堿液下GFRP筋力學(xué)性能劣化模型研究

高永紅，黃孝國，劉華琛，申俊宇

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院， 武漢 430065)

0 前言

據(jù)統(tǒng)計[1-2]，美國每年由于鋼筋腐蝕生銹而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)百億美元，而我國沿海地區(qū)港口、橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)工程每年因鋼筋銹蝕也將投入數(shù)千億的維修費用。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)以其質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐腐蝕等特性成為替代鋼筋的理想材料[3]，結(jié)構(gòu)在使用中常受到強(qiáng)堿、鹽等腐蝕介質(zhì)的侵蝕，F(xiàn)RP筋的力學(xué)性能在此類環(huán)境下的演化規(guī)律以及工程適用性引起了廣泛的關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者，研究腐蝕介質(zhì)下FRP筋的力學(xué)性能變化大多采用加速老化試驗[4-13]，自然老化條件下開展相關(guān)研究周期長，研究成果較少。因此，深入開展自然老化條件下堿液中GFRP筋力學(xué)性能的劣化規(guī)律研究，對了解GFRP筋增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能具有重大意義。

本文基于ACI-440規(guī)范要求，重點研究了筋體自然老化條件下在堿液中浸泡30、90、180 d后GFRP筋的力學(xué)性能、拉伸強(qiáng)度腐蝕速率和剩余強(qiáng)度衰減的變化規(guī)律，同時對比研究自然老化條件下相同腐蝕齡期內(nèi)(180 d)堿溶液與鹽溶液對筋體拉伸強(qiáng)度劣化速率的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

GFRP筋，全長800 mm、有效長度400 mm、兩端鋼套筒200 mm、直徑分別為20 mm和25 mm，深圳海川材料有限公司；

NaOH，分析純，1 mol/L，深圳市恒迪源潤達(dá)實業(yè)有限公司；

KOH，分析純，山東浩中化工科技有限公司；

Ca(OH)2，分析純，天津博迪化工股份有限公司；

NaCl，分析純，北京康普匯維科技有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)，WAW-1000，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司；

動態(tài)應(yīng)變儀，UT7808，武漢優(yōu)泰電子技術(shù)有限公司；

裂縫觀測儀，ZBL-F101，北京智博聯(lián)科技有限公司。

1.3 樣品制備

將桿件兩端使用自制塑料套管、細(xì)沙、水泥和玻璃膠密封；根據(jù)ACI-440規(guī)范采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1 %、1.4 %、0.16 %的NaOH、KOH、Ca(OH)2的混合液，均勻攪拌5 min，倒入圓桶中并加自來水稀釋至溶液pH值約為12.6～13.0，模擬堿環(huán)境，溶液靜置24 h后，將密封桿件浸入溶液，浸泡周期分別為30、90 d和180 d；采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 %的NaCl，混合自來水稀釋，模擬鹽環(huán)境，溶液靜置24 h后，將密封桿件浸入溶液，浸泡周期為180 d；浸泡周期滿后，將桿件從溶液中取出靜置12 h后，拆掉密封裝置，并在桿件有效長度的1/2和1/4處的垂直拉伸方向(橫向)、平行拉伸方向(縱向)粘貼應(yīng)變片，進(jìn)行拉伸試驗。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

拉伸性能測試：采用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)，按照GB/T 13096—2008[14]規(guī)定的方法，加載速率為2 mm/min，進(jìn)行拉伸性能測試；

采用動態(tài)應(yīng)變儀，2 s一次，定時采集筋體拉伸應(yīng)變值；

采用裂縫觀測儀，觀察筋體裂縫開展情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 表觀特征及拉伸破壞形態(tài)

圖1為GFRP筋在堿溶液和鹽溶液中浸泡180 d后的表觀變化。浸泡前筋體外表面粗糙，無光澤度。在堿溶液中浸泡180 d后，筋體表層樹脂基體因被腐蝕而軟化，導(dǎo)致部分玻璃纖維絲向外裸露，筋體外表面出現(xiàn)明顯光澤度，且筋體外表面局部出現(xiàn)灰白色物質(zhì)[圖1(a)]，由于堿溶液中的OH-離子與筋體表層玻璃纖維發(fā)生反應(yīng)生成HSiO3-和SiO32-等硅酸鹽膠凝[8]153-154[15]。如圖1(b)所示,鹽溶液中浸泡180 d后，筋體粗糙外表面因被腐蝕變光滑，表層基體樹脂有輕微腐蝕痕跡，筋體外表面出現(xiàn)一定光澤度。

