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(1.太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

鋼筋混凝土耐久性問題的研究越來越受到社會各界人士的關(guān)注。混凝土的pH值為11～13，一般情況下能在一定時間內(nèi)保護鋼筋不受外界的侵蝕，但是在一些惡劣環(huán)境中，混凝土則容易碳化，使得鋼筋表面的鈍化層被破壞，鋼筋發(fā)生銹蝕，進而結(jié)構(gòu)出現(xiàn)銹脹裂縫，會對結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生很大的威脅，甚至可能導(dǎo)致整個混凝土結(jié)構(gòu)破壞。

玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP)屬于一種比較新型的材料，具有強度高、密度小、抗腐蝕及抗磁能力強的特性，在實際應(yīng)用中可以當(dāng)作鋼筋運用于鋼混結(jié)構(gòu)中。為了使GFRP能夠在建筑結(jié)構(gòu)中得到更加科學(xué)的應(yīng)用，本文對其在堿腐蝕環(huán)境下的抗壓性能進行了研究。

1 試驗簡介

筆者首先模擬了混凝土內(nèi)部的堿環(huán)境，采用人工方式進行了堿溶液的配制，將3種不同半徑規(guī)格的GFRP長時間浸泡，在規(guī)定時間內(nèi)，專門對GFRP進行了抗壓性能測試，對其抗壓強度、荷載最大值等進行了動態(tài)觀察，總結(jié)了半徑大小和浸泡時間長短對GFRP筋抗壓性能的作用與影響。以阿倫尼烏斯公式作為計算依據(jù)，根據(jù)浸泡時間和筋體直徑描繪曲線，并且得出了GFRP筋在特定海水環(huán)境下使用壽命的估算公式。

試驗所用的材料為光面GFRP材質(zhì)，玻璃纖維體積含量為65%，樹脂體積含量為35%，直徑分別為8 mm、10 mm和12 mm等3種類型，所用試驗機為300 kN壓力機。

為了使試驗達到預(yù)期效果，人工進行了堿溶液的配制，溶液濃度見表1。取GFRP筋長400 mm，3種直徑型號的各12根，將其封閉放入堿溶液中。為了最大限度地減少誤差，將環(huán)氧樹脂均勻地涂抹在GFRP筋的兩端，在自然環(huán)境下進行一晝夜的風(fēng)干，并且在規(guī)定時間將試件取出來，試件一共108個，利用試驗機對試件進行力學(xué)性能試驗，要求在24 h之內(nèi)將試驗全部完成。為了保證實驗人員的人身安全，要在試驗機周圍外設(shè)防護網(wǎng)。

表1 堿溶液的濃度 %

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象描述

根據(jù)不同直徑大小的GFRP筋在堿溶液中浸泡20 d和120 d之后筋體表面發(fā)生的變化情況的比較可以看出，隨著浸泡時間的逐步增加，筋體由最初的表面出現(xiàn)白斑直至筋體全部變白，而且筋的直徑越小，該種現(xiàn)象越明顯。

2.2 試驗結(jié)果的分析與處理

2.2.1 試驗結(jié)果

在試驗過程中，GFRP未出現(xiàn)即將受到損壞的預(yù)兆現(xiàn)象，當(dāng)加載荷載達到極限值時，筋體會出現(xiàn)巨大聲響，同時被破壞。試驗得出試件位移的線性曲線，與胡克定律相符合。本文用直徑10 mm的GFRP筋作為樣本。當(dāng)筋體承載力達到極限值時出現(xiàn)較大的改變，承載力稍微下降了一點。

