惡劣環(huán)境條件下的FRP加固混凝土柱耐久性研究綜述

楊莉萍

（甘肅省建筑科學(xué)研究院（集團(tuán)）有限公司，甘肅 蘭州 730070）

近幾十年，混凝土已作為最主要的建筑材料，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)乃至世界各國(guó)成為了最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式。但處于自然環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)常暴露于惡劣的環(huán)境條件下，例如高溫、凍融、化學(xué)介質(zhì)腐蝕等，隨著時(shí)間的推移，混凝土結(jié)構(gòu)不可避免會(huì)遭受到不同程度的侵蝕。因此，混凝土結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)加固成為土木行業(yè)的一個(gè)重要問(wèn)題。近年來(lái)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Composite，F(xiàn)RP）因其優(yōu)異的性能被廣泛推廣，使其在土木工程各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用急劇增加，如既有建筑結(jié)構(gòu)的修復(fù)，立柱和橋墩的抗震加固，以及建造供車輛使用的橋梁和行人通道[1-3]。這種復(fù)合材料具有高模量和剛度、低密度（與傳統(tǒng)材料相比）、高耐腐蝕性和增強(qiáng)耐久性的特點(diǎn)。特別是FRP在混凝土柱約束中的短期效率已在幾項(xiàng)早期實(shí)驗(yàn)研究中得到證明[4-5]。

然而，現(xiàn)有對(duì)長(zhǎng)期暴露于環(huán)境因素下加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學(xué)行為進(jìn)行的研究尚不足。惡劣的環(huán)境條件，如直接暴露于室外、溫度變化、凍融循環(huán)，尤其是酸性或堿性侵蝕環(huán)境，都有可能影響FRP 加固的耐久性，并導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的機(jī)械性能大幅降低。全面了解FRP 約束混凝土的機(jī)理、特性對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)和研究過(guò)程至關(guān)重要。

1 FRP耐久性研究現(xiàn)狀

目前大多數(shù)應(yīng)用于工程中的FRP 分為FRP 片材和FRP 筋材兩類。兩類材料各有優(yōu)勢(shì)，比如FRP片材可以粘貼于結(jié)構(gòu)表面起到防護(hù)的作用，而FRP筋可以代替鋼筋應(yīng)用到結(jié)構(gòu)中，其優(yōu)異的抗拉、抗彎強(qiáng)度以及耐腐蝕等都會(huì)使結(jié)構(gòu)的服役期明顯加長(zhǎng)。下面就對(duì)這兩類FRP 在侵蝕環(huán)境中的耐久性進(jìn)行梳理與分析。

1.1 濕熱對(duì)FRP的影響

任慧韜等[6]通過(guò)試驗(yàn)分析了濕熱環(huán)境下FRP 的力學(xué)性能，研究表明，就力學(xué)性能而言，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）在濕熱環(huán)境中受到的影響，相比于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）在濕熱環(huán)境中受到的影響更加容易。

張彥紅等[7]采用25 個(gè)GFRP 試件進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的濕熱試驗(yàn)，對(duì)伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度及彈性模量等進(jìn)行了分析。研究表明，三者隨老化時(shí)間的增加，前期以接近拋物線的趨勢(shì)急劇下降，后期下降趨勢(shì)趨于平穩(wěn)。并建立了相應(yīng)的性能衰減模型，可以較好預(yù)測(cè)經(jīng)濕熱作用后的GFRP使用壽命。

楊勇新等[8]研究了隨濕熱老化時(shí)間的增長(zhǎng)，玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（BFRP）力學(xué)性能的變化規(guī)律，研究表明：BFRP 片材抗拉強(qiáng)度和延伸率隨作用時(shí)間的增長(zhǎng)均呈現(xiàn)先下降、后上升的趨勢(shì)，但對(duì)彈性模量影響較小。

但國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)大量試驗(yàn)和理論推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)濕熱環(huán)境一般不會(huì)對(duì)FRP的拉伸性能造成影響[9-10]。就此仍需進(jìn)行更深入的研究。

1.2 溫度對(duì)FRP的影響

高曉楠等[11]首先對(duì)未經(jīng)處理的BFRP 片材和CFRP 片材進(jìn)行高溫作用，后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。結(jié)果表明，高溫作用后BFRP 片材與CFRP 片材相比，前者的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量均遠(yuǎn)小于后者，而后者的伸長(zhǎng)率一般小于前者。后用環(huán)氧樹(shù)脂充分浸漬兩種片材，同樣進(jìn)行了高溫作用后的拉伸試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，經(jīng)高溫作用后，環(huán)氧樹(shù)脂的作用并不明顯。當(dāng)溫度超過(guò)200 ℃時(shí)，F(xiàn)RP 片材的拉伸強(qiáng)度及模量的下降趨勢(shì)隨高溫作用時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。咸貴軍等[12]對(duì)經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂浸漬單向BFRP 片材在高溫中及高溫作用后進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究同樣發(fā)現(xiàn)，BFRP 片材經(jīng)高溫作用后，其拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降。并用微觀試驗(yàn)分析了劣化機(jī)理，經(jīng)高溫作用后，BFRP 拉伸性能的下降主要是由于樹(shù)脂的降解與界面的脫粘導(dǎo)致的。

