BFRP筋增强珊瑚混凝土耐久性研究进展

陈红梅，刘玉涛，关纪文

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，桂林 541004;2.南宁学院土木与建筑工程学院，南宁 530200)

0 引 言

随着我国经济的飞速发展，大量新建建筑物拔地而起，导致淡水、砂石资源供应矛盾加剧；同时，在远海岛屿工程建设上，混凝土拌合骨料的来源是海洋工程开发亟待解决的问题之一。我国海岸线较长，对于海洋工程及沿海基础设施建设而言，钢筋混凝土结构中的钢筋受到海水中氯离子等有害物质的侵入易发生锈蚀[1-2]，致使建筑物在达到设计使用年限前便出现结构损伤等耐久性问题。

基于钢筋锈蚀问题，研究者提倡使用环氧涂层钢筋、镀锌钢筋、不锈钢钢筋等作为结构受力筋，或采取在混凝土内添加钢筋阻锈剂、混凝土表面涂层及加设防腐蚀面层等措施[3]。更有学者深入探索得知：海洋中丰富的珊瑚资源具有节约建筑材料成本的优势，远海岛礁工程建设可秉承因地制宜、就地取材的原则，以珊瑚礁砂替代普通砂石，并加入海水拌制成珊瑚混凝土(coral concrete)；同时，纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer, FRP)筋得益于其优良的抗腐蚀特性与高抗拉强度，可置换易锈蚀的普通钢筋，珊瑚混凝土与FRP筋的结合是解决普通砂石骨料紧缺、钢筋锈蚀等问题的最佳选择。FRP筋种类多样，可由不同类别的塑料纤维增强体与聚合物树脂基体经特定工序制作而成，其中，由新兴高性能玄武岩纤维充当重要组成成分的玄武岩纤维增强复合材料(basalt-fiber reinforced polymer, BFRP)筋成为现有FRP筋体系的补充，但目前关于BFRP筋的研究相对有限，其探索空间极大[4-7]。

鉴于BFRP筋与珊瑚混凝土均为新兴建筑材料，其力学行为、本构关系与普通钢筋和普通混凝土相异，BFRP筋增强珊瑚混凝土耐久性问题值得深入探究。本文先对BFRP筋及珊瑚混凝土进行材料基本性能介绍，在此基础上，对国内外有关BFRP筋的耐久性、珊瑚混凝土的耐久性、BFRP筋-珊瑚混凝土的界面粘结耐久性及BFRP筋增强珊瑚混凝土的结构耐久性四个方面的内容进行归纳梳理，其研究进展脉络图如图1所示。

图1 BFRP筋增强珊瑚混凝土耐久性研究进展脉络图Fig.1 Research progress map of durability of BFRP bars reinforced coral concrete

1 BFRP筋及珊瑚混凝土的基本性能

1.1 BFRP筋的基本性能

已有研究[8]表明，玄武岩纤维是一种非金属类的人造无机纤维，它是以火山岩为主原料并在1 500 ℃高温中熔制后提取而成，相较其他类型的纤维材料具有生态环保、比强度高、热稳定性好、耐水性佳等优点。BFRP筋的制作工艺为：先将玄武岩纤维挤压成型后浸染一定比例的环氧树脂进行胶合，再掺入适量的外加剂进行拉挤、固化。BFRP直筋与箍筋如图2所示。为提高BFRP筋的强度利用率，以保证筋体与混凝土之间有良好的粘结性能，除了光杆筋外，常将BFRP筋表面制成规律的凹凸花纹状或进行喷砂处理，如螺旋状缠绕的带肋螺纹筋、表面喷砂筋等。

图2 BFRP直筋与箍筋[9]Fig.2 BFRP straight bars and stirrups[9]

图3 BFRP筋与钢材的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of BFRP bars and steels

