混凝土环境中GFRP筋抗拉性能加速老化试验研究

2019-08-13江祥林何雄君

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2019年3期

代力，江祥林，何雄君

(1.江西省交通科学研究院，江西南昌 330200；2.长大桥梁建设关键技术及装备交通运输行业研发中心，江西南昌 330200；3.武汉理工大学交通学院，湖北武汉 430063)

纤维增强聚合物复合筋(FRP)由于具有良好的耐腐蚀性、轻质高强、抗疲劳性好和无锈蚀特性等特点，将其替代钢筋用于混凝土结构中已被大量研究证实是解决钢筋锈蚀问题的有效途径[1].

在已有的纤维增强塑料筋种类中，GFRP筋拥有高强度及高性价比等优点，采用GFRP筋作为混凝土结构的劲性骨架已经引起土木工程界的兴趣和重视[2-3].实际混凝土结构所处外界环境和混凝土本身的强碱环境均会造成GFRP筋的力学性能的衰减，国内外大多数研究者均是针对裸筋在模拟混凝土孔隙液强碱环境下进行不同程度的加速老化试验[4-10]，并基于试验拟合结果建立了抗拉性能退化模型.然而，人工模拟混凝土孔隙液碱性环境与实际混凝土环境之间存在一定差异，已有的退化模型并没有考虑这一点.因此，研究GFRP筋在实际混凝土环境中的抗拉性能具有重要的实际工程意义，目前关于实际混凝土环境中GFRP筋抗拉性能耐久性的研究还鲜见报道.

鉴于此，本文通过实际混凝土环境下GFRP筋的加速老化试验，重点分析了环境温度、持续荷载、浸泡时间等因素对GFRP筋抗拉强度的影响，对GFRP筋在实际工程中的运用及GFRP筋混凝土结构的设计具有一定参考价值.

1 试验设计

1.1 试验材料与试件设计

试验材料选用南京锋晖复合材料公司生产的GFRP筋.筋体纤维为无碱玻璃纤维(E-Glass)，基体材料为乙烯基树脂(vinyl ester).GFRP筋初始力学性能参数见表1.

表1 GFRP筋力学性能指标Tab.1 Mechanical properties of the GFRP bar

为考察实际混凝土环境对GFRP筋力学性能的影响，课题组浇筑了112个尺寸为80 mm×110 mm×1 100 mm的长方体混凝土试件和3个标准立方体试块，试验所用水泥为湖北新华水泥厂生产的强度等级为32.5的复合硅酸盐水泥，混凝土配合比如表2所示.混凝土初凝期间测得其孔隙液pH值为12.8.将制作好的混凝土试件放置在养护室中养护，实测28 d混凝土立方体抗压强度为32 MPa.GFRP筋在混凝土试件中的位置如图1所示.为了模拟GFRP筋在实际混凝土构件中持续受力状态，课题组采用自制反力架对试件进行加载，加载装置如图2所示.将试件反向放置在钢弹簧上，保证加载时GFRP筋处于受拉一侧，荷载大小通过钢弹簧压缩量进行调整，并定期监测钢弹簧压缩量，以保证持续荷载恒定不变.具体加载过程可参照课题组前期研究成果[9].

表2 混凝土配合比Tab.2 Concrete mix proportion/kg·m-3

图1 GFRP筋混凝土试件 (单位/mm)Fig.1 GFRP reinforced concrete beams

图2 试件加载反力架设备及试验箱Fig.2 Load setup and test chamber

1.2 试验方法

为了加速GFRP筋老化速率，将所有试件放置在不同温度的自来水环境中浸泡，但是为了防止温度过高导致GFRP筋出现热降解反应，参照文献[3]的试验温度，将自来水溶液的温度分别恒定在20±2 ℃ 、40±2 ℃ 、60±2 ℃ .试件按照施加持续荷载有无分为两组，持续荷载大小为混凝土试件极限荷载的20%和40%，试件极限荷载在课题组前期研究成果中已确定.试件的详细分组情况如表3所示.

表3 试件分组Tab.3 Test conditions

达到预定浸泡时间后，将GFRP筋从混凝土梁试件中取出，去除筋体表面粘结混凝土并置于室温环境下放置，待其干燥后进行拉伸试验.为防止夹具对GFRP筋端头造成剪切破坏，将筋体两端用250 mm长钢管进行锚固.拉伸试验在SHT4106-G型微机控制电液伺服万能试验机上进行，加载数值由传感器自动记录，加载速率为2 mm/min.

