陸春華，何禮遠(yuǎn)，褚天舒，延永東

(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

眾所周知，鋼筋銹蝕問題始終制約著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展[1]，主要是鋼筋銹蝕會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)性能退化，是引起結(jié)構(gòu)失效的主要因素之一[2]。然而隨著新材料的發(fā)展，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP)憑借著其輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞、耐腐蝕、耐久性好等優(yōu)良性能脫穎而出，在土木與建筑工程中的研究與應(yīng)用十分活躍，已逐漸形成了一個(gè)新的學(xué)科增長點(diǎn)[3-5]。因此，人們認(rèn)為采用FRP筋替代普通鋼筋是解決混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕問題行之有效的方法之一。其中，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)筋價(jià)格較低廉，性價(jià)比較高，且應(yīng)用最為廣泛。因此，有必要對(duì)GFRP筋在惡劣侵蝕環(huán)境作用下的力學(xué)性能及耐久性進(jìn)行研究，為GFRP筋能夠更好地運(yùn)用到混凝土結(jié)構(gòu)中提供一定試驗(yàn)基礎(chǔ)。

目前，國內(nèi)外關(guān)于GFRP筋在侵蝕環(huán)境中的加速老化研究主要體現(xiàn)在腐蝕前后其力學(xué)性能的劣化規(guī)律等方面。Chen等[6]將GFRP筋分別置于60 ℃和40 ℃的水中，濕度均為100%，70 d后測(cè)得其抗拉強(qiáng)度分別降低29%和3%；王偉等[7]將GFRP筋浸泡在堿環(huán)境和埋入潮濕混凝土中，54 d后測(cè)得其抗拉強(qiáng)度分別損失了38.6%和34.5%；Stamenovic等[8]的試驗(yàn)結(jié)果表明，增加pH值的堿性環(huán)境將導(dǎo)致玻璃纖維管材力學(xué)性能更劇烈的退化，而酸性環(huán)境實(shí)際上使抗拉強(qiáng)度和彈性模量有所增加。Benmokrane等[9]通過表觀水平剪切強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在堿環(huán)境條件下，G/V具有最佳的力學(xué)性能，其次是B/E，最低的為B/V。Montaigu等[10]將新開發(fā)的乙烯和聚酯玻璃纖維增強(qiáng)聚合物浸泡在60 ℃的堿環(huán)境中，180 d后其性能基本穩(wěn)定，未表現(xiàn)出明顯的變化。

從上述研究情況來看，目前國內(nèi)外已對(duì)各種侵蝕環(huán)境下GFRP筋力學(xué)性能進(jìn)行了一定研究，但研究成果相對(duì)而言還比較少，并且有些方面還存在不足。有些研究學(xué)者只是選取一種侵蝕環(huán)境，然后根據(jù)溶液濃度的不同來對(duì)比分析，在實(shí)際工程中所面臨的惡劣環(huán)境是多樣的；還有些學(xué)者選取溫度作為參數(shù)條件，但是溫度選擇太高，對(duì)實(shí)際工程沒有多大的意義；雖然有選取時(shí)間作為控制因素，但并沒有和其他參數(shù)一起來對(duì)比分析；尺寸效應(yīng)作為筋材的基本屬性，卻鮮有學(xué)者去研究分析，結(jié)合相關(guān)因素的分析就更少。總體而言，研究者對(duì)溶液的濃度、溫度、筋材直徑及時(shí)間等參數(shù)的選取存在差異，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果也存在很大的差異。另外，大部分是對(duì)拉伸性能試驗(yàn)的研究，鮮有通過表觀水平剪切試驗(yàn)來研究其力學(xué)性能的，F(xiàn)RP筋材在構(gòu)件里不僅受拉，還要受剪，所以兩者都要研究。