王曉璐等[13]通過(guò)拉伸試驗(yàn)研究了高溫下FRP筋材的力學(xué)性能，研究表明：隨溫度的升高極限強(qiáng)度逐漸降低；彈性模量在樹(shù)脂軟化前受溫度的影響較小，一旦樹(shù)脂完全軟化，GFRP 筋材的彈性模量隨溫度的升高迅速折減，接近線性變化。李趁趁等[14]也進(jìn)行了高溫后FRP 筋材的縱向拉伸性能的試驗(yàn)研究，并且還對(duì)比研究了GFRP筋和BFRP筋材經(jīng)高溫后的拉伸性能。結(jié)果表明：隨溫度的升高，F(xiàn)RP筋材抗拉強(qiáng)度和極限應(yīng)變逐漸下降；高溫作用對(duì)BFRP影響小于GFRP 筋。朱德舉等[15]的研究也得出了類似的結(jié)論。

蔡啟明等[16]研究了高溫作用后GFRP 筋材和BFRP 筋材的剪切性能，結(jié)果表明：隨溫度的升高FRP 筋材的剪切強(qiáng)度均逐漸降低，且GFRP 筋的退化速率明顯高于BFRP 筋。相同溫度作用后，直徑12 mm的FRP筋材剪切性能退化速率一般高于直徑16 mm 的筋材。但李光輝等[17]研究發(fā)現(xiàn)溫度較高時(shí)直徑對(duì)高溫后FRP筋材的力學(xué)性能影響較小。

1.3 其他因素對(duì)FRP的影響

沙吾列提等[18]為研究我國(guó)西北自然環(huán)境條件對(duì)CFRP 片材的影響，將其置于室外實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行老化試驗(yàn)，以期得到較為準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。研究表明，在自然老化2 年后，CFRP 片材的抗拉強(qiáng)度與彈性模量基本不變，而伸長(zhǎng)率略有下降。同樣楊勇新等[19]探討了華北地區(qū)自然環(huán)境條件對(duì)CFRP 片材的影響，也得到了類似的結(jié)論。

于愛(ài)民等[20]為了研究FRP片材在惡劣環(huán)境中的拉伸性能，分別進(jìn)行了室溫下、凍融和干濕循環(huán)作用后的拉伸試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，三種試驗(yàn)條件下，F(xiàn)RP 片材的應(yīng)力隨應(yīng)變的增加基本呈現(xiàn)直線上升；凍融循環(huán)后，CFRP 片材受到的影響小于GFRP片材，同時(shí)二者拉伸強(qiáng)度隨著凍融次數(shù)的增加而逐漸降低；此外GFRP 片材的拉伸性能受到干濕循環(huán)影響后沒(méi)有出現(xiàn)明顯的改變。王海良等[21]為了研究環(huán)境類型對(duì)BFRP 力學(xué)性能的影響，在酸溶液、凍融循環(huán)及其耦合作用下進(jìn)行了3 種不同直徑的BFRP筋材耐久性試驗(yàn)，結(jié)果表明：相同直徑下耦合作用對(duì)BFRP 筋材抗拉強(qiáng)度的降低明顯高于單一因素作用；不論單一還是耦合因素下，較小的試件其抗拉強(qiáng)度降低均明顯高于其他兩者。

2 FRP-混凝土柱研究現(xiàn)狀

2.1 干濕循環(huán)的影響

李趁趁等[22]對(duì)混凝土圓柱分別采用CFRP 和GFRP 全裹粘貼加固與條帶間隔粘貼加固，并在鹽溶液干濕循環(huán)作用后進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)，結(jié)果表明，經(jīng)侵蝕后，F(xiàn)RP加固混凝土圓柱的強(qiáng)度和延性均出現(xiàn)不同程度的降低，CFRP加固柱與GFRP加固柱相比而言，前者耐侵蝕性能較好，并且全裹粘貼方式優(yōu)于條帶間隔粘貼方式。張玲玲等[23]為了解海洋環(huán)境下CFRP 加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，也進(jìn)行了相同的試驗(yàn)，得到了相似的試驗(yàn)結(jié)果。