GFRP筋在不同浸泡時間下的破壞情況不盡相同，GFRP筋在人工配制的海水溶液中浸泡時的受壓形式，主要以劈裂和剪切為主要表現(xiàn)形式。

全部108個試件，37%的試件遭受剪切破壞，63%的試件遭受劈裂破壞。直徑為8 mm的試件遭受剪切損壞的概率為27.62%，直徑為10 mm的試件遭受剪切破壞的概率為39.25%，直徑為12 mm的試件遭受剪切破壞的概率為33.13%。3種直徑的筋體遭受劈裂破壞的概率分別為54.68%、65.35%和76.33%。該現(xiàn)象表明，筋體的直徑越小越容易發(fā)生劈裂破壞。通過20 d、40 d、60 d、80 d、100 d、120 d的浸泡，GFRP筋體出現(xiàn)剪切損壞的概率分別為62.67%、57.14%、43.89%、29.68%、26.55%和16.81%，發(fā)生劈裂損壞的概率分別為31.28%、45.24%、57.98%、76.32%、74.18%和83.43%。由此可以看出，GFRP筋體隨著浸泡時間的增加，出現(xiàn)剪切損壞的幾率在逐漸變小。

2.2.2 試驗結(jié)果的分析

以統(tǒng)計分析法作為數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)方法，得出不同直徑的GFRP筋體在堿溶液浸泡下的抗壓強度指標(biāo)。直徑為8 mm、10 mm和12 mm的筋體，在被浸泡20 d之后表現(xiàn)出來的最大抗壓強度分別為42.467 kN、59.3354 kN和92.126 kN；在被浸泡120 d之后的抗壓強度分別為17.578 kN、36.461 kN和59.889 kN。

GFRP筋經(jīng)過拉擠成型，材料自身具有少量離散性質(zhì)，而且筋體的個別部位存在一定的缺陷，浸泡期間有水分滲透到筋體體內(nèi)，產(chǎn)生很多的親水基團，導(dǎo)致纖維與樹脂發(fā)生分離。浸泡時間越長，筋體被破壞的面積越大，而且慢慢地向GFRP筋體的中心發(fā)散。進行抗壓試驗時，GFRP筋體的兩端最先出現(xiàn)破損，樹脂與纖維發(fā)生分離，荷載越大則分離面積越大，最終整個筋體出現(xiàn)劈裂損壞。筋體直徑與筋體的比表面積成反比，而且侵蝕發(fā)生的越快，腐蝕程度越嚴重，最終出現(xiàn)劈裂損壞的幾率也就越大。

2.3 預(yù)測GFRP筋在人工堿環(huán)境下的壽命

以阿倫尼烏斯公式作為計算的根本依據(jù)，可以得出GFRP筋的抵抗外界壓力的強度保留率與指數(shù)函數(shù)相符合。本文以20 ℃作為試驗的標(biāo)準(zhǔn)溫度，對不同直徑的筋體進行試驗，并且進行了指數(shù)擬合。

直徑分別為8 mm、10 mm和12 mm的GFRP筋，在受到人工堿溶液腐蝕的作用下，其抵抗外界壓力的強度保留率和浸泡時間的曲線遵循(1)式和(2)式：

y=123.568 05el0.009 02x

(1)

y=139.346 81el0.004 64x

(2)

式中：y——抗壓強度保留率；x——浸漬時間。

由以上公式可以推斷GFRP筋在堿環(huán)境侵蝕下的壽命。

3 結(jié)論

本文對混凝土在堿環(huán)境腐蝕下的GFRP筋受壓性能進行了研究，經(jīng)過試驗和對相關(guān)數(shù)據(jù)的分析得出以下結(jié)論：

3.1 GFRP筋在經(jīng)過人工配制的堿溶液浸泡之后，位移曲線基本滿足線性要求，與胡克定律相符合。筋體在發(fā)生損壞之前沒有明顯的預(yù)兆，發(fā)生損壞瞬間時出現(xiàn)清脆的響聲，這種現(xiàn)象對實際工程是很不利的。

3.2 GFRP筋在受到壓力荷載時，主要以劈裂和剪切破壞為主要表現(xiàn)形式。GFRP筋浸泡時間越長，發(fā)生損壞的幾率越大。

3.3 試件在人工堿溶液中存留的時間越長，GFRP筋抵抗壓力的強度指標(biāo)、承受的最大荷載以及彈性模量等指標(biāo)就會越低。

3.4 筋體的直徑與比表面積成反比，并且筋體越小，腐蝕離子就越容易散開，筋體被腐蝕就越嚴重，極大地增加了筋體出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象的幾率。

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