(a)堿溶液 (b)鹽溶液圖1 腐蝕溶液浸泡后GFRP筋試樣的表面形貌Fig.1 Surface morphology of GFRP bars after corrosion solution

(a)桿件1/4處裂縫 (b)桿件破壞形態(tài)圖2 GFRP筋受拉破壞形態(tài)Fig.2 Tensile failure mode of GFRP bars

圖2為20 mm GFRP筋在堿溶液中浸泡180 d后的拉伸破壞形態(tài)。在拉伸過程中，當(dāng)荷載加載到74.95 kN時，桿件出現(xiàn)初響，由于筋體外層纖維斷裂，作用在纖維上的應(yīng)力重分布，隨著荷載增加，響聲頻率越來越快，繼續(xù)加載至108.4 kN時，響聲頻率減慢，此時桿件兩端出現(xiàn)裂紋，由于纖維斷裂由外層向內(nèi)層逐漸過度，加載至124 kN時，響聲慢慢變?nèi)踔敝镣Ｖ?，此時桿件1/4處出現(xiàn)寬度約為0.2 mm的裂紋[圖2(a)]，持續(xù)加載，裂紋向上下延伸，加載至153.3 kN時，突然出現(xiàn)一聲巨響，至157.6 kN時再次發(fā)生劈裂的響聲，響聲不斷加劇，直至桿件呈現(xiàn)炸開式破壞[圖2(b)]。由于桿件在加載過程中，筋體外層纖維首先承受應(yīng)力，隨后由樹脂基體傳遞到內(nèi)部纖維，導(dǎo)致橫截面上的應(yīng)力并不是均勻等值分布，而從圓周向圓心逐漸遞減呈倒梯形分布。隨應(yīng)力增大，外層纖維首先達(dá)到應(yīng)力極限并發(fā)生斷裂，同時應(yīng)力重新分布。隨著應(yīng)力繼續(xù)增大，纖維斷裂由外層向內(nèi)層逐漸過度，最后桿件發(fā)生破壞，破壞模式屬于脆性破壞。

2.2 拉伸強(qiáng)度及彈性模量劣化規(guī)律

GFRP筋在堿液中浸泡30、90、180 d及鹽溶液中浸泡180 d后的拉伸強(qiáng)度和彈性模量變化規(guī)律實測結(jié)果如表1所示。由表1可知，在堿液中GFRP筋的極限拉伸強(qiáng)度隨浸泡時間的延長呈下降趨勢，浸泡90 d和180 d后，20 mm筋體的拉伸強(qiáng)度比浸泡前降低了了20.89 %和28.33 %；25 mm筋體的拉伸強(qiáng)度比浸泡前降低了17.69 %和21.66 %。彈性模量隨浸泡時間的增長總體呈下降趨勢，但20 mm筋體浸泡30 d后的彈性模量比浸泡前升高了7.08 %，由于GFRP筋浸泡入堿液后發(fā)生了后固化反應(yīng)[16]，提高了筋體的彈性模量。浸泡90 d和180 d后，20 mm筋體的彈性模量比浸泡前降低了7.08 %和10.83 %；25 mm筋體的彈性模量比浸泡前降低了4.41 %和9.25 %。在鹽液中浸泡180 d后GFRP筋的力學(xué)性能(極限拉伸強(qiáng)度和彈性模量)也明顯下降，20 mm和25 mm筋體的極限拉伸強(qiáng)度比浸泡前降低了14.58 %和7.78 %；彈性模量比浸泡前降低了19.58 %和1.76 %。

表1 腐蝕溶液浸泡下GFRP筋的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of GFRP bars immersed in corrosion solution

注：表中括號里面數(shù)值代表各工況偏差值； “↓”和“↑”表示下降和上升；“N20”表示20 mm GFRP筋浸泡前；“A20-30”表示20 mm GFRP筋在堿液中浸泡30 d后；“S20-180”表示20 mm GFRP筋在鹽溶液中浸泡180 d后，其他工況依此類推。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，20 mmGFRP筋隨浸泡時間的增長，極限拉伸強(qiáng)度逐漸降低，浸泡3個時間段(30、90、180 d)內(nèi)每個時間節(jié)點前后，拉伸強(qiáng)度下降幅度在10 %左右，因此，將浸泡周期分為前期(0～30 d)、中期(30～90 d)和后期(90～180 d)3個時間段。了解各個時間段內(nèi)筋體極限拉伸強(qiáng)度的衰減速率，在一定程度上可以對腐蝕介質(zhì)中的GFRP筋增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在服役期間不同階段的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行預(yù)測和評估。

