相對濕度對海水海砂混凝土環(huán)境下GFRP筋拉伸性能影響

王文華， 趙 齊， 張大旭， 張沛涪， 陳 鵬

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院； 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 上海市公共建筑和基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 (FRP)以其高比強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性以及可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域[1].FRP-海水海砂混凝土結(jié)構(gòu)有望應(yīng)用于海洋及近岸工程、大型漂浮式結(jié)構(gòu)以及沿海城市基礎(chǔ)設(shè)施的建造，可有效緩解淡水與河砂資源短缺的問題.海洋環(huán)境下FRP的長期性能直接影響其結(jié)構(gòu)的耐久性，研究FRP的性能退化規(guī)律可為確定其使用年限提供重要參考依據(jù).

近些年，國內(nèi)外學(xué)者對海水海砂環(huán)境下FRP筋的拉伸、剪切以及黏結(jié)性能的耐久性做了大量研究，主要是將FRP筋置于海水海砂混凝土模擬溶液中進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，然后測試其力學(xué)性能.Wang等[2]研究玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(GFRP)筋和玄武巖纖維增強(qiáng)聚合物(BFRP)筋浸泡在海水海砂混凝土模擬溶液中的腐蝕情況，結(jié)果表明GFRP筋比BFRP筋具有更好的拉伸強(qiáng)度保留率，但二者的拉伸模量沒有明顯變化.Guo等[3]分別對碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)/BFRP/GFRP筋在25、40和60 ℃的模擬海水海砂混凝土溶液中浸泡了6個(gè)月，發(fā)現(xiàn)CFRP筋的耐久性最好，其次是GFRP筋和BFRP筋.Wang等[4]將BFRP筋在溫度55 ℃、pH值為2的酸性溶液中浸泡9周，其強(qiáng)度保留率為81.6%，拉伸模量幾乎不變.董志強(qiáng)等[5]對加速老化環(huán)境下FRP筋耐腐蝕性能進(jìn)行研究，隨著腐蝕溶液溫度升高，BFRP筋的抗拉強(qiáng)度退化加劇，CFRP筋的抗拉強(qiáng)度幾乎不變.Sharma等[6]基于退化率和擴(kuò)散方法，建立了2種數(shù)值模型來預(yù)測BFRP筋在海水和海砂混凝土環(huán)境下的OH-腐蝕速率.Zhao等[7]開展了CFRP筋在25、40和55 ℃海水海砂混凝土模擬溶液中的加速腐蝕試驗(yàn)，利用多種先進(jìn)微觀檢測方法揭示了其損傷退化機(jī)理，建立了蝕刻模型和滲透模型預(yù)測CFRP筋性能退化程度.Iqbal等[8-9]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)、基因表達(dá)式編程(GEP)和自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法，建立了堿性環(huán)境下GFRP筋的拉伸保留強(qiáng)度預(yù)測模型.參數(shù)分析表明，溫度和pH值是影響保留強(qiáng)度的主要因素.Chang等[10]研究了海水浸泡和持續(xù)荷載耦合作用下GFRP筋與海水海砂混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度退化機(jī)理.Yi等[11]研究了堿性強(qiáng)弱程度對BFRP筋剪切性能劣化影響規(guī)律，當(dāng)pH值從13.2減小到10.1時(shí)，剪切強(qiáng)度保留率從42.22%增加到85.18%.

