李雙營 趙建昌
*(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州730070)
?(青海民族大學(xué)土木與交通工程學(xué)院,西寧810007)
在我國鹽湖地區(qū),氯離子滲入混凝土結(jié)構(gòu)引起鋼筋腐蝕破壞是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要問題[1],鋼筋銹蝕是結(jié)構(gòu)喪失原有承載力,難以達(dá)到預(yù)期使用壽命的主要因素。研究發(fā)現(xiàn),纖維增強(qiáng)復(fù)合材料( fiber reinforced polymer,F(xiàn)RP)與鋼筋相比,有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕等力學(xué)性能,在鐵路、房屋建筑、地下領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,在鹽湖地區(qū),纖維增強(qiáng)材料筋代替鋼筋作為加強(qiáng)筋是解決鋼筋銹蝕的有效途徑[2];日本和歐美國家對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋在鐵路、房屋建筑、地下領(lǐng)域等取得比較多的成果,應(yīng)用技術(shù)早于中國[3-7]。國內(nèi)東南大學(xué)、浙江大學(xué)等在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋方面取得了一些成果:張新越等[8]在凍融環(huán)境與酸堿鹽腐蝕作用下,對自制的玻璃纖維增強(qiáng)材料筋的耐久性進(jìn)行試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:玻璃纖維筋具有很好的凍融和耐酸鹽腐蝕的性能,碳纖維筋具有比玻璃纖維更好的凍融和耐酸堿鹽腐蝕的性能;王海良等[9]通過試驗(yàn)對3種直徑不同的玄武巖纖維(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)筋在凍融循環(huán)、酸溶液及其耦合作用下耐久性進(jìn)行研究,分析環(huán)境類型及作用時間對其彈性模量、抗拉強(qiáng)度的影響;高永紅等[10]對直徑16 mm玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 (glass fiber reinforced polymer,GFRP)筋單調(diào)一次拉伸及在應(yīng)力上限水平為0.3σb,0.6σb(σb為筋體的極限抗拉強(qiáng)度)的9次循環(huán)加載拉伸損傷后的GFRP筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn),分析GFRP筋體在破壞前后的拉伸力學(xué)性能變化規(guī)律,結(jié)果表明:筋材的極限抗拉強(qiáng)度隨循環(huán)拉伸應(yīng)力的增加呈下降趨勢,折點(diǎn)處強(qiáng)度隨循環(huán)拉伸應(yīng)力的增加呈上升趨勢;劉生緯等[11]用解析法和有限元法分析了復(fù)合材料在邊坡穩(wěn)定性中的應(yīng)用;靳文強(qiáng)等[12]通過實(shí)驗(yàn)研究了黏土磚在濃度為10%硫酸鹽干濕循環(huán)作用下質(zhì)量、相對動彈性模量及強(qiáng)度退化機(jī)理;劉廷濱等[13]提出了能夠定量預(yù)測復(fù)雜環(huán)境下混凝土耐久性損失的方法;王依兵等[14]基于細(xì)觀力學(xué)理論,提出了橫觀各向異性復(fù)合材料彈性常數(shù)的分析模型。李趁趁等[15]模擬了堿性環(huán)境中FRP筋的耐久性;從FRP筋研究現(xiàn)狀及應(yīng)用形式看,國內(nèi)外學(xué)者在對FRP筋拉伸性能、抗剪性能、徐變斷裂性能及其混凝土結(jié)構(gòu)性能研究方面進(jìn)行了較為深入的研究,試驗(yàn)工況多為單調(diào)載荷和單種因素影響下的 FRP復(fù)合材料的各種性能的研究,而對纖維混雜結(jié)構(gòu)的研究比較少,特別是GFRP夾芯復(fù)合(內(nèi)部為鋼筋,外部是GFRP筋)的研究更為少見,另外從國內(nèi)外的研究看,在各種因素的耦合作用下FRP筋的各種性能的變化規(guī)律也很少見。因此本文主要考慮在多重因素作用下GFRP筋和GFRP夾芯復(fù)合筋的耐久性研究,為實(shí)際工程的應(yīng)用提供理論支撐。
南京鋒暉復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合筋 (GFRP筋),直徑 12 mm 的實(shí)心筋和GFRP筋夾芯復(fù)合筋 (內(nèi)部為鋼筋,外部是 GFRP筋,簡稱 GFRP夾芯筋),直徑 12 mm(鋼筋直徑6 mm,外裹厚度為6 mm的玻璃纖維筋)。