2.3 強(qiáng)度衰減速率

在不同溶液、不同時間段內(nèi)GFRP筋的拉伸強(qiáng)度平均衰減速率如圖3所示。圖3(a)反映了20 mm和25 mmGFRP筋在堿液浸泡的前、中、后期3個時間段內(nèi)拉伸強(qiáng)度的平均衰減速率，20 mm筋體的拉伸強(qiáng)度平均衰減速率分別為1.93、1.45、0.57 MPa/d，呈逐漸放緩的趨勢；而25 mm筋體在中期的拉伸強(qiáng)度衰減速率最快為1.65 MPa/d，后期衰減速率最緩為0.32 MPa/d，總體來看，在前、中期20 mm和25 mm GFRP筋的拉伸強(qiáng)度衰減速率分別為1.61 MPa/d 和1.41 MPa/d，明顯高于后期衰減速率。筋體在浸泡初期發(fā)生水解，破壞了筋體結(jié)構(gòu)中部分脆弱的硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使筋體強(qiáng)度衰減速率加速，但在浸泡后期，水解產(chǎn)生的硅酸作為一種極限分子使水分子極化，形成Si(OH)4·nH2O定向圍繞在筋體周圍，在筋體表面形成硅膠薄膜，隨浸泡時間的增加逐漸變厚，阻礙離子交換，減弱了筋體腐蝕速率[17]，導(dǎo)致筋體的拉伸強(qiáng)度衰減速率降低。在堿液中浸泡較長時間后，溶液因溶出而存在的Ca+離子，在玻璃纖維表面沉積形成一層不可溶的Ca - Si膜，在一定程度上也減弱了溶液中OH-離子對玻璃纖維的侵蝕作用[9]153-156，導(dǎo)致筋體的拉伸強(qiáng)度衰減速率降低，說明隨著浸泡時間的延長，堿液在浸泡初期對GFRP筋的拉伸強(qiáng)度劣化影響高于浸泡末期。

從圖3(a)可以看出,相同時間段、相同溶液中不同直徑筋體的拉伸強(qiáng)度的平均衰減速率差異大，且在不同時間段、不同直徑筋體的拉伸強(qiáng)度的平均衰減速率也有差異，如在堿液中浸泡前期和后期2個時間段內(nèi)，20 mm筋體的拉伸強(qiáng)度的平均衰減速率高于25 mm筋體，但浸泡中期時間段內(nèi)，20 mm筋體的拉伸強(qiáng)度平均衰減速率又小于25 mm筋體，說明尺寸效應(yīng)對GFRP筋在堿液下的拉伸強(qiáng)度衰減速率有一定影響。

GFRP筋的直徑/mm：—20 —25 溶液類型：—堿溶液 —鹽溶液(a)堿溶液下前、中、后期衰減速率 (b)相同浸泡齡期堿、鹽溶液腐蝕速率對比圖3 在腐蝕溶液浸泡后GFRP筋極限拉伸強(qiáng)度衰減速率Fig.3 Decay rates of ultimate tensile strength of GFRP bars in corrosive solution

圖3(b)反映了在堿液和鹽溶液中浸泡相同齡期(180 d)內(nèi)20 mm和25 mm GFRP筋的拉伸強(qiáng)度平均衰減速率。可以看出，相同溶液中，堿液中和鹽溶液中GFRP筋的拉伸強(qiáng)度平均衰減速率隨筋體直徑的增大分別降低了48.6 %和64.0 %；不同溶液中，20 mm和25 mm GFRP筋的拉伸強(qiáng)度平均衰減速率在堿液中比鹽溶液中增大了21.1 %和44.6 %，由于堿溶液能提供的OH-離子濃度相對于鹽溶液要高，高濃度的OH-離子加快了對玻璃纖維的蝕刻速率[7]39-40，纖維劣化速率增大，導(dǎo)致筋體強(qiáng)度衰減速率也變快。

2.4 堿液下GFRP筋的拉伸強(qiáng)度剩余強(qiáng)度衰減模型

基于Arrhenius理論方程，在本次試驗結(jié)果基礎(chǔ)上，對經(jīng)典的GFRP筋拉伸強(qiáng)度剩余強(qiáng)度衰減模型進(jìn)行修正，提出了更符合GFRP筋拉伸強(qiáng)度衰減規(guī)律的修正模型。Arrhenius方程是預(yù)測GFRP筋在特殊環(huán)境中使用壽命的基礎(chǔ)[10]51[13]764，在Arrhenius方程中筋體強(qiáng)度退化速率k與桿件剩余強(qiáng)度比Y和腐蝕浸泡時間t之間的關(guān)系如式(1)所示：