綜上，目前多數(shù)FRP筋的性能退化研究是將其暴露于海水海砂混凝土模擬溶液中，一方面試驗(yàn)簡便，另一方面加速腐蝕速率，但真實(shí)海水海砂混凝土溶液存在于孔隙中，其相對濕度遠(yuǎn)小于模擬溶液，因此模擬溶液方法無法反映海水海砂混凝土環(huán)境的實(shí)際相對濕度，也無法探究相對濕度對FRP筋性能的影響規(guī)律.本文從腐蝕機(jī)理出發(fā)，通過簡化瑞利-里茲概率分布得到混凝土孔隙尺寸分布函數(shù)，根據(jù)Pizter方程計(jì)算混凝土孔隙液的表面張力，將分布函數(shù)和表面張力代入Brunauer-Skalny-Bodor(BSB)模型得到相對濕度對混凝土孔隙水飽和度的影響.假設(shè)混凝土孔隙中的溶液均勻彌散于混凝土，從而求得均勻化后的OH-濃度，將其代入蝕刻模型計(jì)算腐蝕時(shí)間對強(qiáng)度保留率的影響.通過建立環(huán)境相對濕度與海水海砂混凝土環(huán)境下FRP筋的腐蝕速率關(guān)系，研究了相對濕度對GFRP筋腐蝕后力學(xué)性能退化的影響規(guī)律.

1 海水海砂混凝土環(huán)境下GFRP筋力學(xué)性能退化機(jī)理

FRP-海水海砂混凝土的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)[12]如圖1所示，水泥漿體含有不同數(shù)量級尺寸的孔隙.按直徑大小可劃分為：C-S-H凝膠孔，直徑小于2.5 nm；毛細(xì)孔，小毛細(xì)孔直徑在2.5 nm和50 nm之間，大毛細(xì)孔直徑在50 nm和104nm之間；空氣孔，直徑大于104nm.研究[7]表明，海水海砂混凝土孔隙溶液中的Cl-對GFRP筋性能退化影響較小，但OH-可腐蝕GFRP筋的樹脂基體和纖維.

圖1 FRP-海水海砂混凝土組分與微細(xì)觀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of components and micro-structures of FRP seawater and sea sand concrete

玻璃纖維(E-glass)的主要成分[13]包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、Na2O/K2O和B2O3，與OH-發(fā)生水解反應(yīng)的方程式如下，不斷生成的OH-促使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行：

Si—ONa+H2O→Si—OH+NaOH

(1)

Si—O—Si+OH-→ Si—OH+SiO

(2)

Si—O+H2O→Si—OH+OH-

(3)

堿性溶液中，樹脂基體的酯鍵發(fā)生水解斷裂.GFRP筋被腐蝕的部分會(huì)失去承載能力，導(dǎo)致其整體力學(xué)性能退化.反應(yīng)方程式[14]如下：

R—COO—R′+H—OH→

R—COOH+R′+OH-

(4)

腐蝕反應(yīng)速率與混凝土孔隙液中溶解的OH-的數(shù)量有關(guān)，孔隙液飽和度受外部環(huán)境相對濕度的影響，單位體積混凝土內(nèi)孔隙液含量與孔隙率及孔隙尺寸概率分布有關(guān).因此，研究環(huán)境相對濕度對GFRP筋性能的影響首先需要了解混凝土的孔隙尺寸分布、孔隙液的飽和度，用于計(jì)算混凝土孔隙溶液含量.

2 混凝土孔隙尺寸分布模型

圖1所示混凝土孔隙中空氣孔通常是閉合孔，很難傳輸水分，因此本文僅考慮與水分傳輸有關(guān)的大、小毛細(xì)孔和凝膠孔[15].混凝土內(nèi)部的孔隙分布情況[7]可表示如下：

(5)

式中：r為孔隙半徑；φcg(r)為混凝土內(nèi)部的凝膠孔和毛細(xì)孔的總孔隙率的分布函數(shù)；φcp為毛細(xì)孔的孔隙率；φgl為凝膠孔的孔隙率；φcp(r)為毛細(xì)孔分布函數(shù)；φgl(r)為凝膠孔分布函數(shù).

假設(shè)每一種孔隙的分布都遵循簡化瑞利-里茲概率分布[12]，則孔隙尺寸分布概率函數(shù)可表示如下：

(6)

式中：i=1，2，3，分別為凝膠孔、小毛細(xì)孔和大毛細(xì)孔；φi為不同類別孔隙的孔隙率占總孔隙率的比例；Bi為不同類別孔隙的峰值半徑.孔隙種類不同，相應(yīng)的取值也不同.φi和Bi與混凝土水灰比(w/c)有關(guān)，可以通過BSB模型獲得[16]，由文獻(xiàn)[17]推薦的w/c=0.4～0.7，φi和Bi的數(shù)值如表1所示[18].將表1參數(shù)代入式(5)和(6)計(jì)算，可得混凝土中孔隙尺寸分布概率如圖2所示.

