玻璃纖維增強塑料筋材耐久性試驗研究

程 濤 （安徽省公路橋梁工程有限公司，安徽 合肥 230001）

鋼筋混凝土由于具有受力性能良好、造價低廉等優(yōu)勢，因此在建筑工程中得到了廣泛應用，但也存在鋼筋的腐蝕嚴重、防腐蝕處理費用等諸多不利因素，特別是地下水豐富等周圍復雜環(huán)境的地下工程，混凝土的耐久性很難得到保證，因此近年來國內(nèi)外紛紛采用GFRP筋材（玻璃纖維增加塑料筋）來代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋用于地下工程，由于這種材料具有抗拉強度高、密度較小、耐腐蝕、不導電不導磁等優(yōu)點，因此，在地下工程中得到了廣泛應用。GFRP筋材主要由玻璃纖維和環(huán)氧樹脂所組成高分子合成材料，其物理力學性能受材料組成、制作工藝等因素影響，表現(xiàn)出很強的離散性特點，其中玻璃纖維是一種性能優(yōu)良的無機非金屬材料，其主要成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等，但應用于地下結構工程時多遇酸性、堿性等復雜的地質(zhì)環(huán)境，易出現(xiàn)老化嚴重、強度衰減的現(xiàn)象，因此，配置GFRP筋材的混凝土結構耐久性必然受到相互粘結、協(xié)同工作的結構組成材料的耐久性及周圍工作環(huán)境所影響。

回顧國內(nèi)外對于玻璃纖維增強塑料筋的研究，主要體現(xiàn)在GFRP筋材的基本物理力學性能、筋材錨固段和桿體最佳形式等幾個方面，且集中于桿件的短期力學性能，缺乏對其長期力學性能的驗證，未涉及實際復雜環(huán)境下GFRP筋材耐久性及抗腐蝕性研究，而實際工程中的GFRP筋材往往在早期力學性能能達到結構承載力要求，但材料本身在周圍復雜環(huán)境下（酸、堿）的長期影響下，各項力學性能逐漸衰減，造成配置GFRP筋材結構物出現(xiàn)開裂、承載力不足等嚴重危害結構安全的后果，因此，開展GFRP筋材力學性能隨時間及溶液溶度衰減規(guī)律就顯得尤為重要。

本文通過高溶度加速老化試驗，分別在酸性及堿性環(huán)境下對GFRP筋進行力學性能及質(zhì)量的試驗研究，分析GFRP筋在腐蝕條件下的力學性能衰減規(guī)律，揭示溶液濃度、腐蝕時間等因素對GFRP筋材力學性能的作用機理，從而為地下工程中的GFRP筋材防腐及耐久性研究提供理論依據(jù)。

1 試驗材料

為研究腐蝕時間和腐蝕溶度這兩種因素對GFRP筋材耐久性的影響，故在本次試驗中采取三種不同腐蝕溶度，分別為D、50%D、25%D(D為最高溶度)，和三種不同腐蝕時間，分別為900小時、1200小時、1500小時。分別在酸、堿兩種溶液中進行18組試驗2*（900小時、1200小時、1500小時）*（D、50%D、25%D）。

試驗采用Φ18螺紋GFRP筋材，將筋材切割編號，切割長度為500mm，共切割54根，分為18個組，每組三根。試驗分別按時間因素及溶度因素控制下的腐蝕兩種方式進行，編號采用透明膠帶粘貼編號于GFRP筋材之上，編號規(guī)則為A（酸性）、B（堿性），腐蝕溶度分別為D1（最高溶度）、D2（50%最高溶度）、D3（25%最高溶度），浸泡時間分別為S1(900小時)、S2（1200小時）、S3（1500小時），則AD2S3表示筋材在50%最高溶度酸性溶液中浸泡1500小時。

2 試驗方法

第一步：配置溶液。在自然環(huán)境中對材料的腐蝕主要有酸、堿性地質(zhì)環(huán)境、海水環(huán)境、酸雨、砂漿、混凝土等，本次試驗采用高溶度加速試驗方法，酸性環(huán)境采用HSO配置，堿性環(huán)境采用NaOH配置，其具體溶液配置見表1。

