惡劣環境條件下的FRP加固混凝土柱耐久性研究綜述

楊莉萍

（甘肅省建筑科學研究院（集團）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，被廣泛應用于實際工程中，混凝土結構在我國乃至世界各國成為了最常見的結構形式。但處于自然環境中的混凝土結構常暴露于惡劣的環境條件下，例如高溫、凍融、化學介質腐蝕等，隨著時間的推移，混凝土結構不可避免會遭受到不同程度的侵蝕。因此，混凝土結構的補強加固成為土木行業的一個重要問題。近年來，纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Composite，FRP）因其優異的性能被廣泛推廣，使其在土木工程各個領域的應用急劇增加，如既有建筑結構的修復，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]。這種復合材料具有高模量和剛度、低密度（與傳統材料相比）、高耐腐蝕性和增強耐久性的特點。特別是FRP在混凝土柱約束中的短期效率已在幾項早期實驗研究中得到證明[4-5]。

然而，現有對長期暴露于環境因素下加固結構構件力學行為進行的研究尚不足。惡劣的環境條件，如直接暴露于室外、溫度變化、凍融循環，尤其是酸性或堿性侵蝕環境，都有可能影響FRP 加固的耐久性，并導致整個結構系統的機械性能大幅降低。全面了解FRP 約束混凝土的機理、特性對于優化設計和研究過程至關重要。

1 FRP耐久性研究現狀

目前大多數應用于工程中的FRP 分為FRP 片材和FRP 筋材兩類。兩類材料各有優勢，比如FRP片材可以粘貼于結構表面起到防護的作用，而FRP筋可以代替鋼筋應用到結構中，其優異的抗拉、抗彎強度以及耐腐蝕等都會使結構的服役期明顯加長。下面就對這兩類FRP 在侵蝕環境中的耐久性進行梳理與分析。

1.1 濕熱對FRP的影響

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

張彥紅等[7]采用25 個GFRP 試件進行了長時間的濕熱試驗，對伸長率、拉伸強度及彈性模量等進行了分析。研究表明，三者隨老化時間的增加，前期以接近拋物線的趨勢急劇下降，后期下降趨勢趨于平穩。并建立了相應的性能衰減模型，可以較好預測經濕熱作用后的GFRP使用壽命。

楊勇新等[8]研究了隨濕熱老化時間的增長，玄武巖纖維增強復合材料（BFRP）力學性能的變化規律，研究表明：BFRP 片材抗拉強度和延伸率隨作用時間的增長均呈現先下降、后上升的趨勢，但對彈性模量影響較小。

但國內外學者通過大量試驗和理論推導發現濕熱環境一般不會對FRP的拉伸性能造成影響[9-10]。就此仍需進行更深入的研究。

1.2 溫度對FRP的影響

高曉楠等[11]首先對未經處理的BFRP 片材和CFRP 片材進行高溫作用，后進行拉伸試驗。結果表明，高溫作用后BFRP 片材與CFRP 片材相比，前者的拉伸強度和拉伸模量均遠小于后者，而后者的伸長率一般小于前者。后用環氧樹脂充分浸漬兩種片材，同樣進行了高溫作用后的拉伸試驗。從試驗結果來看，經高溫作用后，環氧樹脂的作用并不明顯。當溫度超過200 ℃時，FRP 片材的拉伸強度及模量的下降趨勢隨高溫作用時間的增長而增長。咸貴軍等[12]對經環氧樹脂浸漬單向BFRP 片材在高溫中及高溫作用后進行了試驗研究。研究同樣發現，BFRP 片材經高溫作用后，其拉伸強度出現明顯下降。并用微觀試驗分析了劣化機理，經高溫作用后，BFRP 拉伸性能的下降主要是由于樹脂的降解與界面的脫粘導致的。

王曉璐等[13]通過拉伸試驗研究了高溫下FRP筋材的力學性能，研究表明：隨溫度的升高極限強度逐漸降低；彈性模量在樹脂軟化前受溫度的影響較小，一旦樹脂完全軟化，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]也進行了高溫后FRP 筋材的縱向拉伸性能的試驗研究，并且還對比研究了GFRP筋和BFRP筋材經高溫后的拉伸性能。結果表明：隨溫度的升高，FRP筋材抗拉強度和極限應變逐漸下降；高溫作用對BFRP影響小于GFRP 筋。朱德舉等[15]的研究也得出了類似的結論。

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，結果表明：隨溫度的升高FRP 筋材的剪切強度均逐漸降低，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]研究發現溫度較高時直徑對高溫后FRP筋材的力學性能影響較小。

