纖維增強復合材料約束混凝土柱耐久性研究進展

金清平，劉運蝶

（武漢科技大學城市建設學院，武漢 430065）

0 前言

FRP是由高性能纖維材料與基體材料按一定比例并經過一定工藝復合形成的1種高性能材料[1]。FRP材料因其可塑性強、強度高、優異的耐腐蝕性，結合混凝土在惡劣環境中被廣泛應用[2-4]，混凝土填充在FRP管中形成FRP約束混凝土柱就是其中1種。FRP約束混凝土結構最早由Fardis和Khalili[5]提出，FRP管可以充當模板，使施工速度提高，而且對混凝土有約束作用，從而提高其強度和延性，降低了脆性[6-8]，如圖1所示。目前，國內外學者對于FRP約束混凝土柱已開展了大量研究，包括FRP管不同形狀[9-10]、不同纖維纏繞角度[11-12]、組合柱不同受力方式（壓[13-14]、彎[15-16]、組合受力[17-18]）、不同荷載作用方式（循環荷載[19-20]、沖擊荷載[21-22]、爆炸荷載）下的力學性能及FRP與內部混凝土的界面黏結滑移[23]，并提出受壓應力應變模型[24-25]。

圖1 無約束混凝土柱和FRP約束混凝土柱的軸向應力-應變關系Fig.1 Axial stress-strain relationship of unrestrained concrete columns and FRP confined concrete columns

由上述可知，關于FRP約束混凝土柱的力學性能研究成果較為豐富，但對于FRP約束混凝土柱耐久性能變化規律把握不夠充分，因此，本文從不同腐蝕環境、不同溫度、不同作用方式等3個方面系統梳理了FRP約束混凝土柱的長期性能，以期為FRP約束混凝土柱應用于惡劣環境中提供一定參考。

1 不同腐蝕環境下耐久性研究

1.1 鹽腐蝕溶液中的耐久性能

Robert[26]、張慧娟[27]、Li[28]、沈陽[29]、Li[30]等研究了玻璃纖維增強塑料、玄武巖纖維增強塑料、碳纖維增強塑料（G/B/CFRP）約束混凝土柱在鹽溶液中的耐久性，結果表明浸泡后FRP管的環拉強度大幅度下降；氯鹽浸泡后，氯離子擴散進入混凝土生成Friedel鹽和水化產物[31]，使試件的微觀結構更為致密；通過差示掃描量熱法（DSC）、傅里葉變換紅外吸收光譜（FTIR）研究其微觀結構，發現鹽溶液會使FRP材料劣化，如圖2所示，游離的羥基離子（OH-）、氯離子（Cl-）以及水分子（H2O）會在FRP材料中擴散，樹脂基體發生水解和塑化，致使樹脂基體溶解、斷裂，OH-和Cl-等腐蝕離子會使纖維劣化，樹脂基體和纖維界面失去化學鍵合力和機械咬合力[32]，老化的玻璃纖維增強塑料（GFRP）約束混凝土柱表面存在一定的微裂紋，這就導致試件飽和時吸濕量增加，但GFRP管與混凝土之間的最大黏結強度并未下降[33]，浸泡了365 d的GFRP與混凝土界面之間沒有明顯損傷，因此，材料的劣化是GFRP約束混凝土柱承載力下降的主要原因，浸泡后的GFRP約束混凝土柱抗壓強度保留率均小于1，強度下降顯著，承載力衰減趨勢呈現指數方式，浸泡時間較短時，承載力下降較快，逐漸趨于平緩。碳纖維增強塑料（CFRP）約束混凝土柱表現出更明顯的脆性破壞特征，試件因中高區FRP斷裂破壞，混凝土破壞更嚴重，GFRP約束混凝土柱比CFRP約束混凝土柱的變形能力更好，但CFRP約束混凝土柱極限荷載更高，強度保留率優于玄武巖纖維增強塑料、玻璃纖維增強塑料（B/GFRP）約束混凝土柱。隨著浸泡時間的增加，FRP柱的歸一化強度和極限應變逐漸降低，斷裂應力比FRP環向強度下降更快。

圖2 FRP材料在鹽腐蝕溶液作用下的退化機理[3， 32]Fig.2 Degradation mechanism of FRP materials under action of salt corrosion solution[3， 32]

