羅小勇，唐謝興，匡亞川，李凱雷

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

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腐蝕環(huán)境下FRP錨桿耐久性能試驗(yàn)研究

羅小勇，唐謝興，匡亞川，李凱雷

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

摘要:通過纖維和樹脂的耐久性分析和GFRP錨桿、CFRP錨桿的抗堿性、抗酸性以及抗鹽腐蝕性試驗(yàn)，得到GFRP錨桿和CFRP錨桿在不同腐蝕環(huán)境下力學(xué)性能隨腐蝕時(shí)間的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，GFRP錨桿在堿、酸和鹽介質(zhì)中腐蝕1 500 n后，強(qiáng)度分別下降13.76%，11.09%和4.14%，其耐鹽腐蝕性能較好，但耐酸、耐堿性能相對較差，當(dāng)GFRP錨桿應(yīng)用到實(shí)際工程結(jié)構(gòu)時(shí)需要考慮酸堿性環(huán)境的影響，可以通過控制應(yīng)力水平低于極限拉伸強(qiáng)度的25%來保證耐久性的要求；酸堿鹽腐蝕環(huán)境對CFRP錨桿的強(qiáng)度影響很小，強(qiáng)度下降都在4%以內(nèi)，碳纖維具有較好的耐酸、耐堿和耐鹽腐蝕的性質(zhì)，與GFRP錨桿相比CFRP錨桿的耐久性較好；根據(jù)腐蝕環(huán)境下FRP錨桿力學(xué)性能試驗(yàn)成果，給出力學(xué)性能隨腐蝕時(shí)間的退化規(guī)律計(jì)算公式，為FRP錨桿在腐蝕環(huán)境下的工程應(yīng)用提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：FRP;錨桿;腐蝕;耐久性;力學(xué)性能

錨桿錨固是土木工程中的一個(gè)重要領(lǐng)域，在邊坡、基坑和壩體等工程建設(shè)中大量應(yīng)用[1]。在永久的錨固工程中，通常把鋼材作為錨桿的主要材料，但鋼筋錨桿在實(shí)際工程中存在著很多缺陷，其易腐蝕的特點(diǎn)使得以鋼錨桿為主的錨固體系存在著安全隱患的突出問題。在地質(zhì)復(fù)雜的邊坡支護(hù)類工程中，除了由于環(huán)境暴露引起的氧化外，土壤中還存在大量的易被水溶解的鈣、鈉、鎂鹽，極易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重影響鋼錨桿的安全性和耐腐蝕性能。特別是近年來，隨著工業(yè)的污染加重，許多重工業(yè)地區(qū)酸雨降水量加大，導(dǎo)致鋼錨桿的腐蝕問題尤為突出[2]。一些學(xué)者開始對纖維增強(qiáng)塑料(FRP)錨桿進(jìn)行研究，經(jīng)過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)采用FRP錨桿代替鋼錨桿是解決鋼錨桿腐蝕的有效方法[3]。北美、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家對FRP錨桿進(jìn)行的試驗(yàn)研究較多[4-6]，主要集中在黏結(jié)性能[7]、材料強(qiáng)度[8]和抗火性能[9-11]等方面。已有研究表明，GFRP筋在高溫下的材料性能衰減嚴(yán)重[12],隨著老化時(shí)間的增加，CFRP和GFRP片材的抗拉強(qiáng)度、彈性模量和延伸率逐漸降低，且溫度越高，降低速度越快[13-14],但國內(nèi)外對FRP錨桿耐腐蝕性試驗(yàn)研究較少[15]，對腐蝕機(jī)理的分析也不夠充分，F(xiàn)RP錨桿耐久性能還沒有深入的研究成果。 本文基于高溶度加速老化的試驗(yàn)方法，分別對GFRP和CFRP錨桿在普通環(huán)境、酸性環(huán)境、堿性環(huán)境和鹽性環(huán)境條件下錨桿桿體進(jìn)行物理和力學(xué)性能試驗(yàn)，研究其在不同腐蝕條件下的物理和力學(xué)性能變化規(guī)律，為FRP錨桿在復(fù)雜地質(zhì)條件下工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1FRP錨桿材料耐久性

