鹽湖高寒地區GFRP夾芯復合筋耐久性研究1)

李雙營 趙建昌

*(蘭州交通大學土木工程學院，蘭州730070)

?(青海民族大學土木與交通工程學院，西寧810007)

在我國鹽湖地區，氯離子滲入混凝土結構引起鋼筋腐蝕破壞是混凝土結構耐久性的主要問題[1]，鋼筋銹蝕是結構喪失原有承載力，難以達到預期使用壽命的主要因素。研究發現，纖維增強復合材料( fiber reinforced polymer，FRP)與鋼筋相比，有高強、輕質、耐腐蝕等力學性能，在鐵路、房屋建筑、地下領域得到了廣泛的應用，在鹽湖地區，纖維增強材料筋代替鋼筋作為加強筋是解決鋼筋銹蝕的有效途徑[2]；日本和歐美國家對纖維增強復合材料筋在鐵路、房屋建筑、地下領域等取得比較多的成果，應用技術早于中國[3-7]。國內東南大學、浙江大學等在纖維增強復合材料筋方面取得了一些成果：張新越等[8]在凍融環境與酸堿鹽腐蝕作用下，對自制的玻璃纖維增強材料筋的耐久性進行試驗研究，結果表明：玻璃纖維筋具有很好的凍融和耐酸鹽腐蝕的性能，碳纖維筋具有比玻璃纖維更好的凍融和耐酸堿鹽腐蝕的性能；王海良等[9]通過試驗對3種直徑不同的玄武巖纖維(basalt fiber reinforced polymer，BFRP)筋在凍融循環、酸溶液及其耦合作用下耐久性進行研究，分析環境類型及作用時間對其彈性模量、抗拉強度的影響；高永紅等[10]對直徑16 mm玻璃纖維增強復合材料 (glass fiber reinforced polymer，GFRP)筋單調一次拉伸及在應力上限水平為0.3σb，0.6σb(σb為筋體的極限抗拉強度)的9次循環加載拉伸損傷后的GFRP筋進行拉伸試驗，分析GFRP筋體在破壞前后的拉伸力學性能變化規律，結果表明:筋材的極限抗拉強度隨循環拉伸應力的增加呈下降趨勢，折點處強度隨循環拉伸應力的增加呈上升趨勢；劉生緯等[11]用解析法和有限元法分析了復合材料在邊坡穩定性中的應用；靳文強等[12]通過實驗研究了黏土磚在濃度為10%硫酸鹽干濕循環作用下質量、相對動彈性模量及強度退化機理；劉廷濱等[13]提出了能夠定量預測復雜環境下混凝土耐久性損失的方法；王依兵等[14]基于細觀力學理論，提出了橫觀各向異性復合材料彈性常數的分析模型。李趁趁等[15]模擬了堿性環境中FRP筋的耐久性；從FRP筋研究現狀及應用形式看，國內外學者在對FRP筋拉伸性能、抗剪性能、徐變斷裂性能及其混凝土結構性能研究方面進行了較為深入的研究，試驗工況多為單調載荷和單種因素影響下的 FRP復合材料的各種性能的研究，而對纖維混雜結構的研究比較少，特別是GFRP夾芯復合(內部為鋼筋，外部是GFRP筋)的研究更為少見，另外從國內外的研究看，在各種因素的耦合作用下FRP筋的各種性能的變化規律也很少見。因此本文主要考慮在多重因素作用下GFRP筋和GFRP夾芯復合筋的耐久性研究，為實際工程的應用提供理論支撐。

1 試驗部分

1.1 主要原料

南京鋒暉復合材料有限公司生產的玻璃纖維增強復合筋 (GFRP筋)，直徑 12 mm 的實心筋和GFRP筋夾芯復合筋 (內部為鋼筋，外部是 GFRP筋，簡稱 GFRP夾芯筋)，直徑 12 mm(鋼筋直徑6 mm，外裹厚度為6 mm的玻璃纖維筋)。