表1 混凝土孔隙分布函數(shù)參數(shù)表Tab.1 Parameters of concrete pore distribution function

圖2 不同水灰比的普通混凝土孔隙分布概率圖Fig.2 Probability diagram of pore distribution of concrete at different water-cement ratios

混凝土孔隙率與其水灰比和水化程度有關(guān)，在計(jì)算時(shí)僅考慮大小毛細(xì)孔和凝膠孔，可按下式[19]計(jì)算：

(7)

式中：φ為大、小毛細(xì)孔和凝膠孔的孔隙率；h為水化程度.高濕熱環(huán)境會(huì)增大混凝土的水化程度，降低混凝土的孔隙率，從而提高混凝土強(qiáng)度.雖然水化程度對混凝土強(qiáng)度影響在式(7)中可以考慮，但由于影響混凝土水化程度的因素復(fù)雜，難以量化計(jì)算，而且缺乏相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以本文的水化程度按照文獻(xiàn)[19]給出的常見條件取值，未考慮高濕熱環(huán)境對混凝土強(qiáng)度的影響.

海水海砂混凝土和普通混凝土的孔隙分布可能存在一定的差異.海水替換淡水會(huì)降低混凝土的孔隙率[20-22]，但海砂替換河砂的影響反之，海水海砂混凝土未呈現(xiàn)出明顯的孔隙率變化規(guī)律，不同地域的海水海砂對海水海砂混凝土孔隙率的影響存在差異[23].Liu等[24]研究海水海砂對于混凝土碳化的影響，對于水灰比為0.48的混凝土，未經(jīng)碳化時(shí)普通混凝土和海水海砂混凝土的總孔隙率分別是17.91%和17.82%.當(dāng)加入海水海砂后，孔徑小于4.5 nm時(shí)，孔隙率從14.70%上升至16.40%；孔徑大于100 nm時(shí)，孔隙率從15.99%上升至23.60%；孔徑在50～100 nm之間時(shí)，孔隙率從16.51% 下降到8.20%.將數(shù)據(jù)代入孔隙分布函數(shù)，可得海水海砂混凝土和普通混凝土孔隙分布概率如圖3所示.

由圖3可知，對比普通混凝土，海水海砂混凝土孔隙分布概率整體趨勢相差不大，凝膠孔孔隙率略有增大，小毛細(xì)孔孔隙率略有減小.考慮到海水海砂混凝土孔隙率受多種因素的影響，且未呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，為簡化計(jì)算，在構(gòu)建海水海砂混凝土孔隙分布概率模型時(shí)，依然沿用普通混凝土的模型.

圖3 海水海砂混凝土和普通混凝土孔隙分布概率Fig.3 Probability diagram of pore distribution of seawater and sea sand concrete and ordinary concrete

3 海水海砂混凝土孔隙水飽和度計(jì)算模型

混凝土孔隙液中含有水泥水化的產(chǎn)物和外界侵入的氯鹽成分，這些成分對空氣中的水分有一定的吸濕性[25]，進(jìn)而影響混凝土孔隙水的飽和度.無機(jī)鹽的加入會(huì)改變混凝土孔隙溶液的表面張力和蒸氣壓[26]，由表面張力可計(jì)算孔隙水飽和度.表面張力如圖4所示，圖中F為指向介質(zhì)內(nèi)部的力.在液體和氣體的分界處，由于分子之間的吸引力，產(chǎn)生了極其微小的拉力，假想在表面處存在一個(gè)薄膜層來承受此表面的拉伸力.