1.3 其他因素對FRP的影響

沙吾列提等[18]為研究我國西北自然環境條件對CFRP 片材的影響，將其置于室外實際環境中進行老化試驗，以期得到較為準確的試驗結果。研究表明，在自然老化2 年后，CFRP 片材的抗拉強度與彈性模量基本不變，而伸長率略有下降。同樣楊勇新等[19]探討了華北地區自然環境條件對CFRP 片材的影響，也得到了類似的結論。

于愛民等[20]為了研究FRP片材在惡劣環境中的拉伸性能，分別進行了室溫下、凍融和干濕循環作用后的拉伸試驗。研究結果表明，三種試驗條件下，FRP 片材的應力隨應變的增加基本呈現直線上升；凍融循環后，CFRP 片材受到的影響小于GFRP片材，同時二者拉伸強度隨著凍融次數的增加而逐漸降低；此外GFRP 片材的拉伸性能受到干濕循環影響后沒有出現明顯的改變。王海良等[21]為了研究環境類型對BFRP 力學性能的影響，在酸溶液、凍融循環及其耦合作用下進行了3 種不同直徑的BFRP筋材耐久性試驗，結果表明：相同直徑下耦合作用對BFRP 筋材抗拉強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度降低均明顯高于其他兩者。

2 FRP-混凝土柱研究現狀

2.1 干濕循環的影響

李趁趁等[22]對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作用后進行軸心受壓試驗，結果表明，經侵蝕后，FRP加固混凝土圓柱的強度和延性均出現不同程度的降低，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于條帶間隔粘貼方式。張玲玲等[23]為了解海洋環境下CFRP 加固混凝土結構的耐久性，也進行了相同的試驗，得到了相似的試驗結果。

2.2 凍融循環的影響

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，進行了軸心抗壓試驗，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度、剛度和延性均出現了不同程度的降低，且降低程度隨著凍融次數的增加而增加。

郝偉等[25]通過對芳綸纖維增強復合材料（AFRP）約束混凝土進行快速凍融循環試驗，研究了其在該環境下的軸心受壓力學性能，結果表明：混凝土在AFRP 約束后其抗壓性能得到了顯著的提高，且隨著粘貼層數的增多，軸心受壓強度也逐漸提高。

2.3 溫度的影響

徐明等[26]通過軸壓試驗研究了CFRP 約束混凝土在經歷不同溫度后的力學性能，結果表明，核心混凝土受到CFRP 的約束后，其抗壓強度會隨試件溫度的升高而逐漸增大。而薛晉等[27]研究了經高溫作用后對BFRP 約束混凝土柱承載力的影響，結果表明，隨著爐內溫度的增加，試件的破壞模式由BFRP 的拉斷破壞轉變為環氧樹脂與混凝土的粘結破壞，其承載力隨溫度的升高而逐漸降低。

2.4 化學介質的影響

張大偉等[28]在硫酸鹽浸泡作用下對CFRP 約束混凝土試件和非約束試件進行了對比試驗分析，在浸泡后進行單軸受壓試驗，結果表明，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]分析研究了堿環境作用對PVC-CFRP管混凝土柱力學性能的影響，研究表明：就試件破壞形態而言，堿環境與普通環境下的較相似，但前者破壞過程較短，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 片材分別對普通混凝土柱與硫酸鹽侵蝕劣化混凝土柱進行加固，后通過單軸壓縮試驗對二者進行了研究。試驗結果表明，二者的極限承載力、應力應變等均隨侵蝕時間的增加而降低，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；預劣化程度越高，CFRP 約束劣化混凝土的強度和極限承載力就越低。

3 結語

本文分類和分析了過去近二十年來進行的大量關于FRP 片材以及FRP 筋約束混凝土在惡劣條件下的試驗研究。目的是提供在類似條件下進行試驗研究時具有一定的理論基礎，以獲得有關不利環境因素對結構耐久性影響的更可靠論據，研究分析結論如下：

（1）研究表明：FRP片材和FRP筋材在遭受惡劣環境侵蝕時，具有較高的耐久性，其抗拉強度和延性在經歷濕熱、高溫、自然老化等環境條件后出現了不同程度的下降，但就下降程度來說，基本不會對結構的耐久性造成太大影響；彈性模量基本沒有改變；就種類而言，CFRP 片材性能優于其他纖維片材。

（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性能與未加固相比得到了顯著的提高。

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

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

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

在硫酸鹽等化學介質環境影響下，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。