鑒于此，本文對(duì)不同直徑、侵蝕環(huán)境以及浸泡時(shí)間的GFRP筋力學(xué)和耐久性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。主要分析了不同侵蝕環(huán)境對(duì)GFRP筋抗拉及剪切性能的影響、尺寸效應(yīng)對(duì)破壞形式和力學(xué)性能的影響、浸泡時(shí)間對(duì)筋材耐久性能的影響等。研究結(jié)果可為GFRP筋在土木工程尤其在惡劣侵蝕環(huán)境下的推廣應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用南京鋒暉復(fù)合材料有限公司拉擠成型的GFRP筋，由玻璃纖維和乙烯基酯樹脂組成，其物理力學(xué)性能參數(shù)見表1。拉伸試樣浸泡時(shí)間為180 d，試樣共34個(gè)，具體參數(shù)見表2，用于鹽、堿環(huán)境的GFRP筋每種直徑為4根，清水、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境則每種直徑為1或2根。剪切試樣浸泡時(shí)間分別為12，36，72 d，試樣共44個(gè)，具體參數(shù)見表3。

表1 GFRP筋物理力學(xué)性能Tab.1 Physical Mechanical Properties of GFRP Bars

注:8 mm試樣直徑太小，不適合做剪切試驗(yàn)。

表2 GFRP筋拉伸試樣參數(shù)Tab.2 Tensile Specimen Parameters of GFRP Bars

表3 GFRP筋剪切試樣參數(shù)Tab.3 Shear Specimen Parameters of GFRP Bars

1.2 侵蝕環(huán)境

浸泡試驗(yàn)在自制的無蓋鐵皮溶液箱中進(jìn)行，溫度為常溫。侵蝕環(huán)境主要有以下幾種：①堿環(huán)境，根據(jù)ACI Committee 440.3R-04規(guī)范[11]建議的方法進(jìn)行配置，在1 L去離子水中加入118.50 g Ca(OH)2，0.90 g NaOH，4.20 g KOH，實(shí)測(cè)pH值為12.82；②鹽環(huán)境，依據(jù)ASTM D665-03規(guī)范[12]，在1 L去離子水中加入24.53 g NaCl，5.20 g MgCl2，4.09 g Na2SO4，1.16 g CaCl2，0.70 g KCl；③清水環(huán)境，自來水；④實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)儀器見圖1。拉伸試驗(yàn)參考《定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法》[13]，在加載之前，為了避免應(yīng)力集中造成筋材的損壞，在加載端用環(huán)氧樹脂膠和套管進(jìn)行錨固。拉伸試驗(yàn)在WAW-1000D型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖1(a)所示，加載時(shí)間持續(xù)2～4 min。使用計(jì)算機(jī)監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)測(cè)試過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

表觀水平剪切試驗(yàn)采用《拉擠玻璃纖維增強(qiáng)塑料桿力學(xué)性能試驗(yàn)方法》[14]規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。將試樣放在支座上，調(diào)整支撐塊和試樣的位置至規(guī)定跨距，以保證試樣能夠剪切破壞。剪切試驗(yàn)在UTM5305型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖1(b)所示，試驗(yàn)加載速率為1.3 mm·min-1，加載速率是在不使試樣受到任何沖擊的情況下進(jìn)行的。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞形式

(1)拉伸試驗(yàn)。當(dāng)試樣加載一段時(shí)間后開始發(fā)出“噼噼啪啪”的響聲；隨著加載的持續(xù)，纖維斷裂的聲響不斷加大而且更加密集；達(dá)到極限應(yīng)力后，可以看到筋材表面部分纖維束逐漸被拉斷。斷裂纖維束逐漸增多，隨著“砰”的一聲，筋材的中部突然發(fā)生“爆炸式”破壞，與文獻(xiàn)[15]的結(jié)果相一致，破壞部位的纖維呈發(fā)散狀，同時(shí)飛散出許多細(xì)小的纖維絲，如圖2(a)所示，此時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。

