FRP 筋- 混凝土界面粘結(jié)耐久性能研究現(xiàn)狀

賴家瑋

(廣東工業(yè)大學(xué))

FRP 筋具有許多優(yōu)點，如拉伸強度高、重量輕、無銹蝕、耐鹽腐蝕性能好等特點，使其成為惡劣工況下混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的潛在替代材料。其中粘結(jié)性能反應(yīng)了FRP 筋與混凝土協(xié)同工作的，是FRP 筋增強結(jié)構(gòu)正常工作的基礎(chǔ)。目前，學(xué)者們對FRP 筋-混凝土界面粘結(jié)性能與機理研究較為透徹，但對粘結(jié)耐久性能研究相對有限，下面羅列了部分粘結(jié)耐久性試驗的常用方法。

1 普通暴露試驗

⑴自然暴露試驗。該方法將試驗試件放置于與實際暴露條件類似的自然環(huán)境中，試件在外界條件影響下材料自然老化、性能逐步退化，待達到預(yù)定試驗周期后進行性能檢測與分析。其優(yōu)點是暴露環(huán)境與實際工況相近，退化過程與實際情況吻合度高，試驗結(jié)果說服力強，缺點是在獲取長周期性能數(shù)據(jù)時所需時間過長，且存在外界不可控因素影響的風(fēng)險。

⑵實驗室模擬暴露試驗。是指在實驗室中人工構(gòu)建與實際暴露條件相近的環(huán)境，以達到在實驗室等效模擬退化過程的目的。該方法的優(yōu)點是監(jiān)測方便、維護簡單，試驗數(shù)據(jù)可信度較高，但仍存在長周期試驗所需時間長的問題。

2 實驗室加速試驗

實驗室加速試驗主要通過施加特定的外部條件以提高試件的性能退化速率，如浸泡環(huán)境、環(huán)境溫度、外部荷載等，從而在較短時間獲得其長期力學(xué)性能參數(shù)，具有顯著的時間優(yōu)勢。目前已被諸多學(xué)者用于預(yù)測試件長期性能，但該方法的難點在于做好加速退化試驗與實際工況的對應(yīng)。

2.1 溶液浸泡

在正常工況下FRP 筋的受蝕原因之一，為混凝土孔隙中堿溶液對筋體造成侵害。在堿性環(huán)境下，樹脂基體和增強纖維在OH-的作用下可能發(fā)生水解，混凝土本身也可能發(fā)生堿—硅酸反應(yīng)，產(chǎn)生堿硅酸凝膠，導(dǎo)致筋體和混凝土性能劣化，造成粘結(jié)強度下降。對此，學(xué)者們常將試件浸泡于堿溶液中，進行加速老化試驗。

Ahmad Altalmas 等人[1]對部分FRP 筋-混凝土試件的粘結(jié)耐久性能進行研究，測試結(jié)果表明，在PH=13.5 堿溶液浸泡30 天后，BFRP 筋-混凝土試件粘結(jié)強度保留率為94%，浸泡90 天后，強度保留率為87%。

Jong-Pil Won 等人[2]對CFRP、GFRP 及兩種混和纖維FRP 的中心拉拔試件在多種工況（含堿溶液/去離子水/鹽溶液等條件）下的粘結(jié)性能進行研究，測試結(jié)果表明，經(jīng)50 天浸泡后，在堿環(huán)境中浸泡的4 種試件的強度退化程度均高于浸泡于去離子水和鹽溶液中的試件。

2.2 升溫

升溫可提升分子間擴散速率，加劇侵蝕環(huán)境對筋體與混凝土界面的侵蝕效果，在一定程度上促進試件加速老化。

Robert 等人[3]研究了砂涂層GFRP 筋-混凝土試件在不同溫度自來水下浸泡（60 天/120 天/180 天）的粘結(jié)退化情況(23℃、40℃和50℃)。結(jié)果表明，在23℃/40℃/50℃下浸泡180 天后，粘結(jié)強度保留值分別為94%/93%/92%。

