侵蝕環(huán)境下GFRP筋力學(xué)性能退化試驗

陸春華，何禮遠，褚天舒，延永東

(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

眾所周知，鋼筋銹蝕問題始終制約著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展[1]，主要是鋼筋銹蝕會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)性能退化，是引起結(jié)構(gòu)失效的主要因素之一[2]。然而隨著新材料的發(fā)展，纖維增強復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP)憑借著其輕質(zhì)高強、抗疲勞、耐腐蝕、耐久性好等優(yōu)良性能脫穎而出，在土木與建筑工程中的研究與應(yīng)用十分活躍，已逐漸形成了一個新的學(xué)科增長點[3-5]。因此，人們認為采用FRP筋替代普通鋼筋是解決混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕問題行之有效的方法之一。其中，玻璃纖維增強復(fù)合材料(GFRP)筋價格較低廉，性價比較高，且應(yīng)用最為廣泛。因此，有必要對GFRP筋在惡劣侵蝕環(huán)境作用下的力學(xué)性能及耐久性進行研究，為GFRP筋能夠更好地運用到混凝土結(jié)構(gòu)中提供一定試驗基礎(chǔ)。

目前，國內(nèi)外關(guān)于GFRP筋在侵蝕環(huán)境中的加速老化研究主要體現(xiàn)在腐蝕前后其力學(xué)性能的劣化規(guī)律等方面。Chen等[6]將GFRP筋分別置于60 ℃和40 ℃的水中，濕度均為100%，70 d后測得其抗拉強度分別降低29%和3%；王偉等[7]將GFRP筋浸泡在堿環(huán)境和埋入潮濕混凝土中，54 d后測得其抗拉強度分別損失了38.6%和34.5%；Stamenovic等[8]的試驗結(jié)果表明，增加pH值的堿性環(huán)境將導(dǎo)致玻璃纖維管材力學(xué)性能更劇烈的退化，而酸性環(huán)境實際上使抗拉強度和彈性模量有所增加。Benmokrane等[9]通過表觀水平剪切強度試驗測試，發(fā)現(xiàn)在堿環(huán)境條件下，G/V具有最佳的力學(xué)性能，其次是B/E，最低的為B/V。Montaigu等[10]將新開發(fā)的乙烯和聚酯玻璃纖維增強聚合物浸泡在60 ℃的堿環(huán)境中，180 d后其性能基本穩(wěn)定，未表現(xiàn)出明顯的變化。

從上述研究情況來看，目前國內(nèi)外已對各種侵蝕環(huán)境下GFRP筋力學(xué)性能進行了一定研究，但研究成果相對而言還比較少，并且有些方面還存在不足。有些研究學(xué)者只是選取一種侵蝕環(huán)境，然后根據(jù)溶液濃度的不同來對比分析，在實際工程中所面臨的惡劣環(huán)境是多樣的；還有些學(xué)者選取溫度作為參數(shù)條件，但是溫度選擇太高，對實際工程沒有多大的意義；雖然有選取時間作為控制因素，但并沒有和其他參數(shù)一起來對比分析；尺寸效應(yīng)作為筋材的基本屬性，卻鮮有學(xué)者去研究分析，結(jié)合相關(guān)因素的分析就更少。總體而言，研究者對溶液的濃度、溫度、筋材直徑及時間等參數(shù)的選取存在差異，導(dǎo)致試驗結(jié)果也存在很大的差異。另外，大部分是對拉伸性能試驗的研究，鮮有通過表觀水平剪切試驗來研究其力學(xué)性能的，F(xiàn)RP筋材在構(gòu)件里不僅受拉，還要受剪，所以兩者都要研究。

鑒于此，本文對不同直徑、侵蝕環(huán)境以及浸泡時間的GFRP筋力學(xué)和耐久性能進行了試驗研究。主要分析了不同侵蝕環(huán)境對GFRP筋抗拉及剪切性能的影響、尺寸效應(yīng)對破壞形式和力學(xué)性能的影響、浸泡時間對筋材耐久性能的影響等。研究結(jié)果可為GFRP筋在土木工程尤其在惡劣侵蝕環(huán)境下的推廣應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗方案

1.1 試樣設(shè)計

試驗采用南京鋒暉復(fù)合材料有限公司拉擠成型的GFRP筋，由玻璃纖維和乙烯基酯樹脂組成，其物理力學(xué)性能參數(shù)見表1。拉伸試樣浸泡時間為180 d，試樣共34個，具體參數(shù)見表2，用于鹽、堿環(huán)境的GFRP筋每種直徑為4根，清水、實驗室環(huán)境則每種直徑為1或2根。剪切試樣浸泡時間分別為12，36，72 d，試樣共44個，具體參數(shù)見表3。