現(xiàn)有試驗(yàn)對3種E玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料系統(tǒng)和4種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料系統(tǒng)在100%濕度、鹽水、堿溶液、柴油、紫外線、高溫(60～140 ℃)以及凍融循環(huán)的研究表明[21]：大多數(shù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在經(jīng)過10 000 h 的試驗(yàn)后，耐久性良好；但是其中有一組碳纖維復(fù)合材料在耐潮濕性能試驗(yàn)中，加固短梁的抗堿承載能力降低50%以上；E玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料系統(tǒng)暴露在潮濕環(huán)境時(shí)，更容易導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度和極限應(yīng)變的衰減，對大多數(shù)此類復(fù)合材料和環(huán)境而言，在經(jīng)歷10 000 h 后，這種衰減會(huì)小于20%；同時(shí)發(fā)現(xiàn)有一組E玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合體系在100%濕度和38℃溫度環(huán)境中，10 000 h 后的抗拉強(qiáng)度損失達(dá)35%；但在鹽水和pH=9.5 的堿性溶液中，E 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料系統(tǒng)的耐久性能無明顯降低；無論是碳纖維還是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在經(jīng)過耐久性試驗(yàn)后，彈性模量沒有明顯的降低。

由酸雨和混凝土碳化等引起的弱酸性(ph值在4~7之間)、由泄漏事故引起的強(qiáng)酸性(ph值小于4)、由混凝土內(nèi)含火山灰引起的弱堿性(ph值在7~10之間)、由波特蘭水泥產(chǎn)生的強(qiáng)堿性(ph值大于10)等都會(huì)對FRP材料耐久性有影響。FRP錨桿中常用纖維、樹脂在各種環(huán)境下反應(yīng)如表1所示。

表1　纖維和樹脂在惡劣環(huán)境下的反應(yīng)

2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于試驗(yàn)方法不同，試驗(yàn)結(jié)果也不一樣。化學(xué)物質(zhì)和環(huán)境因素導(dǎo)致FRP材料腐蝕的程度主要取決于浸潤樹脂的類型、纖維所受的拉應(yīng)力的大小、化學(xué)物質(zhì)的濃度、與化學(xué)物質(zhì)接觸的時(shí)間和溫度。目前絕大多數(shù)有關(guān)FRP 長期性能的數(shù)據(jù)都由實(shí)驗(yàn)室中加速腐蝕實(shí)驗(yàn)得到。最近有不少國家對實(shí)際工程進(jìn)行跟蹤研究的工作，人工加速老化實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)只能作為參考。根據(jù)已有的研究經(jīng)驗(yàn)，采用加劇老化的方法對GFRP 錨桿及CFRP錨桿進(jìn)行酸堿鹽介質(zhì)腐蝕試驗(yàn)研究。腐蝕試驗(yàn)采用上海啟鵬工程材料科技有限公司的GFRP錨桿和哈爾濱工業(yè)大學(xué)與國家樹脂基復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心聯(lián)合研制的CFRP錨桿。腐蝕試驗(yàn)采用在三種不同的腐蝕介質(zhì)中進(jìn)行，酸性溶液為濃度6%的H2SO4溶液，堿性溶液為濃度3%的NaOH溶液，鹽溶液為濃度3%的NaCl溶液。為了防止溶液在末端浸漬，導(dǎo)致拉伸試驗(yàn)中末端先夾碎，因此在錨桿的兩端都涂上環(huán)氧樹脂。在酸溶液中浸泡的試樣與在堿溶液中浸泡的情況相比，其拉伸強(qiáng)度保持率下降較緩慢，但隨著浸泡時(shí)間的增長其拉伸強(qiáng)度保持率下降；FRP 錨桿拉伸強(qiáng)度保持率下降是由于在硫酸溶液中發(fā)生了玻璃纖維及界面的劣化，玻璃纖維中的鈣成分與硫酸發(fā)生反應(yīng)而生成了硫酸鈣并溶析于環(huán)境液中，試件表面顯現(xiàn)出灰白色，如圖1所示。

在堿溶液中浸泡的試樣與在酸溶液中浸泡的情況相比，試件的拉伸強(qiáng)度保持率下降較快。試樣表面形成白色變色層，如圖2所示。FRP錨桿拉伸強(qiáng)度保持率下降是由于在在氫氧化鈉溶液中發(fā)生了玻璃纖維中玻璃成分的溶析和樹脂的分解。在堿性環(huán)境下，樹脂加水分解引起樹脂中的酯結(jié)合成了羧酸和乙醇，以及產(chǎn)生了部分氧化硅產(chǎn)物，而導(dǎo)致了拉伸強(qiáng)度下降。在鹽溶液中浸泡的試樣，其拉伸強(qiáng)度保持率下降較緩慢，試件表面末發(fā)生明顯變化，F(xiàn)RP錨桿在鹽性環(huán)境中有較好的耐久性。當(dāng)應(yīng)力水平控制在低于極限拉伸強(qiáng)度的25%時(shí)，F(xiàn)RP錨桿耐久性能基本滿足復(fù)雜地質(zhì)條件工程的要求。