BFRP筋与普通钢材的基本力学性能参数如表1所示[9-10]。与普通钢筋(以HRB400钢筋为例)相比，BFRP筋质轻(约为普通钢筋的1/6～1/4)、抗拉强度高，而其弹性模量与延伸率均低于普通钢筋，是一种破坏突然的脆性材料。BFRP筋与钢材的应力-应变曲线如图3所示。普通钢筋具有鲜明的屈服点与屈服台阶，是延性特征显著的弹塑性材料；而BFRP筋应力-应变(σ-ε)曲线[11]与硬钢(以钢绞线为例)的应力-应变曲线发展形式趋同，均呈线性增长，无任何屈服点。纤维种类与含量、树脂种类均为BFRP筋线膨胀系数的影响因素，而特殊之处在于，树脂性能对BFRP筋横向线膨胀系数的影响明显高于玄武岩纤维性能对筋体纵向线膨胀系数产生的影响，较高的横向线膨胀系数会造成筋材-混凝土界面粘结减弱、混凝土膨胀破裂及预应力受损的危害。但BFRP筋与普通钢筋、钢绞线的纵向线膨胀系数差异不大，均与混凝土的线膨胀系数(10×10-6～15×10-6℃)接近，说明BFRP筋具有与混凝土协同工作的基础。

表1 BFRP筋与普通钢材的基本力学性能参数[9-10]Table 1 Basic mechanical performance parameters of BFRP bars and ordinary steels[9-10]

1.2 珊瑚混凝土的基本性能

珊瑚混凝土是将珊瑚礁破碎成不同粒径珊瑚骨料后，以珊瑚碎屑作粗骨料，珊瑚砂充当细骨料，加入海水拌养而成的一类天然轻骨料混凝土。根据骨料组成的不同，可分为全珊瑚混凝土、珊瑚骨料混凝土及珊瑚砂混凝土[12]。其中，珊瑚礁是一种富含碳酸钙(CaCO3)矿物成分的特殊有机岩质体，广泛分布于海洋地区的深海、浅海区域，对于岛礁工程建设来说，就地取材是可行之举。珊瑚碎屑与珊瑚砂实物图如图4所示：珊瑚碎屑粗骨料多为灰白色，表观多孔、质量轻且形状不规则，其表观密度约为1 800 kg/m3，堆积密度约为1 000 kg/m3，孔隙率接近50%[13]；细骨料为乳白色颗粒状，由细小珊瑚掺加少量贝壳碎片构成。由图5珊瑚混凝土的破坏剖面可知：珊瑚骨料与水泥浆体之间握裹紧密，同时含有较多大小不一的空洞；受制于珊瑚骨料自身强度低、脆性大等缺点，混凝土破坏过程中裂缝的穿透作用致使大部分珊瑚粗骨料破碎。

图4 珊瑚碎屑与珊瑚砂实物图Fig.4 Physical pictures of coral debris and coral sand

现有研究主要集中于珊瑚混凝土的适用性[14]、单轴抗压本构关系与基本力学性能[15-19]、脆性特性[20]等。然而，由于珊瑚骨料孔隙率高、渗透性强，含氯盐成分的侵蚀物质可轻易进入混凝土内部，故珊瑚混凝土结构会面临保护层开裂与脱落、内置钢材锈蚀等耐久性问题。

由于混凝土骨料组分性能的不同，珊瑚混凝土与普通混凝土单轴受压本构关系存在差异，其应力-应变(σ-με)曲线如图6所示。胡乔等[21]研究发现，二者区别如下：

(1)珊瑚混凝土应力-应变曲线的线性特征显著。珊瑚骨料与普通砂石骨料相比，强度较低，脆性大，且其形状各异、表面多孔，使水泥浆和骨料能够粘结紧实，破坏裂缝出现较迟，故刚度变化小，线性阶段较长。

(2)珊瑚混凝土破坏时极限应变较小。与高强度的普通砂石骨料不同，珊瑚混凝土抵抗变形的能力较弱，其受压破坏时裂缝直穿低强度珊瑚骨料，裂缝发展后破坏迅速。

图5 珊瑚混凝土破坏面Fig.5 Failure surface of coral concrete

图6 珊瑚混凝土(SC40)与普通混凝土(C40) 应力-应变曲线对比[21]Fig.6 Comparison of stress-strain curves for coral concrete (SC40) and common concrete (C40)[21]

2 BFRP筋及珊瑚混凝土的耐久性

2.1 BFRP筋的耐久性

目前，FRP筋暴露于腐蚀环境后，其拉拔强度、弯曲强度、拉伸强度、层间剪切强度及横向剪切强度等机械性能测试的规范极为丰富[22-26]。对于FRP筋抗压强度的试验虽取得一定进展[27-28]，但抗压性能测试标准尚未达成一致。与此同时，BFRP筋在恶劣环境中宏观与微观损伤程度、劣化机理等长期性能研究内容上存在局限性，制约其的广泛应用。下面针对不同腐蚀环境类别、疲劳与徐变物理作用等因素，对BFRP筋耐久性的试验研究展开陈述。