2 结果与分析

2.1 环境温度对抗拉强度影响

图3所示为无持续荷载混凝土环境中GFRP筋抗拉强度保留率(剩余强度与初始强度的比值)随时间的变化规律.从图示曲线变化趋势可以看出：

(1)随着浸泡时间的增加，GFRP筋的抗拉强度呈现出逐渐减小的趋势.在温度为40 ℃的混凝土环境中浸泡30 d、60 d、90 d、120 d后，GFRP筋的抗拉强度分别下降了5.4%、7.8%、9.2%和12.9%.这主要是由于随着时间的增加，GFRP筋表面树脂发生水解反应，OH-与玻璃纤维发生化学反应，从而导致筋体抗拉强度的降低.总体而言，GFRP筋抗拉强度在早期退化较快，40 ℃、60 ℃环境中浸泡30 d后GFRP筋强度分别下降了5.4%和13.7%，之后退化速率逐渐变缓.20 ℃环境浸泡对GFRP筋强度退化影响较小.

(2)温度的升高加速了GFRP筋抗拉强度的退化程度，且温度越高，加速趋势越明显.GFRP筋在20 ℃、40 ℃、60 ℃混凝土环境中浸泡120 d后，抗拉强度分别下降了2.9%，12.9%、27.3%.与20 ℃混凝土环境相比，在60 ℃混凝土环境中浸泡30 d、60 d、90 d和120 d后GFRP筋抗拉强度退化率分别增加了13.0%、15.9%、19.3%、24.4%.究其原因，温度的升高使得分子运动加快，促使化学反应速率增加，从而加速了GFRP筋抗拉强度的退化.

图3 不同温度下GFRP筋抗拉强度保留率Fig.3 Tensile strength retention of GFRP bar at different temperatures

2.2持续弯曲荷载对抗拉强度影响

图4为持续弯曲荷载作用下混凝土环境中GFRP筋抗拉强度保留率随时间的变化规律.从图4(a)中可以看出，在40 ℃环境浸泡中，GFRP筋抗拉强度退化率随着持续荷载的增大有增加趋势，持续荷载水平为40%的GFRP筋浸泡120 d后，其抗拉强度与无持续荷载和持续荷载水平为20%的GFRP筋相比，分别减少了11.3%和1.8%.这说明持续荷载加速了GFRP筋抗拉强度的退化，但当持续荷载较小时，这种加速效果并不明显.图4(b)给出20 ℃和60 ℃环境下GFRP筋强度保留率与持续荷载之间的对应关系，可以看到，在20 ℃环境中浸泡60 d、90 d、120 d后，与无持续荷载的GFRP筋相比，持续荷载为40%的GFRP筋强度保留率分别减少了7.1%、9.6%和11.8%.持续荷载为20%的GFRP筋在60 ℃环境中浸泡60 d、90 d、120 d后，与同样温度且无持续荷载的GFRP筋相比，强度保留率分别减少了5.7%、9.3%和6.0%.这表明持续荷载水平对GFRP筋抗拉强度退化有较大影响，且随着温度的升高，持续荷载所造成退化的效果愈加显著.

图4 不同持续荷载下GFRP筋抗拉强度保留率Fig.4 Tensile strength retention of GFRP bar under different sustained load

综上所述，持续弯曲荷载加速了GFRP筋抗拉性能的老化速率.究其原因有二，一是持续荷载使混凝土试件表面产生微裂缝，并逐渐与混凝土内部初始微裂缝相互连通.这些连通的微裂缝形成了潜在的传输通道，为侵蚀性离子进入混凝土内部提供了额外的途径[10]，加速GFRP筋表层树脂的水解反应速率，从而降低了筋体抗拉强度；二来本试验中GFRP筋处于混凝土试件受拉区，在持续弯曲荷载作用下处于受拉状态.根据材料的力学特性，材料在拉应力作用下体积会增大，且增大的部分主要是由于筋体内部纤维和树脂之间界面层粘结性能退化导致结构松散所致.一般来讲，这种松散的程度与荷载的大小呈正比关系.文献[8]中对GFRP筋在不同应力水平下抗拉性能的试验研究证实了这一点.筋体内部致密性的降低将导致水分子的扩散速度加快，随着化学反应的进行，纤维和树脂之间界面层的逐渐发生脱粘、分层的现象，导致GFRP筋抗拉强度的严重退化.图5给出了GFRP筋在混凝土环境中抗拉强度退化机理示意图.

图5 GFRP筋在混凝土环境中抗拉强度退化机理示意图Fig.5 Schematic diagram for the tensile strength degradation mechanism of GFRP bar embedded in concrete environments

3 混凝土环境中GFRP筋强度预测

3.1 退化模型选择

目前国内外学者在针对短期试验数据对长期使用寿命作出预测时，通常采用Arrhenius方程对不同温度下的GFRP筋抗拉强度退化速率进行分析.根据Arrhenius方程，碱环境下GFRP筋的抗拉强度退化速率可以用式(1)表示[14].

k=Aexp(-Ea/RT)

(1)

式中：k为GFRP筋抗拉强度退化速率；A为退化过程中材料特征常数；Ea为活化能；R为摩尔气体常数；T为环境绝对温度.基于Arrhenius方程进行强度预测需满足一定的假设条件：①材料在腐蚀过程中退化机理不能随时间和温度的变化而改变，即腐蚀过程中有且仅有一种退化机理；②退化速率会随着温度的升高而增加；③不考虑材料的几何形状对抗拉强度退化速率的影响.

