不同腐蝕環境下FRP筋耐久性與壽命預測研究進展

張 庭，金清平*，宋仕娥，曹南南，鄧思遠

（武漢科技大學城市建設學院，武漢 430065）

0 前言

FRP具有輕質高強、耐久性好等特點，用FRP筋替代鋼筋用于工程結構，可解決鋼筋的銹蝕問題，具有較好的工程價值和應用前景［1-3］。在各種惡劣環境下，FRP筋力學性能演化規律以及壽命關系到工程結構的使用與安全，有必要對其開展系統性研究。國內外機構和學者針對FRP材料在不同腐蝕環境作用下的耐久性能開展了大量研究，也取得了卓有成效的成果［4-5］。然而，FRP材料及其筋材具有多樣化的組分構成，力學性能離散性相對較大，耐久性試驗方法和分析理論也不盡相同，各種因素對耐久性研究結果的精確性會產生影響，對眾多研究結論開展綜合分析，有助于獲得關于FRP筋耐久性的一致性結論。本文結合國內外關于FRP筋拉伸性能和耐久性能的研究，綜合分析了各種環境作用下的FRP筋力學性能演化規律及其耐久性，基于Arrhenius方程對FRP筋的拉伸強度壽命模型進行了探討，通過綜合分析和明確FRP筋的耐久性，為FRP筋增強工程結構設計計算、運營維護等提供理論支撐，有利于促進其推廣應用。

1 不同溶液中FRP筋耐久性能研究

1.1 FRP筋在水溶液中的耐久性

KIM［2］、TANNOUS［3］、于愛民［4］、張新越［5］等對 FRP筋在水溶液中的耐久性能開展了研究，發現玻璃纖維增強聚合物（GFRP）筋在水溶液腐蝕環境下的拉伸強度隨浸泡周期延長而降低。圖1為GFRP筋的拉伸強度保留率隨浸泡時間延長而變化的擬合曲線［1-4］，反映了GFRP筋拉伸強度的變化規律。試驗過程溫度分別控制在25、40、50、80 ℃，將GFRP筋置于水溶液中腐蝕浸泡30、60、90、120 d后測試GFRP筋的拉伸強度，結果表明，當溫度在25℃時，GFRP筋的拉伸強度下降速率沒有出現跳躍點，變化平穩，且拉伸強度保留率在90%以上；溫度升高明顯加速了GFRP筋的退化，當溫度在80℃時，GFRP筋拉伸強度的下降速率先增大后減小最后趨于平穩，120 d后的拉伸強度下降速率超過20%；且當浸泡周期低于60 d時，GFRP筋在50℃下的拉伸強度下降的擬合數據均在平滑曲線上，溫度高于50℃時，拉伸強度下降速率較快，且隨著浸泡時間延長，當溫度越高時，GFRP筋在前期退化程度較大，后期逐漸減小甚至趨于穩定。

圖1 GFRP筋在水溶液中拉伸強度保留率［1-4］Fig.1 Retention of tensile strength of GFRP bars in aqueous solution［1-4］

分析可知，當溫度在25～50℃之間變化時，GFRP筋在水溶液腐蝕不同的天數后其拉伸強度下降速度未出現跳躍性的點，說明溫度在25～50℃之間的變化對GFRP筋拉伸強度影響較小；當溫度升到80℃時，加速了水分子擴散，水分子作為增塑劑破壞了聚合物鏈中的范德華力，使纖維和樹脂吸水膨脹，產生了初始應力，影響了纖維樹脂界面的黏結性能，進而加速了FRP筋的力學性能的退化［2-5］。

1.2 FRP筋在酸溶液中的耐久性

TANNOUS［3］、于愛民［4］、張新越［5］、王川［6］、王海良［7］等研究了FRP筋在酸溶液中的耐久性能，FRP筋在酸溶液中腐蝕后拉伸強度影響不大。試驗均將裸露的GFRP筋在酸溶液中浸泡，溫度作為加速條件，浸泡8周后測試其拉伸強度，結果表明，酸溶液浸泡環境下GFRP筋的拉伸強度隨浸泡周期的延長而降低。當溫度低于50℃時，擬合曲線斜率減小，整體退化速度呈現減小趨勢；當溫度高于50℃時，擬合曲線斜率先增大后減小，整體退化速度呈現先增加后下降趨勢，最后趨于平緩。如圖2所示，在酸溶液中，無論是哪一種溫度GFRP筋在酸溶液中拉伸強度保留率均隨浸泡時間的延長呈現下降趨勢，但與水溶液浸泡環境相比較，整體下降趨勢較為平緩，說明GFRP筋有較好的耐酸性。在60℃時，溫度對GFRP筋影響較大，高溫加速試驗明顯加速了GFRP筋拉伸性能的退化［4-8］。