(1)腐蚀溶液作用

较多学者将BFRP筋放置于模拟的酸、碱、盐等腐蚀溶液及蒸馏水中进行材料耐久性测试，研究腐蚀溶液的侵入对筋体表观形貌及各项力学性能造成的影响。金汉林等[29]通过试验发现：腐蚀后的BFRP筋存在颜色变黑、树脂基体脱落与体积膨胀等现象；随着腐蚀周期的增长，出现白色泡沫附着于筋体且局部有蚀坑；酸碱腐蚀溶液会对筋材的抗拉、抗压及抗剪强度分别造成不同程度的衰减，抗压和抗拉强度受酸性溶液影响较大，抗剪强度和极限拉应变受碱性溶液影响较大，且同条件下BFRP筋的抗酸性能优越[30]。

在此基础上，有学者提出升高腐蚀环境温度的建议，并发现不同温度使BFRP筋微观性能及力学性能的损伤产生差异。吴敬宇等[31]指出：随着温度的增加，蒸馏水和碱性腐蚀溶液下BFRP筋微观损伤程度存在差别，高温下的蒸馏水或碱性溶液均对筋体内部玄武岩纤维组分腐蚀损伤程度显著，纤维表面出现明显的刻蚀并呈片状剥离；同时，碱性腐蚀作用下的筋体内部结构疏松，其腐蚀程度远大于蒸馏水环境。Massou[32]指出在不同温度的海水浸泡腐蚀下，BFRP筋的拉伸性能、抗折强度(三点弯曲性能)和平面抗剪强度变化规律不同。海水腐蚀与温度的耦合作用，导致树脂-玄武岩纤维的粘结力降低，试件的拉伸性能大大衰减；在20 ℃与40 ℃下，筋材的剪切强度略微增加，而60 ℃下显著降低。与此同时，Rifai等[33]将BFRP筋暴露于不同温度的碱性环境中进行不同周期的腐蚀，探索拉伸强度、吸湿率、基体消化率和微观组织特征之间的关联性。在40 ℃的碱性溶液中，BFRP试件的抗拉强度保留率与潮湿混凝土环境下的试件相同，但随着温度与腐蚀时间的增长，碱性溶液下BFRP筋的抗拉强度保留率仅71%。原因在于，BFRP筋在碱性溶液下比潮湿混凝土环境下具有更高的吸湿率，且随着腐蚀龄期的延长和温度的升高，纤维的吸湿量不断增加，纤维-基体界面粘结度降低，故筋材的拉伸强度降低[34]。并指出，在较高温度的持续腐蚀作用下，筋体内部纤维-基体界面发生分离，基体解体后出现较多微间隙，温度越高，纤维的周向剥离与基体的崩解程度越高。

在相同的腐蚀溶液环境中，混凝土保护作用下的BFRP筋与直接受腐蚀溶液作用的BFRP裸筋相比，两者的力学性能衰减程度不同。Lu等[35]对海水海砂混凝土包覆后的BFRP筋进行力学性能试验，发现碱性养护溶液相对于水溶液对混凝土内筋体的侵蚀程度更大，在混凝土保护下碱性溶液仍是造成BFRP筋性能退化的主导因素。但较厚的珊瑚混凝土保护层，可减少碱溶液对混凝土内BFRP筋的损伤。

综上，关于BFRP筋材料耐久性的现有研究，主要集中在将其放置于pH值不同的酸、碱、海水和中性蒸馏水溶液中，并通过提高温度以达到加速腐蚀的效果，但并未设置其在紫外线环境、冻融循环及海水潮汐区环境下的研究。鉴于各学者采取的试验控制因素、原材料性能参数及腐蚀龄期不同，BFRP筋的材料耐久性存在些许差异，但腐蚀溶液的侵蚀程度大致趋势仍为：碱性溶液>中性蒸馏水溶液>酸性溶液>海水溶液，且腐蚀环境温度越高，BFRP筋损伤程度越大。