表1 GFRP筋物理力學(xué)性能Tab.1 Physical Mechanical Properties of GFRP Bars

注:8 mm試樣直徑太小，不適合做剪切試驗。

表2 GFRP筋拉伸試樣參數(shù)Tab.2 Tensile Specimen Parameters of GFRP Bars

表3 GFRP筋剪切試樣參數(shù)Tab.3 Shear Specimen Parameters of GFRP Bars

1.2 侵蝕環(huán)境

浸泡試驗在自制的無蓋鐵皮溶液箱中進行，溫度為常溫。侵蝕環(huán)境主要有以下幾種：①堿環(huán)境，根據(jù)ACI Committee 440.3R-04規(guī)范[11]建議的方法進行配置，在1 L去離子水中加入118.50 g Ca(OH)2，0.90 g NaOH，4.20 g KOH，實測pH值為12.82；②鹽環(huán)境，依據(jù)ASTM D665-03規(guī)范[12]，在1 L去離子水中加入24.53 g NaCl，5.20 g MgCl2，4.09 g Na2SO4，1.16 g CaCl2，0.70 g KCl；③清水環(huán)境，自來水；④實驗室環(huán)境。

1.3 試驗方法

試驗儀器見圖1。拉伸試驗參考《定向纖維增強聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗方法》[13]，在加載之前，為了避免應(yīng)力集中造成筋材的損壞，在加載端用環(huán)氧樹脂膠和套管進行錨固。拉伸試驗在WAW-1000D型電子萬能試驗機上進行，如圖1(a)所示，加載時間持續(xù)2～4 min。使用計算機監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對測試過程中的數(shù)據(jù)進行記錄。

表觀水平剪切試驗采用《拉擠玻璃纖維增強塑料桿力學(xué)性能試驗方法》[14]規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。將試樣放在支座上，調(diào)整支撐塊和試樣的位置至規(guī)定跨距，以保證試樣能夠剪切破壞。剪切試驗在UTM5305型電子萬能試驗機上進行，如圖1(b)所示，試驗加載速率為1.3 mm·min-1，加載速率是在不使試樣受到任何沖擊的情況下進行的。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 破壞形式

(1)拉伸試驗。當(dāng)試樣加載一段時間后開始發(fā)出“噼噼啪啪”的響聲；隨著加載的持續(xù)，纖維斷裂的聲響不斷加大而且更加密集；達到極限應(yīng)力后，可以看到筋材表面部分纖維束逐漸被拉斷。斷裂纖維束逐漸增多，隨著“砰”的一聲，筋材的中部突然發(fā)生“爆炸式”破壞，與文獻[15]的結(jié)果相一致，破壞部位的纖維呈發(fā)散狀，同時飛散出許多細小的纖維絲，如圖2(a)所示，此時試驗結(jié)束。

(2)表觀水平剪切試驗。初期施加荷載時，試樣中部會慢慢向下彎曲；荷載逐漸增大時，可以聽見有持續(xù)的響聲；達到最大荷載時，試樣在試驗過程中斷裂，會聽到脆性斷裂的聲音，斷口有明顯的脆性斷裂跡象[16]，如圖2(b)所示。

2.2 試驗結(jié)果

2.2.1 拉伸試驗

由于拉伸斷裂后，無法測得GFRP筋斷口的截面尺寸，故仍采用初始截面面積計算試樣的抗拉強度，即

(1)

式中：σ為名義極限抗拉強度；PT為最大破壞荷載；d為筋材初始直徑。

拉伸彈性模量采用在彈性極限范圍內(nèi)應(yīng)力與相應(yīng)應(yīng)變的比值來計算，即

(2)

式中：E為筋材彈性模量；P1，P2分別為60%最大破壞荷載和40%最大破壞荷載；ε1，ε2分別為P1，P2對應(yīng)的應(yīng)變。

根據(jù)拉伸試驗數(shù)據(jù)以及計算公式，得出在實驗室環(huán)境下3種不同直徑筋材的抗拉強度值(表1)。筋材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線能較好地反映其延伸率以及破壞形式，最后得到的GFRP筋試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。

由圖3可以看出，當(dāng)逐漸增加到最大應(yīng)力時，GFRP筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線始終保持為直線，沒有明顯的屈服點，整個試驗過程基本是呈線彈性增長。從圖3還可以看出，在實驗室環(huán)境下GFRP筋極限拉應(yīng)變隨直徑的變化并不明顯，具體表現(xiàn)為，試樣的應(yīng)變都在0.02～0.03之間，變化幅度很小，說明筋材的極限延伸率比較低。當(dāng)超過最大荷載之后，就會出現(xiàn)驟降階段，表明GFRP筋在斷裂前沒有屈服階段，主要發(fā)生脆性破壞[17]。

