酸性腐蚀环境下CFRP锚杆的耐久性试验研究

朱街禄，杨文瑞，2

（1.江西科技学院 土木工程学院，江西 南昌 330098；2.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063）

酸性腐蚀环境下CFRP锚杆的耐久性试验研究

朱街禄1，杨文瑞1，2

（1.江西科技学院 土木工程学院，江西 南昌 330098；2.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063）

通过环氧砂浆试块和CFRP锚杆抗酸腐蚀性试验研究了酸腐蚀对其质量、弹性模量、抗拉强度、延伸率等性能的影响。结果表明：环氧砂浆试块在酸性溶液中浸泡90 d过程中，质量、弹性模量、抗压强度的最大损失率分别为1.98%、2.81%、11.25%。CFRP锚杆的质量、弹性模量、抗拉强度、延伸率的最大损失率分别为0.65%、3.29%、6.51%、5.06%。通过对试验数据的分析得到了锚杆的荷载-滑移关系曲线，该曲线说明酸腐蚀降低了CFRP锚杆的粘结性能。进一步分析实验数据得到了酸腐蚀90 d后锚杆的粘结-滑移曲线，该曲线具有一定的工程应用价值。并利用Arrhenius方程，得到了锚杆在试验环境中抗拉强度保留率与时间对数的关系曲线，引入了换算因子TSF的概念，对锚杆服役受酸雨腐蚀20年的强度保留率进行了预测。

CFRP锚杆；环氧砂浆试块；抗拉强度；Arrhenius方程；强度保留率

0 引言

FRP筋具有较高的抗拉强度和耐腐蚀性能、自重轻且易于施工，因此自20世纪90年代开始，FRP应用于工程领域中并替代钢筋锚杆。锚杆锚固被广泛应用于工程领域，可直接用于新建结构或原结构的加固中[1-3]。目前被广泛应用的FRP筋主要包括CFRP、AFRP、GFRP等[4]。锚杆的工作环境较为恶劣，如锚杆被酸雨的侵蚀、被岩土中钠、钙盐的电化学腐蚀等，这些都会影响锚杆使用的安全性。基于CFRP锚杆在酸性腐蚀环境下的耐久性试验研究，国内相关的研究还较少[5]。

本试验采用高浓度溶液加速的方法，开展了CFRP锚杆在酸性腐蚀环境下相关试验，试验结果对于CFRP锚杆的设计及工程应用上具有一定的指导意义。

1 试验

1.1 试验材料及设备

CFRP锚杆：试验选用柳州某公司出产的7 mm直径光圆筋材，锚具长度采用了245、300、350 mm三种类型。CFRP锚杆示意见图1。

图1 CFRP锚杆示意

环氧砂浆试块：主要成分为环氧树脂+固化剂+填料，固化剂及填料按照一定比例混合，依据GB 50203—2011《砌体结构工程施工质量验收规范》的要求制作环氧砂浆试块（见图2）。拉伸试验设备为液压万能试验机。

图2 环氧砂浆试块

1.2 试验方法

本腐蚀试验采用98%浓度的浓硫酸稀释设计出pH值=3的强酸环境，为了避免浸泡容器受到腐蚀，用PEVA耐腐蚀材料对浸泡容器进行多层密封处理。为了避免锚具受到严重腐蚀而影响力学性能测试，浸泡前在锚具表面涂上黄油。在第10、20、30、40、50、60、70、80、90 d观测其外表颜色、对其质量和尺寸等物理性能进行测试。每周测试1次浸泡液的pH值，保证其pH值不变。未浸泡及浸泡第30、60、90 d后对环氧砂浆试块和锚杆在万能试验机上进行力学性能试验。进行环氧砂浆试块的抗压破坏试验测试其抗压强度，并通过应力应变计算其弹性模量。通过CFRP锚杆的拉伸破坏试验测试其抗拉强度，通过试验数据计算其延伸率、弹性模量等物理性能指标。最后通过试验数据对锚杆的粘结性能进行分析。

2 试验结果分析

2.1 环氧砂浆试块

在试验过程中，试块外表颜色的变化不能用肉眼观测出。每隔10 d将其取出时，试块表面均存有水珠，表明浸泡液仅对其表面有侵蚀，未能侵蚀入试块内部。可知环氧砂浆试块内部具有很好的密实性，胶层之间能紧密胶结。试验过程中，环氧砂浆试块性能指标损失如图3所示。

图3 环氧砂浆试块在酸腐蚀过程中性能指标的损失比例

由图3可知，环氧砂浆试块的质量损失较小，在试验前30 d，质量基本保持不变，最大质量损失率约为1.98%。弹性模量在试验过程中变化较小，最大损失约为2.81%。抗压强度在前60 d变化幅度较小，第60 d到第90 d这个阶段抗压强度损失较大，最大损失率为11.25%。