1.2 酸、堿腐蝕溶液中的耐久性能

FRP約束混凝土柱在酸、堿腐蝕溶液中的耐久性能也是備受關注的問題，目前的研究主要集中于GFRP約束混凝土柱。唐國允[34]將GFRP約束混凝土柱分別浸泡于酸、堿性溶液中，試驗發現在堿溶液的侵蝕下，GFRP管出現泛白現象，堿性越強，變白程度越深；在酸溶液的侵蝕下，管外表面無明顯變化，但內部混凝土出現變黃現象；在酸、堿溶液中浸泡后，GFRP管對混凝土套箍作用減小，變形能力和延性均下降。Guo[35]等也對酸溶液腐蝕后的GFRP管混凝土柱進行了軸壓試驗，試驗結果表明經過酸溶液腐蝕的試件破壞模式均為GFRP管斷裂和核心混凝土被壓碎，被酸溶液腐蝕后的試件極限承載力顯著下降，浸泡時間越長，強度下降越明顯，酸溶液pH值越小，試件的極限承載力越低，初始剛度隨酸溶液的pH值降低而降低。GFRP約束混凝土柱在酸堿腐蝕溶液中的抗壓強度保留率如圖3所示，可以發現在酸、堿腐蝕溶液浸泡后GFRP約束混凝土柱的抗壓強度保留率均有所下降，這是因為酸、堿溶液會以類似于水浸泡的形式使FRP材料發生降解，2種溶液都可能進入GFRP內部使纖維和基體水解和溶脹，產生微裂紋降低GFRP材料的強度[3，36]，圖4為 GFRP在堿溶液作用下的掃描電子顯微鏡（SEM）照片，初始時，纖維與樹脂基體黏結緊密，但在堿溶液作用后，氫氧化鈣會在纖維表面成核，纖維和樹脂基體均出現明顯損傷，兩者排列松散，黏結減弱[36]。還有學者將鹽溶液與堿溶液混合，開展GFRP管混凝土柱的力學性能退化研究，孫強[37]將GFRP管混凝土柱浸泡在20、40、60 ℃的鹽堿混合溶液中，研究結果表明GFRP管能減緩鹽堿對核心混凝土的侵蝕，但浸泡后構件內部缺陷仍會增加，極限承載力下降明顯，剛度大幅度下降。

圖3 GFRP約束混凝土柱在酸堿腐蝕溶液中的抗壓強度保留率[34-35]Fig.3 Retention of compressive strength of GFRP confined concrete column in acid and alkali corrosion solution[34-35]

圖4 GFRP材料在堿溶液作用下的SEM照片[36]Fig.4 SEM images of GFRP material under action of alkali solution[36]

2 不同溫度對力學性能的影響

2.1 高溫對力學性能的影響

溫度對FRP約束混凝土柱力學性能也會產生影響。高溫會加速FRP約束混凝土柱在腐蝕溶液中的老化，單獨的高溫作用也會影響FRP約束混凝土柱的力學性能。Guo[38]、Tabatabaeian[39]等開展了高溫作用下FRP約束混凝土柱的力學性能研究，試驗表明在軸壓荷載作用下，不同溫度、不同溫度作用時間的FRP約束混凝土柱破壞模式相似，主要表現為FRP管破裂與內部混凝土破碎，隨著溫度的增加，FRP約束混凝土柱的極限承載力和初始剛度下降明顯，溫度持續時間對極限承載力的影響很小。其主要原因是高溫會使FRP管和內部混凝土材料性能劣化。一方面，高溫會使混凝土內部引起物理和化學反應，嚴重破壞混凝土的結構[40]，骨料和水泥基之間的黏附減少，產生不同步的膨脹和收縮，造成局部應力過大，使混凝土孔隙增加，產生微裂紋[41]，如圖5所示，低溫石英（α-石英）轉變為高溫石英（β-石英），導致水泥基體與骨料連接處鼓起[42]。當溫度繼續升高，混凝土內部成分會發生分解，水化硅酸鈣結構不在完整，氫氧化鈣晶體脫水破壞，微裂紋不斷增多并發展成宏觀裂縫[42]，使混凝土強度顯著降低。另一方面，高溫對FRP材料影響顯著，在高溫下，樹脂基體會發生?；D變和分解[43-45]，發生樹脂氧化開裂，削弱樹脂基體和纖維之間荷載傳遞能力，纖維和環氧樹脂脫粘[46]，FRP 材料的剛度和強度會下降[47-49]。因此，在軸向荷載作用下，FRP材料破壞過程受機體?；褪軣岜韺臃謱娱_裂影響，會導致纖維扭結破壞[50-51]，同時由于FRP材料環向強度的降低，會導致FRP管對混凝土的約束減小，使試件極限強度下降，并且材料的劣化也會導致試件極限強度降低。