1.2 樣品制備

筋材試樣稱重完成后，將其做成700 mm的試拉件，其中標距L0=300 mm，夾芯鋼筋(里面是鋼筋，外面是玻璃纖維筋)，用套管錨固試拉件的兩端(圖1)，套管用無縫鋼管制作而成，兩端的錨固長度分別為200 mm，鋼管內徑比試樣筋材桿件的直徑大4 mm，壁厚3 mm，鋼管與纖維之間的錨固用環氧樹脂和固化劑按照4:1的比例配合而成。

圖1 GFRP筋(GFRP夾芯筋)的尺寸圖

1.3 試驗方法

拉伸性能試驗采用上海華龍儀器有限公司的DN150的電子萬能試驗機，加載步驟按照 GB/T3-0022–2013纖維增強復合材料筋基本力學性能試驗方法進行[16]，先對試拉件進行5 mm/min位移控制預加載，當達到屈服強度的20%～30%時，預加載結束，卸載到載荷為0時再以5 mm/min位移控制正式加載，直到試拉件破壞，觀察應力-應變曲線的變化規律，記錄破壞載荷、抗拉強度和彈性模量等指標，試驗過程中有滑筋、端頭拉斷等現象時，該試拉件報廢。

鹽湖鹵水的配置按以下方法實施[17]：青海鹽湖鹵水中的元素比例是Mg2+，Ca2+，Cl－，SO2+復合型，Mg2+占35129.7 mg/L，Ca2+占4241 mg/L，Cl－占 204209 mg/L，SO2+占 22290 mg/L，本項目所用鹵水是按照實際比例配置而成。

干濕循環試驗在硫酸鹽腐蝕箱中進行，參照GB/T50082-2009普通混凝土長期性能和耐久性能實驗方法標準[18]的制度進行，在鹵水中干濕循環腐蝕的實驗步驟如下：鹵水的質量分數為5%，其循環過程為：試件在常溫下鹵水中自然浸泡14 h，之后通過排水管排出溶液，在溫度為40°C干燥箱中烘干8 h，最后慢慢關閉干燥箱的加熱系統，在自然環境下冷卻2 h，一個循環過程結束。

根據 GB/T50082-2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準[18]，青海鹽湖環境的凍融試驗按以下步驟實施：采用北京耐恒設備有限公司生產的快速凍融試驗機模擬青海鹽湖環境做凍融試驗，將直徑 16 mm GFRP筋浸入凍融機中進行凍融試驗，每天凍融循環次數為6次，在溫度為25°C中融化1 h左右，之后將凍融機的溫度控制在-18°C左右進行冷凍4 h，一個凍融循環結束。

1.4 試驗環境和參數設置

在鹽湖鹵水、干濕循環、凍融作用下各構件的力學性能退化規律，具體有四個工況：

第一工況：鹽湖鹵水作用下 (一次拉伸)(長度700 mm，直徑16 mm的GFRP筋和GFRP夾芯復合筋)，浸泡周期 (15 d，30 d，60 d，90 d，120 d)，簡記作 L15，L30，L60，L90，L120。

第二工況：鹽湖鹵水+干濕循環作用下 (一次拉伸)(長度 700 mm，直徑 16 mm 的 GFRP筋和 GFRP夾芯復合筋)，循環周期 (10周期，20周期，30周期，40周期，50周期)，簡記作L15+X10，L30+X20，L60+X30，L90+X40，L120+X50。

第三工況：凍融作用：(一次拉伸)(長度550 mm，直徑16 mm的GFRP筋和GFRP夾芯復合筋)，凍融循環次數(10次，50次，100次，150次，300次)；簡記作 D10，D50，D100，D150，D300。

第四工況：鹽湖鹵水+干濕循環+凍融耦合作用(一次拉伸)(長度550 mm，直徑16 mm的GFRP筋和GFRP夾芯復合筋)。干濕循環10次，凍融10次；干濕循環20次，凍融 50次；干濕循環30次，凍融100次；干濕循環40次，凍融150次；干濕循環 50次，凍融 300次，簡記作 L15+X10+D10，L30+X20+D50， L60+X30+D100， L90+X40+D150，L120+X50+D300。