(2)表觀水平剪切試驗(yàn)。初期施加荷載時(shí)，試樣中部會(huì)慢慢向下彎曲；荷載逐漸增大時(shí)，可以聽見有持續(xù)的響聲；達(dá)到最大荷載時(shí)，試樣在試驗(yàn)過程中斷裂，會(huì)聽到脆性斷裂的聲音，斷口有明顯的脆性斷裂跡象[16]，如圖2(b)所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 拉伸試驗(yàn)

由于拉伸斷裂后，無法測(cè)得GFRP筋斷口的截面尺寸，故仍采用初始截面面積計(jì)算試樣的抗拉強(qiáng)度，即

(1)

式中：σ為名義極限抗拉強(qiáng)度；PT為最大破壞荷載；d為筋材初始直徑。

拉伸彈性模量采用在彈性極限范圍內(nèi)應(yīng)力與相應(yīng)應(yīng)變的比值來計(jì)算，即

(2)

式中：E為筋材彈性模量；P1，P2分別為60%最大破壞荷載和40%最大破壞荷載；ε1，ε2分別為P1，P2對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。

根據(jù)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及計(jì)算公式，得出在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下3種不同直徑筋材的抗拉強(qiáng)度值(表1)。筋材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線能較好地反映其延伸率以及破壞形式，最后得到的GFRP筋試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。

由圖3可以看出，當(dāng)逐漸增加到最大應(yīng)力時(shí)，GFRP筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線始終保持為直線，沒有明顯的屈服點(diǎn)，整個(gè)試驗(yàn)過程基本是呈線彈性增長。從圖3還可以看出，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下GFRP筋極限拉應(yīng)變隨直徑的變化并不明顯，具體表現(xiàn)為，試樣的應(yīng)變都在0.02～0.03之間，變化幅度很小，說明筋材的極限延伸率比較低。當(dāng)超過最大荷載之后，就會(huì)出現(xiàn)驟降階段，表明GFRP筋在斷裂前沒有屈服階段，主要發(fā)生脆性破壞[17]。

為了更好地研究筋材的性能退化規(guī)律，選擇環(huán)境類別和直徑2個(gè)不同參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，具體結(jié)果如圖4所示。從圖4(a)可以看出，GFRP筋的極限抗拉強(qiáng)度在不同侵蝕環(huán)境下都有一定程度的下降，說明侵蝕環(huán)境對(duì)其抗拉強(qiáng)度有明顯的影響。具體表現(xiàn)為，直徑8 mm的GFRP筋在3種侵蝕環(huán)境下抗拉強(qiáng)度損失率在3%～12%之間；直徑12 mm的筋材在每種侵蝕環(huán)境下的抗拉強(qiáng)度損失率大不相同，在清水環(huán)境中抗拉強(qiáng)度反而有一定的增加(GFRP筋在拉伸過程中會(huì)出現(xiàn)一定容錯(cuò)率)，在堿環(huán)境中抗拉強(qiáng)度損失最多，為12.20%；直徑16 mm的筋材在清水和鹽環(huán)境下抗拉強(qiáng)度變化較少，而在堿環(huán)境下?lián)p失最多。已有類似研究[18]表明：GFRP筋除在堿性環(huán)境中表現(xiàn)較差外，氯鹽環(huán)境下抗腐蝕性能較好，這也說明了GFRP筋相比于鋼筋具備良好的耐氯離子腐蝕特性。這也為GFRP筋代替海工環(huán)境下的普通鋼筋來發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)提供一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

GFRP筋的抗拉強(qiáng)度在堿、鹽和清水環(huán)境中的平均損失率分別為11.44%，4.59%和4.30%。上述試驗(yàn)結(jié)果也可以從GFRP筋的微觀結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析[19]：FRP筋是一種復(fù)合材料，由纖維和基體組成，因此FRP筋性能退化機(jī)理與其組成成分密切相關(guān)。由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，GFRP筋受堿環(huán)境侵蝕的影響最為明顯，這主要因?yàn)椴ＡЮw維中Si-O鍵分別與水分子和堿環(huán)境中OH-交換或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使Si-O鍵斷裂造成GFRP筋性能劣化。被侵蝕過后筋材纖維含量減少導(dǎo)致截面面積變小，這與本文對(duì)其外形觀察結(jié)果一致。