2.2 CFRP锚杆

CFRP锚杆酸腐蚀过程表面状况见图4，性能指标损失率见图5。

图4 CFRP锚杆在酸腐蚀过程中的表面状况

图5 CFRP锚杆在酸腐蚀过程中性能指标的损失率

由图4、图5可见，CFRP锚杆浸泡30 d后，质量基本无变化，但其表面已经形成了1层保护层，可认为腐蚀还没有开始；浸泡60 d后，锚杆上涂抹的保护层已经消失，锚具出现腐蚀现象，但是筋材还未出现腐蚀现象，质量比30 d前有所减少；浸泡90 d后，锚具腐蚀现象进一步加剧，筋材出现溶胀现象，质量和浸泡60 d相比反而有所增加，可解释为腐蚀液已从其表面渗透到锚杆内部，从而导致其质量有所增加。在酸腐蚀过程中，锚杆质量损失较小，最大质量损失率在第60 d，约为0.65%。弹性模量、抗拉强度、延伸率等指标损失率随着浸泡时间的延长而增大，第90 d时，以上3项物理性能指标的最大损失率分别为3.29%、6.51%、5.06%。

2.3 CFRP锚杆粘结滑移变化

通过试验计算出锚杆总位移和CFRP杆件的弹性变形量，二者的差值为锚杆的滑移量。以未受到酸腐蚀、腐蚀60天、腐蚀90 d三种情况为例，绘制出锚杆荷载-滑移关系曲线（见图6）。

图6 酸腐蚀荷载-滑移曲线

由图6可知，在相同荷载作用下，酸腐蚀90 d锚杆的滑移量最大、酸腐蚀60 d锚杆滑移量次之，最小为未腐蚀锚杆的滑移量。可知CFRP锚杆粘结滑移量随着腐蚀试验的进行而增大，酸腐蚀对其粘结性能产生了不利影响。

2.4 酸腐蚀90 d粘结-滑移曲线拟合

整理出3种锚固长度锚杆在酸腐蚀90 d后粘结应力-滑移曲线，对曲线进行拟合，曲线拟合方程为：

由式（1）可得线性回归相关参数，其中相关系数R=0.992，测定系数R2=0.984。试验曲线与酸性环境下的拟合曲线对比见图7。

图7 试验曲线与酸性环境下拟合对比曲线

采用图7的结果，对245、300、350 mm三种锚固长度的锚杆进行对比，可知误差均在10%以内。该拟合成果可用于预测在相同酸性环境条件下、不同荷载作用下的任意锚固长度和任意直径的CFRP锚杆产生的滑移值。

3 CFRP锚杆工作寿命预测

3.1 Arrhenius方程

采用短时间试验数据对CFRP锚杆长期使用寿命预测时，最常用的是Arrhenius方程[6-7]。根据Arrhenius方程，酸性腐蚀环境下CFRP锚杆的抗拉强度退化速率如式（2）所示：

式中：k——CFRP锚杆的抗拉强度退化速率；

f——CFRP锚杆的抗拉强度；

t——时间；

A——和材料性能相关的常数；

Eα——导致CFRP锚杆抗拉强度发生退化的活化能；

R——摩尔气体常数，8.3145 J/（mol·K）；

T——绝对温度，K。

美国联邦公路局给出的FHWA法是基于Arrhenius方程的一种寿命预测方法[见式（3）所示]，李彬和王伟等[7-8]也通过试验研究表明锚杆抗拉强度保留率Rt与时间的对数基本保持线性关系。

式中：Rt——CFRP锚杆的抗拉强度保留率，%；

t——时间；

a，b——常数。

可将图5中CFRP锚杆的抗拉强度损失率变换为抗拉强度保留率（见图8），根据最小二乘法进行曲线拟合，得到a，b的取值。拟合曲线为：

Rt=-6.927lgt+106.5 （4）

由式（4）可得回归相关系数R=0.996，测定系数R2=0.992。

图8 CFRP锚杆抗拉强度保留率随时间对数关系

相关研究表明[6-9]，可将Arrhenius方程引入换算因子TSF这一概念，用于2个不同温度下CFRP锚杆腐蚀到相同程度所需的时间计算。陈诗学[10]对换算因子进行了进一步研究，通过试验建立了以pH值为参数的换算因子模型如式（5）所示：

式中：TSF——换算因子；

A——待定系数，可由试验求出；

e——自然常数；

10-pH——相应pH值溶液氢离子浓度。

参考该文研究结果，当pH值=3时，TSF=1；当pH值=4.5时，TSF=1.459。锚杆在pH值=3溶液中浸泡90 d后抗拉强度损失6.51%，可对应于锚杆浸泡pH值=4.5抗拉强度损失6.51%的浸泡天数为90×1.459=131.31 d。