Davalos 等人[4]研究了4 款FRP 筋-混凝土試件的粘結(jié)性能退化情況。測試結(jié)果表明，將試件在常溫自來水環(huán)境下浸泡90 天后，3 款GFRP 筋（1 款CFRP 筋）粘結(jié)試件強度保留率分別為84.7%/99.7%/80.4%（92.9%），在60℃環(huán)境下浸泡90 天后，強度保留率分別為91.6%/97.2%/94.6%（90.1%）。

Wang Lei 等人[5]對GFRP 筋在珊瑚混凝土在海水條件下粘結(jié)性能退化情況進行了研究，測試結(jié)果表明，在30℃/60℃/80℃環(huán)境下浸泡30 天的強度保留率分別為101.34%/82.18%/72.83%，浸泡60 天的保留率為91.76%/80.51%/71.71%， 浸泡120 天后強度保留率為80.07%/45.88%/47.22%，浸泡環(huán)境溫度的升高，粘結(jié)性能退化明顯。

此外，基于一定的前提（即在一定范圍內(nèi)溫度的改變只影響反應(yīng)速率而不改變反應(yīng)機理)，可通過Arrhenius 公式建立不同溫度下強度退化的聯(lián)系，量化預(yù)測強度退化效果，因此升溫成為學(xué)者們常用于加速退化試驗的方法之一。

2.3 溫度循環(huán)

因筋體與混凝土的熱膨脹系數(shù)不同，在升溫階段兩者受熱膨脹，筋體膨脹程度比混凝土大，對混凝土造成擠壓效果，在降溫階段兩者遇冷收縮，使粘結(jié)界面出現(xiàn)微縫隙，隨著溫度循環(huán)進行界面間產(chǎn)生反復(fù)的作用力，將促使界面粘結(jié)性能下降。

Belarbi 等人[6]對部分FRP 筋-混凝土粘結(jié)性能進行了加速試驗，測試結(jié)果表明，CFRP 筋（4mm）/GFRP 筋（4mm/8mm）粘結(jié)試件的100 天內(nèi)完成200 次-20℃至35℃的凍融循環(huán)和200 次35℃至60℃的高溫循環(huán)，粘結(jié)強度保留率分別為77%/44%/96%。

如溫度的高低溫階段跨越0℃，即凍融循環(huán)，低溫過程將使混凝土中的孔隙水結(jié)冰膨脹，結(jié)冰后體積增加10%，導(dǎo)致混凝土孔結(jié)構(gòu)破壞，多次循環(huán)后，造成混凝土拉伸強度降低。

羅小勇等人[7]對凍融循環(huán)條件下12 個GFRP 筋拉拔試件的粘結(jié)耐久性能進行測試，結(jié)果表明，凍融循環(huán)50 次，100 次和150 次以后粘結(jié)強度分別下降3.24%，6.27%和8.30%，峰值滑移增加7.32%，10.48%和16.62%。試驗表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，GFRP 筋的粘結(jié)性能逐漸降低，峰值滑移逐漸增加，但是凍融循環(huán)對GFRP 筋與混凝土粘結(jié)性能影響有限。

2.4 靜載與預(yù)應(yīng)力

Vilanova 等人[8]研究了持續(xù)載荷下GFRP 筋-混凝土試件粘結(jié)性能的變化情況，含兩種混凝土強度（35MPa/50MPa）與兩種粘結(jié)區(qū)長度（5d/10d）。測試結(jié)果表明，在15%筋材極限抗拉強度的持續(xù)荷載作用90/130天后，低強度混凝土試件的粘結(jié)強度損失率為16%和41%（粘結(jié)區(qū)長度為5d/10d），高強度混凝土試件的粘結(jié)強度損失率為70%和78%。

