海洋環(huán)境下碳-玻璃纖維混雜筋吸濕行為和層間剪切性能研究

潘云鋒 施佳君 俞一洵 咸貴軍

(1.浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院, 杭州 310018; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 哈爾濱 150090)

0 引 言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用海水海砂制備或暴露在氯鹽環(huán)境(近海地區(qū)、海洋環(huán)境等)中,由于氯離子滲透引起鋼筋銹蝕,導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)過(guò)早面臨耐久性問(wèn)題。采用纖維筋替代鋼筋增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu),可以避免鋼筋銹蝕問(wèn)題,大幅提升結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境(如海水浸泡、鹽霧、濕熱環(huán)境等)下的使用壽命[1-3]?？紤]到耐腐蝕性能和價(jià)格等因素,玻璃纖維筋(GFRP筋)廣泛應(yīng)用于海工結(jié)構(gòu)中。通?；炷量兹芤簽閴A性,pH值為12.4～13.7[4],孔溶液中OH-離子侵蝕玻璃纖維和環(huán)氧樹脂基體,導(dǎo)致GFPR筋力學(xué)性能劣化[5-6]。因此,有必要開展GFRP筋在惡劣環(huán)境(如水、堿、鹽環(huán)境等)下的耐腐蝕性能提升技術(shù),延長(zhǎng)GFRP筋增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命。

隨著老化時(shí)間增加、老化溫度升高、pH值增大,GFRP筋力學(xué)性能退化[7]。在堿溶液(pH=12.7)下老化30 d和120 d,GFRP筋拉伸強(qiáng)度分別下降了2%和10%[8]。隨著老化溫度升高,GFRP筋拉伸強(qiáng)度進(jìn)一步退化。堿溶液浸泡120 d后,60 ℃下GFRP筋拉伸強(qiáng)度比20 ℃下降了32%[9]。隨著堿溶液pH值增大,GFRP筋力學(xué)性能進(jìn)一步退化。在55 ℃堿溶液pH=13.6和pH=12.7下老化63 d,GFRP筋層間剪切強(qiáng)度分別退化了42%和14%[10]。

GFRP筋力學(xué)性能劣化主要來(lái)源樹脂基體水解、玻璃纖維刻蝕和纖維-樹脂界面脫黏[11]。纖維-樹脂界面作用在于保證纖維和樹脂通過(guò)界面?zhèn)鬟f應(yīng)力,使得纖維和樹脂協(xié)同受力,界面黏結(jié)的好壞對(duì)GFRP筋短/長(zhǎng)期力學(xué)性能起著重要作用[12]。GFRP筋內(nèi)樹脂基體吸濕膨脹,形成濕應(yīng)力,一旦濕應(yīng)力超過(guò)纖維-樹脂基體界面黏結(jié)強(qiáng)度,形成微裂紋,加速水分子、OH-離子遷移到GFRP筋內(nèi)部[9, 13]。遷入的自由OH-離子與玻璃纖維反應(yīng),打斷玻璃纖維的-Si-O-Si-主鏈,刻蝕玻璃纖維,促使裂縫進(jìn)一步萌生、擴(kuò)展,導(dǎo)致GFRP筋力學(xué)性能下降[4]。

相比玻璃纖維,碳纖維具有更高耐腐蝕性能[14],但其價(jià)格昂貴,較難制備成土木工程用筋材在混凝土結(jié)構(gòu)中廣泛推廣應(yīng)用。在GFRP筋外表面包裹高耐腐蝕的薄碳纖維層,制備碳-玻璃纖維混雜(HFRP)筋,阻隔玻璃纖維與OH-接觸,解決玻璃纖維被OH-刻蝕問(wèn)題,減緩GFRP筋力學(xué)性能劣化速率[15],實(shí)現(xiàn)海工結(jié)構(gòu)用FRP筋低成本和高耐久性能的平衡。