圖4 溶液氣-表面-液相及表面張力示意圖Fig.4 Schematic diagram of gas-surface-liquid phase and surface tension

3.1 基于Pizter方程的混凝土孔隙溶液表面張力計(jì)算

計(jì)算溶液的表面張力采用吉布斯熱力學(xué)理論[27]，該理論認(rèn)為溶液表面是一個(gè)單獨(dú)的層.假設(shè)表面具有恒定和均勻的電解質(zhì)濃度，但和液相溶液中的濃度不同，表面始終是電中性的.在含有單鹽MX的電解質(zhì)水溶液(B)中，水和離子的化學(xué)勢表示為

(8)

對于溶液的表面(S)，化學(xué)勢的表達(dá)式如下：

(9)

式中：Aj為組分j的偏量摩爾表面積；σsol為含有電解質(zhì)MX的水溶液的表面張力.

水和溶液的化學(xué)勢相等：

(10)

則電解質(zhì)溶液表面張力表達(dá)式：

(11)

式中：σW為在特定溫度下純水的表面張力；Asol為電解質(zhì)溶液的偏量摩爾表面積；AW為純水的偏量摩爾表面積；假設(shè)電解質(zhì)溶液的偏量摩爾表面積和純水的偏量摩爾表面積相等，則：

Asol=AW=(VW)2/3(NA)1/3

(12)

式中：VW為純水的摩爾體積；NA為阿伏加德羅常數(shù).根據(jù)以上假設(shè)，有：

(13)

將純水的活度和電解質(zhì)溶液的滲透性系數(shù)之間的關(guān)系表達(dá)式代入，則有：

(14)

式中：mB和mS分別為電解質(zhì)溶液在液相和表面相的質(zhì)量摩爾濃度；KB和KS分別為電解質(zhì)溶液在液相和表面相的滲透性系數(shù)；v=vM+vX,vM為陽離子的化學(xué)計(jì)量系數(shù)，vX為陰離子的化學(xué)計(jì)量系數(shù).

為計(jì)算電解質(zhì)溶液的表面張力，必須要得到表面相的質(zhì)量摩爾濃度，因此提出如下假設(shè).

(1) 電解質(zhì)溶質(zhì)在表面相的濃度與在液相的濃度成比例，即

mS=gmB

(15)

式中：g為比例系數(shù)，可以從單一電解質(zhì)溶液的表面張力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到.

(2) 液相和表面相的滲透性系數(shù)可以由Pitzer方程得到[28].

對于單一電解質(zhì)溶液：

(16)

滲透性的Debye-Huckel參數(shù)Aφ按照下式計(jì)算：

(17)

式中：ρw為純水的密度；D為溶劑介電常數(shù)與真空介電常數(shù)的乘積；kB玻爾茲曼常數(shù)；ε為絕對電荷量.

對于含有1∶1，1∶2，1∶3型電解質(zhì)的混合電解質(zhì)溶液：

2(∑mZ)CMX]}

(18)

I=∑mjZj

表2 溶質(zhì)參數(shù)取值表Tab.2 Values of solute parameters

圖5 海水海砂混凝土模擬溶液表面張力與質(zhì)量摩爾濃度關(guān)系Fig.5 Relationship between surface tension and mass molar concentration of seawater and sea sand concrete simulated solution

3.2 基于開爾文公式和BSB模型的孔隙水飽和度計(jì)算

混凝土孔隙水飽和度是指混凝土孔隙中所含水分的體積占總孔隙體積的比例.在一定溫度、濕度環(huán)境下，小于開爾文半徑的孔隙會(huì)被水充滿[16].開爾文半徑(rK)可由下式[31]獲得：

(19)

式中：lnHr為環(huán)境相對濕度(RH)的自然對數(shù)；MW為水的分子質(zhì)量；σ為孔隙液的表面張力(可由3.1節(jié)計(jì)算)；ρ為孔隙液的密度.

半徑大于開爾文半徑的孔隙，水分子會(huì)形成一層水膜，厚度(W)按Xi等[16]改進(jìn)后的BSB模型進(jìn)行計(jì)算.

