玻璃纤维增强塑料筋材耐久性试验研究

2021-09-10安徽省公路桥梁工程有限公司安徽合肥230001

安徽建筑 2021年9期

程涛（安徽省公路桥梁工程有限公司，安徽合肥 230001）

钢筋混凝土由于具有受力性能良好、造价低廉等优势，因此在建筑工程中得到了广泛应用，但也存在钢筋的腐蚀严重、防腐蚀处理费用等诸多不利因素，特别是地下水丰富等周围复杂环境的地下工程，混凝土的耐久性很难得到保证，因此近年来国内外纷纷采用GFRP筋材（玻璃纤维增加塑料筋）来代替传统钢筋用于地下工程，由于这种材料具有抗拉强度高、密度较小、耐腐蚀、不导电不导磁等优点，因此，在地下工程中得到了广泛应用。GFRP筋材主要由玻璃纤维和环氧树脂所组成高分子合成材料，其物理力学性能受材料组成、制作工艺等因素影响，表现出很强的离散性特点，其中玻璃纤维是一种性能优良的无机非金属材料，其主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化硼、氧化镁、氧化钠等，但应用于地下结构工程时多遇酸性、碱性等复杂的地质环境，易出现老化严重、强度衰减的现象，因此，配置GFRP筋材的混凝土结构耐久性必然受到相互粘结、协同工作的结构组成材料的耐久性及周围工作环境所影响。

回顾国内外对于玻璃纤维增强塑料筋的研究，主要体现在GFRP筋材的基本物理力学性能、筋材锚固段和杆体最佳形式等几个方面，且集中于杆件的短期力学性能，缺乏对其长期力学性能的验证，未涉及实际复杂环境下GFRP筋材耐久性及抗腐蚀性研究，而实际工程中的GFRP筋材往往在早期力学性能能达到结构承载力要求，但材料本身在周围复杂环境下（酸、碱）的长期影响下，各项力学性能逐渐衰减，造成配置GFRP筋材结构物出现开裂、承载力不足等严重危害结构安全的后果，因此，开展GFRP筋材力学性能随时间及溶液溶度衰减规律就显得尤为重要。

本文通过高溶度加速老化试验，分别在酸性及碱性环境下对GFRP筋进行力学性能及质量的试验研究，分析GFRP筋在腐蚀条件下的力学性能衰减规律，揭示溶液浓度、腐蚀时间等因素对GFRP筋材力学性能的作用机理，从而为地下工程中的GFRP筋材防腐及耐久性研究提供理论依据。

1 试验材料

为研究腐蚀时间和腐蚀溶度这两种因素对GFRP筋材耐久性的影响，故在本次试验中采取三种不同腐蚀溶度，分别为D、50%D、25%D(D为最高溶度)，和三种不同腐蚀时间，分别为900小时、1200小时、1500小时。分别在酸、碱两种溶液中进行18组试验2*（900小时、1200小时、1500小时）*（D、50%D、25%D）。

试验采用Φ18螺纹GFRP筋材，将筋材切割编号，切割长度为500mm，共切割54根，分为18个组，每组三根。试验分别按时间因素及溶度因素控制下的腐蚀两种方式进行，编号采用透明胶带粘贴编号于GFRP筋材之上，编号规则为A（酸性）、B（碱性），腐蚀溶度分别为D1（最高溶度）、D2（50%最高溶度）、D3（25%最高溶度），浸泡时间分别为S1(900小时)、S2（1200小时）、S3（1500小时），则AD2S3表示筋材在50%最高溶度酸性溶液中浸泡1500小时。

2 试验方法

第一步：配置溶液。在自然环境中对材料的腐蚀主要有酸、碱性地质环境、海水环境、酸雨、砂浆、混凝土等，本次试验采用高溶度加速试验方法，酸性环境采用HSO配置，碱性环境采用NaOH配置，其具体溶液配置见表1。

第二步：筋材浸泡。将筋材编号后利用电子秤称重并进行记录，在6个水箱中分别加入20L水，并将按表1配置的腐蚀溶液倒入并搅拌均匀，将GFRP筋材按编号对应浸泡于各水箱中，分别在规定时间（S1、S2、S3）后取出，冲洗烘干后再次称重并记录。