水分子、有害離子由FRP筋表面向內(nèi)部遷移,同時(shí)伴隨著FRP筋由表及里梯度劣化[16]。碳纖維材料(CFRP)和GFRP材料的吸濕行為差異較大[17]。相似纖維體積含量下,CFRP材料的擴(kuò)散系數(shù)比GFRP材料高出50%[18]。碳纖維-樹脂和玻璃纖維-樹脂界面厚度分別為約100 nm和100～300 nm,纖維-樹脂界面飽和吸濕率、擴(kuò)散系數(shù)均大于樹脂基體[19]。碳纖維外層和玻璃纖維芯層復(fù)合后,其玻璃纖維、碳纖維交接界面纖維分布密集,水分子擴(kuò)散路徑復(fù)雜,且極易應(yīng)力集中[20]。因此,水分子在HFRP筋內(nèi)遷移和分布行為,與玻璃纖維芯層和碳纖維外層的吸濕行為均有關(guān),由于兩者纖維直徑、纖維-樹脂界面屬性差異較大,有必要研究HFRP筋的吸濕行為,及其對(duì)HFRP筋力學(xué)性能的影響。

強(qiáng)堿溶液(模擬普通混凝土孔溶液)下HFRP筋力學(xué)性能演化規(guī)律的研究結(jié)果表明,碳纖維外包裹GFRP筋能夠有效提升其耐堿性能,在21,40,60 ℃強(qiáng)堿溶液下老化140 d后,其層間剪切強(qiáng)度保留率分別比同等侵蝕條件下GFRP筋提高了7%、69%和38%[15]。實(shí)際海洋環(huán)境下,海工混凝土內(nèi)GFRP筋不僅面臨混凝土堿性離子的侵蝕,同時(shí)還面臨著水分子、氯離子與OH-耦合作用等因素影響。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于HFRP筋在水分子、OH-離子、氯離子及其耦合環(huán)境對(duì)HFRP筋長(zhǎng)期力學(xué)性能影響及其劣化機(jī)制研究較少。

鑒于此,通過(guò)研究水,強(qiáng)、弱堿和鹽堿溶液下GFRP和 HFRP裸筋的吸濕行為和長(zhǎng)期力學(xué)性能,并與水、模擬海水環(huán)境下砂漿包裹GFRP、HFRP筋層間剪切強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析,揭示水分子、氯離子、OH-離子、砂漿包裹等對(duì)GFRP和HFRP筋力學(xué)性能劣化的影響機(jī)理。基于Arrhenius理論,開展強(qiáng)堿、鹽堿溶液下GFRP和HFRP裸筋的長(zhǎng)期服役壽命預(yù)測(cè)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

GFRP筋和HFRP筋由哈爾濱工業(yè)大學(xué)FRP復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì),并由哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司生產(chǎn),名義直徑均為8 mm,如圖1a所示。樹脂基體采用雙酚A型環(huán)氧樹脂(E-51)及其固化劑甲基六氫鄰苯二甲酸酐(MeHHPA),FRP筋所用拉擠機(jī)固化區(qū)溫度為180 ℃,纖維拉伸速率為40 cm/min,FRP筋參數(shù)如表1所示。HFRP筋制備過(guò)程如圖1b所示。HFRP筋芯層GFRP半徑約為3.3 mm,皮層CFRP厚度約為0.7 mm。

a—GFRP筋和HFRP筋; b—HFRP筋制備過(guò)程。圖1 GFRP筋和HFRP筋[15]Fig.1 GFRP and HFRP bars

表1 FRP筋材料參數(shù)Table 1 Parameters of FRP bars

利用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀(DMA),測(cè)試GFRP筋和HFRP筋玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,所用DMA設(shè)備為美國(guó)TA公司生產(chǎn),型號(hào)為Q800。利用精密切割儀切割FRP筋試樣尺寸約為17.5 mm×8.5 mm×2 mm。采用單懸臂梁夾具進(jìn)行測(cè)試,采樣頻率為1 Hz,損耗因子峰值所對(duì)應(yīng)的溫度定義為Tg。GFRP筋和HFRP筋的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分別為165,159 ℃。

1.2 試驗(yàn)環(huán)境

采用加速老化試驗(yàn)方法,分別模擬濕熱環(huán)境、混凝土內(nèi)環(huán)境、海洋環(huán)境下FRP筋的服役工況,所設(shè)計(jì)的加速老化試驗(yàn)環(huán)境和筋材處理如表2所示。配制的強(qiáng)堿溶液、弱堿溶液和鹽堿溶液化學(xué)成分如表3所示[10]。Arrhenious理論表明升高溫度可加速FRP筋劣化,老化溫度分別采用室內(nèi)常溫、40 ℃和60 ℃。經(jīng)檢測(cè),試驗(yàn)期間室內(nèi)平均溫度為21 ℃。