每個工況各需要90根玻璃纖維筋 (GFRP)和GFRP筋夾芯復合筋 90根，共 360根玻璃纖維筋(GFRP)和360根GFRP筋夾芯復合筋。

2 玻璃纖維筋的破壞機理

玻璃纖維筋是由玻璃纖維和聚合物基材通過環氧樹脂和固化劑按照一定的比例組合而成，玻璃纖維含量較大，約占60%～82%，其余為基體。國內外試驗研究表明：玻璃纖維含量與FRP筋的強度、力學性能和耐久性成正比例關系，玻璃纖維筋力學性能和耐久性退化的主要原因是[19]：當玻璃纖維筋中的Si–O鍵隨著各種環境因素特別是堿溶液OH－作用斷裂，樹脂基體中的酯鍵隨著各種環境因素的退化可用下式表示

金清平等[20]借助掃描電子顯微鏡觀察筋體各階段受力下的細觀結構 (圖 2)，掃描圖顯示樹脂和玻璃纖維填充不致密，黏結和分布不均勻，內部存在一定的缺陷。根據微觀結構的特征，玻璃纖維筋的內部結構會隨著干濕循環、凍融次數等環境的侵蝕發生變化，導致力學性能改變。

圖2 聚乙烯晶體的掃描圖[20]

3 試驗結果與分析

3.1 力學指標計算

GFRP筋材拉伸強度計算公式為

式中，σ為筋材實測抗拉強度，MPa；d為筋材直徑，mm；P為筋材最大實測載荷，kN。

GFRP筋拉伸彈性模量計算公式為

式中，P1和ε1為50%最大破壞載荷對應的載荷和相應的應變，N和無量綱；E為FRP筋拉伸彈性模量，MPa；P2和ε2為最大極限載荷的 25% 對應的載荷和應變，N和無量綱。

GFRP筋極限應變計算公式為

式中，εu為 GFRP筋的極限應變，無量綱；fu為GFRP筋的極限抗拉強度，MPa。

3.2 GFRP筋和GFRP夾芯筋的單調一次拉伸和循環拉伸的表觀特征及本構關系

3.2.1 GFRP筋一次拉伸和循環拉伸的表觀特征及本構關系

GFRP筋單調一次拉伸試驗中，載荷小于68 kN時，應力達到302 MPa，應變0.581%，試件表面幾乎無變化，載荷與應力幾乎成正比例關系；當載荷大于68 kN時，隨著載荷的增加，由于應力集中導致纖維絲斷裂破壞，GFRP筋不定時發出一聲較微弱的聲響，部分玻璃纖維筋從樹脂基體中剝離。當施加載荷接近203 kN時，出現急促的纖維斷裂聲響；樹脂在極限抗拉強度 67 MPa時發生失效破壞，此時應變3.523%，載荷在68 kN～203 kN之間，載荷與應力幾乎成正比例關系，但是斜率減小，從實驗現象可以得出：GFRP筋單調一次拉伸試驗中應力應變的關系可以用兩條折線來表示，如圖3(模型a)，彈性模量由4.441減小到2.778，隨著載荷的增加，試件中部薄弱處首先出現裂縫，部分玻璃纖維集中成束狀，基體突然破壞，屬于脆性破壞。

GFRP 筋循環拉伸作用下，應力達到 0.4σb(270 MPa)，還沒有達到 302 MPa(折點應力)，所以，應變較小，彈性模量也小，循環5次過程中由載荷-位移曲線可以得到：起始位移為3.70 mm。隨著循環次數的增加，加載應力上限0.4σb對應的載荷減小為54 kN，在循環加載-卸載過程中載荷-位移的關系均呈正比例。當循環次數結束載荷卸載完成后，GFRP筋的實際位移為4.00 mm，比GFRP筋起始位移3.70 mm增加了0.30 mm，殘余變形幾乎沒有發生。

3.2.2 GFRP夾芯復合筋一次拉伸的表觀特征及本構關系

直徑為16 mm的GFRP夾芯筋(內鋼筋8 mm，外 GFRP筋 8 mm)一次拉伸作用下，當作用在GFRP夾芯筋復合材料的載荷逐漸增加時，低延伸率的玻璃纖維首先破壞，但是它們被高延伸率的鋼筋約束著，雖然玻璃纖維已經斷裂不連續，但玻璃纖維仍能夠繼續承擔剪切載荷，并且仍對剛度有貢獻，導致GFRP夾芯筋復合材料的斷裂應變比單一碳纖維大。或者也可以這樣理解，在GFRP夾芯筋復合材料中，高延伸的鋼筋起著抑制玻璃纖維裂紋傳播的作用，能夠減少玻璃纖維災難性裂紋增長的概率，應力應變關系可用圖4(模型b)表示。