将式(1)取倒数后两边同时取对数，可得式(2)：

生3：詹天佑你是多么认真呀！“大概、差不多”不能说，真是精益求精。而我呢，做事学习总抱有“马马虎虎，差不多就行了”的态度，看来，我今后无论做什么也该一丝不苟呀！

ln(1/k)=Ea/RT-lnA

(2)

从式(2)可见，时间的对数与环境绝对温度的倒数成线性关系，其中斜率为Ea/R.

目前常用的基于Arrhenius方程的退化模型主要由三种形式：

Y=alog(t)+b

(3)

(4)

Y=100exp(-t/τ)

(5)

式中：Y为抗拉强度保留率(%)；t为暴露时间，a、b均为退化常数，τ为与温度有关的退化常数，D为扩散系数，C为溶液浓度，r为筋体半径.Bank[11]等均采用式(3)中模型对GFRP筋剩余强度进行了研究，预测结果能较好反映暴露时间与抗拉强度保留率之间的关系.将本文试验数据用式(3)进行拟合后发现，不同温度之间的拟合直线并不相互平行，这与Arrhenius方程的假设条件相违背.式(4)中模型由Uomoto[12]基于Fick扩散定律提出，Tannous和Saadatmanesh[13]等采用此模型对FRP筋在盐和碱环境下剩余抗拉强度随时间变化的规律进行了研究.众所周知，当FRP筋浸泡在高温水溶液中时，抗拉强度会出现一定程度的衰减，但是由式(4)可知，FRP筋处于浓度为零的水溶液中时抗拉强度保留率为定值，显然与试验结论不符.Chen[14]等将式(3)进行改进，得到式(5)模型，此模型假设GFRP筋抗拉强度的退化是由于纤维与树脂之间的界面层脱粘、分层所致，这与已有的文献中通过SEM得到的退化机理一致.因此，本文采用式(5)退化模型对无持续荷载混凝土环境中GFRP筋的剩余抗拉强度进行预测.

根据式(5)对本文试验数据进行拟合分析，如图6(b)所示.可得到τ值，如表4所示.从表中可以看出，三条曲线的拟合相关系数均大于0.90，表明式(5)模型对实际混凝土环境中GFRP筋抗拉强度预测同样适用.

图6 抗拉强度保留率拟合曲线Fig.6 Fitted curves for tensile strength retention

表4 拟合参数及相关系数Tab.4 The fitting parameters and the correlation coefficient

3.2 强度预测

如图7所示，不同温度下GFRP筋抗拉强度保留率达到60%、70%、80%和90%所需时间可由式(5)和表4得到.根据最小二乘法，采用式(2)对图7中数据进行拟合，四条曲线近乎为平行关系，可以得到斜率Ea/R的取值，如表5所示.可以发现，曲线斜率约为5 881，且相关系数均大于0.97.

图7 不同温度下GFRP筋达到相应抗拉强度保留率所需时间的拟合曲线Fig.7 Fitted curves for the time needed to reach a given tensile strength of GFRP bars under different temperature

表5 回归方程的相关系数Tab.5 Coefficients of regression equations

根据Arrhenius方程，可以求得不同温度下达到相同腐蚀程度所需时间的比值，即时间转换系数，如式(6)所示：

(6)

根据中国气象科学数据共享服务网提供的数据资料，北京、武汉、广州的年平均温度分别为11.2 ℃、16.6 ℃和21.8 ℃，可以通过式(6)得到北京、武汉、广州三地自然老化环境温度与不同加速环境温度之间的时间转换系数，如表6所示.

表6 时间转换系数Tab.6 Time shift factor

图8 不同年平均温度环境下GFRP筋抗拉强度预测曲线Fig.8 Tensile strength predicted curves of GFRP bars at different mean annual temperatures

表7 预测曲线回归方程系数Tab.7 Coefficient of the regression equations for the predicted curves

利用式(5)对图8中数据进行拟合，可以得到拟合参数，如表7所示.北京、武汉、广州地区实际混凝土环境中GFRP筋抗拉强度保留率随时间的变化规律进行了预测，可以发现，随着年平均温度的升高，GFRP筋抗拉强度的退化趋势在逐渐增大.在年平均温度为11.2 ℃、16.6 ℃和21.8 ℃的地区，实际混凝土环境中GFRP筋的剩余抗拉强度达到50%时分别需要13.4年、9.1年和6.4年.