(2)高温作用

在腐蚀溶液作用下，温度可起到一定的加速腐蚀效果，同时对BFRP筋力学性能造成一定损伤，故探求BFRP筋在高温(诸如火灾等)环境下的力学性能尤为重要。与腐蚀溶液作用下的试验研究相比，BFRP筋在高温作用下的研究非常少，应给予一定重视。

唐利等[36]研究高温对BFRP筋拉伸、抗压与抗剪力学性能产生的影响，并观察到高温作用后的试件外观形态和破坏模式存在明显差异。温度的升高使筋体表面的颜色由浅灰色变成炭黑色，高温作用后拉伸试验中的BFRP筋纤维-树脂的粘结力变弱导致树脂脱落，与纤维丝分离；温度的升高与筋体力学性能的损伤呈正相关增长，BFRP筋的各项力学性能参数均降低；当温度升高至350 ℃时，筋材的抗拉与抗压强度降低极为显著，高达88.50%和77.75%。基于试验结果，在获取BFRP筋应力-应变本构关系的基础上，建立其在高温作用下力学性能参数的退化模型。

(3) 疲劳与徐变物理作用

疲劳现象指在反复荷载作用下，拉索结构不可避免地遭受应力集中或在材料不均匀位置处产生裂纹，多发生于桥梁、体育馆、核电站等建筑物上。但迄今为止，BFRP拉索尚未得到应用。徐变则指在长期的静载作用下，筋体内部缺陷部位的纤维极易发生断裂，并延展至周围的树脂基体发生蠕变。因BFRP筋为脆性材料，其破坏具有突然性，故应对BFRP筋的徐变断裂性能给予重视。

Wang等[37]指出BFRP筋的疲劳破坏主要是由筋的外层纤维-树脂基体界面脱粘引起的，并建议BFRP筋的允许应力为极限抗拉强度的4%，在疲劳荷载作用下其最大应力要保持在极限抗拉强度的53%以内。同时，疲劳荷载对BFRP筋的弹性模量未造成影响，表明将其作为结构增强筋时刚度受到的影响很小。Shi等[38]对经受海水腐蚀后的BFRP筋开展疲劳试验，发现疲劳退化的机理源于纤维-树脂基体界面退化，弱界面容易受到疲劳载荷的影响，使筋的疲劳寿命缩减。

Wang等[39]通过分析试验中BFRP筋的徐变速率、不同应力水平下的徐变-时间关系、持荷1 000 h后未断裂试件的剩余强度，以及100万h的徐变断裂应力预测，发现在持续加载1 000 h后，BFRP筋剩余强度仍达到初始抗拉强度的95%左右，并基于可靠性分析，得出BFRP筋的徐变断裂应力极限可采用其抗拉强度的52%。Banibayat等[40]在温度为60 ℃时，模拟分析混凝土碱性溶液与荷载耦合作用下BFRP筋的徐变断裂性能，指出对使用年限较短的结构进行设计时，应采取与时间相关的徐变断裂应力极限。建议结构使用寿命为5年和50年的建筑物，BFRP筋的徐变断裂强度系数分别取其极限抗拉强度的28%、18%，并预测BFRP筋在114年后的徐变系数约为13%。

2.2 珊瑚混凝土的耐久性

对于珊瑚混凝土的耐久性，现主要研究其弹性模量、抗碳化、抗有害离子侵入及干燥收缩等方面的性能，结果表明，加大珊瑚混凝土的密实度可增强其抗腐蚀性能,在拌养珊瑚混凝土时掺加纤维、矿物掺合料等活性材料制成改良型混凝土有利于提高其耐久性。