圖4(b)給出了同一環(huán)境作用下筋材抗拉強(qiáng)度隨直徑的變化規(guī)律。從圖4(b)可以看出，當(dāng)直徑12 mm和8 mm的筋材作對(duì)比時(shí)，在鹽和堿環(huán)境下其抗拉強(qiáng)度都有所降低。從圖4(b)還可以看出，直徑16 mm筋材的抗拉強(qiáng)度反而比直徑12 mm筋材的要高，并且比直徑8 mm筋材的也高，也就是說，其抗拉強(qiáng)度沒有降低反而增大了。在鹽環(huán)境下，直徑8，12，16 mm試樣的抗拉強(qiáng)度分別下降了3.5%，9.42%和0.82%，曲線大致呈先下降再上升趨勢(shì)。

侵蝕環(huán)境下，直徑8，12，16 mm試樣的抗拉強(qiáng)度分別平均下降了7.42%，10.81%和4.27%。由此可以得出結(jié)論：①在小直徑情況下，GFRP筋抗拉強(qiáng)度具有較明顯的尺寸效應(yīng)；②在大直徑情況下，其抗拉強(qiáng)度則會(huì)受到長徑比的影響。文獻(xiàn)[20]研究也表明，筋材抗拉強(qiáng)度會(huì)隨著長徑比的減小而增大。本試驗(yàn)中直徑8，12，16 mm試樣的長徑比分別為50.0，33.3，25.0，也就是說當(dāng)筋材的極限抗拉強(qiáng)度受長徑比影響的增大值大于受尺寸效應(yīng)影響的降低值時(shí)，大直徑筋材的極限抗拉強(qiáng)度就會(huì)高于小直徑筋材。

2.2.2 表觀水平剪切試驗(yàn)

依據(jù)規(guī)范[14]規(guī)定，本試驗(yàn)在測(cè)定剪切強(qiáng)度時(shí)采用連續(xù)加載，故GFRP筋的剪切強(qiáng)度可按式(3)計(jì)算

(3)

式中：τs為剪切強(qiáng)度；PS為最大破壞荷載。

表4給出了不同侵蝕環(huán)境下GFRP筋的表觀水平剪切強(qiáng)度。為了更為直觀地對(duì)比研究筋材的剪切性能，選取侵蝕環(huán)境和浸泡時(shí)間為不同參數(shù)，根據(jù)剪切強(qiáng)度損失率等研究其退化規(guī)律，見圖5。

表4 不同侵蝕環(huán)境下的剪切強(qiáng)度Tab.4 Shear Strength in Different Eroded Environments

由圖5(a)可知，在不同侵蝕環(huán)境作用下，GFRP筋的剪切強(qiáng)度均有較明顯的下降。具體來說，與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)得的初始剪切強(qiáng)度相比，12 d時(shí)清水、鹽和堿環(huán)境下試樣剪切強(qiáng)度分別下降了-1.68%，4.46%，9.00%；36 d時(shí)分別下降了21.29%，27.80%，41.04%；72 d時(shí)則分別下降了26.05%，27.72%，41.77%。由此可以直觀地反映出，不論在任何時(shí)間段都是清水環(huán)境下的剪切強(qiáng)度最高，其次是鹽環(huán)境，最低的則是堿環(huán)境。值得一提的是，層間剪切強(qiáng)度的大小揭示了樹脂和纖維之間的界面性質(zhì)，也可以根據(jù)前面從GFRP筋的微觀結(jié)構(gòu)分析其性能退化機(jī)理中得到驗(yàn)證。