表2 加速老化試驗(yàn)的6種模擬環(huán)境Table 2 Accelerated six simulatedenvironments for aging test

表3 堿溶液和鹽堿溶液的化學(xué)成分Table 3 Chemical compositions of alkali solutionand saline-alkali solution

圖2為砂漿包裹FRP筋試樣的照片和幾何尺寸。采用外徑63 mmPVC管,FRP筋居中放置,倒入砂漿振搗密實(shí)。24 h后拆除PVC管,試件在常溫常濕環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28 d后,放入蒸餾水和模擬海水中開展耐久性試驗(yàn)。

a—砂漿包裹FRP筋實(shí)物圖;b—砂漿包裹FRP試樣的幾何尺寸,mm。圖2 砂漿包裹FRP筋實(shí)物圖和幾何尺寸Fig.2 The picture of mortar wrapped-embedded FRPbars and the schematic diagram of sizes

1.3 FRP筋吸濕試驗(yàn)

為研究不同侵蝕環(huán)境對(duì)FRP筋吸濕行為的影響,采用長(zhǎng)度為50 mm的 FRP筋試樣進(jìn)行吸濕測(cè)試。采用電子天平(精度為± 0.01 mg)測(cè)試FRP筋質(zhì)量,每組試樣有10個(gè),試驗(yàn)結(jié)果取平均值。初始質(zhì)量記為M0,各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)ti對(duì)應(yīng)的質(zhì)量記為Mi,則對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)ti的FRP筋質(zhì)量變化率可按下式計(jì)算[21]:

(1)

式中:wt為質(zhì)量吸濕率,%;M0為試樣的初始質(zhì)量,g;Mi為ti時(shí)刻的試樣質(zhì)量,g。

1.4 短梁剪切試驗(yàn)

采用短梁剪切試驗(yàn)方法測(cè)試FRP筋層間剪切強(qiáng)度,表征纖維-樹脂的界面性能[22]。圖3為短梁剪切測(cè)試照片?？紤]工程實(shí)際應(yīng)用中,由于FRP筋長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于直徑,試驗(yàn)僅考慮水分子沿著垂直纖維方向擴(kuò)散。但沿著纖維方向水分子擴(kuò)散速率遠(yuǎn)大于垂直于纖維方向,因此,在老化試驗(yàn)前采用結(jié)構(gòu)膠封閉FRP筋端部,阻止水分子沿著纖維方向擴(kuò)散。ASTM D4475標(biāo)準(zhǔn)推薦跨徑比為1/3～1/6[22]。采用徑跨比為1/4,FRP筋名義直徑為8 mm,其支座之間凈跨設(shè)定為32 mm。

短梁剪切試驗(yàn)采用MTS-CMT4304電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。根據(jù)ASTM D4475標(biāo)準(zhǔn)要求,試驗(yàn)加載速率選定為1.3 mm/min。每一測(cè)試點(diǎn)至少4根有效FRP筋試樣,結(jié)果取平均值。

圖3 短梁剪切測(cè)試Fig.3 Short-beam shear test

根據(jù)ASTM D4475標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[22],FRP筋層間剪切強(qiáng)度通過(guò)式(2)計(jì)算:

τmax=0.849Pmax/D2

(2)

式中:τmax為FRP筋的最大層間剪切應(yīng)力,即為FRP筋層間剪切強(qiáng)度,MPa;D為FRP筋直徑,mm;Pmax為最大承載力,kN。

2 結(jié)果與討論

2.1 破壞模式

圖4為老化前后GFRP和HFRP裸筋的層間剪切破壞模式。由圖4a和圖4b可知,未老化GFRP和HFRP裸筋短梁剪切破壞是沿著纖維長(zhǎng)度方向開裂,直至層間承載力完全喪失。由圖4c、4d、4g、4h可知,水、弱堿溶液下,GFRP和HFRP裸筋層間剪切破壞模式與未老化試樣相似,裂縫沿著纖維方向擴(kuò)展,引起層間剪切承載力失效破壞。由此可知,水、弱堿溶液對(duì)GFRP和HFRP裸筋破壞模式影響較小。由圖4e、4f、4i、4j可知,在強(qiáng)堿、鹽堿溶液下,老化后GFRP裸筋表面大量樹脂水解,纖維裸露。鹽堿溶液下GFRP裸筋端部破壞比強(qiáng)堿溶液下的更嚴(yán)重。通過(guò)肉眼可分辨,在強(qiáng)堿、鹽堿溶液下HFRP裸筋表層樹脂水解程度小于GFRP裸筋,且HFRP裸筋破壞模式仍為層間剪切破壞?？梢?強(qiáng)堿、鹽堿溶液下HFRP裸筋比GFRP裸筋劣化小,碳纖維外層為芯層GFRP筋提供了保護(hù)作用,延緩芯層GFRP筋劣化速率。