混凝土的弹性模量是影响结构刚度和耐久性的重要因素，但珊瑚混凝土弹性模量低于普通混凝土，原因在于珊瑚骨料自身孔隙率高且弹性模量低，导致珊瑚混凝土弹性模量低。混凝土的碳化是一个复杂过程，也是混凝土结构耐久性问题的隐患，在珊瑚混凝土硬化过程中Ca(OH)2的存在填补了珊瑚骨料凹凸多孔的缺陷，使珊瑚混凝土的抗碳化能力高于普通混凝土。陈爽等[41]通过加速碳化试验探索了影响珊瑚混凝土碳化的因素，发现碳化深度与水灰比、粉煤灰外加剂掺量、碳化龄期成正比，与水泥用量成反比。同时，针对珊瑚混凝土具有初始氯离子含量高、表面自由氯离子含量高和表观氯离子扩散系数高的“三高”氯离子扩散特征[42-43]，提出采用硫酸镁水泥或延长珊瑚混凝土养护龄期均可降低氯离子的侵入速度[44]。余强等[45]调查研究西沙地区某岛屿上海水-珊瑚礁砂混凝土的耐久性问题，通过单因素影响分析法，发现影响珊瑚礁砂混凝土耐久性的因素有氯离子、镁离子、硫酸盐、二氧化碳、强紫外线及高温严酷环境。混凝土的收缩程度可影响其裂缝的形成和发展，陈飞翔等[46]的试验表明珊瑚骨料的“微泵”特性能使自身完成内养护，在此基础上，水泥的水化产物Ca(OH)2可填充珊瑚骨料的孔洞，使骨料与水泥浆体界面区的密实度、粘结力大大提升，这对抑制珊瑚混凝土的干燥收缩有一定成效。有研究者发现，将玄武岩纤维加入珊瑚混凝土后，其力学性能与CaCO3吸水率呈先增后降的趋势，纤维的定量掺入会起到改善珊瑚混凝土耐久性的作用[47]。

现工程领域中珊瑚混凝土的应用多为离岸海岛工程，长期处于高温、高盐、台风与潮汐等恶劣环境中，这些恶劣的条件对珊瑚混凝土结构安全具有极大的威胁，会造成混凝土保护层胀裂与脱落、内置钢材锈蚀、箍筋锈断，甚至会带来结构垮塌。耐磨与抗冲刷性能、已有的耐久性影响因素协同作用对珊瑚混凝土的损伤情况研究较为匮乏。同时，随着全球气候变暖、污染物排放超标、海洋吸收过量CO2造成海水酸化等现象加剧，不可避免地导致海水污染及海洋生态破坏，但尚未有海洋环境变化及海洋微生物侵蚀对珊瑚混凝土耐久性影响的研究，应予以重视。

3 BFRP筋-珊瑚混凝土的界面粘结耐久性

对钢筋混凝土结构而言，筋材与混凝土粘结作用力的长期持续完整极其关键。与普通钢筋混凝土中混凝土被钢筋肋剪坏的粘结破坏形式不同，对于FRP筋混凝土来说，在混凝土强度大于30 MPa时，主要出现混凝土剪坏FRP筋肋现象，此时纤维与树脂基体的剪切强度控制着FRP筋的粘结能力[48]。但现有研究多集中于BFRP筋、珊瑚混凝土的材料耐久性方面，两者协同作用的粘结锚固机理较为缺乏，BFRP筋-珊瑚混凝土的界面粘结耐久性值得深入探索。

杨超等[49]、高傲等[50]、Dai等[51]针对不同直径、不同粘结长度与不同养护环境下的BFRP筋-珊瑚混凝土锚固粘结试件进行中心拉拔试验，发现在拉拔试件的破坏模式中，直径较小与粘结长度较短的试件因珊瑚混凝土提供的侧向约束力较强，极易发生BFRP筋的拔出破坏，其余为BFRP筋-珊瑚混凝土的劈裂破坏及珊瑚混凝土劈裂-BFRP筋拔出破坏，破坏形态如图7所示。海水环境对BFRP筋-珊瑚混凝土界面粘结造成一定影响，使残余摩擦应力和粘结应力下降，但不同形式海水环境造成的影响不同：海水潮汐环境下残余摩擦应力和粘结应力逐步下降，而浸泡环境下的残余粘结应力则先上升后降低。如图8所示，在创建BFRP筋-珊瑚混凝土粘结应力-滑移(τ-s)本构关系曲线基础上，推导出上升段、下降段、残余段3个阶段的本构方程(式(1)～(3))，试验数据在模型验证中高度吻合。Wu等[52]发现筋体带肋表面与覆砂表面的不同使BFRP筋在珊瑚混凝土中的粘结性能存在差异，带肋表面可以实现筋材与混凝土更好的机械联结，与普通混凝土相比，珊瑚混凝土与BFRP筋之间具有相当的粘结强度。

上升段：(0

(1)

(2)

残余段：(s1

τ=τ1+γ[e-δω(s-s1)·cosω(s-s1)-1]+ρ(e-δω(s-s1)-1)

(3)