第二步：筋材浸泡。將筋材編號后利用電子秤稱重并進行記錄，在6個水箱中分別加入20L水，并將按表1配置的腐蝕溶液倒入并攪拌均勻，將GFRP筋材按編號對應浸泡于各水箱中，分別在規(guī)定時間（S1、S2、S3）后取出，沖洗烘干后再次稱重并記錄。

腐蝕溶液溶度配置 表1

第三步：抗拉試驗。試驗參考美國ACI440.3R-04中的相關試驗方法，因GFRP筋材橫向抗壓和抗剪強度較低，為防止夾持部分出現(xiàn)提前壓碎的無效破壞，需對GFRP筋材夾持端進行清洗處理，并使用玻璃纖維布和環(huán)氧樹脂進行包裹。試驗在萬能材料試驗機（CSSWAW500DL）上進行，施工連續(xù)外荷載時每隔2kN讀取應變值，直到試件破壞，從而獲得GFRP筋材應力與應變關系曲線。

3 酸性環(huán)境下腐蝕試驗研究

當GFRP筋材在酸性環(huán)境時，酸性物質(zhì)向GFRP筋材基體擴散，導致纖維與樹脂基體剝離，并存在一定程度的水解，水解使分子鏈發(fā)生斷裂或降低交聯(lián)網(wǎng)絡的固化度，使得玻璃纖維中Ca元素顯著減少，當環(huán)境中含有SO2離子時，桿體材料會發(fā)生反應生成CaS0并溶于環(huán)境中，從而導致GFRP筋材強度及彈性模量值下降?，F(xiàn)有文獻在30d、60d酸性腐蝕試驗的結構表明：試件表面和直徑并無明顯變化，其抗拉和抗剪強度有所降低。

從腐蝕結果的表面現(xiàn)象上看，D3S1的一組GFRP筋材表面未發(fā)生明顯化學反應，桿體外觀基本無明顯變化；D3S2、D2S1這兩組GFRP錨桿桿體外觀局部區(qū)域出現(xiàn)白色；其他各組桿體表面隨著酸性溶液溶度的不斷增大及腐蝕時間的不斷增長，錨桿表面呈現(xiàn)灰白色的深度不斷增大，說明桿體發(fā)生化學反應的程度越發(fā)強烈。當溶度達到最高溶度后，在腐蝕時間達到1500小時后，玻璃纖維中Ca元素與溶液中離子發(fā)生反應生成類似CaSO附著于筋材表面，故桿體呈現(xiàn)灰白色。

①重量變化情況

試驗結束后，用水沖洗試件并靜置半小時再烘干稱重，腐蝕前后重量對比如表2所示。

由表2可知，在25%最大溶度的酸性溶液浸泡時，當腐蝕時間由900小時增加到1500小時后，其重量減小幅度僅從0.027%增加到0.041%；而在最大溶度浸泡時，其重量減小幅度由0.112%增加到0.160%，增加幅度相對較大，且減小重量值遠大于25%溶度時的。當GFRP筋材浸泡在25%最大溶度、浸泡1500小時后，重量損失率為0.041%，而當GFRP筋材浸泡在50%最大溶度中浸泡900小時后，重量損失率為0.060%，說明筋材在低溶度時即使浸泡較長時間后的重量損失率還是小于高溶度時較短時間的重量損失率。說明腐蝕時間及溶液溶度均影響GFRP筋材的腐蝕程度，但溶液溶度的影響程度更為明顯。

GFRP筋材腐蝕前后重量對比 表2

②力學性能變化情況

按相關標準將腐蝕前后GFRP筋材進行對比拉撥試驗，當GFRP筋材被拉斷后立刻停止試驗，記錄相關試驗結果，腐蝕前材料抗拉強度為706.9MPa、彈性模量為42.3GPa。腐蝕后筋材極限抗拉強度及彈性模量見表3所示。