圖2 GFRP筋在酸溶液中拉伸強度保留率［3-7］Fig.2 Retention of tensile strength of GFRP bars in acid solution［3-7］

1.3 FRP在鹽溶液中的耐久性

1.3.1 不同樹脂的影響

CHEN［1］、KIM［2］、TANNOUS［3］、于愛民［4］、王海良［7］、WU［8］、AL-SALLOUM 等［9］研究了不同樹脂的FRP筋在鹽溶液中的耐久性，得到不同GFRP筋在鹽溶液浸泡環境下的拉伸強度隨浸泡周期延長呈現上升和下降交替變換的趨勢。圖3為不同樹脂的GFRP筋的拉伸強度隨浸泡時間延長而變化的情況［1-4，6-9］。試驗研究了不飽和聚酯、乙烯基酯、環氧樹脂、聚酯的GFRP筋在鹽溶液中的拉伸強度，試驗發現，不同樹脂的GFRP筋的拉伸強度隨腐蝕時間的延長呈現上下波動，但波動范圍不大。其中乙烯基酯和不飽和聚酯的GFRP筋的拉伸強度隨浸泡時間的延長呈現下降趨勢，下降速度平穩；環氧樹脂和不飽和聚酯的GFRP筋的拉伸強度先降低后增加。

圖3 不同樹脂GFRP筋在鹽溶液中拉伸強度保留率［1-4，6-9］Fig.3 Retention of tensile strength of GFRP bars in salt solution［1-4，6-9］

分析得出，飽和聚酯在鹽溶液中拉伸性能退化程度嚴重，原因是纖維和不飽和聚酯界面的黏結性區域小于纖維和乙烯基酯與環氧樹脂的黏結性區域，乙烯基酯和環氧樹脂纖維界面能更好地依附于基體本身，因此選用飽和聚酯作為基體材料的FRP筋耐久性能相對較差［2-5，7-10］。乙烯基酯作為GFRP筋的基體材料時，其拉伸強度受腐蝕周期和腐蝕環境變化的影響較小，因此工程實例中更多的是選擇乙烯基酯作為GFRP筋的基體材料，性能穩定。

1.3.2 不同類型FRP筋的影響

王川［6］、王海良［7］、AL-SALLOUM 等［9］研究了不同類型的FRP筋在鹽溶液中的拉伸性能研究，發現筋體的拉伸強度衰減與筋體的種類和直徑有著緊密的關系。如圖4、5所示，為不同類型的FRP筋的拉伸強度保留率隨浸泡時間的變化擬合曲線。試驗將GFRP筋和玄武巖纖維增強聚合物（BFRP）筋在鹽溶液腐蝕環境中浸泡不同的天數，溫度控制在25、40、50、60和80℃。試驗發現，當溫度低于40℃時，隨著浸泡時間的延長，GFRP筋和BFRP筋的拉伸強度下降速率增大，且GFRP筋的拉伸強度下降速率大于BFRP筋，浸泡腐蝕120 d后強度保留率在75%～80%之間；當溫度在80℃時，GFRP筋的拉伸強度下降速度呈線性遞減，120 d后強度保留率在70%～75%之間。GFRP筋在高溫加速腐蝕下，拉伸強度下降速度明顯增大，筋體的拉伸強度與溫度有著必然的聯系——溫度越高筋體下降速度越快，當高于一定界限后筋體的內層纖維被破壞，筋體脆性斷裂破壞。

圖4 GFRP筋在鹽溶液中拉伸強度保留率［6-7，9］Fig.4 Retention of tensile strength of GFRP bars in salt solution［6-7，9］

分析可知，GFRP筋在鹽溶液腐蝕環境下會形成一層外表面鹽膜，在鹽膜保護下水分子不易侵入腐蝕筋體，GFRP筋體腐蝕速度減慢。FRP筋在鹽溶液中有著良好的耐腐蝕性能［7-9］。

圖5 BFRP筋在鹽溶液中拉伸強度保留率［7-9］Fig.5 Retention of tensile strength of BFRP bars in salt solution［7-9］

