海洋環(huán)境下BFRP 筋力學性能時變規(guī)律研究

楊永民,祁長輝,關(guān)淑鴻,陳耿杰,劉炳岳,劉丹萍,劉俊輝,唐昀超*

（1. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學院城鄉(xiāng)建設(shè)學院，廣東廣州 510225；2. 廣東省嶺南鄉(xiāng)鎮(zhèn)綠色建筑工業(yè)化工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510225；3. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學院建筑節(jié)能可持續(xù)發(fā)展研究所，廣東 廣州 510225）

海洋環(huán)境下，混凝土受海水腐蝕會造成結(jié)構(gòu)惡化，這對工程結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性和穩(wěn)定性都有至關(guān) 重 要 的 影 響［1］。海 水 中 主 要 存 在Cl?、SO42?和Mg2+，混凝土的水化產(chǎn)物會與這些離子發(fā)生化學反應(yīng)［2-5］，使得混凝土堿性降低，破壞混凝土微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對暴露在海水環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)物造成腐蝕［6］。同時，鋼筋的膨脹銹蝕也會影響結(jié)構(gòu)物耐久性［7］。海水中足量的Cl?滲透混凝土表層并破壞鋼筋的鈍化膜，使鋼筋活化并發(fā)生腐蝕破壞，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)物開裂［8］。

在海洋環(huán)境下使用玄武巖纖維材料代替普通鋼筋可以改善海洋混凝土結(jié)構(gòu)性能，有效解決海水和氯離子腐蝕鋼筋等一系列問題［9-10］。玄武巖纖維（basalt fiber-reinforced polymers，BFRP）筋是指由玄武巖礦石經(jīng)高溫熔化后，通過擠壓與拉拔纖維與樹脂基體材料制備而成的一種新型非金屬復(fù)合材料［11-12］。與鋼筋相比，BFRP 筋具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕等優(yōu)點，可以有效抵抗Cl?滲透，在海水環(huán)境中有較好的工作性能［13-14］。在鹽環(huán)境下BFRP 筋的抗拉強度退化較?。?5］，然而堿離子會對BFRP 筋造成一定程度的腐蝕［16］，在模擬海洋環(huán)境下（pH 值為12.7和13.4）BFRP 筋表面的硅酸鹽和堿離子反應(yīng)會導(dǎo)致較明顯的性能退化［17］。Lu 和Ali 等［18-19］研究結(jié)果表明，BFRP 筋在60 ℃堿性環(huán)境下浸泡半年后的粘結(jié)強度下降69%，浸泡5000 h 后的橫向抗剪強度、抗彎強度與層間剪切強度分別下降了12%、19%和21%。因此，在堿性海水環(huán)境下需要考慮BFRP 筋性能退化對結(jié)構(gòu)物的影響。

為進一步研究BFRP 筋在復(fù)雜海水環(huán)境下的力學性能及微觀結(jié)構(gòu)變化，分別設(shè)計了直徑為6 和8 mm 的普通BFRP 筋及用地質(zhì)聚合物砂漿包裹后的BFRP 筋兩組試件，研究試件在自來水、模擬海水和模擬堿性海水浸泡后拉伸強度的退化程度，以及放置在海浪區(qū)域后的拉伸性能的退化程度。根據(jù)BFRP 筋在不同海水環(huán)境下的橫斷面微觀結(jié)構(gòu)、試件腐蝕時間及剩余拉伸強度，建立海水環(huán)境下BFRP 筋拉伸強度退化模型，為BFRP 筋在混凝土海工應(yīng)用給予試驗依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

1.1.1 地質(zhì)聚合物膠凝材料

基于本研究支撐課題的前期研究成果，制備了一種粉體狀的地質(zhì)聚合物膠凝材料（GI），其主要由韶鋼粒化高爐礦渣、黃埔電廠粉煤灰、艾肯硅灰、激發(fā)劑及緩凝增強組分組成，其中韶鋼S95 礦渣、黃埔電廠II 級粉煤灰、硅灰、模數(shù)為1.4 的固體硅酸鈉和碳酸鈉混合激發(fā)劑及緩凝增強劑的質(zhì)量比為70∶12∶5∶8∶5。地質(zhì)聚合物膠凝材料的化學組成和物理力學性能分別列于表1 和表2，粉體粒度分布如圖1 所示。