腐蚀溶液溶度配置表1

第三步：抗拉试验。试验参考美国ACI440.3R-04中的相关试验方法，因GFRP筋材横向抗压和抗剪强度较低，为防止夹持部分出现提前压碎的无效破坏，需对GFRP筋材夹持端进行清洗处理，并使用玻璃纤维布和环氧树脂进行包裹。试验在万能材料试验机（CSSWAW500DL）上进行，施工连续外荷载时每隔2kN读取应变值，直到试件破坏，从而获得GFRP筋材应力与应变关系曲线。

3 酸性环境下腐蚀试验研究

当GFRP筋材在酸性环境时，酸性物质向GFRP筋材基体扩散，导致纤维与树脂基体剥离，并存在一定程度的水解，水解使分子链发生断裂或降低交联网络的固化度，使得玻璃纤维中Ca元素显著减少，当环境中含有SO2离子时，杆体材料会发生反应生成CaS0并溶于环境中，从而导致GFRP筋材强度及弹性模量值下降。现有文献在30d、60d酸性腐蚀试验的结构表明：试件表面和直径并无明显变化，其抗拉和抗剪强度有所降低。

从腐蚀结果的表面现象上看，D3S1的一组GFRP筋材表面未发生明显化学反应，杆体外观基本无明显变化；D3S2、D2S1这两组GFRP锚杆杆体外观局部区域出现白色；其他各组杆体表面随着酸性溶液溶度的不断增大及腐蚀时间的不断增长，锚杆表面呈现灰白色的深度不断增大，说明杆体发生化学反应的程度越发强烈。当溶度达到最高溶度后，在腐蚀时间达到1500小时后，玻璃纤维中Ca元素与溶液中离子发生反应生成类似CaSO附着于筋材表面，故杆体呈现灰白色。

①重量变化情况

试验结束后，用水冲洗试件并静置半小时再烘干称重，腐蚀前后重量对比如表2所示。

由表2可知，在25%最大溶度的酸性溶液浸泡时，当腐蚀时间由900小时增加到1500小时后，其重量减小幅度仅从0.027%增加到0.041%；而在最大溶度浸泡时，其重量减小幅度由0.112%增加到0.160%，增加幅度相对较大，且减小重量值远大于25%溶度时的。当GFRP筋材浸泡在25%最大溶度、浸泡1500小时后，重量损失率为0.041%，而当GFRP筋材浸泡在50%最大溶度中浸泡900小时后，重量损失率为0.060%，说明筋材在低溶度时即使浸泡较长时间后的重量损失率还是小于高溶度时较短时间的重量损失率。说明腐蚀时间及溶液溶度均影响GFRP筋材的腐蚀程度，但溶液溶度的影响程度更为明显。

GFRP筋材腐蚀前后重量对比表2

②力学性能变化情况

按相关标准将腐蚀前后GFRP筋材进行对比拉拨试验，当GFRP筋材被拉断后立刻停止试验，记录相关试验结果，腐蚀前材料抗拉强度为706.9MPa、弹性模量为42.3GPa。腐蚀后筋材极限抗拉强度及弹性模量见表3所示。

GFRP筋材酸性环境腐蚀后力学性能表3

由表3可知，随着腐蚀时间及酸性溶液溶度的不断增加，GFRP筋材抗拉强度及弹性模量值均逐渐减小。在25%最大溶度的酸性溶液时，当腐蚀时间由1200小时延长到1500小时后，抗拉强度下降了近1.25%；而在最大溶度时，抗拉强度则仅下降了0.58%。因此，随着溶度增加，筋材抗拉强度随腐蚀时间增加而降低的幅值越发不明显。

从腐蚀机理来分析，筋材在腐蚀溶液内发生物理溶解或化学反应是造成GFRP杆体重量下降和抗拉强度及弹性模量降低的主要原因。在酸性环境下筋材部分酯化水解反应溶于水以及玻璃纤维中Ca元素与溶液中离子发生反应生成类似CaS0，导致结构遭到破坏。同时腐蚀使得玻璃纤维与树脂界面的粘结性能变差，造成拉伸试验时单位应力值所需的应变量增加，弹性模量值减小。在低溶度下筋材腐蚀不明显的原因是因在酸性条件下H要达到一定溶度后，筋材才能电离出部分Ca离子来发生化学反应，所以导致低溶度下筋材腐蚀失重率及抗拉强度和弹性模量下降并不明显。而筋材在酸性环境下先快后慢的腐蚀速率，是由于前期与溶液中S02离子反应生成的CaS0附着于玻璃纤维及树脂表面，阻碍了化学反应的进一步发展，进而导致后期腐蚀减缓，且溶度越大，后期减缓腐蚀越明显，腐蚀速率相应也随之减小。

