海洋环境下碳-玻璃纤维混杂筋吸湿行为和层间剪切性能研究

潘云锋 施佳君 俞一洵 咸贵军

(1.浙江理工大学建筑工程学院, 杭州 310018; 2.哈尔滨工业大学土木工程学院, 哈尔滨 150090)

0 引 言

钢筋混凝土结构采用海水海砂制备或暴露在氯盐环境(近海地区、海洋环境等)中,由于氯离子渗透引起钢筋锈蚀,导致混凝土结构过早面临耐久性问题。采用纤维筋替代钢筋增强混凝土结构,可以避免钢筋锈蚀问题,大幅提升结构在恶劣环境(如海水浸泡、盐雾、湿热环境等)下的使用寿命[1-3]。考虑到耐腐蚀性能和价格等因素,玻璃纤维筋(GFRP筋)广泛应用于海工结构中。通常混凝土孔溶液为碱性,pH值为12.4～13.7[4],孔溶液中OH-离子侵蚀玻璃纤维和环氧树脂基体,导致GFPR筋力学性能劣化[5-6]。因此,有必要开展GFRP筋在恶劣环境(如水、碱、盐环境等)下的耐腐蚀性能提升技术,延长GFRP筋增强混凝土结构的服役寿命。

随着老化时间增加、老化温度升高、pH值增大,GFRP筋力学性能退化[7]。在碱溶液(pH=12.7)下老化30 d和120 d,GFRP筋拉伸强度分别下降了2%和10%[8]。随着老化温度升高,GFRP筋拉伸强度进一步退化。碱溶液浸泡120 d后,60 ℃下GFRP筋拉伸强度比20 ℃下降了32%[9]。随着碱溶液pH值增大,GFRP筋力学性能进一步退化。在55 ℃碱溶液pH=13.6和pH=12.7下老化63 d,GFRP筋层间剪切强度分别退化了42%和14%[10]。

GFRP筋力学性能劣化主要来源树脂基体水解、玻璃纤维刻蚀和纤维-树脂界面脱黏[11]。纤维-树脂界面作用在于保证纤维和树脂通过界面传递应力,使得纤维和树脂协同受力,界面黏结的好坏对GFRP筋短/长期力学性能起着重要作用[12]。GFRP筋内树脂基体吸湿膨胀,形成湿应力,一旦湿应力超过纤维-树脂基体界面黏结强度,形成微裂纹,加速水分子、OH-离子迁移到GFRP筋内部[9, 13]。迁入的自由OH-离子与玻璃纤维反应,打断玻璃纤维的-Si-O-Si-主链,刻蚀玻璃纤维,促使裂缝进一步萌生、扩展,导致GFRP筋力学性能下降[4]。

相比玻璃纤维,碳纤维具有更高耐腐蚀性能[14],但其价格昂贵,较难制备成土木工程用筋材在混凝土结构中广泛推广应用。在GFRP筋外表面包裹高耐腐蚀的薄碳纤维层,制备碳-玻璃纤维混杂(HFRP)筋,阻隔玻璃纤维与OH-接触,解决玻璃纤维被OH-刻蚀问题,减缓GFRP筋力学性能劣化速率[15],实现海工结构用FRP筋低成本和高耐久性能的平衡。

水分子、有害离子由FRP筋表面向内部迁移,同时伴随着FRP筋由表及里梯度劣化[16]。碳纤维材料(CFRP)和GFRP材料的吸湿行为差异较大[17]。相似纤维体积含量下,CFRP材料的扩散系数比GFRP材料高出50%[18]。碳纤维-树脂和玻璃纤维-树脂界面厚度分别为约100 nm和100～300 nm,纤维-树脂界面饱和吸湿率、扩散系数均大于树脂基体[19]。碳纤维外层和玻璃纤维芯层复合后,其玻璃纤维、碳纤维交接界面纤维分布密集,水分子扩散路径复杂,且极易应力集中[20]。因此,水分子在HFRP筋内迁移和分布行为,与玻璃纤维芯层和碳纤维外层的吸湿行为均有关,由于两者纤维直径、纤维-树脂界面属性差异较大,有必要研究HFRP筋的吸湿行为,及其对HFRP筋力学性能的影响。