3.2 酸雨对CFRP锚杆耐久性的影响

由于自然界中的大量二氧化碳可溶于水，当溶解达到气液相平衡后，pH值约为5.6。因此当降雨的pH值小于5.6时，可定义为酸雨。酸雨已成为我国严重的环境问题之一[11]。根据相关文献[12]，江西省近5年降雨年均pH值如表1所示，其中南昌市酸雨年均pH值和江西省酸雨年均pH值较为接近，取南昌市酸雨基本pH值为4.5。

表1 江西省近5年降雨年均pH值

相关资料显示[13]，南昌市1951～2007年年平均降雨日数为144.58 d，考虑到降雨后CFRP锚杆不可能立刻晾干，假设CFRP锚杆在这144.58 d平均每天受酸雨侵蚀时间为4 h，相当于CFRP锚杆每年在pH=4.5的溶液中浸泡578.32 h，在pH=4.5的溶液中浸泡90 d相当于南昌地区外露CFRP锚杆受酸雨侵蚀5.449年。受酸雨侵蚀20年后，强度保留率为88.56%（见表2）。与文献[5，14]的研究，CFRP锚杆具有较好的耐酸腐蚀性，在酸雨腐蚀环境下，CFRP锚杆受到轻微腐蚀的结论一致。

表2 利用Arrhenius对锚杆服役年限后强度保留率预测

4 结语

（1）环氧砂浆试块在酸性溶液中浸泡90 d过程中，其尺寸和外观颜色没有发生显著变化。质量、弹性模量、抗压强度有所降低，其最大损失率分别为1.98%、2.81%、11.25%。随着浸泡时间的延长，环氧砂浆试块的抗压强度损失较大，长时间酸腐蚀环境会对环氧砂浆试块产生显著不利影响。

（2）CFRP锚杆在酸性溶液中浸泡90 d过程中，其尺寸和外观颜色没有发生显著变化。最大质量损失发生在第60 d，质量损失率为0.65%。弹性模量、抗拉强度、延伸率等损失率随浸泡时间的延长而变大，第90 d时，以上3项物理性能指标的最大损失率分别为3.29%、6.51%、5.06%。试验结果表明，以上物理性能指标降低幅度较小，CFRP锚杆的耐酸腐蚀性较好。

（3）由锚杆的荷载-滑移关系曲线可知，CFRP锚杆粘结滑移量随着腐蚀试验的进行而增大，酸腐蚀对其粘结性能产生了不利影响。

（4）对酸腐蚀90 d后粘结-滑移曲线进行了拟合，该拟合曲线可以较好地反映CFRP锚杆与环氧砂浆酸性环境腐蚀后其粘结性能的变化。该试验曲线具有一定的工程应用价值，可为修订相关工程规范时提供参考。

（5）利用Arrhenius方程，得到了锚杆在试验环境中抗拉强度保留率与时间对数的关系曲线。引入换算因子TSF的概念，将实验环境换算成酸雨侵蚀环境，对锚杆受酸雨腐蚀20年的强度保留率进行了预测。

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Experimental investigation on durability of CFRP anchor in acid corrosion environment

ZHU Jielu1，YANG Wenrui1，2
（1.School of Civil Engineering，Jiangxi University of Technology，Nanchang 330098，China；2.School of Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China）

The anti-acid corrosion test was carried out to study the effect of acid corrosion on their quality，elastic modulus，tensile strength，elongation of epoxy mortar blocks and CFRP anchors.The results showed that the maximum loss of quality，elastic modulus and compressive strength were 1.98%，2.81%，11.25%for epoxy mortar blocks soaked in acid solution for 90 days，and the maximum loss of quality，elastic modulus，tensile strength and elongation were 0.65%，3.29%，6.51%，5.06%for CFRP anchors. The load-slip curve of anchor was obtained to show that the bonding property of CFRP anchors was reduced under acid corrosion.The bond-slip curve was obtained in acid solution for 90 days by further analysis，and it has certain value for engineering application.By Arrhenius equation，the tensile strength retention rate-time logarithm relation curve was obtained.The strength retention rate of CFRP anchors under acid corrosion for 20 years was predicted by the introduction of the concept of conversion factor of TSF.

CFRP anchor，epoxy mortar block，tensile strength，Arrhenius equation，strength retention rate

TU593

A

1001-702X（2016）08-0058-04

江西省教育厅科技项目（GJJ151148）；

南昌市重点实验资助项目（2014ZDSY006）；

江西科技学院重点学科项目

2016-03-14

朱街禄，男，1982年生，江西余江人，讲师，硕士。