自然老化工況的關聯(lián)度，具體分析過程如下.

1) 確定參考系列與比較系列 在相關性分析的過程中，選取自然老化工況中的力學性能數(shù)據(jù)為參考系列，選取各種人工加速老化工況中的力學性能數(shù)據(jù)作為比較系列.

2) 數(shù)據(jù)量綱一的量化處理 由于GFRP筋的抗拉強度、剪切強度、壓縮強度的物理意義不同，直接采用試驗測試數(shù)據(jù)不便于比較.因此，在進行灰色關聯(lián)分析的過程中，可通過計算各力學性能保留率，進行了數(shù)據(jù)的量綱一的量化處理.因此，可以取各工況力學性能保留率為計算基本數(shù)據(jù)，計算基本數(shù)據(jù)見表4～6.

表4 自然老化與各加速老化工況下 GFRP筋抗拉強度保留率

表5 自然老化與各加速老化工況下 GFRP筋剪切強度保留率

表6 自然老化與各加速老化工況下 GFRP筋壓縮強度保留率

3) 關聯(lián)系數(shù)的計算 根據(jù)上一步得到取各工況力學性能保留率的數(shù)據(jù)，可按式(1)計算關聯(lián)系數(shù).

(1)

在計算過程中，為了增加關聯(lián)系數(shù)之間的差異性，同時減小因最大絕對差數(shù)值過大引起的結(jié)果失真現(xiàn)象，文中分辨系數(shù)取ρ=0.5.據(jù)此，可以得到GFRP筋老化過程中，分別以抗拉強度、剪切強度及壓縮強度的保留率為評價指標計算的各種加速老化工況與自然加速老化工況之間的關聯(lián)系數(shù)，計算結(jié)果見表7～9.

表7 以抗拉強度保留率為參量的各加速老化與 自然老化工況的關聯(lián)系數(shù)

表8 以剪切強度保留率為參量的各加速老化與 自然老化工況的關聯(lián)系數(shù)

表9 以壓縮強度保留率為參量的各加速老化與 自然老化工況的關聯(lián)系數(shù)

4) 關聯(lián)度ri的計算 根據(jù)上步計算出的關聯(lián)系數(shù)，見表10.灰色關聯(lián)度為

(2)

式中：灰色關聯(lián)度ri≤1，且當灰色關聯(lián)度ri越接近1時，兩者之間表現(xiàn)出來的相關程度越好.

表10 GFRP筋各加速老化工況與自然老化工況的關聯(lián)度

由表10可知，在6種人工加速老化工況中，鹽環(huán)境/40 ℃浸泡條件下的人工加速老化對自然老化的關聯(lián)度較大.因此，根據(jù)此工況GFRP筋的老化規(guī)律來探究自然老化過程的老化規(guī)律具有更高的可信度.

同時，此工況中以抗拉強度保留率為參量計算的兩者之間的關聯(lián)度高達0.841.基于上述分析結(jié)果，文中將以鹽環(huán)境/40 ℃的條件下的GFRP筋抗拉強度保留率作為評價指標，計算人工加速老化與自然老化之間的加速因子.

2.2 GFRP筋性能保留率與時間的回歸方程的建立

2.2.1 回歸方程建立的方法

在建立GFRP筋性能保留率的回歸方程的過程中，針對考慮到GFRP筋老化過程早期性能退化較快，文獻[7]通過對數(shù)擬合的方式建立了Y=a+b·lnt形式的回歸方程.考慮老化后期性能主要是穩(wěn)定的下降，文獻[8]等通過線性擬合的方式建立了Y=a+b·t形式的回歸方程.

Gunyaev等[9]則結(jié)合GFRP筋在老化過程中外部環(huán)境和材料本身的特點，考慮到老化過程中可逆及不可逆的性能變化，剩余強度預測模型為

(3)

由于文中用于研究的老化工況數(shù)據(jù)相對較少，又考慮到GFRP筋在老化初期各項性能下降趨勢較大，后期性能退化過程趨于穩(wěn)定且基本呈線性關系退化的特點，回歸方程為

(4)

在建立回歸方程的過程中，考慮老化前期以對數(shù)形式下降，隨后以線性形式緩慢退化.因此本文根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，分別以Y=a+b·t及Y=a+b·lnt的形式擬合回歸方程，分段函數(shù)的臨界點tm為

a0+b0·lntm=a1+b1·tm

(5)

為建立式(4)所示回歸方程，以性能保留率Y為因變量，分別以老化時間t及老化時間的自然對數(shù)lnt為自變量建立線性回歸方程.

