混凝土環(huán)境中GFRP筋抗拉性能加速老化試驗研究

代 力，江祥林，何雄君

(1.江西省交通科學研究院，江西 南昌 330200；2.長大橋梁建設關鍵技術及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，江西 南昌 330200；3.武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063)

纖維增強聚合物復合筋(FRP)由于具有良好的耐腐蝕性、輕質(zhì)高強、抗疲勞性好和無銹蝕特性等特點，將其替代鋼筋用于混凝土結(jié)構中已被大量研究證實是解決鋼筋銹蝕問題的有效途徑[1].

在已有的纖維增強塑料筋種類中，GFRP筋擁有高強度及高性價比等優(yōu)點，采用GFRP筋作為混凝土結(jié)構的勁性骨架已經(jīng)引起土木工程界的興趣和重視[2-3].實際混凝土結(jié)構所處外界環(huán)境和混凝土本身的強堿環(huán)境均會造成GFRP筋的力學性能的衰減，國內(nèi)外大多數(shù)研究者均是針對裸筋在模擬混凝土孔隙液強堿環(huán)境下進行不同程度的加速老化試驗[4-10]，并基于試驗擬合結(jié)果建立了抗拉性能退化模型.然而，人工模擬混凝土孔隙液堿性環(huán)境與實際混凝土環(huán)境之間存在一定差異，已有的退化模型并沒有考慮這一點.因此，研究GFRP筋在實際混凝土環(huán)境中的抗拉性能具有重要的實際工程意義，目前關于實際混凝土環(huán)境中GFRP筋抗拉性能耐久性的研究還鮮見報道.

鑒于此，本文通過實際混凝土環(huán)境下GFRP筋的加速老化試驗，重點分析了環(huán)境溫度、持續(xù)荷載、浸泡時間等因素對GFRP筋抗拉強度的影響，對GFRP筋在實際工程中的運用及GFRP筋混凝土結(jié)構的設計具有一定參考價值.

1 試驗設計

1.1 試驗材料與試件設計

試驗材料選用南京鋒暉復合材料公司生產(chǎn)的GFRP筋.筋體纖維為無堿玻璃纖維(E-Glass)，基體材料為乙烯基樹脂(vinyl ester).GFRP筋初始力學性能參數(shù)見表1.

表1 GFRP筋力學性能指標Tab.1 Mechanical properties of the GFRP bar

為考察實際混凝土環(huán)境對GFRP筋力學性能的影響，課題組澆筑了112個尺寸為80 mm×110 mm×1 100 mm的長方體混凝土試件和3個標準立方體試塊，試驗所用水泥為湖北新華水泥廠生產(chǎn)的強度等級為32.5的復合硅酸鹽水泥，混凝土配合比如表2所示.混凝土初凝期間測得其孔隙液pH值為12.8.將制作好的混凝土試件放置在養(yǎng)護室中養(yǎng)護，實測28 d混凝土立方體抗壓強度為32 MPa.GFRP筋在混凝土試件中的位置如圖1所示.為了模擬GFRP筋在實際混凝土構件中持續(xù)受力狀態(tài)，課題組采用自制反力架對試件進行加載，加載裝置如圖2所示.將試件反向放置在鋼彈簧上，保證加載時GFRP筋處于受拉一側(cè)，荷載大小通過鋼彈簧壓縮量進行調(diào)整，并定期監(jiān)測鋼彈簧壓縮量，以保證持續(xù)荷載恒定不變.具體加載過程可參照課題組前期研究成果[9].

表2 混凝土配合比Tab.2 Concrete mix proportion/kg·m-3

圖1 GFRP筋混凝土試件 (單位/mm)Fig.1 GFRP reinforced concrete beams

圖2 試件加載反力架設備及試驗箱Fig.2 Load setup and test chamber

1.2 試驗方法

為了加速GFRP筋老化速率，將所有試件放置在不同溫度的自來水環(huán)境中浸泡，但是為了防止溫度過高導致GFRP筋出現(xiàn)熱降解反應，參照文獻[3]的試驗溫度，將自來水溶液的溫度分別恒定在20±2 ℃ 、40±2 ℃ 、60±2 ℃ .試件按照施加持續(xù)荷載有無分為兩組，持續(xù)荷載大小為混凝土試件極限荷載的20%和40%，試件極限荷載在課題組前期研究成果中已確定.試件的詳細分組情況如表3所示.