(1)

式中Y——桿件剩余強(qiáng)度比(筋體剩余拉伸強(qiáng)度與初始拉伸強(qiáng)度的比值)

τ——相關(guān)參數(shù)

t——浸泡時間，d

其中，τ=1/k。由于筋體在特殊環(huán)境下始終具有殘余強(qiáng)度，因此定義當(dāng)t為無窮大時，桿件才破壞。根據(jù)式(1)對本次試驗實測得在堿液下不同浸泡周期內(nèi)GFRP筋殘余拉伸強(qiáng)度比值結(jié)果進(jìn)行非線性擬合，得到經(jīng)典模型下GFRP筋剩余強(qiáng)度衰減擬合曲線，如圖4所示。

GFRP筋的直徑/mm：●—25 ▼—20━ —25mm擬合曲線 ┅ —20 mm擬合曲線圖4 經(jīng)典模型下GFRP筋剩余強(qiáng)度衰減擬合曲線Fig.4 Fitting curve of residual strength degradation of GFRP bars based on the classical model

考慮到在實際使用過程中筋體的拉伸強(qiáng)度不會出現(xiàn)趨近于0(即筋體完全失效)的情況，并結(jié)合筋體在堿液下浸泡初期拉伸強(qiáng)度衰減速率較快，中后期拉伸強(qiáng)度衰減速率放緩的特點，通過引入2個新參數(shù)A1、y0，對經(jīng)典模型進(jìn)行修正，如式(2)所示。以修正模型公式(2)重新對實測結(jié)果進(jìn)行擬合，得到修正模型下GFRP筋剩余強(qiáng)度衰減擬合曲線，如圖5所示。

(2)

式中A1、y0——假設(shè)參數(shù)

GFRP筋的直徑/mm：●—25 ▼—20━ —25 mm擬合曲線 ┅ —20 mm擬合曲線圖5 修正模型下GFRP筋剩余強(qiáng)度衰減擬合曲線Fig.5 Fitting curve of residual strength degradation of GFRP bars based on the modified model

從圖4、圖5以及表2可以看出，經(jīng)典模型下得到GFRP筋在堿液下剩余拉伸強(qiáng)度衰減規(guī)律曲線相關(guān)性一般，在浸泡周期內(nèi)整條曲線近似為一條直線，表明筋體強(qiáng)度衰減速率基本保持不變，曲線擬合相關(guān)性一般。而結(jié)合本次試驗中在堿液下GFRP筋的拉伸強(qiáng)度衰減規(guī)律的修正模型，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，曲線前段斜率大，后段斜率逐漸變小，反映筋體的拉伸強(qiáng)度前期衰減速率較強(qiáng)，后期衰減速率減弱，與本試驗前面得出的結(jié)果相吻合，且擬合曲線相關(guān)性較好, 其中20 mmGFRP筋剩余強(qiáng)度實測值與擬合結(jié)果相關(guān)性系數(shù)平方(R2)為0.99。

表2 GFRP筋剩余強(qiáng)度擬合方程系數(shù)Tab.2 Coefficient of fitting equation of residual strength degradation of GFRP bars

3 結(jié)論

(1)在堿液中，GFRP筋的極限拉伸強(qiáng)度隨浸泡時間的增長逐漸劣化降低，在堿液中浸泡180 d后， 20 mmGFRP筋，極限的拉伸強(qiáng)度比浸泡前降低了28.33 %，彈性模量比浸泡前降低了10.83 %； 25 mmGFRP筋，極限拉伸強(qiáng)度降低了21.66 %，彈性模量下降了9.25 %；

(2)相同腐蝕液中，不同浸泡周期內(nèi)不同尺寸筋體的拉伸強(qiáng)度的平均衰減速率不同；相同浸泡齡期內(nèi)，在堿液下筋體拉伸強(qiáng)度衰減速率高于鹽溶液；

(3)堿液下筋體拉伸強(qiáng)度衰減速率，在浸泡前期高于后期；修正后剩余強(qiáng)度衰減模型更準(zhǔn)確反映出GFRP筋在堿液下的強(qiáng)度衰減規(guī)律。