根據(jù)所要求達到的顯著性水平α，查閱F分布臨界值表，當F≥Fα(1,n-2)滿足時，則表明擬合的方程線性效果顯著，即因變量y與自變量x之間存在顯著的線性關系.

2.2.2 加速老化過程回歸方程建立

通過分析，結(jié)合加速老化過程中實測的6組數(shù)據(jù)，選用GFRP筋的性能保留率Y為因變量，時間t及時間的對數(shù)T=lnt為自變量分別建立線性回歸方程.

根據(jù)線性回歸的計算原理，通過直線形式可擬合為：Y=95.819-0.025t，通過對數(shù)形式可擬合為：Y=103.052-2.183 lnt.加速老化過程的中，通過線性擬合的回歸方程臨界分布系數(shù)F=33.960，通過對數(shù)擬合的回歸方程臨界分布系數(shù)F=527.630，兩者均大于F0.01(1,4)=21.2，表明建立的回歸方程線性關系良好.

根據(jù)上述建立的回歸方程，由式(5)可確定分段函數(shù)臨界點tm=47，則鹽環(huán)境/40 ℃加速老化過程中GFRP筋抗拉強度保留率Y與老化時間T之間的關系見式(6).

(6)

2.2.3 自然老化過程回歸方程建立

通過分析，結(jié)合加速老化過程中實測的6組數(shù)據(jù)，選用GFRP筋的性能保留率Y為因變量，時間t及時間的對數(shù)T=lnt為自變量分別建立線性回歸方程.

通過直線形式可擬合為：Y=95.377-0.004t，通過對數(shù)形式可擬合為：Y=99.742-1.002 lnt.自然老化過程的中，通過線性擬合的回歸方程臨界分布系數(shù)F=92.726，通過對數(shù)擬合的回歸方程臨界分布系數(shù)F=87.623，兩者均大于F0.01(1,4)=21.2，表明建立的回歸方程線性關系良好.

根據(jù)上述建立的回歸方程，由于式(5)可確定分段函數(shù)臨界點Tm=132 d，則自然老化過程中GFRP筋抗拉強度保留率Y與老化時間T之間的關系見式(7).

(7)

2.3 人工加速老化對自然老化的加速因子

在分別得到GFRP筋在自然老化和加速老化過程中的性能退化回歸方程后，為了建立兩者之間的聯(lián)系文中引入了加速因子AF.加速因子是指使材料性能退化相同的程度時，自然老化與加速老化所用時間之比.通過計算加速因子，即可用加速老化過程使用時間與加速因子的乘積來預測自然老化過程的使用壽命.

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立的回歸方程見圖5，在衡量材料的使用性能的時候，一般認為材料性能退化率達50%時即失效.因此，文中取抗拉強度保留率退化至50%時為性能終止目標，由此分別得到人工加速條件下的失效時間t=1 872.10 d，自然老化條件下的失效時間T=11 490.24 d，故人工加速老化對自然老化的加速因子：

(8)

圖5 老化過程建立的抗拉強度保留率回歸方程

因此，鹽環(huán)境/40 ℃環(huán)境加速老化對自然老化的加速因子為6.14，即表示在此加速環(huán)境中老化1 d相當于自然環(huán)境中老化6.14 d.

2.4 人工加速老化對自然老化的加速轉(zhuǎn)換因子

加速因子AF指的是材料性能達到某一失效值時的加速倍率，為了解GFRP筋在整個壽命期內(nèi)的加速因子變化情況，本文引入了加速轉(zhuǎn)換因子ASF.加速轉(zhuǎn)換因子表示在任意老化時刻，加速老化相對自然老化的加速速率.

由式(6)～(7)兩個回歸方程，加速轉(zhuǎn)換因子ASF可以通過式(9)計算在相同性能保留率的條件下，加速老化與自然老化所用時間的比值得到.