2.2 凍融循環(huán)的影響

李趁趁等[24]為了研究CFRP 和GFRP 條帶約束混凝土圓柱在凍融作用后的軸壓性能，進(jìn)行了軸心抗壓試驗(yàn)，研究表明，凍融作用后與常溫條件下同類型試件相比，使FRP 條帶約束混凝土圓柱的強(qiáng)度、剛度和延性均出現(xiàn)了不同程度的降低，且降低程度隨著凍融次數(shù)的增加而增加。

郝偉等[25]通過(guò)對(duì)芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（AFRP）約束混凝土進(jìn)行快速凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究了其在該環(huán)境下的軸心受壓力學(xué)性能，結(jié)果表明：混凝土在AFRP 約束后其抗壓性能得到了顯著的提高，且隨著粘貼層數(shù)的增多，軸心受壓強(qiáng)度也逐漸提高。

2.3 溫度的影響

徐明等[26]通過(guò)軸壓試驗(yàn)研究了CFRP 約束混凝土在經(jīng)歷不同溫度后的力學(xué)性能，結(jié)果表明，核心混凝土受到CFRP 的約束后，其抗壓強(qiáng)度會(huì)隨試件溫度的升高而逐漸增大。而薛晉等[27]研究了經(jīng)高溫作用后對(duì)BFRP 約束混凝土柱承載力的影響，結(jié)果表明，隨著爐內(nèi)溫度的增加，試件的破壞模式由BFRP 的拉斷破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)氧樹(shù)脂與混凝土的粘結(jié)破壞，其承載力隨溫度的升高而逐漸降低。

2.4 化學(xué)介質(zhì)的影響

張大偉等[28]在硫酸鹽浸泡作用下對(duì)CFRP 約束混凝土試件和非約束試件進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)分析，在浸泡后進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)，結(jié)果表明，CFRP 的約束可以有效提高試件的承載能力，在硫酸鹽環(huán)境下，CFRP約束可以改善混凝土的抗腐蝕能力。

于峰等[29]分析研究了堿環(huán)境作用對(duì)PVC-CFRP管混凝土柱力學(xué)性能的影響，研究表明：就試件破壞形態(tài)而言，堿環(huán)境與普通環(huán)境下的較相似，但前者破壞過(guò)程較短，試件的承載力和變形也有不同程度的降低。

張家瑋等[30]采用CFRP 片材分別對(duì)普通混凝土柱與硫酸鹽侵蝕劣化混凝土柱進(jìn)行加固，后通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)對(duì)二者進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，二者的極限承載力、應(yīng)力應(yīng)變等均隨侵蝕時(shí)間的增加而降低，但約束劣化混凝土柱的降低速率明顯大于約束普通混凝土柱。表明CFRP 片材并不能有效阻止腐蝕離子的侵入；預(yù)劣化程度越高，CFRP 約束劣化混凝土的強(qiáng)度和極限承載力就越低。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分類和分析了過(guò)去近二十年來(lái)進(jìn)行的大量關(guān)于FRP 片材以及FRP 筋約束混凝土在惡劣條件下的試驗(yàn)研究。目的是提供在類似條件下進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)具有一定的理論基礎(chǔ)，以獲得有關(guān)不利環(huán)境因素對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性影響的更可靠論據(jù)，研究分析結(jié)論如下：

（1）研究表明：FRP片材和FRP筋材在遭受惡劣環(huán)境侵蝕時(shí)，具有較高的耐久性，其抗拉強(qiáng)度和延性在經(jīng)歷濕熱、高溫、自然老化等環(huán)境條件后出現(xiàn)了不同程度的下降，但就下降程度來(lái)說(shuō)，基本不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性造成太大影響；彈性模量基本沒(méi)有改變；就種類而言，CFRP 片材性能優(yōu)于其他纖維片材。

（2）FRP包裹后可以有效阻止有害離子的侵入，用FRP 加固后混凝土柱的力學(xué)性能與未加固相比得到了顯著的提高。

干濕循環(huán)的影響下，CFRP 加固柱比GFRP 加固柱耐干濕循環(huán)性能好，并且全裹粘貼方式優(yōu)于條帶間隔粘貼方式。

在凍融環(huán)境影響下，混凝土柱在AFRP 約束后其抗壓性能得到了顯著的提高，且隨著粘貼層數(shù)的增多，軸心受壓強(qiáng)度也逐漸提高。

在溫度環(huán)境影響下，核心混凝土受到CFRP 的約束后，其抗壓強(qiáng)度會(huì)隨試件溫度的升高而逐漸增大。

在硫酸鹽等化學(xué)介質(zhì)環(huán)境影響下，CFRP 的約束可以有效提高試件的承載能力，改善混凝土的抗腐蝕能力。