圖3 模型a

圖4 模型b

3.3 工況一：在鹽湖鹵水作用下(一次拉伸)GFRP筋和GFRP夾芯筋

表 1為鹽湖鹵水作用的測試結果，可以看到，在鹽湖鹵水環境下，隨著齡期的增加，GFRP筋和GFRP夾芯筋的抗拉強度都減小，GFRP筋從677.98減小到 598.12，減小了 12%，而 GFRP夾芯筋從455.58減小到376.18，減少了17%，GFRP夾芯筋由于構造的原因減少幅度較大；另外，GFRP筋無屈服強度，GFRP夾芯筋有屈服強度，并且隨著在鹵水溶液中浸泡齡期的增大，GFRP夾芯筋的屈服強度減小；而GFRP筋隨著在鹵水溶液中浸泡齡期的增大，彈性模量先減小后增大，但GFRP夾芯筋的彈性模量一直增大；GFRP筋和GFRP夾芯筋的斷裂應變都減小，GFRP筋由3.523減小到0.581，表現出明顯的脆性，GFRP夾芯筋由18.314減少到13.178，斷裂時相對應變較大，有一定的延性。

表1 鹽湖鹵水作用的測試結果

3.4 工況二：凍融作用下 (一次拉伸)GFRP筋和GFRP夾芯筋力學性能退化規律

從表2的數據可以得到，在鹽湖鹵水環境下，隨著齡期的增加，GFRP筋和GFRP夾芯筋的抗拉強度都減小；另外，GFRP筋無屈服強度，GFRP夾芯筋有屈服強度，并且隨著齡期的增加，屈服強度在減小；GFRP筋隨著齡期的增加，彈性模量先減小后增大，而GFRP夾芯筋的彈性模量一直增大；GFRP筋和GFRP夾芯筋的斷裂應變都減小，GFRP筋由3.423減小到0.421，表現出明顯的脆性，GFRP夾芯筋由15.324減少到10.175。鹽湖鹵水單因素作用下抗拉強度、彈性模量、斷裂應變降低的幅度更大，這是由干濕循環的環境改變導致的。

3.5 工況三：鹽湖鹵水+干濕循環(一次拉伸)GFRP筋和GFRP夾芯筋力學性能退化規律

從表3鹽湖鹵水+干濕循環作用下的測試結果可以看出，隨著凍融次數的增加，GFRP筋和GFRP夾芯筋的抗拉強度都減小；另外，GFRP筋無屈服強度，GFRP夾芯筋有屈服強度，并且隨著凍融次數的增加，其屈服強度和彈性模型的變化表現出的現象與在鹵水溶液中表現出的現象一樣；GFRP筋和GFRP夾芯筋的斷裂應變都減小，GFRP筋由3.512減小到0.897，表現出明顯的脆性，GFRP夾芯筋由17.324減少到13.31。

從表4鹽湖鹵水浸泡+干濕循環作用+凍融循環耦合作用下的測試結果可以看出，隨著干濕、凍融循環次數的增加，GFRP筋和GFRP夾芯筋的抗拉強度都減小；另外，GFRP筋無屈服強度，GFRP夾芯筋有屈服強度，并且隨著干濕循環凍融次數的增加，其屈服強度逐漸減小；GFRP筋的彈性模量隨著干濕循環凍融次數的增加先減小后增加，而GFRP夾芯筋的彈性模量隨著干濕循環凍融次數的增加而增加；GFRP筋和 GFRP夾芯筋的斷裂應變都減小，GFRP筋由3.347減小到0.321，表現出明顯的脆性，GFRP夾芯筋由17.319減少到10.175.各種因素耦合作用下，各物理量的減小程度更大，GFRP筋和GFRP夾芯筋都表現出明顯的脆性。