圖5(b)則可以更直觀地反映出直徑16 mm的GFRP試樣在不同浸泡時(shí)間下剪切強(qiáng)度的保留率。與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)得的參考值相比，浸泡12，36，72 d后，鹽環(huán)境作用下剪切強(qiáng)度損失率分別為3.66%，6.38%，9.65%；堿環(huán)境剪切強(qiáng)度損失率分別為6.51%，13.14%，14.78%；清水環(huán)境剪切強(qiáng)度損失率分別為6.64%，18.96%，20.00%。隨著浸泡時(shí)間的增加，筋材的剪切強(qiáng)度平均下降了5.60%，12.83%，14.81%。已有的類似研究中發(fā)現(xiàn)[21]，F(xiàn)RP筋在侵蝕初期，剪切強(qiáng)度下降較快，隨著侵蝕時(shí)間的增加，下降漸漸變緩，這是FRP筋被腐蝕的重要特點(diǎn)。在本文的侵蝕周期內(nèi)，GFRP筋的退化符合以上特點(diǎn)，例如在堿環(huán)境中，0～36 d內(nèi)剪切強(qiáng)度下降高達(dá)13.14%，而在36～72 d期間，剪切強(qiáng)度僅下降1.64%。分析認(rèn)為腐蝕介質(zhì)在FRP筋中的擴(kuò)散達(dá)到一定深度后難度加大，反應(yīng)生成物在FRP筋內(nèi)部堆積使反應(yīng)日趨緩慢是造成以上現(xiàn)象的主要原因。

綜合圖5(a),(b)可知，GFRP筋在清水、鹽、堿環(huán)境中的剪切強(qiáng)度分別下降了23.03%，18.69%，28.28%，可見侵蝕環(huán)境對(duì)其力學(xué)性能有明顯的影響。

圖6給出了表觀水平剪切試驗(yàn)中典型的荷載-位移曲線關(guān)系，描述的是GFRP筋試樣在堿環(huán)境作用下不同侵蝕階段(12，36，72 d)試樣受荷達(dá)到極限承載力時(shí)所產(chǎn)生的位移?？梢钥闯?，原始試樣的剪切斷裂機(jī)制在橫斷面發(fā)生脆性斷裂，在2 mm左右開始發(fā)生破壞。被侵蝕過的試樣荷載-位移曲線表現(xiàn)出相似的模式，包括在早期加載階段的線性彈性行為，持續(xù)加載時(shí)的非線性段和峰值后的負(fù)載能力下降階段。隨著浸泡時(shí)間的增加，試樣的最大破壞荷載在減小以及破壞時(shí)其位移量也隨之降低。這主要是堿環(huán)境對(duì)筋材的纖維與基體界面造成了一定的破壞。

3 結(jié) 語

(1)GFRP筋在3種侵蝕環(huán)境下的力學(xué)性能均有一定退化，基本為在堿環(huán)境條件下性能降低最多，其次是鹽環(huán)境，最少的是清水環(huán)境；氯鹽環(huán)境下其腐蝕性能較好，這也說明GFRP筋相比于鋼筋具備良好的耐氯離子腐蝕特性，從而能夠代替海工環(huán)境下的普通鋼筋來發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

(2)侵蝕環(huán)境下，直徑8，12，16 mm試樣的抗拉強(qiáng)度分別平均下降了7.42%，10.81%，4.27%?？梢缘贸龀醪浇Y(jié)論：小直徑時(shí)GFRP筋力學(xué)性能退化具有較明顯的尺寸效應(yīng)，抗拉強(qiáng)度隨直徑的增大而減小；大直徑下的情況則相反，有可能是筋材的極限抗拉強(qiáng)度受長徑比影響的增大值大于受尺寸效應(yīng)影響的降低值。

(3)隨浸泡時(shí)間的增加，直徑8，12，16 mm試樣的剪切強(qiáng)度平均下降了5.60%，12.83%，14.81%，其性能隨時(shí)間的增加而降低。在0～36 d時(shí)性能下降較快，36～72 d時(shí)下降趨于平緩，說明在浸泡一段時(shí)間后溶液對(duì)基體和纖維之間界面造成的損傷較大，之后反應(yīng)生成物在FRP筋內(nèi)部堆積使反應(yīng)日趨緩慢。