圖5 高溫作用下混凝土劣化機理Fig.5 Concrete deterioration mechanism under high temperature

因此，當溫度較低時，FRP約束混凝土柱的破壞模式為混凝土破碎，由于混凝土微裂縫和FRP約束強度降低導致；當溫度較高時，破壞模式為管鼓脹破壞，由于FPR管和混凝土之間脫粘、樹脂基體的惡化以及纖維的屈曲和扭結導致。圖6為FRP約束混凝土柱抗壓強度保留率隨溫度變化的擬合曲線，由圖也可以得出相似結論，溫度作用時間對試件的抗壓強度保留率影響不明顯，溫度升高影響更大，溫度越高，試件的抗壓強度保留率越低。

圖6 高溫對FRP約束混凝土柱抗壓強度保留率的影響Fig.6 Effect of high temperature on retention of compressive strength of FRP confined concrete columns

2.2 低溫對力學性能的影響

低溫同樣會影響FRP、混凝土的材料性能，從而影響 FRP 約束混凝土柱的力學性能。Xie[52]、Wang[53]等開展了低溫作用下FRP約束混凝土柱的力學性能研究，試驗發現低溫降低了FRP對混凝土的約束作用，極限軸向應變也有所下降，但在低溫作用下，極限抗壓強度提升明顯，抗壓強度保留率隨溫度的降低而提高。這是由于在低溫條件下，混凝土中的水凍結成冰，冰填充了一部分孔隙和微裂縫，提高了混凝土的強度和彈性模量[54-56]，如圖7所示。同時，FRP管中的樹脂基體也會被強化，抗壓、環拉強度隨之增加，彈性模量增加[57]，從而使FRP約束混凝土柱的抗壓強度提高。但值得注意的是，Baris等[58]對FRP約束混凝土柱進行了加熱-冷卻循環試驗，試驗結果表明加熱-冷卻循環會使FRP約束混凝土柱極限強度和極限應變顯著降低，濕環境、室外環境中的加熱-冷卻循環相比于干燥環境中會使柱的極限強度和極限應變進一步降低。

圖7 低溫對混凝土的作用機理[63]Fig.7 Action mechanism of low temperature on concrete[63]

3 不同作用方式耐久性研究

3.1 凍融循環作用下的耐久性能

FRP約束混凝土柱在凍融循環作用下耐久性能下降明顯，眾多學者對玻璃纖維增強塑料、碳纖維增強塑料（G/CFRP）約束混凝土柱的耐久性能進行研究。胡安妮等[59]采用快凍法對CFRP混凝土柱進行凍融循環試驗，發現凍融循環會使CFRP與混凝土黏結強度下降20 %左右，但CFRP混凝土柱破壞時大部分CFRP與混凝土黏結良好，因此黏結強度的降低對CFRP約束混凝土柱的影響較小。He[60]、Li[61]、Boumarafi[62]等在不同溶液中對GFRP約束混凝土柱進行了凍融循環試驗，包括空氣、純水、鹽和堿溶液，試驗結果表明經受凍融循環作用，GFRP管表面無明顯劣化，但試件抗壓強度保留率均有所降低，柱的耐腐蝕性較好，表現出良好的抗堿性，3種溶液中鹽溶液對GFRP約束混凝土柱影響最為嚴重；在軸壓荷載作用下，凍融循環后的試件破壞模式相似，主要表現為GFRP管的破裂與核心混凝土破碎；不同形狀GFRP約束混凝土柱抗壓強度保留率均下降較多。如圖8所示，凍融循環會導致混凝土中的水會被凍結產生體積膨脹，使多余的水向外孔外流動形成靜水壓力[63]，逐漸在混凝土內部引起裂紋，同時會使GFRP材料發生降解，使基體產生孔洞和裂紋，使纖維分層，從而降低GFRP管強度，在多次凍融循環后，混凝土與GFRP界面之間會脫粘[64-65]，兩者的協同工作能力降低，導致GFRP混凝土柱軸向強度明顯降低，GFRP管柱在鹽溶液中凍融循環200次后，抗壓強度比未凍融循環的試件下降了9 %，同時彈性模量和應變也呈降低趨勢；凍融循環次數增加，試件的初始剛度和極限承載力顯著下降。

圖8 靜水壓模型示意圖[63， 66]Fig.8 Schematic diagram of hydrostatic model[63， 66]