(a)900 h; (b)1 200 h; (c)1 500 h圖1　酸性腐蝕試件Fig.1 Acidic corrosion specimens

(a)900 h; (b)1 200 h; (c)1 500 h圖2　堿性腐蝕試件Fig.2 Alkali corrosion specimens

3GFRP錨桿腐蝕試驗(yàn)成果及分析

GFRP錨桿酸堿鹽介質(zhì)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

各組試件試驗(yàn)成果見圖3。

GFRP錨桿的介質(zhì)腐蝕時(shí)間對力學(xué)性能關(guān)系曲線如圖4所示。

對極限抗拉強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析，得出腐蝕時(shí)間h和酸腐蝕相對抗拉強(qiáng)度Δfaci、堿腐蝕相對抗拉強(qiáng)度Δfalk及鹽腐相對蝕抗拉強(qiáng)度Δfsal的關(guān)系式為：

Δfaci=1-0.000 07 h

(1)

Δfalk=1-0.000 09 h

(2)

表2　GFRP錨桿腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

(a)酸腐蝕;(b)堿腐蝕;(c)鹽腐蝕圖3　腐蝕GFRP錨桿試驗(yàn)成果Fig.3 Test results of corrosion of GFRP anchor bolt

(a)極限抗拉強(qiáng)度;(b)彈性模量圖4　腐蝕GFRP錨桿力學(xué)性能Fig.4 Mechanical property of GFRP anchor bolt

Δfsal=1-0.000 02 h

(3)

同理，對彈性模量進(jìn)行回歸分析，得出腐蝕時(shí)間h和酸腐蝕相對抗拉強(qiáng)度ΔEaci、堿腐蝕相對抗拉強(qiáng)度ΔEalk及鹽腐蝕相對抗拉強(qiáng)度ΔEsal的關(guān)系式為：

ΔEaci=1-0.000 04 h

(4)

ΔEalk=1-0.000 07 h

(5)

ΔEsal=1-0.000 007 h

(6)

對于酸堿鹽介質(zhì)腐蝕的試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果中可以得出玻璃纖維對酸和堿的腐蝕都是敏感的，但對鹽的腐蝕破壞并不嚴(yán)重。GFRP錨桿在堿，酸和鹽介質(zhì)中浸漬900 h后，強(qiáng)度分別下降7.52%，5.86%和1.84%；GFRP錨桿在堿，酸和鹽介質(zhì)中浸漬1 200 h后，強(qiáng)度分別下降10.50%，8.82%和2.61%；GFRP錨桿在堿，酸和鹽介質(zhì)中浸漬1 500 h后，強(qiáng)度分別下降13.76%，11.09%和 4.14%?？梢姡珿FRP錨桿在酸、堿溶液介質(zhì)中強(qiáng)度損失較嚴(yán)重。

4CFRP錨桿腐蝕試驗(yàn)成果及分析

CFRP錨桿酸堿鹽介質(zhì)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3　CFRP錨桿腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

各組試件試驗(yàn)成果見圖5。

(a)酸腐蝕;(b)堿腐蝕;(c)鹽腐蝕圖5　腐蝕GFRP錨桿試驗(yàn)成果Fig.5 Test results of corrosion of CFRP anchor bolt

CFRP錨桿的介質(zhì)腐蝕時(shí)間與強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖6所示。

(a)極限抗拉強(qiáng)度；(b)彈性模量圖6　CFRP錨桿腐蝕時(shí)間與強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.6 Mechanical property of CFRP anchor bolt

對極限抗拉強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析，得出腐蝕時(shí)間h和酸腐蝕相對抗拉強(qiáng)度Δfaci、堿腐蝕相對抗拉強(qiáng)度Δfalk及鹽腐相對蝕抗拉強(qiáng)度Δfsal的關(guān)系式為：

Δfaci=1-0.000 02 h

(7)

Δfalk=1-0.000 01 h

(8)

Δfsal=1-0.000 03 h

(9)

同理，對彈性模量進(jìn)行回歸分析，得出腐蝕時(shí)間h和酸腐蝕相對抗拉強(qiáng)度ΔEaci、堿腐蝕相對抗拉強(qiáng)度ΔEalk及鹽腐蝕相對抗拉強(qiáng)度ΔEsal的關(guān)系式為：

ΔEaci=1-0.000 008 h

(10)

ΔEalk=1-0.000 02 h

(11)

ΔEsal=1-0.000 001 h

(12)

從酸堿鹽介質(zhì)腐蝕試驗(yàn)中可以看出，酸堿鹽對于CFRP錨桿的強(qiáng)度影響很小，強(qiáng)度下降都在4%以內(nèi)。這說明碳纖維具有很好的耐酸、耐堿和耐鹽溶液腐蝕的性質(zhì)。