(20)

式中：C1為參數(shù).研究表明[16]，對于未碳化的混凝土，C1=100；對于碳化混凝土，C1=1.

取混凝土截面作為二維模型，孔隙近似呈圓形，對半徑大于開爾文半徑的孔隙，孔隙水飽和度是水膜所形成的圓環(huán)的面積比混凝土孔隙的面積，即

(21)

混凝土的孔隙液飽和度可以表示為

Ps=

(22)

綜上，不同水灰比海水海砂混凝土孔隙水飽和度隨著相對濕度的變化規(guī)律如圖6所示.

圖6 海水海砂混凝土孔隙水與相對濕度關(guān)系圖Fig.6 Relation diagram between pore water and relative humidity of seawater and sea sand concrete

由圖6可知，孔隙水飽和度隨著相對濕度的增大而增大，當(dāng)相對濕度超過80%時(shí)，增速變快.因不同水灰比混凝土的孔隙尺寸概率分布函數(shù)不同，在相同濕度情況下的孔隙液飽和度也不同.規(guī)律是水灰比越小，孔隙水飽和度越大.當(dāng)相對濕度為30%、60%和90%時(shí)，水灰比為0.4的混凝土孔隙液飽和度為21.12%、33.90%和66.93%，水灰比為0.7的混凝土孔隙液飽和度為17.40%、29.59%和63.84%.

4 GFRP筋長期力學(xué)性能預(yù)測

4.1 基于氫氧根離子蝕刻的GFRP筋損傷模型

為獲得相對濕度對GFRP筋力學(xué)性能退化的影響，首先利用前文模型計(jì)算混凝土總孔隙率和不同相對濕度下的孔隙水飽和度，然后采用均勻化方法計(jì)算GFRP筋的腐蝕損傷，認(rèn)為被孔隙水溶解的離子均勻地分布在混凝土中.

假設(shè)混凝土體積為V，孔隙液中OH-濃度為cOH.OH-均勻后，混凝土中OH-的濃度可以表示為

(23)

Zhao等[7]的研究表明，OH-侵蝕GFRP筋的反應(yīng)速率遵循阿倫尼烏斯公式：

(24)

式中：k為反應(yīng)速率常數(shù)；A為指前因子；Ea為活化能.

GFRP筋基體和纖維均為固體，其反應(yīng)速率可以表示為

vsur=kcOH

(25)

由基體的化學(xué)式可得侵蝕反應(yīng)的反應(yīng)速率為

(26)

式中：n2為基體的酯基數(shù)；Vm1為GFRP筋中基體的摩爾體積；Vm2為GFRP筋中纖維的摩爾體積；v1和v2分別為基體和纖維的反應(yīng)速率.式中Vm1和Vm2分別按照下式計(jì)算：

其中：Mm和Mgf分別為基體和纖維的摩爾質(zhì)量；Vm和Vf分別為基體和纖維的體積分?jǐn)?shù)；ρm和ρgf分別為基體和纖維的密度.體積分?jǐn)?shù)和密度由生產(chǎn)廠商提供，摩爾質(zhì)量根據(jù)分子式計(jì)算.

GFRP筋在海水海砂混凝土環(huán)境中的侵蝕存在不均勻性，但本文主要關(guān)注GFRP筋的整體拉伸性能劣化，因此將GFRP筋的侵蝕區(qū)域進(jìn)行了均勻化處理.GFRP筋宏觀拉伸性能與截面的有效面積有關(guān)，從有效面積即可推算出其等效腐蝕深度，為簡化計(jì)算，假設(shè)侵蝕反應(yīng)是沿著徑向表面進(jìn)行，且均勻分布的侵蝕深度對GFRP筋的整體拉伸性能影響與實(shí)際不均勻分布的情況等效，則侵蝕深度可表示為

RD=vt

(27)

式中：t為侵蝕的時(shí)間.