强碱溶液(模拟普通混凝土孔溶液)下HFRP筋力学性能演化规律的研究结果表明,碳纤维外包裹GFRP筋能够有效提升其耐碱性能,在21,40,60 ℃强碱溶液下老化140 d后,其层间剪切强度保留率分别比同等侵蚀条件下GFRP筋提高了7%、69%和38%[15]。实际海洋环境下,海工混凝土内GFRP筋不仅面临混凝土碱性离子的侵蚀,同时还面临着水分子、氯离子与OH-耦合作用等因素影响。目前国内外对于HFRP筋在水分子、OH-离子、氯离子及其耦合环境对HFRP筋长期力学性能影响及其劣化机制研究较少。

鉴于此,通过研究水,强、弱碱和盐碱溶液下GFRP和 HFRP裸筋的吸湿行为和长期力学性能,并与水、模拟海水环境下砂浆包裹GFRP、HFRP筋层间剪切强度进行对比分析,揭示水分子、氯离子、OH-离子、砂浆包裹等对GFRP和HFRP筋力学性能劣化的影响机理。基于Arrhenius理论,开展强碱、盐碱溶液下GFRP和HFRP裸筋的长期服役寿命预测。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

GFRP筋和HFRP筋由哈尔滨工业大学FRP复合材料与结构实验室设计,并由哈尔滨玻璃钢研究院有限公司生产,名义直径均为8 mm,如图1a所示。树脂基体采用双酚A型环氧树脂(E-51)及其固化剂甲基六氢邻苯二甲酸酐(MeHHPA),FRP筋所用拉挤机固化区温度为180 ℃,纤维拉伸速率为40 cm/min,FRP筋参数如表1所示。HFRP筋制备过程如图1b所示。HFRP筋芯层GFRP半径约为3.3 mm,皮层CFRP厚度约为0.7 mm。

a—GFRP筋和HFRP筋; b—HFRP筋制备过程。图1 GFRP筋和HFRP筋[15]Fig.1 GFRP and HFRP bars

表1 FRP筋材料参数Table 1 Parameters of FRP bars

利用动态热机械分析仪(DMA),测试GFRP筋和HFRP筋玻璃化转变温度,所用DMA设备为美国TA公司生产,型号为Q800。利用精密切割仪切割FRP筋试样尺寸约为17.5 mm×8.5 mm×2 mm。采用单悬臂梁夹具进行测试,采样频率为1 Hz,损耗因子峰值所对应的温度定义为Tg。GFRP筋和HFRP筋的玻璃化转变温度分别为165,159 ℃。

1.2 试验环境

采用加速老化试验方法,分别模拟湿热环境、混凝土内环境、海洋环境下FRP筋的服役工况,所设计的加速老化试验环境和筋材处理如表2所示。配制的强碱溶液、弱碱溶液和盐碱溶液化学成分如表3所示[10]。Arrhenious理论表明升高温度可加速FRP筋劣化,老化温度分别采用室内常温、40 ℃和60 ℃。经检测,试验期间室内平均温度为21 ℃。

表2 加速老化试验的6种模拟环境Table 2 Accelerated six simulatedenvironments for aging test

表3 碱溶液和盐碱溶液的化学成分Table 3 Chemical compositions of alkali solutionand saline-alkali solution

图2为砂浆包裹FRP筋试样的照片和几何尺寸。采用外径63 mmPVC管,FRP筋居中放置,倒入砂浆振捣密实。24 h后拆除PVC管,试件在常温常湿环境中养护28 d后,放入蒸馏水和模拟海水中开展耐久性试验。

a—砂浆包裹FRP筋实物图;b—砂浆包裹FRP试样的几何尺寸,mm。图2 砂浆包裹FRP筋实物图和几何尺寸Fig.2 The picture of mortar wrapped-embedded FRPbars and the schematic diagram of sizes

1.3 FRP筋吸湿试验

为研究不同侵蚀环境对FRP筋吸湿行为的影响,采用长度为50 mm的 FRP筋试样进行吸湿测试。采用电子天平(精度为± 0.01 mg)测试FRP筋质量,每组试样有10个,试验结果取平均值。初始质量记为M0,各个时间节点ti对应的质量记为Mi,则对应时间点ti的FRP筋质量变化率可按下式计算[21]:

(1)

式中:wt为质量吸湿率,%;M0为试样的初始质量,g;Mi为ti时刻的试样质量,g。

1.4 短梁剪切试验

采用短梁剪切试验方法测试FRP筋层间剪切强度,表征纤维-树脂的界面性能[22]。图3为短梁剪切测试照片。考虑工程实际应用中,由于FRP筋长度远大于直径,试验仅考虑水分子沿着垂直纤维方向扩散。但沿着纤维方向水分子扩散速率远大于垂直于纤维方向,因此,在老化试验前采用结构胶封闭FRP筋端部,阻止水分子沿着纤维方向扩散。ASTM D4475标准推荐跨径比为1/3～1/6[22]。采用径跨比为1/4,FRP筋名义直径为8 mm,其支座之间净跨设定为32 mm。

短梁剪切试验采用MTS-CMT4304电子万能试验机进行加载。根据ASTM D4475标准要求,试验加载速率选定为1.3 mm/min。每一测试点至少4根有效FRP筋试样,结果取平均值。

图3 短梁剪切测试Fig.3 Short-beam shear test

根据ASTM D4475标准规定[22],FRP筋层间剪切强度通过式(2)计算:

τmax=0.849Pmax/D2

(2)

式中:τmax为FRP筋的最大层间剪切应力,即为FRP筋层间剪切强度,MPa;D为FRP筋直径,mm;Pmax为最大承载力,kN。

2 结果与讨论

2.1 破坏模式

图4为老化前后GFRP和HFRP裸筋的层间剪切破坏模式。由图4a和图4b可知,未老化GFRP和HFRP裸筋短梁剪切破坏是沿着纤维长度方向开裂,直至层间承载力完全丧失。由图4c、4d、4g、4h可知,水、弱碱溶液下,GFRP和HFRP裸筋层间剪切破坏模式与未老化试样相似,裂缝沿着纤维方向扩展,引起层间剪切承载力失效破坏。由此可知,水、弱碱溶液对GFRP和HFRP裸筋破坏模式影响较小。由图4e、4f、4i、4j可知,在强碱、盐碱溶液下,老化后GFRP裸筋表面大量树脂水解,纤维裸露。盐碱溶液下GFRP裸筋端部破坏比强碱溶液下的更严重。通过肉眼可分辨,在强碱、盐碱溶液下HFRP裸筋表层树脂水解程度小于GFRP裸筋,且HFRP裸筋破坏模式仍为层间剪切破坏。可见,强碱、盐碱溶液下HFRP裸筋比GFRP裸筋劣化小,碳纤维外层为芯层GFRP筋提供了保护作用,延缓芯层GFRP筋劣化速率。

a—未老化GFRP筋; b—未老化HFRP筋; c—水溶液下GFRP筋;d—水溶液下HFRP筋; e—强碱溶液下GFRP筋; f—强碱溶液下HFRP筋; g—弱碱溶液下GFRP筋; h—弱碱溶液下HFRP筋;i—盐碱溶液下GFRP筋; j—盐碱溶液下HFRP筋。图4 GFRP裸筋和HFRP裸筋层间剪切破坏模式Fig.4 Interlayer shear failure modes of GFRP and HFRP bars after test

a—水溶液下普通砂浆包裹GFRP筋; b—水溶液下普通砂浆包裹HFRP筋; c—模拟海水溶液下普通砂浆包裹GFRP筋;d—模拟海水溶液下普通砂浆包裹HFRP筋; e—模拟海水溶液下海水砂浆包裹GFRP筋; f—模拟海水溶液下海水砂浆包裹HFRP筋。图5 砂浆包裹GFRP筋和HFRP筋层间剪切破坏模式Fig.5 Interlayer shear failure modes of mortarwrapped GFRP and HFRP bars

图5为老化前后砂浆包裹GFRP筋和HFRP筋层间剪切破坏模式。所有试样的裂缝均沿着纤维长度方向扩展,层间剪切破坏,继续施加荷载导致受拉一侧FRP筋纤维拉断。老化后砂浆包裹GFRP筋和HFRP筋表面形貌与水、弱碱溶液下FRP裸筋相似,表面保持完整,且在水、模拟海水溶液下砂浆包裹GFRP筋和HFRP筋破坏模式,与水、弱碱溶液直接浸泡环境下FRP裸筋一致。