a—未老化GFRP筋; b—未老化HFRP筋; c—水溶液下GFRP筋;d—水溶液下HFRP筋; e—強(qiáng)堿溶液下GFRP筋; f—強(qiáng)堿溶液下HFRP筋; g—弱堿溶液下GFRP筋; h—弱堿溶液下HFRP筋;i—鹽堿溶液下GFRP筋; j—鹽堿溶液下HFRP筋。圖4 GFRP裸筋和HFRP裸筋層間剪切破壞模式Fig.4 Interlayer shear failure modes of GFRP and HFRP bars after test

a—水溶液下普通砂漿包裹GFRP筋; b—水溶液下普通砂漿包裹HFRP筋; c—模擬海水溶液下普通砂漿包裹GFRP筋;d—模擬海水溶液下普通砂漿包裹HFRP筋; e—模擬海水溶液下海水砂漿包裹GFRP筋; f—模擬海水溶液下海水砂漿包裹HFRP筋。圖5 砂漿包裹GFRP筋和HFRP筋層間剪切破壞模式Fig.5 Interlayer shear failure modes of mortarwrapped GFRP and HFRP bars

圖5為老化前后砂漿包裹GFRP筋和HFRP筋層間剪切破壞模式。所有試樣的裂縫均沿著纖維長(zhǎng)度方向擴(kuò)展,層間剪切破壞,繼續(xù)施加荷載導(dǎo)致受拉一側(cè)FRP筋纖維拉斷。老化后砂漿包裹GFRP筋和HFRP筋表面形貌與水、弱堿溶液下FRP裸筋相似,表面保持完整,且在水、模擬海水溶液下砂漿包裹GFRP筋和HFRP筋破壞模式,與水、弱堿溶液直接浸泡環(huán)境下FRP裸筋一致。

2.2 FRP筋吸濕行為

圖6為GFRP和HFRP裸筋吸濕率隨時(shí)間變化情況。隨著老化時(shí)間增加,GFRP和HFRP裸筋吸濕率增加。浸泡110 d后GFRP和HFRP裸筋吸濕率如表4所示。

a—水溶液;b—強(qiáng)堿溶液;c—弱堿溶液;d—鹽堿溶液。試樣名稱中G代表GFRP筋;H代表HFRP筋;W代表水溶液;NC代表強(qiáng)堿溶液;HC代表弱堿溶液;SS代表鹽堿溶液;T21、T40和T60分別代表21 ℃、40 ℃和60 ℃。圖6 GFRP和HFRP裸筋吸濕率與老化時(shí)間關(guān)系Fig.6 The relationship between moisture absorption andimmersion time for GFRP and HFRP bars

由表4可知,GFRP裸筋吸濕率從大到小依次為鹽堿溶液、強(qiáng)堿溶液、水、弱堿溶液,且隨著溫度升高,GFRP裸筋吸濕率增加。水、弱堿溶液下GFRP裸筋吸濕率差別較小,吸濕率增加主要因?yàn)闃渲鼭?吸濕量決定于GFRP裸筋樹脂基體含量。相比水溶液下,21,40,60 ℃強(qiáng)堿溶液下GFRP裸筋吸濕率分別增加了2.5倍、10.6倍和5.5倍,而21,40,60 ℃鹽堿溶液下GFRP裸筋吸濕率分別增加了5.0倍、15.7倍和10.3倍。這是因?yàn)樵趶?qiáng)堿、鹽堿溶液下GFRP裸筋樹脂基體吸濕膨脹,同時(shí)樹脂、玻璃纖維與OH-反應(yīng),導(dǎo)致樹脂水解、微裂紋擴(kuò)展,溶液進(jìn)入GFRP筋孔隙、裂紋,使得GFRP裸筋質(zhì)量增加。