雖然被侵蝕區(qū)域中纖維存在剩余承載力，但基體的強(qiáng)度基本喪失，無法傳遞纖維之間的作用力，被侵蝕區(qū)域的材料整體性被破壞，所以偏于保守地假設(shè)被侵蝕的區(qū)域完全喪失承載能力.則GFRP筋的強(qiáng)度保留率可表示為

(28)

式中：ft為GFRP筋腐蝕之后的強(qiáng)度；f0為GFRP筋腐蝕前的強(qiáng)度；RF為GFRP筋的半徑.

由式(23)～(28)可知，GFRP筋被腐蝕后的強(qiáng)度保留率為

ft/f0=

(29)

式中：A1和A2分別為基體和纖維反應(yīng)速率的指前因子.

由上式可計(jì)算不同溫度、環(huán)境相對濕度下GFRP筋經(jīng)不同時(shí)間腐蝕后的強(qiáng)度保留率.賈道光[32]對外界濕度環(huán)境分別為65%、85%、95%，被圓柱混凝土包裹的GFRP筋在1、2、3、4個(gè)月后拉伸強(qiáng)度的劣化進(jìn)行了試驗(yàn)研究.將該試驗(yàn)的材料屬性、試驗(yàn)環(huán)境等因素代入上文所述的模型中進(jìn)行計(jì)算檢驗(yàn)，利用COMSOL軟件建立二維的有限元模型，在不同濕度下經(jīng)過3個(gè)月時(shí)間的等效腐蝕深度如圖7所示.GFRP筋強(qiáng)度保留率試驗(yàn)值(Re)[32]、模擬值(Rs)及相對誤差(δ)如表3所示.

圖7 3個(gè)月后等效腐蝕深度Fig.7 Equivalent corrosion depth after 3 months

表3 GFRP筋強(qiáng)度保留率對比Tab.3 Comparison of strength retention rate of GFRP rebars %

由表3可知，模擬值與試驗(yàn)值的相對誤差在0.52%～11.1%之間，說明該模型在預(yù)測相對濕度對普通混凝土包裹GFRP筋力學(xué)性能的影響比較準(zhǔn)確.在相對濕度較小、時(shí)間較短的情況下，相對誤差的數(shù)值要略小于濕度較大、時(shí)間較長的情況，原因可能是隨著腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，生成物附著于GFRP筋表面，減緩了腐蝕反應(yīng).

4.2 海水海砂混凝土環(huán)境下GFRP筋拉伸強(qiáng)度退化及使用年限

由4.1節(jié)模擬值與試驗(yàn)值的相對誤差在11.1%以內(nèi)，說明該模型在預(yù)測相對濕度對普通混凝土包裹GFRP筋力學(xué)性能的影響比較準(zhǔn)確，將孔溶液表面張力替換為海水海砂混凝土的參數(shù)，即可預(yù)測相對濕度對海水海砂混凝土包裹GFRP筋力學(xué)性能的影響.為預(yù)測相對濕度對海水海砂混凝土環(huán)境下纖維種類和含量、基體含量相同的環(huán)氧基GFRP筋拉伸強(qiáng)度的影響及使用年限，將混凝土孔隙分布概率函數(shù)代入孔隙水飽和度計(jì)算模型，得到環(huán)境相對濕度和海水海砂混凝土內(nèi)部含水量的關(guān)系.假設(shè)孔隙溶液均勻彌散于海水海砂混凝土中，以求得均勻化后的OH-濃度，將其代入蝕刻模型計(jì)算得腐蝕時(shí)間對強(qiáng)度保留率的影響.中國部分沿海城市的2016—2020年平均氣溫和年平均相對濕度如表4所示.年平均氣溫在12～25 ℃之間，因此取 10～25 ℃進(jìn)行強(qiáng)度保留率計(jì)算.