表4 鹽湖鹵水+干濕循環+凍融耦合作用下的測試結果

4 鹵水作用、干濕循環、凍融循環及耦合作用下的數據分析

為方便分析GFRP筋、GFRP夾芯筋在鹵水作用、干濕循環、凍融循環及耦合作用后力學性能的退化規律，將工況1鹽湖鹵水腐蝕齡期120天(L120)、工況2鹽湖鹵水+干濕循環(L120+X50)、工況3凍融作用下(D300)、工況4鹽湖鹵水+干濕循環+凍融耦合(L120+X50+D300)作用下的各力學性能繪制成圖，從圖 5～圖 8可以得到，耦合因素作用下GFRP筋和GFRP夾芯復合筋的極限抗拉強度、彈性模量均比單因素作用下小，而在單因素作用下，隨著齡期的增加，彈性模量先減少后增加，且腐蝕性的大小關系是：鹽湖鹵水+干濕循環+凍融耦合＞鹽湖鹵水+干濕循環＞凍融＞鹽湖鹵水，GFRP筋在各種因素作用下，其腐蝕程度較小，無明顯的屈服強度，屬于脆性破壞，而直徑為16 mm的GFRP夾芯復合筋由于內外鋼筋和纖維筋各8 mm，所以各力學性能比較理想，外部的玻璃纖維筋由于腐蝕較小起到一個保護的作用，且隨著載荷的增加玻璃纖維的應變要比鋼筋的應變小，極限抗拉強度大，所以GFRP夾芯復合筋的裂縫首先出現在纖維表面，雖然纖維表面出現裂縫，但是纖維起著保護和承載兩方面的作用，當裂縫較多時，GFRP夾芯復合筋的承載能力主要鋼筋承擔，表現出鋼筋的力學性能，所以在受載荷作用的過程中表現出一定的延性，兩者配合承載體現了各自的優缺點，性能互補，達到一定的目的。

圖5 GFRP筋和GFRP夾芯筋極限抗拉強度的對比圖

圖6 GFRP筋在彈性模量的變化圖

圖7 GFRP夾芯筋彈性模量的變化圖

圖8 GFRP筋和GFRP夾芯筋彈性模量的變化圖

5 結 論

(1)GFRP筋的一次拉伸試驗不存在屈服強度，應力應變曲線用兩段折線來表示，在破壞之前，應變的變化量較小，表現出明顯的脆性；GFRP夾芯復合筋是一個新型材料，在一次拉伸過程中，由于外部的玻璃纖維筋腐蝕較小起到一個保護的作用，且隨著載荷的增加玻璃纖維的應變要比鋼筋的應變小，極限抗拉強度大，所以GFRP夾芯復合筋的裂縫首先出現在纖維表面，雖然纖維表面出現裂縫，但是纖維起著保護和承載兩方面的作用，當裂縫較多時，GFRP夾芯復合筋的承載能力主要鋼筋承擔，表現出鋼筋的力學性能，存在明顯的屈服強度，應力應變用三段線來表示，表現出明顯的延性，同時抗腐蝕能力增強，在鹽湖地區是一種比較理想的新型材料。

(2)在多重因素耦合作用下，隨著鹽湖鹵水腐蝕周期、凍融次數、干濕循環次數的增加，GFRP筋和GFRP夾芯復合筋的抗拉強度逐漸減小，但是GFRP筋減小的幅度較小，而GFRP夾芯復合筋由于有鋼筋的存在，抗拉強度減小比較大，特別是在鹽湖鹵水90 d以上，凍融150次以上時GFRP夾芯復合筋的極限抗拉強度實驗不是很明顯，屈服強度減小并且與抗拉極限強度接近，表現出明顯的脆性。在各種因素作用下GFRP筋隨著齡期的增加彈性模量先減少后增加，而GFRP夾芯復合筋的彈性模量逐漸減小，相對來講減小的幅度不是很大。

(3)各種耦合因素作用下 GFRP筋和 GFRP夾芯復合筋的極限抗拉強度、彈性模量均比單因素作用下小，而在單因素作用下，隨著齡期的增加，彈性模量先減少后增加，且腐蝕性的大小關系是鹽湖鹵水+干濕循環+凍融耦合＞鹽湖鹵水+干濕循環＞凍融＞鹽湖鹵水。