制備地質(zhì)聚合物時未使用外加劑，主要采用的是韶關(guān)鋼鐵集團的粒化高爐礦渣（S95），其化學組成列于表3。

BFRP 筋試件來自四川航天拓鑫玄武巖實業(yè)有限公司，共有直徑6 和8 mm 兩個規(guī)格。BFRP 筋本身沒有屈服強度，極限抗拉強度基本在800—1100 MPa，大約是同半徑熱軋光圓型鋼筋（HPB300，屈服強度為300 MPa）極限抗拉強度的1.65 倍、同半徑三級熱軋帶肋鋼筋（HRB400，屈服強度為400 MPa）極限抗拉強度的1.59 倍。此外，BFRP 筋的伸長率較鋼筋低約為2.0%，而鋼筋伸長率約為20.0%，大約為BFRP 筋的10 倍。

表1 地質(zhì)聚合物膠凝材料的化學組成Table 1 Chemical composition of geopolymer binder

表2 地質(zhì)聚合物膠凝材料的物理力學性能Table 2 Physical and mechanical properties of geopolymer binder

圖1 地質(zhì)聚合物膠凝材料的粒度分布Figure 1 Particle size distribution of geopolymer binder

表3 礦渣的化學組成Table 3 Chemical composition of GBFS

1.1.2 人工海水

根據(jù)ASTMD 1141-98（2003）和GB/T 15748-1995 船用金屬材料電偶腐蝕試驗方法，來配制實驗使用的人工海水，人工海水組成列于表4。

表4 人工海水組成Table 4 Artificial seawater composition

1.2 試驗方法

將長1100 mm 的BFRP 筋試件浸入人工海水中，經(jīng)過預(yù)定的齡期之后取出，去除試件表面水分，參考美國ACI440.3R-04 纖維增強聚合物（FRP）筋增強混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法指南的設(shè)計和制作BFRP筋拉伸試件，拉伸試件總長L=1000 mm，具體尺寸如圖2 所示。

圖2 BFRP 筋拉伸試件Figure 2 Tensile specimens of BFRP bars

在拉伸試驗過程中，為避免拉力機夾具對BFRP 筋拉伸試件兩端產(chǎn)生剪切破壞，在BFRP 筋兩端用長度為200 mm 的鋼套筒（壁厚3 mm、底直徑為30 mm、頂直徑為35 mm）錨固，鋼套筒與BFRP 筋之間通過灌注環(huán)氧樹脂粘結(jié)。

根據(jù)纖維增強復(fù)合材料筋基本力學性能試驗方法（GB/T 30022-2013），在電液伺服萬能試驗機上測試BFRP 筋樣品極限抗拉強度及拉應(yīng)變，采用位移控制并控制試件在1—10 min 內(nèi)破壞。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 海水浸泡對BFRP 筋力學性能的影響

圖3 為在自來水、模擬海水條件下浸泡后BFRP 筋拉伸強度的變化情況。從圖3 可見：在自來水浸泡下，試件拉伸強度略有提升后下降，最后有傾向穩(wěn)定的趨勢；在模擬海水浸泡下，BFRP 筋強度降低；用地質(zhì)聚合物砂漿包裹后的BFRP 筋強度衰退情況得到改善，其拉伸強度在腐蝕過程中先迅速下降后緩慢下降，即腐蝕介質(zhì)在BFRP 筋中擴散達到一定深度后達到平衡，此時反應(yīng)生成物在BFRP筋內(nèi)部堆積使侵蝕反應(yīng)放緩；對比直徑分別為6 和8 mm 的BFRP 筋，在地質(zhì)聚合物砂漿包裹狀態(tài)下初始拉伸強度均為1158 MPa，在海洋環(huán)境下浸泡360 d 后最終拉伸強度分別為961.433 和1 005.433 MPa；隨著浸泡時間的遞增，在同一環(huán)境下直徑為6 mm 的BFRP 筋拉伸強度比直徑8 mm 的稍低。表明，后續(xù)需要持續(xù)關(guān)注更大直徑下BFRP 筋在腐蝕環(huán)境中的退化現(xiàn)象。

圖3 BFRP 筋在不同腐蝕介質(zhì)中拉伸強度的變化Figure 3 Variation of tensile strength of BFRP bars in different corrosive medium