式中：τu为粘结应力-滑移曲线的第一峰值点A对应的粘结应力；τ1为第一低谷点B对应的粘结应力；su为第一峰值点A的滑移值；s1为第一低谷点B的滑移值；β,sr,γ,ρ,ω,δ均为试验参数。

图7 BFRP筋-珊瑚混凝土试件的粘结破坏形态[49-51]Fig.7 Bonding failure patterns of BFRP bars and coral concrete specimens[49-51]

图8 BFRP筋-珊瑚混凝土的粘结应力-滑移(τ-s)本构关系曲线[51]Fig.8 Bond stress-slip (τ-s) constitutive curve of BFRP bars and coral concrete [51]

我国《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)对普通混凝土与热轧带肋钢筋的粘结应力-滑移(τ-s)本构关系已给予明确规定，但约束筋材-混凝土粘结力的因素诸多，如混凝土的种类与强度、骨料颗粒级配、粘结锚固筋材的种类与强度等力学参数、箍筋的配置、养护环境的类别。在非恶劣环境下，对于FRP筋(多为CFRP筋、GFRP筋)与普通混凝土的界面粘结性能研究已取得丰硕成果，受制于珊瑚混凝土与普通混凝土不同，要深入展开BFRP筋-珊瑚混凝土粘结滑移本构关系的试验研究，才能精确剖析其界面粘结耐久性的机理。

4 BFRP筋增强珊瑚混凝土的结构耐久性

4.1 试验研究方面

鉴于对试验室条件、科研成本与耐久性时长的考虑，目前FRP筋增强珊瑚混凝土结构耐久性层面的研究远远不够，BFRP筋增强珊瑚混凝土结构的耐久性试验研究更是非常少。现有研究局限于BFRP筋增强其他种类混凝土结构的耐久性，诸如：BFRP筋增强海水-海砂混凝土梁的抗弯性、疲劳性试验[53-56]，BFRP筋增强普通混凝土梁在冻融循环、疲劳荷载下的力学性能[57-59]。而采用其他筋材增强珊瑚混凝土结构耐久性方面，仅涉及BFRP筋增强珊瑚混凝土梁、柱的力学性能研究[60-63]，对其耐久性方面的研究极其空缺。

在不同干湿循环次数与不同温度环境下，金云东[64]对10根BFRP筋增强珊瑚混凝土梁进行受弯性能试验，从极限承载力、破坏形式、挠度分布及裂缝发展模式等方面，对岛礁环境下BFRP筋增强珊瑚混凝土梁的力学性能退化规律展开分析。随着温度、腐蚀龄期的增长，BFRP筋增强珊瑚混凝土梁的破坏模式由受弯破坏向弯剪破坏、剪压破坏转变。这与普通钢筋-珊瑚混凝土梁只发生正截面受弯破坏，且最终破坏形式为受压区混凝土压碎有较大区别。汤杰[65]将珊瑚礁砂混凝土和BFRP筋组合后制成梁、板构件，发现BFRP筋-珊瑚混凝土板在冲切试验下发生斜拉破坏，且BFRP筋作为双向板的增强筋具有优越的工作性能；并在不同温度下对BFRP筋-珊瑚混凝土梁进行海水干湿与静力加载耦合作用的腐蚀试验，该梁的破坏模式为剪-压破坏，抗弯刚度有所提高。

钢筋混凝土构件的承载性能劣化必然会影响整个建筑结构的安全性。对于BFRP筋增强珊瑚混凝土结构耐久性来说，除了对梁、板构件长期力学性能有少量研究之外，受压柱的耐久性研究几乎空缺。而在实际工程建设中，受压柱作为承担竖向荷载的结构，其承载性能与耐久性是决定工程质量安全的关键之处，故BFRP筋增强珊瑚混凝土结构的试验研究仍有较大的探索空间。