2.2 FRP筋吸湿行为

图6为GFRP和HFRP裸筋吸湿率随时间变化情况。随着老化时间增加,GFRP和HFRP裸筋吸湿率增加。浸泡110 d后GFRP和HFRP裸筋吸湿率如表4所示。

a—水溶液;b—强碱溶液;c—弱碱溶液;d—盐碱溶液。试样名称中G代表GFRP筋;H代表HFRP筋;W代表水溶液;NC代表强碱溶液;HC代表弱碱溶液;SS代表盐碱溶液;T21、T40和T60分别代表21 ℃、40 ℃和60 ℃。图6 GFRP和HFRP裸筋吸湿率与老化时间关系Fig.6 The relationship between moisture absorption andimmersion time for GFRP and HFRP bars

由表4可知,GFRP裸筋吸湿率从大到小依次为盐碱溶液、强碱溶液、水、弱碱溶液,且随着温度升高,GFRP裸筋吸湿率增加。水、弱碱溶液下GFRP裸筋吸湿率差别较小,吸湿率增加主要因为树脂吸湿,吸湿量决定于GFRP裸筋树脂基体含量。相比水溶液下,21,40,60 ℃强碱溶液下GFRP裸筋吸湿率分别增加了2.5倍、10.6倍和5.5倍,而21,40,60 ℃盐碱溶液下GFRP裸筋吸湿率分别增加了5.0倍、15.7倍和10.3倍。这是因为在强碱、盐碱溶液下GFRP裸筋树脂基体吸湿膨胀,同时树脂、玻璃纤维与OH-反应,导致树脂水解、微裂纹扩展,溶液进入GFRP筋孔隙、裂纹,使得GFRP裸筋质量增加。

HFRP裸筋吸湿率从大到小依次为盐碱溶液、强碱溶液、水、弱碱溶液,HFRP裸筋吸湿率趋势与GFRP裸筋相同。与GFRP裸筋吸湿率比较可知,在水、弱碱溶液下HFRP裸筋吸湿率大于相应温度下GFRP裸筋,这是因为碳纤维层扩散系数大于芯层GFRP筋,同时碳纤维层与芯层GFRP筋之间存在界面层,导致吸湿率增加。但在强碱、盐碱溶液下HFRP裸筋吸湿率小于GFRP裸筋,因为碳纤维层阻隔玻璃纤维与OH-反应,减缓了HFRP裸筋内部微裂缝形成速率,从而减少了溶液迁移路径,宏观上表现为HFRP裸筋的吸湿率小于GFRP裸筋。

表4 110 d老化后GFRP筋和HFRP筋吸湿率Table 4 Moisture absorption of GFRP andHFRP bars after 110 days %

2.3 FRP筋层间剪切强度

不同浸泡环境下FRP裸筋的层间剪切强度如表5所示。对比分析水(图7a和图7b)和弱碱溶液(图7e和图7f)下浸泡温度、浸泡时间对GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度的影响,得出以下三点规律:1)在21,40 ℃水溶液下老化140 d,GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度提高。随着老化温度升高到60 ℃,GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度均退化,HFRP裸筋层间剪切强度退化比GFRP裸筋更严重。2)在21,40 ℃弱碱溶液下老化140 d,GFRP裸筋层间剪切强度分别提升4%和9%,而21℃下HFRP裸筋层间剪切强度提升了8%,40 ℃下HFRP裸筋层间剪切强度下降了2%。老化温度升高到60 ℃,GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度均退化,且HFRP裸筋层间剪切强度退化比GFRP裸筋更严重。3)水、弱碱溶液下,GFRP裸筋和HFRP裸筋主要受到吸湿塑化和树脂基体后固化控制,随着老化温度升高,吸湿塑化起到控制作用,导致GFRP和HFRP裸筋层间剪切性能退化,且碳纤维外包裹GFRP筋后,HFRP裸筋加速吸湿,加剧HFRP裸筋层间剪切强度劣化。