1.4 不同堿環境對FRP筋耐久性影響

1.4.1 砂漿包裹對GFRP筋拉伸強度影響

KIM［2］、WU G［8］、AL-SALLOUM［9］、董志強［10］、ROBERT［11］、王偉［12］、BENMOKRANE 等［13］研究了砂漿包裹的GFRP筋在堿性環境中的拉伸性能退化，得出GFRP筋在高溫強堿環境下筋體的拉伸性能退化速度明顯加快。相對于筋體直接在堿溶液中升溫加速腐蝕，砂漿包裹GFRP筋更加接近GFRP筋在混凝土中的工作環境。試驗將砂漿包裹的GFRP筋置于自來水中，加速腐蝕到規定的齡期，溫度控制在23、40、50℃。結果發現，當浸泡齡期在240 d后，觀察GFRP筋和混凝土粘接界面，沒有明顯脫黏現象，拉伸強度保留率在90%以上，見圖6。砂漿包裹后的GFRP筋體水分子更不容易侵蝕筋體表層，筋體表面不會產生裂縫，阻止了水分子的進入，其纖維和樹脂界面的黏結性增大，筋體的拉伸強度提高［1，2，9-13］。

圖6 砂漿包裹的GFRP筋在水溶液中的拉伸強度保留率［2，8-13］Fig.6 Retention of tensile strength of GFRP bars in aqueous solution coated with mortar［2，8-13］

1.4.2 不同直徑的GFRP筋性能退化

王海良［7］、WU［8］、AL-SALLOUM［9］、ROBERT［11］、王偉［12］、BENMOKRANE［13］、NKURUNZIZA［14］、陸春華［15］等研究了不同直徑的GFRP筋在堿性環境下的拉伸性能，不同直徑的GFRP筋浸泡在強堿（pH=13）環境下的拉伸性強度變化規律隨浸泡周期增加呈現不同下降趨勢。如圖7所示，為不同浸泡溫度下GFRP筋直接浸泡在堿溶液中拉伸強度隨浸泡時間變化的擬合曲線［7-9，11-15］。分別將直徑為12.7、7和16 mm的GFRP筋置于溫度為20、25、40、60和80℃下的堿性環境中浸泡，發現各GFRP筋在堿溶液中的拉伸強度保留率明顯低于鹽溶液、水溶液和酸溶液。當溫度高于40℃時，GFRP強度下降幅度最高達到53%，溫度加速試驗加劇了GFRP筋的拉伸性能退化，80℃時拉伸強度保留率甚至低于40%。

圖7 不同直徑GFRP筋在堿性溶液中拉伸強度保留率［7-9，11-15］Fig.7 Retention of tensile strength of GFRP bars with different diameters in alkaline solution［7-9，11-15］

分析可知，在堿溶液浸泡環境下，當GFRP筋的外層受到侵蝕時，在溫度加速作用下筋體表面層的損傷迅速向纖維層轉移，玻璃纖維中的硅酸根離子和堿溶液中的氫氧根發生了反應，破壞了玻璃纖維的Si—O—Si鍵，GFRP筋的延性降低，隨著溫度加劇，筋體慢慢破壞，產生微裂縫，加速堿溶液對GFRP筋內層纖維和樹脂的侵蝕，加劇了GFRP筋劣化，筋材慢慢被破壞［8-15］，筋體的拉伸強度下降。

1.5 FRP在凍融循環作用下耐久性能

目前對FRP筋在凍融循環下的破壞機理主要觀點是認為凍融使得FRP材料產生了孔洞和以界面分層為主導的耐久性損傷，筋體內部結構破壞，基材各類樹脂與增強纖維的抗凍性決定了整個FRP材料的抗凍性能。

張新越［5］、WU［8］、ROBERT［11］等進行了FRP筋在凍融循環下的耐久性研究，如圖8所示，為不同的FRP筋在凍融循環作用下擬合后性能退化曲線。試驗對35根GFRP筋進行50～100次凍融循環試驗，之后進行靜力拉伸試驗。由圖8可以看出，FRP筋在凍融循環作用下的拉伸強度隨著凍融時間的延長先減小后增大，碳纖維增強聚合物（CFRP）筋的強度保留率在200 d后達到110%，GFRP筋和BFRP筋的強度保留率在200 d后達到90%以上，FRP筋的拉伸強度上升是因為低溫能夠進一步促進樹脂固化物反應的進行，提高了固化物的拉伸強度［6，10-11］。此外，CFRP筋在低溫凍融條件下具有更好的耐腐蝕性能。

圖8 GFRP筋在凍融循環下拉伸強度保留率［5，8，11］Fig.8 Retention of tensile strength of GFRP bars under freezethaw cycles［5，8，11］