5腐蝕環(huán)境下FRP錨桿力學(xué)性能退化機(jī)理分析

造成FRP力學(xué)性能降低的主要原因是腐蝕環(huán)境下樹脂基體性能的劣化、纖維的劣化以及纖維與樹脂基體界面結(jié)合力的退化。樹脂聚合物在腐蝕環(huán)境中可能會(huì)發(fā)生一系列的物理變化和化學(xué)變化。樹脂基體在腐蝕溶液環(huán)境中，其分子鍵將會(huì)水解破裂，樹脂吸水越多，水解破裂時(shí)間越短，老化一段時(shí)間后，當(dāng)樹脂中的分子鍵基本破壞后，樹脂中各個(gè)分子主要靠化學(xué)鍵連接，在一定的老化時(shí)間內(nèi)難以破裂；其中，玻璃纖維的劣化是造成GFRP力學(xué)性能大幅度降低的最主要原因，玻璃纖維中的Si-O鍵與水分子和堿中的氫氧根離子交換或化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致Si-O鍵斷裂，造成GFRP宏觀力學(xué)性能大幅度降低[16]。

FRP力學(xué)性能降低同時(shí)也伴隨著纖維與基體界面的劣化過程。界面劣化過程比較有代表的說法有以下幾點(diǎn)：一是樹脂基體在腐蝕環(huán)境中溶脹產(chǎn)生的界面內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致界面結(jié)合力下降：二是腐蝕環(huán)境中水解導(dǎo)致自身性能的降低，弱化了樹脂對玻璃纖維復(fù)合材料的貢獻(xiàn)及剪應(yīng)力傳遞的能力；三是滲入到界面處的腐蝕溶液使界面發(fā)生水解；導(dǎo)致界面結(jié)合力降低。水的擴(kuò)散率越大，基體吸水及滲入到界面的水越多，界面結(jié)合力的下降也越大。

對于腐蝕環(huán)境下FRP錨桿耐久性試驗(yàn)研究表明，在腐蝕環(huán)境下FRP錨桿總體耐久性較好，抗拉強(qiáng)度最多降低13.8%，彈性模量最多降低12%；相對鹽溶液，F(xiàn)RP錨桿在酸堿溶液中力學(xué)性能退化較為嚴(yán)重；與GFRP 錨桿相比，CFRP錨桿的耐久性更好。

6結(jié)論

1)GFRP錨桿在堿，酸和鹽介質(zhì)中浸漬1 500 h后，強(qiáng)度分別下降13.76%，11.09%和4.14%。GFRP錨桿具有很好的耐鹽腐蝕性能，但耐酸、耐堿性能相對較差。當(dāng)GFRP錨桿應(yīng)用到實(shí)際工程結(jié)構(gòu)時(shí)需要考慮堿性環(huán)境的影響，可以通過控制應(yīng)力水平低于極限拉伸強(qiáng)度的25%來保證耐久性的要求。

2)酸堿鹽對于CFRP 錨桿的強(qiáng)度影響很小，強(qiáng)度下降都在4%以內(nèi)，碳纖維具有較好的耐酸、耐堿、耐鹽溶液腐蝕的性質(zhì)。

3)造成FRP 錨桿力學(xué)性能降低的主要原因是樹脂基體性能的劣化和纖維與樹脂基體界面結(jié)合力的退化，本文根據(jù)腐蝕環(huán)境下FRP 錨桿力學(xué)性能試驗(yàn)成果，給出了力學(xué)性能隨腐蝕時(shí)間的退化規(guī)律計(jì)算公式。

參考文獻(xiàn):

[1] 程良奎，李象范．巖土錨同·土釘·噴射混凝土—原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010．

CHENG Liangkui, LI Xiangfan.Geotechnical anchoring, soil Nail, shotcreting-principles, design and application[M].Beijing: China Architecture and Building Press, 2010.

[2] 李國維,余亮,吳玉財(cái).預(yù)應(yīng)力噴砂玻璃纖維聚合物錨桿的黏結(jié)損傷[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(8).1711-1719.

LI Guowei，YU Liang，WU Yucai.Bond damage of prestressed sand-coated glass fiber reinforced polymer anchor[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(8):1711-1719.