HFRP裸筋吸濕率從大到小依次為鹽堿溶液、強(qiáng)堿溶液、水、弱堿溶液,HFRP裸筋吸濕率趨勢(shì)與GFRP裸筋相同。與GFRP裸筋吸濕率比較可知,在水、弱堿溶液下HFRP裸筋吸濕率大于相應(yīng)溫度下GFRP裸筋,這是因?yàn)樘祭w維層擴(kuò)散系數(shù)大于芯層GFRP筋,同時(shí)碳纖維層與芯層GFRP筋之間存在界面層,導(dǎo)致吸濕率增加。但在強(qiáng)堿、鹽堿溶液下HFRP裸筋吸濕率小于GFRP裸筋,因?yàn)樘祭w維層阻隔玻璃纖維與OH-反應(yīng),減緩了HFRP裸筋內(nèi)部微裂縫形成速率,從而減少了溶液遷移路徑,宏觀上表現(xiàn)為HFRP裸筋的吸濕率小于GFRP裸筋。

表4 110 d老化后GFRP筋和HFRP筋吸濕率Table 4 Moisture absorption of GFRP andHFRP bars after 110 days %

2.3 FRP筋層間剪切強(qiáng)度

不同浸泡環(huán)境下FRP裸筋的層間剪切強(qiáng)度如表5所示。對(duì)比分析水(圖7a和圖7b)和弱堿溶液(圖7e和圖7f)下浸泡溫度、浸泡時(shí)間對(duì)GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度的影響,得出以下三點(diǎn)規(guī)律:1)在21,40 ℃水溶液下老化140 d,GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度提高。隨著老化溫度升高到60 ℃,GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度均退化,HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度退化比GFRP裸筋更嚴(yán)重。2)在21,40 ℃弱堿溶液下老化140 d,GFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度分別提升4%和9%,而21℃下HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度提升了8%,40 ℃下HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度下降了2%。老化溫度升高到60 ℃,GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度均退化,且HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度退化比GFRP裸筋更嚴(yán)重。3)水、弱堿溶液下,GFRP裸筋和HFRP裸筋主要受到吸濕塑化和樹脂基體后固化控制,隨著老化溫度升高,吸濕塑化起到控制作用,導(dǎo)致GFRP和HFRP裸筋層間剪切性能退化,且碳纖維外包裹GFRP筋后,HFRP裸筋加速吸濕,加劇HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度劣化。

對(duì)比分析強(qiáng)堿(圖7c和圖7d)和鹽堿溶液(圖7g和圖7h)下浸泡溫度、浸泡時(shí)間對(duì)GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度的影響,得出以下三點(diǎn)規(guī)律:1)在強(qiáng)堿溶液下,隨著老化時(shí)間、溫度增加,GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度下降。在21,40,SW表示模擬海水溶液;D0、D70、D100、D140和D189分別代表未老化、老化70 d、100 d、140 d和189 d;ENC代表普通砂漿包裹;ESSC代表模擬海水砂漿包裹。

表5 FRP筋層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 Test results of interlaminar shear strength of FRP bars

a—水溶液環(huán)境下GFRP筋; b—水溶液環(huán)境下HFRP筋;c—強(qiáng)堿溶液下GFRP筋; d—強(qiáng)堿溶液下HFRP筋; e—弱堿溶液下GFRP筋;f—弱堿溶液下HFRP筋; g—鹽堿溶液下GFRP筋; h—鹽堿溶液下HFRP筋; i—砂漿包裹GFRP筋; j—砂漿包裹HFRP筋。圖7 浸泡環(huán)境對(duì)GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度影響Fig.7 Effects of immersion conditions on the interlaminar shear strength of GFRP and HFRP bars

60 ℃下老化100 d,GFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度分別下降了1%、31%和47%,而HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度分別下降了0%、3%和23%。2)21,40,60 ℃鹽堿溶液下老化140 d后,GFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度分別下降了16%、68%和74%;HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度分別下降了0%、22%和39%。3)相比GFRP裸筋,在21,40,60 ℃ 強(qiáng)堿溶液下HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度保留率分別提升了1%、41%和45%,而在21,40,60 ℃鹽堿溶液下HFRP筋層間剪切強(qiáng)度保留率分別提升了19%、144%和135%。可見,強(qiáng)堿和鹽堿溶液下,碳纖維層起到保護(hù)芯層GFRP筋的作用,延緩芯層GFRP筋劣化速率,且鹽堿溶液下碳纖維層對(duì)芯層GFRP筋保護(hù)效率比強(qiáng)堿溶液下更高。