為了更好地研究筋材的性能退化規(guī)律，選擇環(huán)境類別和直徑2個不同參數(shù)進行對比分析，具體結(jié)果如圖4所示。從圖4(a)可以看出，GFRP筋的極限抗拉強度在不同侵蝕環(huán)境下都有一定程度的下降，說明侵蝕環(huán)境對其抗拉強度有明顯的影響。具體表現(xiàn)為，直徑8 mm的GFRP筋在3種侵蝕環(huán)境下抗拉強度損失率在3%～12%之間；直徑12 mm的筋材在每種侵蝕環(huán)境下的抗拉強度損失率大不相同，在清水環(huán)境中抗拉強度反而有一定的增加(GFRP筋在拉伸過程中會出現(xiàn)一定容錯率)，在堿環(huán)境中抗拉強度損失最多，為12.20%；直徑16 mm的筋材在清水和鹽環(huán)境下抗拉強度變化較少，而在堿環(huán)境下?lián)p失最多。已有類似研究[18]表明：GFRP筋除在堿性環(huán)境中表現(xiàn)較差外，氯鹽環(huán)境下抗腐蝕性能較好，這也說明了GFRP筋相比于鋼筋具備良好的耐氯離子腐蝕特性。這也為GFRP筋代替海工環(huán)境下的普通鋼筋來發(fā)揮其優(yōu)勢提供一定的試驗基礎(chǔ)。

GFRP筋的抗拉強度在堿、鹽和清水環(huán)境中的平均損失率分別為11.44%，4.59%和4.30%。上述試驗結(jié)果也可以從GFRP筋的微觀結(jié)構(gòu)特性進行分析[19]：FRP筋是一種復(fù)合材料，由纖維和基體組成，因此FRP筋性能退化機理與其組成成分密切相關(guān)。由試驗結(jié)果分析可知，GFRP筋受堿環(huán)境侵蝕的影響最為明顯，這主要因為玻璃纖維中Si-O鍵分別與水分子和堿環(huán)境中OH-交換或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使Si-O鍵斷裂造成GFRP筋性能劣化。被侵蝕過后筋材纖維含量減少導(dǎo)致截面面積變小，這與本文對其外形觀察結(jié)果一致。

圖4(b)給出了同一環(huán)境作用下筋材抗拉強度隨直徑的變化規(guī)律。從圖4(b)可以看出，當(dāng)直徑12 mm和8 mm的筋材作對比時，在鹽和堿環(huán)境下其抗拉強度都有所降低。從圖4(b)還可以看出，直徑16 mm筋材的抗拉強度反而比直徑12 mm筋材的要高，并且比直徑8 mm筋材的也高，也就是說，其抗拉強度沒有降低反而增大了。在鹽環(huán)境下，直徑8，12，16 mm試樣的抗拉強度分別下降了3.5%，9.42%和0.82%，曲線大致呈先下降再上升趨勢。

侵蝕環(huán)境下，直徑8，12，16 mm試樣的抗拉強度分別平均下降了7.42%，10.81%和4.27%。由此可以得出結(jié)論：①在小直徑情況下，GFRP筋抗拉強度具有較明顯的尺寸效應(yīng)；②在大直徑情況下，其抗拉強度則會受到長徑比的影響。文獻[20]研究也表明，筋材抗拉強度會隨著長徑比的減小而增大。本試驗中直徑8，12，16 mm試樣的長徑比分別為50.0，33.3，25.0，也就是說當(dāng)筋材的極限抗拉強度受長徑比影響的增大值大于受尺寸效應(yīng)影響的降低值時，大直徑筋材的極限抗拉強度就會高于小直徑筋材。

2.2.2 表觀水平剪切試驗

依據(jù)規(guī)范[14]規(guī)定，本試驗在測定剪切強度時采用連續(xù)加載，故GFRP筋的剪切強度可按式(3)計算

(3)

式中：τs為剪切強度；PS為最大破壞荷載。

表4給出了不同侵蝕環(huán)境下GFRP筋的表觀水平剪切強度。為了更為直觀地對比研究筋材的剪切性能，選取侵蝕環(huán)境和浸泡時間為不同參數(shù)，根據(jù)剪切強度損失率等研究其退化規(guī)律，見圖5。