3.2 干濕循環作用下的耐久性能

呂珍瑩[67]、Belarbi[68]、李趁趁[69]等研究了干濕循環作用下G/CFRP約束混凝土柱的耐久性能，試驗表明干濕循環作用會降低FRP與混凝土的黏結性能[70]，CFRP約束混凝土柱雖然可以大大降低腐蝕速率，但是仍會發生腐蝕，水分子和離子會吸收進入混凝土內部，再在樹脂基體和未包裹部分擴散。圖9為干濕循環作用下FRP約束混凝土柱的侵蝕區域和過程，在干燥階段，由于水分蒸發作用，水分會沿FRP與混凝土之間的縫隙向外遷移，內部濕度降低，孔隙不飽和度較高，在浸泡階段，試件內部毛細吸收作用更強，縱向遷移速率更快，從而出現試件內部侵入深度高于外部的現象[29]。在干濕循環作用后，GFRP約束混凝土柱極限承載力下降明顯，隨著干濕循環次數增加，構件強度、剛度下降速度均變快；2種FRP約束混凝土柱在干濕循環作用下抗壓強度保留率均有不同程度的下降，GFRP對混凝土柱的加固作用大于 CFRP。Wang[71，72]等用 1 組50次凍融循環、3組50次溫度循環、3組50次干濕循環組合模擬美國中西部20年的惡劣天氣周期，GFRP管混凝土經歷了環境循環后發現，環境的溫度、濕度變化對GFRP與混凝土的黏結性能影響不大，柱的軸向承載力幾乎不變，極限環向應變和軸向應變分別下降了1 %和4 %。

圖9 干濕循環作用下FRP約束混凝土柱的侵蝕區域和過程Fig.9 Erosion area and process of FRP confined concrete column under dry wet cycle

3.3 實際環境中的耐久性能

Xie等[73]將FRP約束混凝土柱置于中國南部地區室外自然環境中，研究了實際環境中FRP約束混凝土柱的耐久性能，實驗結果表明隨著暴露時間的增加，FRP約束混凝土柱的抗壓強度、極限環向應變降低，暴露18個月后，柱的抗壓強度下降約10 %，但呈現逐漸穩定的趨勢；暴露30個月后，極限環向應變平均降低了17.3 %。張大偉[74]將FRP約束混凝土柱置于中國上海市自然環境中，包括露天淋雨環境和露天不淋雨環境2種狀態，2種情況下，FRP約束混凝土柱在偏壓荷載作用下，承載力均隨時間增長而增加，極限撓度與之相反，隨時間增長而下降。

4 結語

纖維增強復合材料約束混凝土柱為以往工程中鋼管混凝土柱存在的問題帶來了新的解決辦法，其良好的耐久性能更是有著不可替代的優勢，本文從鹽、酸、堿3種腐蝕環境，高溫、低溫2種溫度，凍融循環、干濕循環以及實際環境3種環境作用方式對FRP約束混凝土柱的耐久性進行梳理，得出如下結論：1.腐蝕溶液浸泡會對FRP約束混凝土柱的耐久性能造成影響。雖然鹽、酸、堿3種腐蝕溶液對FRP約束混凝土柱的作用機理不同，但均會使FRP材料發生降解，破壞樹脂基體與纖維之間的界面黏結性能，FRP對混凝土的環向約束降低，使FRP約束混凝土柱性能退化。2.不同溫度會對FRP約束混凝土柱的耐久性能產生不同影響。高溫會劣化FRP和混凝土的材料性能，使FRP約束混凝土柱的極限承載力下降；溫度降低則與之相反，低溫會提高FRP材料和混凝土的強度和彈性模量，使FRP約束混凝土柱的極限承載力提高。3.不同作用方式同樣會對FRP約束混凝土柱的耐久性能產生影響。凍融循環、干濕循環以及實際環境作用下，均會使FRP和混凝土的材料性能顯著下降，降低兩者的協同能力，出現脫粘現象，使FRP約束混凝土柱的極限承載力降低。

雖然目前已經開展了大量FRP約束混凝土柱的耐久性能試驗研究，也有在實際工程中的應用案例，但仍需對FRP約束混凝土柱的組合開展進一步探討。當FRP約束混凝土柱在實際工程應用時，FRP通常暴露在外面，FRP材料很可能會受到意外損壞，如道路上除雪設備的切割、車輛、船只的刮碰等情況，在受到意外損壞時，FRP約束損傷混凝土柱的耐久性能研究基本處于空白狀態，希望未來能在此方面開展更多研究，為FRP約束混凝土柱在實際工程中應用時提供參考。