2.5 循環(huán)荷載與疲勞

在循環(huán)荷載作用下，試件中的筋體與混凝土間反復(fù)刮擦，可能會對筋體表面造成損傷，加劇侵蝕物質(zhì)向內(nèi)滲透，使侵蝕環(huán)境中界面性能加速退化。

Amnon Katz 等人[9]將五種不同表面形式的FRP 筋（直徑為12.0mm或12.7mm）嵌入混凝土，浸泡環(huán)境為20℃和60℃的水，應(yīng)力條件為5kN 至25kN 之間、頻率3Hz，循環(huán)150000 次后將試件進入溶液中腐蝕，試件交替浸泡、加載，累計循環(huán)加載450000 次，試件粘結(jié)強度損失率在19%～80%之間，具體情況取決于筋體表面構(gòu)造。筋體為光滑表面的試件在循環(huán)荷載下粘結(jié)強度損失率最高，大約下降了70%；筋體表面為砂涂層的試件，粘結(jié)強度損失率較低。表面為螺旋纏繞構(gòu)造的筋體，會降低試件抵抗循環(huán)荷載的能力，容易因纏繞纖維下方發(fā)生破壞而導(dǎo)致試件失效。

高永紅等人[10]對直徑為16mm 的FRP 筋-混凝土試件，在循環(huán)荷載下粘結(jié)強度變化情況進行研究。結(jié)果顯示。在循環(huán)次數(shù)下，循環(huán)荷載對粘結(jié)強度和滑移量的影響不大；當(dāng)荷載應(yīng)力水平不高、循環(huán)次數(shù)較少時，粘結(jié)強度沒有顯著的退化，反而在一定程度上有所增加；較高應(yīng)力水平反復(fù)荷載下，F(xiàn)RP 筋與混凝土之間的黏結(jié)強度退化較顯著。

2.6 多因素組合環(huán)境

通過設(shè)計多因素組合環(huán)境，既可以模擬特定復(fù)雜條件下試件的退化場景，也可以通過加大環(huán)境惡劣程度實現(xiàn)加速老化的目的，但目前這類試驗開展較少。

Juliana Alves 等人對[11]將（直徑為16mm/19mm）的GFRP 筋制備的試件施加持續(xù)荷載（16mm/19mm 筋分別為42kN/54kN，并浸泡于凍融循環(huán)（-25℃～15℃，12 小時一次循環(huán)）。測試結(jié)果表明，再250 次循環(huán)后，試件粘結(jié)強度增加了約40%。原因可能是GFRP 筋在凍融循環(huán)期間吸收了水分，增大了橫截面面積，從而增強摩擦效應(yīng)提高了粘結(jié)強度。

3 結(jié)論與建議

經(jīng)搜集部分國內(nèi)外研究資料可知，目前關(guān)于FRP 筋-混凝土界面粘結(jié)耐久性的試驗研究并不在少數(shù)，其中不少學(xué)者采用了實驗室加速的方法開展試驗，其中相當(dāng)一部分試驗的加速方法集中于升溫、堿溶液這兩種手段，這些試驗成果對于工程應(yīng)用具有一定的參考和指導(dǎo)價值。但是我們也注意到，部分學(xué)者[12]曾提取過實際工程中經(jīng)受自然暴露的試樣進行分析，認為實驗室加速方法獲得數(shù)據(jù)存在一定的保守性，對強度的長期預(yù)測結(jié)果較實際條件要低，過于保守的預(yù)測結(jié)果可能會限制FRP筋在工程中進一步的應(yīng)用。筆者認為應(yīng)加強自然暴露環(huán)境條件下的試驗研究，并做好加速試驗與自然暴露試驗的對應(yīng)關(guān)系研究，這對于提高強度預(yù)測的精確性有重要幫助，同時這對于人們深入了解FRP 筋-混凝土組合的性能底數(shù)，促進FRP 材料在工程領(lǐng)域發(fā)揮更大價值有重要意義。