圖8為不同水灰比和溫度(Tc)條件下預(yù)測的相對濕度與GFRP筋(直徑22 mm)強(qiáng)度保留率Rc關(guān)系曲面.GFRP筋強(qiáng)度保留率隨著腐蝕時(shí)間的增加、相對濕度的增大而減小.相同水灰比時(shí)，強(qiáng)度保留率隨著溫度的升高而降低；相同溫度時(shí)，強(qiáng)度保留率隨著相對濕度的增加而降低.Hr=60%、Tc=10 ℃ 時(shí)，水灰比分別為0.4和0.7的海水海砂環(huán)境中腐蝕50 a后，GFRP筋強(qiáng)度保留率分別為88.77%和74.34%，腐蝕100 a后強(qiáng)度保留率分別為78.22%和56.27%；Hr=80%、Tc=25 ℃時(shí)，水灰比分別為0.4和0.7的海水海砂環(huán)境中腐蝕50 a后，GFRP筋強(qiáng)度保留率分別為64.77%和26.32%，腐蝕100 a后強(qiáng)度保留率分別為37.16%和0.68%.

表4 中國主要沿海城市2016—2020年年平均氣溫及平均相對濕度表

圖9分別對比了在Tc=10 ℃、Hr=60%和Tc=25 ℃、Hr=80%兩種環(huán)境下，不同水灰比的海水海砂混凝土環(huán)境下直徑為22 mm GFRP筋的使用年限隨相對濕度的變化曲線.在溫度、相對濕度和腐蝕時(shí)間同樣的條件下，水灰比越小，GFRP筋強(qiáng)度保留率越高.因?yàn)樗冶仍叫。浠炷林锌紫堵试叫?，對OH-濃度的折減越大，腐蝕速率越緩.水灰比為0.6和0.7的兩種混凝土的變化曲線較為接近，說明水灰比較大的海水海砂混凝土，GFRP筋的腐蝕速率不再因水灰比的提高而顯著變化.在Tc=10 ℃、Hr=60%條件下(見圖9(a))，全部曲線的強(qiáng)度保留率大于70%.在Tc=25 ℃、Hr=80%條件下(見圖9(b))，大部分曲線的強(qiáng)度保留率小于70%.

圖8 相對濕度與海水海砂混凝土環(huán)境下GFRP筋強(qiáng)度保留率關(guān)系曲面Fig.8 Schematic diagram of strength retention of GFRP rebars after corrosion

圖9 不同水灰比下相對濕度與GFRP筋的強(qiáng)度保留率關(guān)系曲線Fig.9 Strength retention of GFRP bars at different water-cement ratios

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 406—2013[33]，GFRP的公稱直徑范圍宜為10～36 mm.分別選取直徑為10、16、22、28和36 mm的GFRP筋，預(yù)測其在Tc=10 ℃、Hr=60%和Tc=25 ℃、Hr=80%兩種環(huán)境下強(qiáng)度保留率隨腐蝕時(shí)間的變化關(guān)系，如圖10所示.可以看出，在混凝土水灰比、溫度、相對濕度和腐蝕時(shí)間相同的條件下，GFRP筋的直徑越大，強(qiáng)度保留率越高.隨著腐蝕時(shí)間增長，不同直徑GFRP筋的使用年限之間的差距在逐漸增大.當(dāng)Tc=10 ℃、Hr=60%時(shí)(見圖10(a))，全部曲線的強(qiáng)度保留率大于70%.當(dāng)Tc=25 ℃、Hr=80%時(shí)(見圖10(b))，大部分GFRP筋強(qiáng)度保留率小于70%.Ali等[34]研究了BFRP筋在堿性環(huán)境下的直徑與強(qiáng)度保留率關(guān)系，其圖9的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總體變化趨勢呈現(xiàn)出強(qiáng)度保留率隨直徑增加而增大的特征.Iqbal等[8]基于大量文獻(xiàn)數(shù)據(jù)開展了GFRP筋在堿性環(huán)境中的強(qiáng)度保留率研究，認(rèn)為較大直徑和纖維體積含量有利于提高強(qiáng)度保留率.