GFRP筋材酸性環(huán)境腐蝕后力學性能 表3

由表3可知，隨著腐蝕時間及酸性溶液溶度的不斷增加，GFRP筋材抗拉強度及彈性模量值均逐漸減小。在25%最大溶度的酸性溶液時，當腐蝕時間由1200小時延長到1500小時后，抗拉強度下降了近1.25%；而在最大溶度時，抗拉強度則僅下降了0.58%。因此，隨著溶度增加，筋材抗拉強度隨腐蝕時間增加而降低的幅值越發(fā)不明顯。

從腐蝕機理來分析，筋材在腐蝕溶液內(nèi)發(fā)生物理溶解或化學反應是造成GFRP桿體重量下降和抗拉強度及彈性模量降低的主要原因。在酸性環(huán)境下筋材部分酯化水解反應溶于水以及玻璃纖維中Ca元素與溶液中離子發(fā)生反應生成類似CaS0，導致結構遭到破壞。同時腐蝕使得玻璃纖維與樹脂界面的粘結性能變差，造成拉伸試驗時單位應力值所需的應變量增加，彈性模量值減小。在低溶度下筋材腐蝕不明顯的原因是因在酸性條件下H要達到一定溶度后，筋材才能電離出部分Ca離子來發(fā)生化學反應，所以導致低溶度下筋材腐蝕失重率及抗拉強度和彈性模量下降并不明顯。而筋材在酸性環(huán)境下先快后慢的腐蝕速率，是由于前期與溶液中S02離子反應生成的CaS0附著于玻璃纖維及樹脂表面，阻礙了化學反應的進一步發(fā)展，進而導致后期腐蝕減緩，且溶度越大，后期減緩腐蝕越明顯，腐蝕速率相應也隨之減小。

4 堿性環(huán)境下腐蝕試驗研究

當GFRP筋材在堿性環(huán)境時，堿性物質(zhì)向筋材基體擴散滲透，加水分解引起樹脂中酯結合生成羧酸(或其鹽類)和乙醇，導致玻璃纖維成分的溶析和樹脂的分解，其中筋材中部分硅元素生成氧化硅并溶于環(huán)境中，從而導致筋材強度下降?，F(xiàn)有文獻在GFRP筋材抗堿腐蝕試驗結果表明：堿性環(huán)境下對筋材腐蝕性較強，桿體直徑有所減少且表面顏色產(chǎn)生變化，對筋材桿體抗拉強度和剪切強度較酸性環(huán)境影響更大。

從腐蝕后表面現(xiàn)象上看，筋材在堿性環(huán)境下表面出現(xiàn)不同程度的灰白色，且白色深度隨著腐蝕時間的增長及堿性溶液溶度的增大而逐漸加深。當腐蝕時間較長、溶液溶度較大時，筋材表面出現(xiàn)部分黏稠的熔脹現(xiàn)象，可能是因樹脂中的酯發(fā)生水解反應結合生成鹽類和乙醇，且玻璃纖維中Si元素與OH離子發(fā)生復雜化學反應，生成部分氧化硅等產(chǎn)物，導致筋材表面出現(xiàn)灰白色，且在長時間的堿性環(huán)境下會出現(xiàn)局部溶脹的現(xiàn)象。

①腐蝕重量的變化情況

試驗結束后，將試件用清水沖洗后靜置半小時再烘干后稱重，在不同溶度、不同腐蝕時間下的腐蝕前后重量對比如下表。

由表4可知，在堿性腐蝕環(huán)境下，筋材重量下降在0.041%～0.208%之間，筋材重量下降速度在整個過程中基本相同；在低溶度時的重量損失率大約在0.05%；而當溶度增加到1.5%和3%時，其失重率增加到0.12%和0.18%左右，可以看出在堿性環(huán)境下，低溶度時桿體腐蝕程度相對較小，隨著溶度的增加，桿體失重率并非線性增加，而是先大幅增加，后小幅增大。同一溶度時筋材腐蝕速度在整個過程中基本未發(fā)生變化，當在不同溶度時腐蝕速率不盡相同，當腐蝕時間由900小時增加到1500小時，溶度在相對較低溶度時所對應的損失率由0.041%增加到0.053%，增加幅度相對有限，而在相對較大溶度（3%溶度）時所對應損失率由0.158%增加到0.208%，增加幅度相對較大，說明溶度增加能顯著提高筋材的腐蝕速率。