筋材試樣稱重完成后,將其做成700 mm的試?yán)渲袠?biāo)距L0=300 mm,夾芯鋼筋(里面是鋼筋,外面是玻璃纖維筋),用套管錨固試?yán)膬啥?圖1),套管用無縫鋼管制作而成,兩端的錨固長度分別為200 mm,鋼管內(nèi)徑比試樣筋材桿件的直徑大4 mm,壁厚3 mm,鋼管與纖維之間的錨固用環(huán)氧樹脂和固化劑按照4:1的比例配合而成。
圖1 GFRP筋(GFRP夾芯筋)的尺寸圖
拉伸性能試驗(yàn)采用上海華龍儀器有限公司的DN150的電子萬能試驗(yàn)機(jī),加載步驟按照 GB/T3-0022–2013纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法進(jìn)行[16],先對試?yán)M(jìn)行5 mm/min位移控制預(yù)加載,當(dāng)達(dá)到屈服強(qiáng)度的20%~30%時,預(yù)加載結(jié)束,卸載到載荷為0時再以5 mm/min位移控制正式加載,直到試?yán)茐?,觀察應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化規(guī)律,記錄破壞載荷、抗拉強(qiáng)度和彈性模量等指標(biāo),試驗(yàn)過程中有滑筋、端頭拉斷等現(xiàn)象時,該試?yán)髲U。
鹽湖鹵水的配置按以下方法實(shí)施[17]:青海鹽湖鹵水中的元素比例是Mg2+,Ca2+,Cl-,SO2+復(fù)合型,Mg2+占35129.7 mg/L,Ca2+占4241 mg/L,Cl-占 204209 mg/L,SO2+占 22290 mg/L,本項(xiàng)目所用鹵水是按照實(shí)際比例配置而成。
干濕循環(huán)試驗(yàn)在硫酸鹽腐蝕箱中進(jìn)行,參照GB/T50082-2009普通混凝土長期性能和耐久性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[18]的制度進(jìn)行,在鹵水中干濕循環(huán)腐蝕的實(shí)驗(yàn)步驟如下:鹵水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%,其循環(huán)過程為:試件在常溫下鹵水中自然浸泡14 h,之后通過排水管排出溶液,在溫度為40°C干燥箱中烘干8 h,最后慢慢關(guān)閉干燥箱的加熱系統(tǒng),在自然環(huán)境下冷卻2 h,一個循環(huán)過程結(jié)束。
根據(jù) GB/T50082-2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[18],青海鹽湖環(huán)境的凍融試驗(yàn)按以下步驟實(shí)施:采用北京耐恒設(shè)備有限公司生產(chǎn)的快速凍融試驗(yàn)機(jī)模擬青海鹽湖環(huán)境做凍融試驗(yàn),將直徑 16 mm GFRP筋浸入凍融機(jī)中進(jìn)行凍融試驗(yàn),每天凍融循環(huán)次數(shù)為6次,在溫度為25°C中融化1 h左右,之后將凍融機(jī)的溫度控制在-18°C左右進(jìn)行冷凍4 h,一個凍融循環(huán)結(jié)束。
在鹽湖鹵水、干濕循環(huán)、凍融作用下各構(gòu)件的力學(xué)性能退化規(guī)律,具體有四個工況:
第一工況:鹽湖鹵水作用下 (一次拉伸)(長度700 mm,直徑16 mm的GFRP筋和GFRP夾芯復(fù)合筋),浸泡周期 (15 d,30 d,60 d,90 d,120 d),簡記作 L15,L30,L60,L90,L120。
第二工況:鹽湖鹵水+干濕循環(huán)作用下 (一次拉伸)(長度 700 mm,直徑 16 mm 的 GFRP筋和 GFRP夾芯復(fù)合筋),循環(huán)周期 (10周期,20周期,30周期,40周期,50周期),簡記作L15+X10,L30+X20,L60+X30,L90+X40,L120+X50。
第三工況:凍融作用:(一次拉伸)(長度550 mm,直徑16 mm的GFRP筋和GFRP夾芯復(fù)合筋),凍融循環(huán)次數(shù)(10次,50次,100次,150次,300次);簡記作 D10,D50,D100,D150,D300。
第四工況:鹽湖鹵水+干濕循環(huán)+凍融耦合作用(一次拉伸)(長度550 mm,直徑16 mm的GFRP筋和GFRP夾芯復(fù)合筋)。干濕循環(huán)10次,凍融10次;干濕循環(huán)20次,凍融 50次;干濕循環(huán)30次,凍融100次;干濕循環(huán)40次,凍融150次;干濕循環(huán) 50次,凍融 300次,簡記作 L15+X10+D10,L30+X20+D50, L60+X30+D100, L90+X40+D150,L120+X50+D300。
每個工況各需要90根玻璃纖維筋 (GFRP)和GFRP筋夾芯復(fù)合筋 90根,共 360根玻璃纖維筋(GFRP)和360根GFRP筋夾芯復(fù)合筋。