(9)

通過聯(lián)立式(6)～(7)建立的回歸方程，通過計算可得加速轉(zhuǎn)換因子見式(10)，ASF的變化趨勢見圖6.

ASF=T/t=

(10)

圖6 加速轉(zhuǎn)換因子與加速老化時間的關系圖

根據(jù)圖6可知，在加速老化的早期加速轉(zhuǎn)換因子ASF不斷上升，隨后基本穩(wěn)定在6.15左右.以不同的性能保留率為終止指標時的加速因子見表11，由表11可見材料性能退化至50%時的加速因子為6.14，而材料完全失效時的加速因子為6.17，兩者并無顯著差異，說明在老化過程中計算得到加速因子較穩(wěn)定.

表11 以不同性能保留率為終止指標的加速因子

2.5 GFRP筋耐久性預測

在分別得到GFRP筋在自然老化和加速老化過程中的性能退化回歸方程(6)～(7)后，在達到某一性能值退化至Y0時，自然老化所需時間T(Y0)為

(11)

結(jié)合式(11)的方法，由式(6)計算的加速老化過程中的性能保留率的退化方程和式(8)計算的加速因子，可預測自然老化過程性能保留率的退化方程為

將試驗得到自然老化過程性能保留率的退化方程，預測得到的自然老化過程性能保留率的退化方程分別繪成圖7.由圖7可見，兩者之前沒有的差異，具有良好的預測精度.

圖7 GFRP筋的強度保留率的預測趨勢與實測趨勢圖

實際上，為了的得到更準確的退化規(guī)律，可以延長老化試驗的時間周期，增加試驗數(shù)據(jù)的數(shù)量，不斷對試驗結(jié)果進行修正，以更好的指導GRRP筋的耐久性設計.

3 結(jié) 論

1) GFRP筋在鹽環(huán)境/40 ℃加速老化條件與自然老化過程中的性能退化規(guī)律大體一致，因此，可以用鹽環(huán)境/40 ℃的加速試驗對GFRP筋在服役狀態(tài)的性能退化規(guī)律進行分析.

2) 在鹽環(huán)境/40 ℃浸泡條件下的老化試驗中，其抗拉強度的退化規(guī)律與自然老化過程中更相似.因此，可以用GFRP筋的抗拉強度性能保留率作為具體的量化指標進行使用壽命的預測.

3) 鹽環(huán)境/40 ℃浸泡條件下相對于自然老化的加速因子為6.14，也就是說在此工況中老化1 d相當于在自然老化6.14 d，自然老化過程的性能保留率則可通過鹽環(huán)境/40 ℃浸泡條件下的性能保留率乘以加速因子來預測.

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Correlation Analysis of Accelerated Aging and Natural Aging of GFRP in Reinforced Concrete Beams

DONG Jie1)HE Xiongjun1)ZHANG Heng1,2)ZHANG Jin1)YANG Yongchao1)SONG Yuan1)RAO Jun1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(GuangdongConstructionScienceResearchInstituteGroupLimitedbyShareLtd.,Guangzhou510500,China)2)

In this experiment, the GFRP bars are placed in the concrete beams and applied to the continuous loading, and the aging test is carried out in different aging conditions. Among them, the natural aging test is to be exposed in the natural environment, and the accelerated aging test is to soak in three different temperatures (20,40,60 ℃) of the alkali solution and salt solution. After finishing the corresponding time, the tensile properties, shear properties and compressive properties of the specimens are tested. Through the method of grey correlation analysis, the accelerated aging condition and the correlation between natural aging condition are calculated, which find out the trend of degradation and natural aging conditions accelerated aging conditions are most similar. Besides, the acceleration factor and accelerate the conversion factor are calculated. According to the determined acceleration factors, the performance degradation of GFRP bars in natural aging process can be predicted quickly in the short term.

GFRP bars; accelerated aging; gray correlation analysis; accelerating factor

2016-12-26

*國家自然科學基金項目資助(51178361)

TU377.9

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.027

董杰(1991—)：男，碩士生，主要研究領域為橋梁結(jié)構耐久性設計與安全評估