对比分析强碱(图7c和图7d)和盐碱溶液(图7g和图7h)下浸泡温度、浸泡时间对GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度的影响,得出以下三点规律:1)在强碱溶液下,随着老化时间、温度增加,GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度下降。在21,40,SW表示模拟海水溶液;D0、D70、D100、D140和D189分别代表未老化、老化70 d、100 d、140 d和189 d;ENC代表普通砂浆包裹;ESSC代表模拟海水砂浆包裹。

表5 FRP筋层间剪切强度试验数据Table 5 Test results of interlaminar shear strength of FRP bars

a—水溶液环境下GFRP筋; b—水溶液环境下HFRP筋;c—强碱溶液下GFRP筋; d—强碱溶液下HFRP筋; e—弱碱溶液下GFRP筋;f—弱碱溶液下HFRP筋; g—盐碱溶液下GFRP筋; h—盐碱溶液下HFRP筋; i—砂浆包裹GFRP筋; j—砂浆包裹HFRP筋。图7 浸泡环境对GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度影响Fig.7 Effects of immersion conditions on the interlaminar shear strength of GFRP and HFRP bars

60 ℃下老化100 d,GFRP裸筋层间剪切强度分别下降了1%、31%和47%,而HFRP裸筋层间剪切强度分别下降了0%、3%和23%。2)21,40,60 ℃盐碱溶液下老化140 d后,GFRP裸筋层间剪切强度分别下降了16%、68%和74%;HFRP裸筋层间剪切强度分别下降了0%、22%和39%。3)相比GFRP裸筋,在21,40,60 ℃ 强碱溶液下HFRP裸筋层间剪切强度保留率分别提升了1%、41%和45%,而在21,40,60 ℃盐碱溶液下HFRP筋层间剪切强度保留率分别提升了19%、144%和135%。可见,强碱和盐碱溶液下,碳纤维层起到保护芯层GFRP筋的作用,延缓芯层GFRP筋劣化速率,且盐碱溶液下碳纤维层对芯层GFRP筋保护效率比强碱溶液下更高。

图7i和图7j为水、模拟海水溶液下砂浆包裹GFRP筋和HFRP筋层间剪切强度变化。水溶液下老化189 d,普通砂浆包裹GFRP筋和HFRP筋的层间剪切强度分别下降了0%和5%;模拟海水溶液下老化189 d,普通砂浆包裹GFRP筋和HFRP筋层间剪切强度分别下降了0%和16%,而模拟海水溶液下老化189 d,海水砂浆包裹GFRP筋和HFRP筋的层间剪切强度分别下降了4%和6%。水、模拟海水溶液下,砂浆包裹HFRP筋劣化速率均大于砂浆包裹GFRP筋,且氯离子、OH-耦合效应对FRP筋性能影响不明显。可见,砂浆包裹下FRP筋劣化主要是由于FRP筋吸湿引起,相关趋势与水、弱碱环境下FRP筋层间剪切强度退化趋势相似。

图8为GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度保留率比较。在21 ℃老化140 d后,水溶液、弱碱溶液、强碱溶液和盐碱溶液使得GFRP裸筋层间剪切强度分别下降了-10%、3%、-4%和16%,HFRP裸筋层间剪切强度分别下降了0%、-4%、-8%和2%。随着老化温度升高,GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度退化。60 ℃下老化140 d后,水溶液、弱碱溶液、强碱溶液和盐碱溶液导致GFRP裸筋层间剪切强度分别下降了3%、57%、5%和74%,导致HFRP裸筋的层间剪切强度分别下降了8%、32%、8%和39%。由此可知,盐碱溶液下GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度退化最严重,且GFRP裸筋层间剪切强度比HFRP裸筋退化更严重。对GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度影响从大到小依次为盐碱溶液、强碱溶液、弱碱溶液、水溶液,相比GFRP裸筋,60 ℃下HFRP裸筋层间剪切强度保留率分别提升了134%、58%、-3%和-5%。试验研究表明,老化环境越恶劣(强碱、强碱盐环境),碳纤维层保护芯层GFRP筋的效率越高。

a—21 ℃; b—40 ℃; c—60 ℃。图8 GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度保留率比较Fig.8 Comparisons of retention ratio of interlayer shearstrength of GFRP and HFRP bars