表3 試件分組Tab.3 Test conditions

達到預定浸泡時間后，將GFRP筋從混凝土梁試件中取出，去除筋體表面粘結(jié)混凝土并置于室溫環(huán)境下放置，待其干燥后進行拉伸試驗.為防止夾具對GFRP筋端頭造成剪切破壞，將筋體兩端用250 mm長鋼管進行錨固.拉伸試驗在SHT4106-G型微機控制電液伺服萬能試驗機上進行，加載數(shù)值由傳感器自動記錄，加載速率為2 mm/min.

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境溫度對抗拉強度影響

圖3所示為無持續(xù)荷載混凝土環(huán)境中GFRP筋抗拉強度保留率(剩余強度與初始強度的比值)隨時間的變化規(guī)律.從圖示曲線變化趨勢可以看出：

(1)隨著浸泡時間的增加，GFRP筋的抗拉強度呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢.在溫度為40 ℃的混凝土環(huán)境中浸泡30 d、60 d、90 d、120 d后，GFRP筋的抗拉強度分別下降了5.4%、7.8%、9.2%和12.9%.這主要是由于隨著時間的增加，GFRP筋表面樹脂發(fā)生水解反應，OH-與玻璃纖維發(fā)生化學反應，從而導致筋體抗拉強度的降低.總體而言，GFRP筋抗拉強度在早期退化較快，40 ℃、60 ℃環(huán)境中浸泡30 d后GFRP筋強度分別下降了5.4%和13.7%，之后退化速率逐漸變緩.20 ℃環(huán)境浸泡對GFRP筋強度退化影響較小.

(2)溫度的升高加速了GFRP筋抗拉強度的退化程度，且溫度越高，加速趨勢越明顯.GFRP筋在20 ℃、40 ℃、60 ℃混凝土環(huán)境中浸泡120 d后，抗拉強度分別下降了2.9%，12.9%、27.3%.與20 ℃混凝土環(huán)境相比，在60 ℃混凝土環(huán)境中浸泡30 d、60 d、90 d和120 d后GFRP筋抗拉強度退化率分別增加了13.0%、15.9%、19.3%、24.4%.究其原因，溫度的升高使得分子運動加快，促使化學反應速率增加，從而加速了GFRP筋抗拉強度的退化.

圖3 不同溫度下GFRP筋抗拉強度保留率Fig.3 Tensile strength retention of GFRP bar at different temperatures

2.2持續(xù)彎曲荷載對抗拉強度影響

圖4為持續(xù)彎曲荷載作用下混凝土環(huán)境中GFRP筋抗拉強度保留率隨時間的變化規(guī)律.從圖4(a)中可以看出，在40 ℃環(huán)境浸泡中，GFRP筋抗拉強度退化率隨著持續(xù)荷載的增大有增加趨勢，持續(xù)荷載水平為40%的GFRP筋浸泡120 d后，其抗拉強度與無持續(xù)荷載和持續(xù)荷載水平為20%的GFRP筋相比，分別減少了11.3%和1.8%.這說明持續(xù)荷載加速了GFRP筋抗拉強度的退化，但當持續(xù)荷載較小時，這種加速效果并不明顯.圖4(b)給出20 ℃和60 ℃環(huán)境下GFRP筋強度保留率與持續(xù)荷載之間的對應關系，可以看到，在20 ℃環(huán)境中浸泡60 d、90 d、120 d后，與無持續(xù)荷載的GFRP筋相比，持續(xù)荷載為40%的GFRP筋強度保留率分別減少了7.1%、9.6%和11.8%.持續(xù)荷載為20%的GFRP筋在60 ℃環(huán)境中浸泡60 d、90 d、120 d后，與同樣溫度且無持續(xù)荷載的GFRP筋相比，強度保留率分別減少了5.7%、9.3%和6.0%.這表明持續(xù)荷載水平對GFRP筋抗拉強度退化有較大影響，且隨著溫度的升高，持續(xù)荷載所造成退化的效果愈加顯著.