圖7i和圖7j為水、模擬海水溶液下砂漿包裹GFRP筋和HFRP筋層間剪切強(qiáng)度變化。水溶液下老化189 d,普通砂漿包裹GFRP筋和HFRP筋的層間剪切強(qiáng)度分別下降了0%和5%;模擬海水溶液下老化189 d,普通砂漿包裹GFRP筋和HFRP筋層間剪切強(qiáng)度分別下降了0%和16%,而模擬海水溶液下老化189 d,海水砂漿包裹GFRP筋和HFRP筋的層間剪切強(qiáng)度分別下降了4%和6%。水、模擬海水溶液下,砂漿包裹HFRP筋劣化速率均大于砂漿包裹GFRP筋,且氯離子、OH-耦合效應(yīng)對(duì)FRP筋性能影響不明顯?？梢?砂漿包裹下FRP筋劣化主要是由于FRP筋吸濕引起,相關(guān)趨勢(shì)與水、弱堿環(huán)境下FRP筋層間剪切強(qiáng)度退化趨勢(shì)相似。

圖8為GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度保留率比較。在21 ℃老化140 d后,水溶液、弱堿溶液、強(qiáng)堿溶液和鹽堿溶液使得GFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度分別下降了-10%、3%、-4%和16%,HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度分別下降了0%、-4%、-8%和2%。隨著老化溫度升高,GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度退化。60 ℃下老化140 d后,水溶液、弱堿溶液、強(qiáng)堿溶液和鹽堿溶液導(dǎo)致GFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度分別下降了3%、57%、5%和74%,導(dǎo)致HFRP裸筋的層間剪切強(qiáng)度分別下降了8%、32%、8%和39%。由此可知,鹽堿溶液下GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度退化最嚴(yán)重,且GFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度比HFRP裸筋退化更嚴(yán)重。對(duì)GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度影響從大到小依次為鹽堿溶液、強(qiáng)堿溶液、弱堿溶液、水溶液,相比GFRP裸筋,60 ℃下HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度保留率分別提升了134%、58%、-3%和-5%。試驗(yàn)研究表明,老化環(huán)境越惡劣(強(qiáng)堿、強(qiáng)堿鹽環(huán)境),碳纖維層保護(hù)芯層GFRP筋的效率越高。

a—21 ℃; b—40 ℃; c—60 ℃。圖8 GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度保留率比較Fig.8 Comparisons of retention ratio of interlayer shearstrength of GFRP and HFRP bars

2.4 FRP筋長(zhǎng)期壽命預(yù)測(cè)

基于Arrhenius理論,采用實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)GFRP和HFRP裸筋長(zhǎng)期層間剪切強(qiáng)度。Arrhenius理論假設(shè)隨著加速老化溫度升高,FRP筋層間剪切強(qiáng)度下降,且控制其劣化的機(jī)理不變[23-24]。研究表明:隨著老化溫度升高,強(qiáng)堿、鹽堿溶液下GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度減小,且控制GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度劣化機(jī)理不變。由于試驗(yàn)周期相對(duì)較短,FRP筋在水溶液、弱堿溶液下剪切強(qiáng)度變化較小,僅對(duì)強(qiáng)堿溶液和鹽堿溶液下FRP筋層間剪切強(qiáng)度進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。描述FRP筋力學(xué)性能的劣化速率見式(3)[24]:

k=Bexp(-Eam/R1T)

(3)

式中:k為FRP筋力學(xué)性能劣化速率,1/d;B為關(guān)于材料及其劣化過(guò)程的參數(shù);Eam為FRP筋劣化的活化能,J/mol;T為環(huán)境溫度,K。

對(duì)式(3)等號(hào)兩邊取對(duì)數(shù),可轉(zhuǎn)換為:

(4)

已有研究證明,在老化初始階段FRP筋力學(xué)性能退化較快,隨著老化時(shí)間增加最終趨于平穩(wěn)[10,25]。采用式(5)來(lái)描述隨著老化時(shí)間增加,FRP筋力學(xué)性能退化的規(guī)律[25]:

Y=100exp(-t/τ)

(5)

式中:Y為FRP筋力學(xué)性能保留率,%;t為老化時(shí)間,d;τ為試驗(yàn)結(jié)果的擬合參數(shù)。

基于Arrhenius理論,通過(guò)式(3)計(jì)算在不同老化溫度(如T1和T0)下退化至相同保留率時(shí)所需的老化時(shí)間t1和t0,將t0與t1的比值定義為時(shí)移因子(TSF)。根據(jù)定義,分別將T1和T0代入式(3),則時(shí)移因子TTSF可表達(dá)為:

(6)

具體的預(yù)測(cè)過(guò)程為:采用式(5)對(duì)強(qiáng)堿、鹽堿溶液下GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度演化規(guī)律進(jìn)行擬合,獲得擬合參數(shù)τ列于表6。圖9為強(qiáng)堿、鹽堿溶液下GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果和擬合結(jié)果。將表6的τ代入式(5),計(jì)算21,40,60 ℃下GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度保留率分別退化到60%、70%、80%和90%時(shí)所需的時(shí)間。采用式(4)對(duì)所得到的4組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,擬合曲線如圖10所示,回歸參數(shù)列于表7。由表7可知:擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度較高,表明選取的式(5)與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的吻合度。隨著老化溫度升高,τ減小,FRP筋層間剪切強(qiáng)度減小。

表6 GFRP和HFRP裸筋在不同環(huán)境和溫度下擬合參數(shù)Table 6 Detailed parameters of GFRP and HFRP barswith various environments and temperatures

通過(guò)式(6)預(yù)測(cè)給定環(huán)境溫度(T1)與加速老化溫度(T0)之間的時(shí)移因子TTSF。T1分別采用4,17,21 ℃三種環(huán)境溫度,通過(guò)式(6)計(jì)算所得時(shí)移因子列于表8。Val-Alain橋位于加拿大,至今已服役11 a,其服役環(huán)境平均氣溫為4 ℃[25]。試驗(yàn)在杭州市開展,通過(guò)查詢中國(guó)氣象局監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),得到2020年杭州市平均氣溫為17 ℃。考慮砂漿包裹FRP筋耐久性試驗(yàn)的平均氣溫為21 ℃。將圖7強(qiáng)堿、鹽堿溶液下GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度演化曲線與相應(yīng)給定環(huán)境溫度的時(shí)移因子TTSF疊加,即可獲得21,17,4 ℃下GFRP和HFRP裸筋長(zhǎng)期層間剪切強(qiáng)度。

a—強(qiáng)堿溶液; b—鹽堿溶液。圖9 擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparisons of fitting and test results

a—強(qiáng)堿溶液下GFRP筋; b—強(qiáng)堿溶液下HFRP筋;c—鹽堿溶液下GFRP筋; d—鹽堿溶液下HFRP筋。圖10 GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度長(zhǎng)期壽命的Arrhenius理論擬合曲線Fig.10 Fitting curve of the long-term interlaminar shearstrength of GFRP and HFRP bars by Arrhenius theory

表7 通過(guò)公式4擬合獲得的參數(shù)Table 7 Parameters fitted by Eq. 4

FRP筋通常用于混凝土配筋,FRP筋真實(shí)的服役環(huán)境是被混凝土包裹的。圖11為強(qiáng)堿、鹽堿溶液下GFRP和HFRP裸筋長(zhǎng)期層間剪切強(qiáng)度與砂漿包裹FRP筋的層間剪切強(qiáng)度比較。通過(guò)圖7與表8中21 ℃下的TTSF相疊加,獲得加速老化環(huán)境下裸筋層間剪切強(qiáng)度預(yù)測(cè)值,如圖11所示。采用式(5)擬合后的參數(shù)列于表9。圖11a為強(qiáng)堿溶液下FRP筋和水溶液下普通砂漿包裹FRP筋層間剪切強(qiáng)度比較。由圖11可知:采用強(qiáng)堿溶液下GFRP和HFRP裸筋較好預(yù)測(cè)水溶液下普通砂漿包裹FRP筋,表明砂漿包裹層釋放的OH-離子濃度與模擬普通混凝土孔溶液的強(qiáng)堿溶液相似。圖11b和圖11c分別為強(qiáng)堿、鹽堿溶液下GFRP和HFRP裸筋預(yù)測(cè)結(jié)果與模擬海水溶液下普通砂漿包裹FPR筋的層間剪切結(jié)果。強(qiáng)堿、鹽堿溶液下GFRP裸筋能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)模擬海水溶液下普通砂漿包裹GFRP筋的層間剪切性能。