4.2 耐久性设计方面

混凝土结构耐久性设计包括两个方面，一个是依据已有材料的耐久性上升到对结构耐久性的设计，二是针对结构的现有情况推测未来的使用寿命。现行美国ACI440.1R—2015[66]、中国GB 50608—2010[67]、欧洲FIB Bulletin 40[68]与FIB-MC 2010[69]、意大利CNR-DT 203/2006[70]、日本JSCE—1997[71]、加拿大CSA-S806-02[72]等规范对FRP筋增强混凝土结构耐久性已有一定的认知，并引入环境影响折减系数、修正因子等对腐蚀环境作用下的FRP筋进行约束。但相关的耐久性试验研究较为缺乏，规范中材料安全系数取值保守，削弱了FRP筋在混凝土中应有的优势。基于上述各国研究提出的FRP筋增强普通混凝土结构耐久性设计的相关规范，均得到工程界的一定认可。但关于BFRP筋增强珊瑚混凝土结构耐久性设计的相关标准、规程依旧空缺，故应进行深入研究，以保证BFRP筋-珊瑚混凝土结构应用于实际工程的安全性、可靠性。

4.3 寿命预测方面

基于余红发[73]修正的氯离子扩散模型和寿命分析软件ChaDuraLife V1.0，达波等[74]对失效概率为5%～10%的全珊瑚海水混凝土(coral aggregate seawater concrete, CASC)结构进行寿命预测，并提出海洋工程中的CASC结构应设置高于C50的混凝土强度值，且混凝土保护层厚度应大于7.5 cm，便可延长其结构服役寿命。Li等[75]综合运用Fick和Arrhenius退化模型对珊瑚混凝土中的BFRP筋进行寿命预测，试验值与模型拟合值相符。刘志勇等[76]在考虑温度加速系数渗入的Arrhenius公式基础上，添加了湿度加速系数与温差应力加速系数后得到加速因子(F)的计算公式(式(4))，有效地将加速试验得到的BFRP筋寿命转化为正常使用状态下的寿命。

(4)

式中：Ea为失效反应的活化能；K为Boltzmann常数；Tenvir为正常工作下的温度；Tacce为加速试验下的温度；Henvir为正常工作相对湿度；Hacce为加速试验相对湿度；ΔTenvir为正常工作下的温度变化；ΔTacce为加速试验下的温度变化。

综上，制约混凝土结构耐久性的因素复杂不一，已有的试验研究、结构耐久性设计规范与寿命预测计算模型难以准确反映实际的设计与施工。针对BFRP筋与珊瑚混凝土这两种新型材料而言，应在现有FRP筋增强混凝土结构设计及寿命预测模型基础上，开展大量试验研究进行校验创新，尤其是结构的抗腐蚀性能、动态性能和疲劳性能监测等方面。

5 结论与展望

本文采取文献综合法，对国内外关于BFRP筋增强珊瑚混凝土耐久性工作进行一系列的梳理，发现在试验研究、设计规范及寿命预测方面仍缺乏全面性与系统性。为推广BFRP筋增强珊瑚混凝土在未来工程中的应用，广大科研工作者可进一步深入探索，将其耐久性的定性分析转变为量化研究。

(1)试验研究方面：现有的试验研究方法多为提高温度以实现加速腐蚀效果，模拟的腐蚀溶液环境并不等同于实际腐蚀环境，对真实服役环境下的试件展开试验，更能保证可靠度。试验研究对象集中于BFRP筋、珊瑚混凝土材料层面及BFRP筋-珊瑚混凝土界面粘结的耐久性，对BFRP筋增强珊瑚混凝土梁、板构件的耐久性也开展部分讨论，而受压柱的耐久性研究极为匮乏，已有的试验数据远不足以支撑起BFRP筋增强珊瑚混凝土结构耐久性的设计与应用，需扩充不同构件在腐蚀条件耦合作用下的耐久性研究。

(2)设计规范方面：现行规范对普通钢筋与普通混凝土的材料层面均有抗腐蚀等耐久性技术规程，但其对新兴建筑材料BFRP筋与珊瑚混凝土并非完全适用，不能直接套取。关于FRP筋暴露于腐蚀环境下的多项机械性能测试规范较为全面，而对于BFRP筋的各项研究尚不充分，且其在腐蚀环境下的受压表现尚不清晰。同时，BFRP筋-珊瑚混凝土的界面粘结耐久性与BFRP筋增强珊瑚混凝土结构耐久性的相关规范内容亟待补充。

(3)寿命预测方面：现有研究成果缺少对整个FRP筋体系增强珊瑚混凝土的结构寿命预测，同时，BFRP筋增强珊瑚混凝土的结构寿命预测也非常少，后期可通过大量试验及采用实地监测技术进行研究，有利于建立准确、科学的寿命预测模型。