圖4 不同持續(xù)荷載下GFRP筋抗拉強度保留率Fig.4 Tensile strength retention of GFRP bar under different sustained load

綜上所述，持續(xù)彎曲荷載加速了GFRP筋抗拉性能的老化速率.究其原因有二，一是持續(xù)荷載使混凝土試件表面產(chǎn)生微裂縫，并逐漸與混凝土內(nèi)部初始微裂縫相互連通.這些連通的微裂縫形成了潛在的傳輸通道，為侵蝕性離子進入混凝土內(nèi)部提供了額外的途徑[10]，加速GFRP筋表層樹脂的水解反應速率，從而降低了筋體抗拉強度；二來本試驗中GFRP筋處于混凝土試件受拉區(qū)，在持續(xù)彎曲荷載作用下處于受拉狀態(tài).根據(jù)材料的力學特性，材料在拉應力作用下體積會增大，且增大的部分主要是由于筋體內(nèi)部纖維和樹脂之間界面層粘結(jié)性能退化導致結(jié)構松散所致.一般來講，這種松散的程度與荷載的大小呈正比關系.文獻[8]中對GFRP筋在不同應力水平下抗拉性能的試驗研究證實了這一點.筋體內(nèi)部致密性的降低將導致水分子的擴散速度加快，隨著化學反應的進行，纖維和樹脂之間界面層的逐漸發(fā)生脫粘、分層的現(xiàn)象，導致GFRP筋抗拉強度的嚴重退化.圖5給出了GFRP筋在混凝土環(huán)境中抗拉強度退化機理示意圖.

圖5 GFRP筋在混凝土環(huán)境中抗拉強度退化機理示意圖Fig.5 Schematic diagram for the tensile strength degradation mechanism of GFRP bar embedded in concrete environments

3 混凝土環(huán)境中GFRP筋強度預測

3.1 退化模型選擇

目前國內(nèi)外學者在針對短期試驗數(shù)據(jù)對長期使用壽命作出預測時，通常采用Arrhenius方程對不同溫度下的GFRP筋抗拉強度退化速率進行分析.根據(jù)Arrhenius方程，堿環(huán)境下GFRP筋的抗拉強度退化速率可以用式(1)表示[14].

k=Aexp(-Ea/RT)

(1)

式中：k為GFRP筋抗拉強度退化速率；A為退化過程中材料特征常數(shù)；Ea為活化能；R為摩爾氣體常數(shù)；T為環(huán)境絕對溫度.基于Arrhenius方程進行強度預測需滿足一定的假設條件：①材料在腐蝕過程中退化機理不能隨時間和溫度的變化而改變，即腐蝕過程中有且僅有一種退化機理；②退化速率會隨著溫度的升高而增加；③不考慮材料的幾何形狀對抗拉強度退化速率的影響.

將式(1)取倒數(shù)后兩邊同時取對數(shù)，可得式(2)：

生3：詹天佑你是多么認真呀！“大概、差不多”不能說，真是精益求精。而我呢，做事學習總抱有“馬馬虎虎，差不多就行了”的態(tài)度，看來，我今后無論做什么也該一絲不茍呀！

ln(1/k)=Ea/RT-lnA

(2)

從式(2)可見，時間的對數(shù)與環(huán)境絕對溫度的倒數(shù)成線性關系，其中斜率為Ea/R.

目前常用的基于Arrhenius方程的退化模型主要由三種形式：

Y=alog(t)+b

(3)

(4)

Y=100exp(-t/τ)

(5)

式中：Y為抗拉強度保留率(%)；t為暴露時間，a、b均為退化常數(shù)，τ為與溫度有關的退化常數(shù)，D為擴散系數(shù)，C為溶液濃度，r為筋體半徑.Bank[11]等均采用式(3)中模型對GFRP筋剩余強度進行了研究，預測結(jié)果能較好反映暴露時間與抗拉強度保留率之間的關系.將本文試驗數(shù)據(jù)用式(3)進行擬合后發(fā)現(xiàn)，不同溫度之間的擬合直線并不相互平行，這與Arrhenius方程的假設條件相違背.式(4)中模型由Uomoto[12]基于Fick擴散定律提出，Tannous和Saadatmanesh[13]等采用此模型對FRP筋在鹽和堿環(huán)境下剩余抗拉強度隨時間變化的規(guī)律進行了研究.眾所周知，當FRP筋浸泡在高溫水溶液中時，抗拉強度會出現(xiàn)一定程度的衰減，但是由式(4)可知，F(xiàn)RP筋處于濃度為零的水溶液中時抗拉強度保留率為定值，顯然與試驗結(jié)論不符.Chen[14]等將式(3)進行改進，得到式(5)模型，此模型假設GFRP筋抗拉強度的退化是由于纖維與樹脂之間的界面層脫粘、分層所致，這與已有的文獻中通過SEM得到的退化機理一致.因此，本文采用式(5)退化模型對無持續(xù)荷載混凝土環(huán)境中GFRP筋的剩余抗拉強度進行預測.