2.4 FRP筋长期寿命预测

基于Arrhenius理论,采用实验室加速老化试验结果预测GFRP和HFRP裸筋长期层间剪切强度。Arrhenius理论假设随着加速老化温度升高,FRP筋层间剪切强度下降,且控制其劣化的机理不变[23-24]。研究表明:随着老化温度升高,强碱、盐碱溶液下GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度减小,且控制GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度劣化机理不变。由于试验周期相对较短,FRP筋在水溶液、弱碱溶液下剪切强度变化较小,仅对强碱溶液和盐碱溶液下FRP筋层间剪切强度进行寿命预测。描述FRP筋力学性能的劣化速率见式(3)[24]:

k=Bexp(-Eam/R1T)

(3)

式中:k为FRP筋力学性能劣化速率,1/d;B为关于材料及其劣化过程的参数;Eam为FRP筋劣化的活化能,J/mol;T为环境温度,K。

对式(3)等号两边取对数,可转换为:

(4)

已有研究证明,在老化初始阶段FRP筋力学性能退化较快,随着老化时间增加最终趋于平稳[10,25]。采用式(5)来描述随着老化时间增加,FRP筋力学性能退化的规律[25]:

Y=100exp(-t/τ)

(5)

式中:Y为FRP筋力学性能保留率,%;t为老化时间,d;τ为试验结果的拟合参数。

基于Arrhenius理论,通过式(3)计算在不同老化温度(如T1和T0)下退化至相同保留率时所需的老化时间t1和t0,将t0与t1的比值定义为时移因子(TSF)。根据定义,分别将T1和T0代入式(3),则时移因子TTSF可表达为:

(6)

具体的预测过程为:采用式(5)对强碱、盐碱溶液下GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度演化规律进行拟合,获得拟合参数τ列于表6。图9为强碱、盐碱溶液下GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度试验结果和拟合结果。将表6的τ代入式(5),计算21,40,60 ℃下GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度保留率分别退化到60%、70%、80%和90%时所需的时间。采用式(4)对所得到的4组数据进行线性拟合,拟合曲线如图10所示,回归参数列于表7。由表7可知:拟合曲线与试验数据的拟合度较高,表明选取的式(5)与试验结果具有较好的吻合度。随着老化温度升高,τ减小,FRP筋层间剪切强度减小。

表6 GFRP和HFRP裸筋在不同环境和温度下拟合参数Table 6 Detailed parameters of GFRP and HFRP barswith various environments and temperatures

通过式(6)预测给定环境温度(T1)与加速老化温度(T0)之间的时移因子TTSF。T1分别采用4,17,21 ℃三种环境温度,通过式(6)计算所得时移因子列于表8。Val-Alain桥位于加拿大,至今已服役11 a,其服役环境平均气温为4 ℃[25]。试验在杭州市开展,通过查询中国气象局监测数据,得到2020年杭州市平均气温为17 ℃。考虑砂浆包裹FRP筋耐久性试验的平均气温为21 ℃。将图7强碱、盐碱溶液下GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度演化曲线与相应给定环境温度的时移因子TTSF叠加,即可获得21,17,4 ℃下GFRP和HFRP裸筋长期层间剪切强度。

a—强碱溶液; b—盐碱溶液。图9 拟合曲线与试验结果对比Fig.9 Comparisons of fitting and test results

a—强碱溶液下GFRP筋; b—强碱溶液下HFRP筋;c—盐碱溶液下GFRP筋; d—盐碱溶液下HFRP筋。图10 GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度长期寿命的Arrhenius理论拟合曲线Fig.10 Fitting curve of the long-term interlaminar shearstrength of GFRP and HFRP bars by Arrhenius theory