4 碱性环境下腐蚀试验研究

当GFRP筋材在碱性环境时，碱性物质向筋材基体扩散渗透，加水分解引起树脂中酯结合生成羧酸(或其盐类)和乙醇，导致玻璃纤维成分的溶析和树脂的分解，其中筋材中部分硅元素生成氧化硅并溶于环境中，从而导致筋材强度下降。现有文献在GFRP筋材抗碱腐蚀试验结果表明：碱性环境下对筋材腐蚀性较强，杆体直径有所减少且表面颜色产生变化，对筋材杆体抗拉强度和剪切强度较酸性环境影响更大。

从腐蚀后表面现象上看，筋材在碱性环境下表面出现不同程度的灰白色，且白色深度随着腐蚀时间的增长及碱性溶液溶度的增大而逐渐加深。当腐蚀时间较长、溶液溶度较大时，筋材表面出现部分黏稠的熔胀现象，可能是因树脂中的酯发生水解反应结合生成盐类和乙醇，且玻璃纤维中Si元素与OH离子发生复杂化学反应，生成部分氧化硅等产物，导致筋材表面出现灰白色，且在长时间的碱性环境下会出现局部溶胀的现象。

①腐蚀重量的变化情况

试验结束后，将试件用清水冲洗后静置半小时再烘干后称重，在不同溶度、不同腐蚀时间下的腐蚀前后重量对比如下表。

由表4可知，在碱性腐蚀环境下，筋材重量下降在0.041%～0.208%之间，筋材重量下降速度在整个过程中基本相同；在低溶度时的重量损失率大约在0.05%；而当溶度增加到1.5%和3%时，其失重率增加到0.12%和0.18%左右，可以看出在碱性环境下，低溶度时杆体腐蚀程度相对较小，随着溶度的增加，杆体失重率并非线性增加，而是先大幅增加，后小幅增大。同一溶度时筋材腐蚀速度在整个过程中基本未发生变化，当在不同溶度时腐蚀速率不尽相同，当腐蚀时间由900小时增加到1500小时，溶度在相对较低溶度时所对应的损失率由0.041%增加到0.053%，增加幅度相对有限，而在相对较大溶度（3%溶度）时所对应损失率由0.158%增加到0.208%，增加幅度相对较大，说明溶度增加能显著提高筋材的腐蚀速率。

GFRP筋材碱性环境下腐蚀前后重量对比表4

从腐蚀机理来看，腐蚀环境为碱性溶液时筋材重量减少量较酸性腐蚀环境要大。这是由于在碱性环境中筋材中树脂发生分解反应引起树脂中酷结合生成酸以及部分氧化硅产物，且当反应量较多时产生溶胀现象，从而进一步促成水解反应，导致重量降低量大于酸性环境中的。

②腐蚀前后力学性能的变化

在现有规范条件下对腐蚀前后GFRP筋材进行拉拔试验，腐蚀前材料的抗拉强度为706.9MPa，弹性模量为42.3GPa；试验后GFRP筋材的极限抗拉强度及弹性模量见表5所示。

由表5可知，在最大溶度的25%、50%、100%时，抗拉强度减小幅度分别约为3.5%、9.5%、15%。当腐蚀时间由900小时延长到1500小时，在最大溶度25%碱性溶液时，抗拉强度降低幅度由3.57%增加到3.99%，变化幅度相对较小；而在最大溶度时，降低幅度由13.16%增加到16.71%，变化幅度相对较大。在最大溶度的25%、50%、100%时筋材弹性模量分别约为41.0GPa、39.5GPa、38.0GPa。当腐蚀时间由900小时延长到1500小时，在最大溶度25%时弹性模量减小率由2.08%增加到3.64%，减小幅度相对较小，而在最大溶度时的增加率由9.03%增加到12.42%，减小幅度相对较大。因此，随着腐蚀时间及碱性溶液溶度的不断增加，GFRP筋材的抗拉强度及弹性模量值均逐渐减小，且溶度越高，力学性能随腐蚀时间增加而衰减的幅度越发明显。