根據(jù)式(5)對本文試驗數(shù)據(jù)進行擬合分析，如圖6(b)所示.可得到τ值，如表4所示.從表中可以看出，三條曲線的擬合相關系數(shù)均大于0.90，表明式(5)模型對實際混凝土環(huán)境中GFRP筋抗拉強度預測同樣適用.

圖6 抗拉強度保留率擬合曲線Fig.6 Fitted curves for tensile strength retention

表4 擬合參數(shù)及相關系數(shù)Tab.4 The fitting parameters and the correlation coefficient

3.2 強度預測

如圖7所示，不同溫度下GFRP筋抗拉強度保留率達到60%、70%、80%和90%所需時間可由式(5)和表4得到.根據(jù)最小二乘法，采用式(2)對圖7中數(shù)據(jù)進行擬合，四條曲線近乎為平行關系，可以得到斜率Ea/R的取值，如表5所示.可以發(fā)現(xiàn)，曲線斜率約為5 881，且相關系數(shù)均大于0.97.

圖7 不同溫度下GFRP筋達到相應抗拉強度保留率所需時間的擬合曲線Fig.7 Fitted curves for the time needed to reach a given tensile strength of GFRP bars under different temperature

表5 回歸方程的相關系數(shù)Tab.5 Coefficients of regression equations

根據(jù)Arrhenius方程，可以求得不同溫度下達到相同腐蝕程度所需時間的比值，即時間轉(zhuǎn)換系數(shù)，如式(6)所示：

(6)

根據(jù)中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)資料，北京、武漢、廣州的年平均溫度分別為11.2 ℃、16.6 ℃和21.8 ℃，可以通過式(6)得到北京、武漢、廣州三地自然老化環(huán)境溫度與不同加速環(huán)境溫度之間的時間轉(zhuǎn)換系數(shù)，如表6所示.

表6 時間轉(zhuǎn)換系數(shù)Tab.6 Time shift factor

圖8 不同年平均溫度環(huán)境下GFRP筋抗拉強度預測曲線Fig.8 Tensile strength predicted curves of GFRP bars at different mean annual temperatures

表7 預測曲線回歸方程系數(shù)Tab.7 Coefficient of the regression equations for the predicted curves

利用式(5)對圖8中數(shù)據(jù)進行擬合，可以得到擬合參數(shù)，如表7所示.北京、武漢、廣州地區(qū)實際混凝土環(huán)境中GFRP筋抗拉強度保留率隨時間的變化規(guī)律進行了預測，可以發(fā)現(xiàn)，隨著年平均溫度的升高，GFRP筋抗拉強度的退化趨勢在逐漸增大.在年平均溫度為11.2 ℃、16.6 ℃和21.8 ℃的地區(qū)，實際混凝土環(huán)境中GFRP筋的剩余抗拉強度達到50%時分別需要13.4年、9.1年和6.4年.

4 結(jié)論

(1)混凝土環(huán)境中GFRP筋抗拉強度在早期退化較快，40 ℃、60 ℃環(huán)境中浸泡30 d后GFRP筋強度分別下降了5.4%和13.7%，之后退化速率逐漸變緩；20 ℃環(huán)境浸泡對GFRP筋強度退化影響較小.

(2)溫度的升高加速了混凝土環(huán)境中GFRP筋抗拉強度的退化程度，且溫度越高，加速趨勢越明顯.

(3)持續(xù)荷載水平對GFRP筋抗拉強度退化有較大影響，且隨著溫度的升高，持續(xù)荷載所造成退化的效果愈加顯著.

(4) 基于Arrhenius方程建立了混凝土環(huán)境下GFRP筋長期抗拉強度預測模型，在年平均溫度為11.2 ℃、16.6 ℃和21.8 ℃的北京、武漢和廣州等地區(qū)，GFRP筋在實際混凝土環(huán)境中的剩余抗拉強度達到50%時分別需要13.4年、9.1年和6.4年.