由于受到海浪沖擊，海濱環(huán)境下BFRP 筋腐蝕情況較靜置海水或普通鹽霧環(huán)境復(fù)雜。將BFRP 筋試件放置海濱環(huán)境（海邊浪濺區(qū)）下，半年后測試試件的拉伸強度并觀察BFRP 筋的性能變化。

圖4 為放置BFRP 筋試件的示意圖，表5 為BFRP 筋的拉伸性能結(jié)果。由表5 可知，老化BFRP筋的拉伸強度為1 053.1 MPa、拉伸彈性模量達到47.8 GPa，未經(jīng)老化的BFRP 筋的拉伸強度為899.1 MPa、拉伸彈性模量為50.8 GPa。半年老化后，試樣的強度提高了19%、拉伸強度降低了5.8%，說明BFRP 筋在海水浸泡半年內(nèi)未有明顯性能退化。

圖4 浪濺區(qū)浸泡180 d 的BFRP 筋Figure 4 BFRP bars aged 180 days in the splash zone

表5 BFRP 筋（海水浪濺區(qū)暴露180 d）的拉伸性能Table 5 Tensile properties of BFRP bars（180 days exposure in seawater splash zone）

2.2 海洋環(huán)境下BFRP 筋抗拉強度退化模型

在自來水、模擬海水和堿性模擬海水（飽和Ca（OH）2人工海水溶液）中浸泡后BFRP 筋試樣外觀如圖5 所示。從圖5 可見，在不同條件下BFRP 筋表面變化是不一樣的。浸泡在自來水中，BFRP 筋表面無明顯變化；浸泡在模擬海水中，28 d 之后筋材表面的光澤度降低，浸泡90 d 之后光澤度比28 d 后的黯淡，浸泡一年之后筋材肋痕凹處變得粗糙；浸泡在堿性模擬海水中，28 d 后筋材光澤度顯著下降且表面粗糙，浸泡60 d 后試件肋痕凹處由黑色變?yōu)辄S棕色（玄武巖纖維顏色）、凸起處變?yōu)榛疑?0 d后凸起變窄、黃棕色纖維原絲裸露明顯，浸泡180 d后筋材表面變成了黃棕色松散纖維，浸泡一年后筋材表面樹脂稀少、纖維完全松散。

圖5 BFRP 在海水環(huán)境中筋腐蝕前后外觀變化Figure 5 Appearance changes of reinforcement before and af?ter corrosion in seawater environment

圖6 為BFRP 筋在水和海水環(huán)境下浸泡180 d的橫斷面SEM 圖。從圖6 可見：在水中浸泡180 d的BFRP 筋，其橫斷面樹脂和BFRP 纖維絲結(jié)合緊密且沒有孔隙；在海水中浸泡180 d 的BFRP 筋的邊緣處外層纖維出現(xiàn)孔隙，并且表面結(jié)構(gòu)遭受侵蝕后而松散。

圖6 BFRP 筋在水和海水中腐蝕180 d 后的橫斷面微觀結(jié)構(gòu)Figure 6 Cross sectional microstructure of BFRP bars after 180 days of corrosion in water and seawater

水和海水環(huán)境下BFRP 筋縱斷面的微觀結(jié)構(gòu)見圖7。從圖7 可見：未受海水腐蝕的BFRP 筋縱斷面中，BFRP 纖維絲與樹脂之間嵌合緊密，BFRP 纖維表面光滑平整；在海水中浸泡180 d 后，BFRP 纖維絲松散，中間粘結(jié)的樹脂消失，在纖維絲表面附著了大量鹽類結(jié)晶物這是由于在腐蝕過程中，腐蝕性介質(zhì)主要沿著筋材徑向由外向內(nèi)逐步深入，早期主要造成纖維和樹脂的脫落，后期造成纖維絲表面的腐蝕，最后引起B(yǎng)FRP 筋拉伸強度的顯著降低。

圖7 BFRP 筋在水和海水中浸泡180 d 后的縱斷面微觀結(jié)構(gòu)Figure 7 Longitudinal microstructure of BFRP tendons soaked in hydrated seawater for 180 days

通過對BFRP 筋的微觀分析可知，BFRP 筋在海水環(huán)境下的退化機理是纖維-樹脂基體界面的剝離破壞，表達式如下［20］。

式（1）中Y∞為腐蝕時間趨于無窮的BFRP 筋剩余拉伸強度，t 為由腐蝕溫度決定的特定時間。

地質(zhì)聚合物混凝土中BFRP 筋在海洋環(huán)境下侵蝕主要分為兩個方面，一個是海水的侵蝕，另一個是地質(zhì)聚合物內(nèi)部的堿侵蝕。因此對公式（1）進行了修正［21］，修正后方程如下。

