混凝土環境中GFRP筋劣化機制研究

劉文博

（民航機場規劃設計研究總院有限公司西北分公司，陜西西安 710075）

0 前言

鋼筋混凝土結構耐久性中一個突出的問題就是鋼筋銹蝕。人們為延長混凝土結構的耐久壽命，發明創造了FRP筋混凝土結構及混合配筋混凝土結構。

FRP（纖維增強塑料）為纖維（玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等）與基體（通常為樹脂）兩者共同構成的新型復合材料[1]，工程師希望通過采用FRP筋來解決混凝土結構耐久性的問題。FRP筋本身具有較高的承載能力，且性質穩定，不會出現銹蝕問題。雖然FRP筋在耐腐蝕方面優于普通鋼筋，但其也有著不可忽視的耐久性問題。如AFRP筋在潮濕環境中或紫外線直接照射下性能有所降低；GFRP筋耐堿性能差，不宜在堿性環境和潮濕環境中使用[2]。本文著重討論GFRP筋在堿性環境長期作用下的劣化機制。

1 堿性環境中GFRP筋的性能劣化

已有的關于GFRP筋的試驗多在堿性溶液中進行。Mukherjee[3]將GFRP筋浸泡于60℃堿溶液中，試驗進行30d時強度下降43%，60d時強度下降56%。張新越等[4]同樣將GFRP筋浸入60℃堿溶液，56d后強度下降24.77%。Steckel[5]進行了GFRP筋在60℃堿環境、鹽水、紫外線照射下的力學性能研究，結果表明無論在何種環境下，GFRP筋的彈性模量并未發生明顯的降低。

關于GFRP筋還有很多類似試驗，此處不再列出。從上述試驗可以看出，堿性環境對GFRP筋的強度有著較大的影響，且影響時間越長，強度下降越大?；炷羶炔客ǔ３蕪妷A性，因此GFRP筋在混凝土內必定會產生劣化，具體劣化程度因實際情況而異。由于已有的試驗絕大多數采用堿溶液模擬堿環境，與實際的混凝土內部環境有所區別，因此已有試驗結果僅可作為理論分析數據，具體應用于實際工程時仍需進行其他方面的研究。

另外，雖然混凝土在使用期間會產生碳化使得堿性降低，但由于碳化本身所需時間較長，且不同環境及表面條件下的混凝土碳化速度千差萬別，因此所有試驗均不考慮混凝土碳化的影響。

2 混凝土堿性環境中GFRP筋的劣化機制

GFRP筋的劣化與混凝土的堿環境以及混凝土的微觀構造密切相關。在混凝土固結過程中，混凝土內部形成大量的微小孔隙，孔隙包括0.5～2.5nm的層間孔、10～50nm的毛細孔和3～5μm的氣孔[6]。這些孔隙使得水泥水化產生的大量陰陽離子滲透至GFRP筋的表面，造成劣化。這其中OH-為造成劣化的主要離子，一方面是因為水化產生的離子以OH-為主，另一方面是因為OH-在混凝土中的滲透速度遠大于其他離子。同時水分子也會與纖維之間產生反應。這些所有因素綜合起來造成了GFRP筋在混凝土堿性環境中的腐蝕。

2.1 基體的劣化機制

目前土木工程領域中FRP筋常用的基體包括聚酯樹脂（polyester ester）基體、乙烯基酯樹脂（viny lester）基體和環氧樹脂（epoxy）基體。其中乙烯基酯樹脂（viny lester）基體和聚酯樹脂（polyester ester）一般主要用于GFRP筋的基體，而環氧樹脂（epoxy）基體主要用于CFRP的基體。

基體相比于纖維，其彈性模量和強度均較小，主要作用包括約束各根纖維，使得各根纖維之間能夠共同工作；為纖維提供工作環境，隔離侵蝕性物質，延緩纖維的腐蝕?；w的劣化一方面使得基體密實性減少，侵蝕性物質滲入速度增加，加快纖維腐蝕。另一方面會使得基體與纖維間的粘結能力減少，降低纖維間共同工作的能力。

基體的劣化包括物理原因及化學原因。其中物理原因為水分滲入基體內部，占據基體空穴，引起材料自由體積變化，最終使基體產生微裂紋[7]。化學原因為則為酯的水解，這也是基體劣化最主要的原因。

幾乎所有樹脂類聚合物均會水解，水解的過程會打開酯鍵，生成相應的羧酸和醇（環氧樹脂例外）。其宏觀表象即為基體密實性降低，孔隙增大，與纖維間粘結性降低，具體水解過程見式（1）。

R-COO-R′+H-OH→R-COOH+R′+OH-（1）

水解后由于酯鍵斷裂，使得原本較長的分子鏈斷裂為較短的分子鏈，進而導致前述的基體密實性減少和粘結能力減少?；w與纖維脫粘后纖維的受力將會急劇增加，有學者甚至認為GFRP筋力學性能的降低主要是由于脫粘引起的。

2.2 玻璃纖維的劣化機制

GFRP筋常用的玻璃纖維包括無堿玻璃纖維（E-glass）和耐堿玻璃纖維（AR-glass），其中耐堿玻璃纖維為無堿玻璃纖維外層加涂聚合物涂料制成，但多用于混凝土增強纖維，此處不再談論。以下所討論的GFRP筋纖維均為無堿玻璃纖維。

無堿玻璃纖維的主要成分為SiO2，同時包含少量Al2O3、CaO、MgO等。玻璃纖維的劣化本質上是SiO2與水以及堿性物質的反應造成的。由于混凝土內部呈強堿性（pH達12.5或更高），含大量OH-，OH-以及水分通過基體的微小間隙滲透至纖維表面，進而與纖維中的SiO2進行反應，破壞纖維的骨架結構，主要反應方程式見式（2）及（3）。

式（2）為SiO2與水的反應過程，由于該過程中Na+會從纖維中擴散出來，因此該過程又稱為“浸出”。該過程一方面會產生OH-，為式（3）提供反應物。另一方面會在水與玻璃纖維之間生成凝膠層（比玻璃纖維的比重低），更有利于OH-與水的傳輸，進而加速腐蝕。凝膠層同時也會降低基體與纖維間的粘結能力。

式（3）為SiO2與OH-的反應過程，該過程為堿環境下纖維的主要破壞原因。由于其破壞玻璃纖維中的Si-O鍵，因此稱之為“蝕刻”。Si-O鍵為玻璃纖維中的主要化學鍵，SiO2的高承載力主要來源于它。Si-O鍵的破壞將直接導致玻璃纖維結構骨架的完整性遭到破壞，降低纖維的各項使用性能，甚至導致斷裂。

3 結語

在混凝土環境下GFRP筋的劣化不可避免，混凝土中的堿環境是造成GFRP筋腐蝕的主要原因。已有的試驗多在堿溶液的環境下進行，與實際工程的情況有所區別。GFRP筋的劣化包括基體的劣化及纖維的劣化，二者的劣化機理各有不同?；w的劣化主要是酯的水解，而纖維的劣化則是與水分子及氫氧根離子反應的結果。在今后的試驗研究中，學者應充分考慮GFRP筋劣化原因的復雜性，選用合適的分析方法，避免分析模型與實際情況誤差較大造成試驗結果不準確。