表4 不同侵蝕環(huán)境下的剪切強度Tab.4 Shear Strength in Different Eroded Environments

由圖5(a)可知，在不同侵蝕環(huán)境作用下，GFRP筋的剪切強度均有較明顯的下降。具體來說，與實驗室環(huán)境測得的初始剪切強度相比，12 d時清水、鹽和堿環(huán)境下試樣剪切強度分別下降了-1.68%，4.46%，9.00%；36 d時分別下降了21.29%，27.80%，41.04%；72 d時則分別下降了26.05%，27.72%，41.77%。由此可以直觀地反映出，不論在任何時間段都是清水環(huán)境下的剪切強度最高，其次是鹽環(huán)境，最低的則是堿環(huán)境。值得一提的是，層間剪切強度的大小揭示了樹脂和纖維之間的界面性質(zhì)，也可以根據(jù)前面從GFRP筋的微觀結(jié)構(gòu)分析其性能退化機理中得到驗證。

圖5(b)則可以更直觀地反映出直徑16 mm的GFRP試樣在不同浸泡時間下剪切強度的保留率。與實驗室環(huán)境測得的參考值相比，浸泡12，36，72 d后，鹽環(huán)境作用下剪切強度損失率分別為3.66%，6.38%，9.65%；堿環(huán)境剪切強度損失率分別為6.51%，13.14%，14.78%；清水環(huán)境剪切強度損失率分別為6.64%，18.96%，20.00%。隨著浸泡時間的增加，筋材的剪切強度平均下降了5.60%，12.83%，14.81%。已有的類似研究中發(fā)現(xiàn)[21]，F(xiàn)RP筋在侵蝕初期，剪切強度下降較快，隨著侵蝕時間的增加，下降漸漸變緩，這是FRP筋被腐蝕的重要特點。在本文的侵蝕周期內(nèi)，GFRP筋的退化符合以上特點，例如在堿環(huán)境中，0～36 d內(nèi)剪切強度下降高達13.14%，而在36～72 d期間，剪切強度僅下降1.64%。分析認為腐蝕介質(zhì)在FRP筋中的擴散達到一定深度后難度加大，反應(yīng)生成物在FRP筋內(nèi)部堆積使反應(yīng)日趨緩慢是造成以上現(xiàn)象的主要原因。

綜合圖5(a),(b)可知，GFRP筋在清水、鹽、堿環(huán)境中的剪切強度分別下降了23.03%，18.69%，28.28%，可見侵蝕環(huán)境對其力學(xué)性能有明顯的影響。

圖6給出了表觀水平剪切試驗中典型的荷載-位移曲線關(guān)系，描述的是GFRP筋試樣在堿環(huán)境作用下不同侵蝕階段(12，36，72 d)試樣受荷達到極限承載力時所產(chǎn)生的位移?？梢钥闯?，原始試樣的剪切斷裂機制在橫斷面發(fā)生脆性斷裂，在2 mm左右開始發(fā)生破壞。被侵蝕過的試樣荷載-位移曲線表現(xiàn)出相似的模式，包括在早期加載階段的線性彈性行為，持續(xù)加載時的非線性段和峰值后的負載能力下降階段。隨著浸泡時間的增加，試樣的最大破壞荷載在減小以及破壞時其位移量也隨之降低。這主要是堿環(huán)境對筋材的纖維與基體界面造成了一定的破壞。

3 結(jié) 語

(1)GFRP筋在3種侵蝕環(huán)境下的力學(xué)性能均有一定退化，基本為在堿環(huán)境條件下性能降低最多，其次是鹽環(huán)境，最少的是清水環(huán)境；氯鹽環(huán)境下其腐蝕性能較好，這也說明GFRP筋相比于鋼筋具備良好的耐氯離子腐蝕特性，從而能夠代替海工環(huán)境下的普通鋼筋來發(fā)揮其優(yōu)勢。

(2)侵蝕環(huán)境下，直徑8，12，16 mm試樣的抗拉強度分別平均下降了7.42%，10.81%，4.27%?？梢缘贸龀醪浇Y(jié)論：小直徑時GFRP筋力學(xué)性能退化具有較明顯的尺寸效應(yīng)，抗拉強度隨直徑的增大而減?。淮笾睆较碌那闆r則相反，有可能是筋材的極限抗拉強度受長徑比影響的增大值大于受尺寸效應(yīng)影響的降低值。

(3)隨浸泡時間的增加，直徑8，12，16 mm試樣的剪切強度平均下降了5.60%，12.83%，14.81%，其性能隨時間的增加而降低。在0～36 d時性能下降較快，36～72 d時下降趨于平緩，說明在浸泡一段時間后溶液對基體和纖維之間界面造成的損傷較大，之后反應(yīng)生成物在FRP筋內(nèi)部堆積使反應(yīng)日趨緩慢。