GFRP筋材堿性環(huán)境下腐蝕前后重量對比 表4

從腐蝕機理來看，腐蝕環(huán)境為堿性溶液時筋材重量減少量較酸性腐蝕環(huán)境要大。這是由于在堿性環(huán)境中筋材中樹脂發(fā)生分解反應引起樹脂中酷結合生成酸以及部分氧化硅產(chǎn)物，且當反應量較多時產(chǎn)生溶脹現(xiàn)象，從而進一步促成水解反應，導致重量降低量大于酸性環(huán)境中的。

②腐蝕前后力學性能的變化

在現(xiàn)有規(guī)范條件下對腐蝕前后GFRP筋材進行拉拔試驗，腐蝕前材料的抗拉強度為706.9MPa，彈性模量為42.3GPa；試驗后GFRP筋材的極限抗拉強度及彈性模量見表5所示。

由表5可知，在最大溶度的25%、50%、100%時，抗拉強度減小幅度分別約為3.5%、9.5%、15%。當腐蝕時間由900小時延長到1500小時，在最大溶度25%堿性溶液時，抗拉強度降低幅度由3.57%增加到3.99%，變化幅度相對較??；而在最大溶度時，降低幅度由13.16%增加到16.71%，變化幅度相對較大。在最大溶度的25%、50%、100%時筋材彈性模量分別約為41.0GPa、39.5GPa、38.0GPa。當腐蝕時間由900小時延長到1500小時，在最大溶度25%時彈性模量減小率由2.08%增加到3.64%，減小幅度相對較小，而在最大溶度時的增加率由9.03%增加到12.42%，減小幅度相對較大。因此，隨著腐蝕時間及堿性溶液溶度的不斷增加，GFRP筋材的抗拉強度及彈性模量值均逐漸減小，且溶度越高，力學性能隨腐蝕時間增加而衰減的幅度越發(fā)明顯。

GFRP筋材堿性環(huán)境腐蝕后力學性能 表5

從腐蝕機理來看，由于堿性環(huán)境中樹脂中的酯發(fā)生水解反應生成羧酸以及玻璃纖維和樹脂中硅元素反應生成氧化硅類產(chǎn)物，導致結構遭到破壞，造成筋材抗拉強度降低；同時溶液也腐蝕了玻璃纖維與樹脂界面，使得兩者的粘結性能變差，協(xié)調(diào)變形能力變?nèi)酰M而造成筋材的彈性模量降低。

綜上可知，堿性環(huán)境中筋材中樹脂發(fā)生分解反應后期產(chǎn)生溶脹現(xiàn)象，進一步促成水解反應，而在酸性環(huán)境下反應生成物附著于筋材表面，阻礙化學反應進一步發(fā)展，造成堿性腐蝕導致的抗拉強度、彈性模量、質(zhì)量下降量均大于酸性環(huán)境中的，堿性溶液的腐蝕速率較為均勻，而酸性溶液的腐蝕速率隨腐蝕時間增加而逐漸減慢。

5 結論

本文基于室內(nèi)試驗研究GFRP筋材在酸、堿腐蝕環(huán)境下筋材質(zhì)量及力學性能隨溶液溶度及腐蝕時間的變化規(guī)律。得出如下結論：

①在酸堿性環(huán)境下筋材中樹脂發(fā)生酯化水解反應以及玻璃纖維中鈣元素與溶液中離子發(fā)生反應，導致筋材結構遭到破壞；

②酸性環(huán)境中因反應生成物附著于筋材表面，阻礙反應發(fā)展，造成筋材的腐蝕速率先快后慢，而在堿性環(huán)境中因樹脂發(fā)生水解反應后期產(chǎn)生溶脹現(xiàn)象，促進反應進行，使得筋材的腐蝕速率較為均勻；

③隨著腐蝕時間及溶液溶度的不斷增加，筋材的質(zhì)量、抗拉強度及彈性模量值均逐漸減小，但堿性環(huán)境中筋材質(zhì)量減少量及力學性能衰減率均大于酸性環(huán)境中的。