表8 給定環(huán)境溫度下的時(shí)移因子Table 8 Time-shift factors at the given temperature

a—水溶液下普通砂漿包裹FRP筋與強(qiáng)堿溶液下FRP裸筋;b—模擬海水溶液下普通砂漿包裹HFRP筋與強(qiáng)堿、鹽堿溶液下HFRP裸筋; c—模擬海水溶液下普通砂漿包裹GFRP筋與強(qiáng)堿、鹽堿溶液下GFRP裸筋。圖11 強(qiáng)堿、鹽堿溶液下FRP裸筋與砂漿包裹FRP筋的層間剪切強(qiáng)度預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.11 The prediction results of interlaminar shear strength ofFRP bars wrapped mortar and FRP bars in strong alkaline solutionwith pH 13.4 and salt and alkali mixture

表9 給定環(huán)境溫度下FRP筋層間剪切強(qiáng)度演化的回歸系數(shù)Table 9 Regression coefficients of interlaminar shearstrength of FRP bars at the given temperature

圖12為強(qiáng)堿、鹽堿溶液下GFRP和HFRP裸筋在17 ℃和4 ℃下的層間剪切強(qiáng)度演化規(guī)律。由圖12可知:相比強(qiáng)堿溶液,鹽堿溶液下GFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度退化更嚴(yán)重。采用碳纖維外包裹GFRP筋后,HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度顯著提升。工程實(shí)際應(yīng)用中,考慮環(huán)境因素對(duì)FRP材料性能的影響,ACI 440推薦暴露在環(huán)境中的GFRP筋折減系數(shù)為0.7[26]。層間剪切強(qiáng)度保留率70%所對(duì)應(yīng)的服役時(shí)間如表10所示。采用HFRP筋替代GFRP筋,在4 ℃強(qiáng)堿、鹽堿溶液下,HFRP筋的服役壽命分別提升了28%和12倍;在17 ℃強(qiáng)堿、鹽堿溶液下,HFRP筋的服役壽命分別提升了84%和7倍。

a—17 ℃(杭州); b—4 ℃(加拿大Val-Alain橋)。圖12 17 ℃和4 ℃環(huán)境下GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度的長(zhǎng)期壽命預(yù)測(cè)Fig.12 The long-term life prediction of interlaminar shear strengthbetween GFRP and HFRP bars in 17 ℃ and 4 ℃

3 結(jié) 論

1)水、弱堿溶液下,110 d老化后GFRP裸筋吸濕率小于HFRP裸筋;強(qiáng)堿、鹽堿溶液下,GFRP裸筋吸濕率遠(yuǎn)大于HFRP裸筋。

表10 層間剪切強(qiáng)度保留率70%對(duì)應(yīng)的服役時(shí)間Table 10 Service time corresponding to 70% retentioninterlayer shear strength of FRP bars a

2)隨著老化溫度升高,GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度退化加劇;水、弱堿溶液下,GFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度保留率大于HFPR裸筋,碳纖維層加速HFRP筋性能劣化;強(qiáng)堿、鹽堿溶液下,GFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度保留率小于HFRP筋,碳纖維層起到保護(hù)芯層GFRP筋的作用,減緩芯層GFRP筋劣化速率。相比GFRP筋,在17 ℃強(qiáng)堿、鹽堿溶液下,HFRP筋的服役壽命分別提升了84%和7倍。

3)對(duì)GFRP和HFRP裸筋層間剪切強(qiáng)度影響從大到小依次為:鹽堿溶液>強(qiáng)堿溶液>弱堿溶液>水溶液。

4)21 ℃水、模擬海水溶液下砂漿包裹GFRP和HFRP筋破壞模式和層間剪切強(qiáng)度演化規(guī)律,與水、弱堿溶液下GFRP和HFRP裸筋相似。

5)基于Arrhenius理論,分別預(yù)測(cè)了4,17,21 ℃下GFRP和HFRP裸筋,隨著溫度升高、老化時(shí)間增加,FRP筋層間剪切強(qiáng)度保留率下降。