為驗證修正后的方程，對直徑6 和8 mm 的BFRP 筋（地質(zhì)聚合物砂漿包裹）在海水浸泡下拉伸性能時變規(guī)律進行模擬（圖8），擬合參數(shù)列于表6。由表6 可知，在該環(huán)境下，直徑為6 mm 的BFRP 筋最終強度為695 MPa，直徑8 mm 的BFRP 筋最終強度為663 MPa。衰退模型分別為直徑6 mm 的BFRP 筋衰 退 模 型 ff=695.38×(1 ?exp(?8.199 58×10?7×t))?0.04694和 直 徑8 mm 的BFRP 筋 衰 退 模 型ff=663.76×(1?exp(?1.983 49×10?6×t))?0.04248。

表6 BFRP 筋退化擬合參數(shù)Table 6 Fitting parameters to describe the degradation of BFRP bar

表7 為海水浸泡下直徑6 和8 mm 的BFRP 筋拉伸強度誤差值結(jié)果。從圖8 及表7 可見：直徑6 mm的BFRP 筋擬合最小相對誤差絕對值為0.499%，最大為2.556%；直徑8 mm 的BFRP 筋擬合最小相對誤差為0.003%，最大為0.15%。說明衰退模型對直徑8 mm 的BFRP 筋擬合效果優(yōu)于增加6 mm。表明，相較于增加8 mm，部分直徑6 mm 的BFRP 試件受海水腐蝕及堿腐蝕影響較大，可能是由于小直徑試件加工精度不足，由此對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。而有關(guān)腐蝕溫度、濕度、海水離子種類及受力形式對BFRP 筋造成的侵蝕破壞，仍待進一步深入研究。

圖8 海水浸泡環(huán)境下BFRP 筋拉伸強度Figure 8 Tensile strength of BFRP immersed in marine environment

表7 海水浸泡下直徑6 和8 mm 的BFRP 筋拉伸強度誤差值Table 7 Error value of tensile strength of Ф6mm and Ф8 mm BFRP bar immersed in marine environment

3 結(jié)論

以直徑為6 和8 mm 的普通BFRP 筋及用地質(zhì)聚合物砂漿包裹后的BFRP 筋兩組試件作為參考，研究不同模擬海洋環(huán)境下BFRP 筋及其界面性能時變規(guī)律和力學性能，根據(jù)BFRP 筋力學性能時變規(guī)律所造成承載力的損失，建立了基于承載力衰退的BFRP 筋拉伸強度模型。

（1）BFRP 筋在自來水浸泡下的條件下抗拉強度先略有增加后下降，最后趨于穩(wěn)定。在模擬海水中浸泡的條件下，其拉伸強度會隨老化時間的增加而逐步降低。直徑為6 mm 的BFRP 筋的拉伸強度在此條件下的衰退相比于直徑為8 mm 的嚴重，最終拉伸強度分別為961.433 MPa 和1 005.433 MPa。

（2）BFRP 筋在海中的浪濺區(qū)裸露半年后的伸強度變化較小。經(jīng)半年老化，試樣的強度提高了19%，而拉伸強度降低了5.8%。說明，海水半年時間內(nèi)的浸泡下并未引起B(yǎng)FRP 筋的拉伸性能明顯退化。

（3）BFRP 筋表面外觀在自來水中浸泡后無變化。試件外觀在模擬海水中浸泡后隨浸泡時間增加逐步劣化，在海水中浸泡180 d 后，BFRP 筋邊緣外層出現(xiàn)孔隙，筋材外表樹脂稀疏，纖維幾乎完全松散，纖維絲表面附著大量鹽類結(jié)晶物。

（4）根據(jù)BFRP 筋在海水環(huán)境下的退化機理建立并修正強度衰退模型，對直徑為6 和8 mm 的BFRP 筋（地質(zhì)聚合物砂漿包裹）在海水浸泡下拉伸性能時變規(guī)律進行模擬，結(jié)果表明直徑為6 mm 的BFRP 筋最終強度為695 MPa，而直徑為8 mm 的BFRP 筋最終強度為663 MPa。