表7 通过公式4拟合获得的参数Table 7 Parameters fitted by Eq. 4

FRP筋通常用于混凝土配筋,FRP筋真实的服役环境是被混凝土包裹的。图11为强碱、盐碱溶液下GFRP和HFRP裸筋长期层间剪切强度与砂浆包裹FRP筋的层间剪切强度比较。通过图7与表8中21 ℃下的TTSF相叠加,获得加速老化环境下裸筋层间剪切强度预测值,如图11所示。采用式(5)拟合后的参数列于表9。图11a为强碱溶液下FRP筋和水溶液下普通砂浆包裹FRP筋层间剪切强度比较。由图11可知:采用强碱溶液下GFRP和HFRP裸筋较好预测水溶液下普通砂浆包裹FRP筋,表明砂浆包裹层释放的OH-离子浓度与模拟普通混凝土孔溶液的强碱溶液相似。图11b和图11c分别为强碱、盐碱溶液下GFRP和HFRP裸筋预测结果与模拟海水溶液下普通砂浆包裹FPR筋的层间剪切结果。强碱、盐碱溶液下GFRP裸筋能够较为准确地预测模拟海水溶液下普通砂浆包裹GFRP筋的层间剪切性能。

表8 给定环境温度下的时移因子Table 8 Time-shift factors at the given temperature

a—水溶液下普通砂浆包裹FRP筋与强碱溶液下FRP裸筋;b—模拟海水溶液下普通砂浆包裹HFRP筋与强碱、盐碱溶液下HFRP裸筋; c—模拟海水溶液下普通砂浆包裹GFRP筋与强碱、盐碱溶液下GFRP裸筋。图11 强碱、盐碱溶液下FRP裸筋与砂浆包裹FRP筋的层间剪切强度预测结果Fig.11 The prediction results of interlaminar shear strength ofFRP bars wrapped mortar and FRP bars in strong alkaline solutionwith pH 13.4 and salt and alkali mixture

表9 给定环境温度下FRP筋层间剪切强度演化的回归系数Table 9 Regression coefficients of interlaminar shearstrength of FRP bars at the given temperature

图12为强碱、盐碱溶液下GFRP和HFRP裸筋在17 ℃和4 ℃下的层间剪切强度演化规律。由图12可知:相比强碱溶液,盐碱溶液下GFRP裸筋层间剪切强度退化更严重。采用碳纤维外包裹GFRP筋后,HFRP裸筋层间剪切强度显著提升。工程实际应用中,考虑环境因素对FRP材料性能的影响,ACI 440推荐暴露在环境中的GFRP筋折减系数为0.7[26]。层间剪切强度保留率70%所对应的服役时间如表10所示。采用HFRP筋替代GFRP筋,在4 ℃强碱、盐碱溶液下,HFRP筋的服役寿命分别提升了28%和12倍;在17 ℃强碱、盐碱溶液下,HFRP筋的服役寿命分别提升了84%和7倍。

a—17 ℃(杭州); b—4 ℃(加拿大Val-Alain桥)。图12 17 ℃和4 ℃环境下GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度的长期寿命预测Fig.12 The long-term life prediction of interlaminar shear strengthbetween GFRP and HFRP bars in 17 ℃ and 4 ℃

3 结 论

1)水、弱碱溶液下,110 d老化后GFRP裸筋吸湿率小于HFRP裸筋;强碱、盐碱溶液下,GFRP裸筋吸湿率远大于HFRP裸筋。

表10 层间剪切强度保留率70%对应的服役时间Table 10 Service time corresponding to 70% retentioninterlayer shear strength of FRP bars a

2)随着老化温度升高,GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度退化加剧;水、弱碱溶液下,GFRP裸筋层间剪切强度保留率大于HFPR裸筋,碳纤维层加速HFRP筋性能劣化;强碱、盐碱溶液下,GFRP裸筋层间剪切强度保留率小于HFRP筋,碳纤维层起到保护芯层GFRP筋的作用,减缓芯层GFRP筋劣化速率。相比GFRP筋,在17 ℃强碱、盐碱溶液下,HFRP筋的服役寿命分别提升了84%和7倍。

3)对GFRP和HFRP裸筋层间剪切强度影响从大到小依次为:盐碱溶液>强碱溶液>弱碱溶液>水溶液。

4)21 ℃水、模拟海水溶液下砂浆包裹GFRP和HFRP筋破坏模式和层间剪切强度演化规律,与水、弱碱溶液下GFRP和HFRP裸筋相似。

5)基于Arrhenius理论,分别预测了4,17,21 ℃下GFRP和HFRP裸筋,随着温度升高、老化时间增加,FRP筋层间剪切强度保留率下降。