[3] American Concrete Institute．Guide for the design and construction of concrete reinforced with FRP anchor bolt[S]．ACI Report 440．IR-O103，F(xiàn)armington Hills，2004．

[4] Kocaoz S, Samaranayake V A，Nanni A．Tensile characterization of glass FRP bars[J]．Composites，Part B，2005，36(1)：127-134．

[5] Chen Y，Davalos J F，Ray I．Durability prediction for GFRP reinforcing bars using short-term data of accelerated aging tests[J]．Journal of Composites for Construction，2006，10(4)：279-286．

[6] Dejke V，Teppers R．Durability and service life time prediction of GFRP for concrete reinforcement[J]．FRPRCS5，Thomas Teford，2001(2)：505-513．

[7] Canadian Standards Association，CAN/CSA—S806—02．Design and construction of building components with fibre reinforced polymers[S]．Canadian Stand—ards Association，Rexdale，Ontario，2002．

[8] Japanese Society of Civil Engineers(JSCE)．Recom—mendations for design and construction of concrete structures using continuous fibre reinforced materials[S]．JSCE，Tokyo，Japan，1997．

[9] Bakht B, Al-Bazi G, Banthia N, Canadian bridge design code provisions for fiber-reinforced structures[J].Journal of Composites for Construction, 2000,4(1): 3-15.

[10] Toutanji H.Saafi M.Durability studies on concrete columns encased in PVC-FRP composite tubes[J].Composite Structures,2001(54): 27-35.

[11] Brahim Tighiouart，Brahim Benmokrane，Phalguni Mukhopadhyaya．Bond strength of Glass FRP rebar splices in beams under static loading[J]．Construction and Building Materials,1999(13)：383-392.

[12] 查曉雄, 王曉璐, 謝先義.GFRP筋混凝土梁耐火性能的試驗(yàn)研究[J]．防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2012,32(1):50-55.

CHA Xiaoxiong, WANG Xiaolu, XIE Xianyi.Fire performance of GFRP reinforced concrete beams[J]．Journal of Disaster Prevention and Mitigation of Engineering,2012,32(1):50-55.

[13] 李杉,任慧韜,黃承逵.溫度與堿溶液作用下FRP片材耐久性研究[J]．建筑材料學(xué)報(bào),2010,13(1):94-99.

LI Shan, REN Huitao, HUANG Chengkui.Combined effects of temperature and alkaline solutionon durability of FRP sheets[J]．Journal of Building Materials,2010,13(1):94-99.

[14] 周萌.GFRP與BFRP復(fù)合材料的濕熱耐久性能研究[D]．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

ZHOU Meng.Study on hydrothermal ageing of glass and basalt fiber based FRP composites[D]．Harbing:Harbing Industrial University,2013.

[15] 李趁趁,于愛民,王英來.模擬混凝土堿性環(huán)境下FRP筋的耐久性[J]．建筑科學(xué),2013,29(1):47-51.

LI Chenchen，YU Aimin，WANG Ying1ai.Durability of FRP rebars in alkaline environment of concrete[J]．Building Science,2013,29(1):47-51.

[16] Yilmaz V T，Glsser F P．Reaction of alkali-resistant glass fibers with cement, part l：Review, assessment, and microscopy[J]．Glass Technology,1991，32(3)：91-98．

(編輯蔣學(xué)東)

Test on erosion resistance of FRP anchor bolt

LUO Xiaoyong, TANG Xiexing, KUANG Yachuan, LI Kailei

(College of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract：For the purpose of studying the durability of FRP anchor bolt, this paper studied on durability of the fiber and resin.The mechanical performance tests are conducted on FRP bolts in normal, acid, alkalis and salt conditions, from which the change law of mechanical property can be studied for bolts in different corrosion conditions.The test results chow that , after 1500 hours erosion in acid, alkalis and salt conditions, the strength of GFRP anchar falk to 11.09%, 4.14% respectively.GFRP anchor bolt mechanical property is well in salt condition compared with in acid and alkalis conditions.When GFRP anchor bolt applied to the practical engineering structure, the influences of acid and alkaline environment should be considered, and the stress must not exceed 25% of ultimate tensile strength.On the other hand, CFRP anchor bolt strength changes little in acid, alkalis and salt conditions, and intensity drops by around 4%percent.Carbon fiber erosion resistance is good in acid, alkalis and salt conditions.Compared with GFRP anchor bolt, CFRP anchor bolt durability is better.According to the test results, degradation law calculation figure of CFRP anchor bolt mechanical property were deduced in this paper, which provide the theory basis for the engineering application.

Key words：FRP; anchor bolts; corrosion; durability; mechanical property

通訊作者：羅小勇(1968-)，男，湖南衡陽人，教授，博士，從事結(jié)構(gòu)工程方面的研究；E-mail：106371193@qq.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178470)

收稿日期：2015-03-27

中圖分類號(hào)：P315.95; TU37

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2015)06-1341-07