圖10 不同直徑條件下相對濕度與GFRP筋的強(qiáng)度保留率關(guān)系曲線Fig.10 Strength retention of GFRP bars at different diameters

根據(jù)規(guī)范ACI 440.1R-15的6.2規(guī)定[35]，環(huán)境對GFRP筋強(qiáng)度折減系數(shù)取值為0.7，因此將70%的強(qiáng)度保留率作為界限值進(jìn)行GFRP筋可使用年限計(jì)算.以直徑22 mm的GFRP筋為例，分別計(jì)算其在0.4和0.7水灰比的海水海砂混凝土環(huán)境中，4種環(huán)境溫度下的相對濕度與可使用年限曲線關(guān)系，如圖11所示.其中使用年限0～5 a、5～50 a和 50～100 a分別用紅、綠和黃色區(qū)域標(biāo)識(shí).由圖11可知，溫度越高、相對濕度越大，GFRP筋的可使用年限越短.溫度越低，曲線傾斜角度越大，說明溫度較低時(shí)，相對濕度對使用年限的影響越大.對比圖11(a)和圖11(b)可知，較高的水灰比顯著降低GFRP筋的使用年限，因此推薦混凝土拌合加減水劑.對于水灰比為0.4的海水海砂混凝土，GFRP筋可使用年限為100 a的環(huán)境條件臨界值為Tc=10 ℃、Hr=97%，Tc=15 ℃、Hr=83%或Tc=20 ℃、Hr=64%；可使用年限為50 a的環(huán)境條件臨界值為Tc=20℃、Hr=90%或Tc=25℃、Hr=73%.從腐蝕的角度，海洋環(huán)境被劃分為5種腐蝕區(qū)，即海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、潮汐區(qū)、海水淹沒區(qū)及海底土體掩埋區(qū).圖11的結(jié)果主要考慮了環(huán)境相對濕度的影響，比較接近海洋大氣環(huán)境.其他區(qū)域的GFRP筋腐蝕規(guī)律不同，仍然需要針對特定區(qū)域開展分類研究，評估GFRP筋的使用年限.

圖11 不同溫度條件下相對濕度與GFRP筋的可使用年限關(guān)系曲線Fig.11 Service life of GFRP rebars at different temperatures

圖8～11結(jié)果表明，海水海砂混凝土中GFRP筋的強(qiáng)度保留率和使用年限均隨著相對濕度的增加而減小.環(huán)境溫度、混凝土水灰比和筋直徑均對GFRP筋的性能退化程度有顯著影響，工程應(yīng)用時(shí)須根據(jù)氣候條件和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限選取合適的混凝土水灰比和GFRP筋直徑大小.

5 結(jié)論

本文研究了環(huán)境相對濕度對海水海砂混凝土環(huán)境下GFRP筋力學(xué)性能退化的影響，預(yù)測了不同環(huán)境溫度、混凝土水灰比和GFRP筋直徑下，相對濕度與強(qiáng)度保留率和使用年限的關(guān)系，可為GFRP筋-海水海砂混凝土結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供參考依據(jù).主要結(jié)論如下：

(1) 建立了環(huán)境相對濕度、混凝土孔隙溶液飽和度以及GFRP筋腐蝕反應(yīng)速率的定量分析方法，揭示了相對濕度對海水海砂混凝土環(huán)境下GFRP筋力學(xué)性能退化的影響規(guī)律.環(huán)境相對濕度越大，GFRP筋強(qiáng)度退化越快.

(2) 海水海砂混凝土孔隙溶液飽和度隨著環(huán)境相對濕度的增大而增大，在相對濕度超過80%時(shí)，增速變快.當(dāng)相對濕度為30%、60%和90%時(shí)，水灰比為0.4的混凝土孔隙液飽和度分別為21.12%、33.90%和66.93%.

(3) 基于氫氧根離子蝕刻的GFRP筋損傷模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，驗(yàn)證了本文方法的正確性.

(4) 海水海砂混凝土中GFRP筋的強(qiáng)度保留率和使用年限均隨著相對濕度的增加而減小.環(huán)境溫度、混凝土水灰比、筋直徑對二者有顯著影響，溫度和水灰比的增加均會(huì)降低強(qiáng)度保留率，筋直徑的增大可提高其使用年限.