1.6 溶液和應力耦合作用下FRP筋耐久性能

有學者研究了筋體在單因素作用下FRP筋體的強度損傷和耐久性能，發現溶液和應力耦合作用下的FRP筋體的強度損傷高于單因素作用下筋體的強度損傷。還有學者研究了GFRP筋在疲勞荷載和水環境、堿性環境耦合作用下加速老化試驗，將GFRP筋在40℃的堿性溶液和水溶液［去離子水和濃度為0.16%Ca（OH）2］溶液中分別浸泡30和60 d，將浸泡后的GFRP筋體試樣在高達1×106次循環的拉伸疲勞周期下進行測試，發現在沒有疲勞載荷的情況下，GFRP筋具有良好的拉伸強度；在堿性暴露和疲勞載荷載的耦合作用下，疲勞壽命均顯著下降，GFRP筋的拉伸強度下降［16-18］。

Wu等［8］研究了荷載和環境耦合作用下GFRP筋和BFRP筋的拉伸強度，圖9（a）和（b）分別為不同浸泡溫度下GFRP筋和BFRP筋在荷載和環境耦合作用下拉伸強度隨時間變化的擬合曲線。從圖（b）可以看出，在施加20%應力和溶液耦合作用下，55℃時BFRP筋在腐蝕環境下的老化速度明顯加快，腐蝕80 d后的筋體的強度保留率下降到70%，未施加應力狀態下BFRP筋體強度保留率高于85%，控制溫度不變，隨著應力增大，筋體的退化速度加快［8］。原因是GFRP筋在施加應力后會產生細小的裂縫，裂縫的出現使水分子和堿溶液中有害離子更容易侵蝕筋體內層。當筋體受到高溫和強應力作用后裂縫的發展速度加快，筋體中的纖維和樹脂界面的脫黏性增大，樹脂和內層纖維應力的傳遞速度減慢，GFRP筋和BFRP筋的拉伸強度降低［19-23］。

圖9 鹽溶液和應力耦合作用下筋體拉伸強度保留率［8，16-23］Fig.9 Retention of tensile strength of bars under the coupling action of salt solution and stress［8，16-23］

2 FRP筋拉伸強度預測模型

基于Arrhenius方程對FRP筋的拉伸強度壽命預測模型開展研究。通過Arrhenius方程變換，探討FRP筋拉伸強度保留率，以保留率為基礎來建立壽命預測模型，該模型考慮溫度、作用時間影響因素作用。FRP筋拉伸強度除受上述因素影響外，還會受到筋體組分、尺寸、溶液濃度、作用方式等眾多因素影響。這些因素在傳統模型（單一的指數函數）中無法一一表達，因此在指數函數的基礎上通過增加常數變量來調整指數函數模型表達中存在的不足。針對不同腐蝕環境下FRP筋拉伸強度保留率試驗測試結果［1-23］，利用上述函數形式進行數據擬合，擬合曲線方程見式（1）：

式中y——拉伸強度保留率，%

x——環境作用時間，d

A1、t、y0——方程相關參數

在水溶液、鹽溶液、酸性溶液和堿性溶液作用下，考慮不同溫度條件，擬合數據得到了不同的方程參數（y0、A1），如表1所示。可以看出，隨著溫度升高，y0減小A1增大。但是在水溶液中溫度為50℃時y0值大于40℃和80℃中的y0值，出現峰值。

表1 不同溶液和溫度作用下GFRP筋擬合擬合數據得到方程參數Tab.1 GFRP bar fitting curve results under the action of aqueous solution

不同腐蝕溶液相同溫度條件下，擬合曲線中y0和A1兩個參數變化關系如圖10所示，可以看出y0和A1呈線性關系，與溶液pH值有相關性。

圖10 不同溫度腐蝕溶液下y0和A1關系Fig.10 Relationship between y0and A1at different temperature

3 結論

（1）FRP筋受到腐蝕溶液浸泡后性能產生退化，筋體的拉伸強度受溫度、腐蝕溶液類型、腐蝕時間等因素影響較為顯著，FRP筋在砂漿包裹和應力耦合作用下具有良好的耐久性能；

（2）溫度加速了溶液中離子（Cl-、OH-、SO2-4）和分子在FRP筋體材料中的擴散，進而筋體性能退化速率加快；FRP筋在高溫強堿作用下的性能退化最為嚴重，其強度保留率在腐蝕120 d后降低20%～30%；隨著腐蝕時間的增加，FRP筋拉伸強度逐漸減小；在腐蝕溶液與荷載耦合作用下，筋體受到損傷后其拉伸強度顯著降低；

（3）FRP筋壽命預測模型在傳統的模型基礎上增加常數變量加以修正是可行的，數據擬合程度較好，擬合得到模型的相關參數y0和A1，兩者呈線性關系且與溶液pH值有相關性。