玻璃纖維筋是由玻璃纖維和聚合物基材通過環(huán)氧樹脂和固化劑按照一定的比例組合而成,玻璃纖維含量較大,約占60%~82%,其余為基體。國內(nèi)外試驗(yàn)研究表明:玻璃纖維含量與FRP筋的強(qiáng)度、力學(xué)性能和耐久性成正比例關(guān)系,玻璃纖維筋力學(xué)性能和耐久性退化的主要原因是[19]:當(dāng)玻璃纖維筋中的Si–O鍵隨著各種環(huán)境因素特別是堿溶液OH-作用斷裂,樹脂基體中的酯鍵隨著各種環(huán)境因素的退化可用下式表示
金清平等[20]借助掃描電子顯微鏡觀察筋體各階段受力下的細(xì)觀結(jié)構(gòu) (圖 2),掃描圖顯示樹脂和玻璃纖維填充不致密,黏結(jié)和分布不均勻,內(nèi)部存在一定的缺陷。根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)的特征,玻璃纖維筋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會隨著干濕循環(huán)、凍融次數(shù)等環(huán)境的侵蝕發(fā)生變化,導(dǎo)致力學(xué)性能改變。
圖2 聚乙烯晶體的掃描圖[20]
GFRP筋材拉伸強(qiáng)度計算公式為
式中,σ為筋材實(shí)測抗拉強(qiáng)度,MPa;d為筋材直徑,mm;P為筋材最大實(shí)測載荷,kN。
GFRP筋拉伸彈性模量計算公式為
式中,P1和ε1為50%最大破壞載荷對應(yīng)的載荷和相應(yīng)的應(yīng)變,N和無量綱;E為FRP筋拉伸彈性模量,MPa;P2和ε2為最大極限載荷的 25% 對應(yīng)的載荷和應(yīng)變,N和無量綱。
GFRP筋極限應(yīng)變計算公式為
式中,εu為 GFRP筋的極限應(yīng)變,無量綱;fu為GFRP筋的極限抗拉強(qiáng)度,MPa。
3.2.1 GFRP筋一次拉伸和循環(huán)拉伸的表觀特征及本構(gòu)關(guān)系
GFRP筋單調(diào)一次拉伸試驗(yàn)中,載荷小于68 kN時,應(yīng)力達(dá)到302 MPa,應(yīng)變0.581%,試件表面幾乎無變化,載荷與應(yīng)力幾乎成正比例關(guān)系;當(dāng)載荷大于68 kN時,隨著載荷的增加,由于應(yīng)力集中導(dǎo)致纖維絲斷裂破壞,GFRP筋不定時發(fā)出一聲較微弱的聲響,部分玻璃纖維筋從樹脂基體中剝離。當(dāng)施加載荷接近203 kN時,出現(xiàn)急促的纖維斷裂聲響;樹脂在極限抗拉強(qiáng)度 67 MPa時發(fā)生失效破壞,此時應(yīng)變3.523%,載荷在68 kN~203 kN之間,載荷與應(yīng)力幾乎成正比例關(guān)系,但是斜率減小,從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以得出:GFRP筋單調(diào)一次拉伸試驗(yàn)中應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系可以用兩條折線來表示,如圖3(模型a),彈性模量由4.441減小到2.778,隨著載荷的增加,試件中部薄弱處首先出現(xiàn)裂縫,部分玻璃纖維集中成束狀,基體突然破壞,屬于脆性破壞。
GFRP 筋循環(huán)拉伸作用下,應(yīng)力達(dá)到 0.4σb(270 MPa),還沒有達(dá)到 302 MPa(折點(diǎn)應(yīng)力),所以,應(yīng)變較小,彈性模量也小,循環(huán)5次過程中由載荷-位移曲線可以得到:起始位移為3.70 mm。隨著循環(huán)次數(shù)的增加,加載應(yīng)力上限0.4σb對應(yīng)的載荷減小為54 kN,在循環(huán)加載-卸載過程中載荷-位移的關(guān)系均呈正比例。當(dāng)循環(huán)次數(shù)結(jié)束載荷卸載完成后,GFRP筋的實(shí)際位移為4.00 mm,比GFRP筋起始位移3.70 mm增加了0.30 mm,殘余變形幾乎沒有發(fā)生。
3.2.2 GFRP夾芯復(fù)合筋一次拉伸的表觀特征及本構(gòu)關(guān)系
直徑為16 mm的GFRP夾芯筋(內(nèi)鋼筋8 mm,外 GFRP筋 8 mm)一次拉伸作用下,當(dāng)作用在GFRP夾芯筋復(fù)合材料的載荷逐漸增加時,低延伸率的玻璃纖維首先破壞,但是它們被高延伸率的鋼筋約束著,雖然玻璃纖維已經(jīng)斷裂不連續(xù),但玻璃纖維仍能夠繼續(xù)承擔(dān)剪切載荷,并且仍對剛度有貢獻(xiàn),導(dǎo)致GFRP夾芯筋復(fù)合材料的斷裂應(yīng)變比單一碳纖維大?;蛘咭部梢赃@樣理解,在GFRP夾芯筋復(fù)合材料中,高延伸的鋼筋起著抑制玻璃纖維裂紋傳播的作用,能夠減少玻璃纖維災(zāi)難性裂紋增長的概率,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可用圖4(模型b)表示。
圖3 模型a
圖4 模型b
表 1為鹽湖鹵水作用的測試結(jié)果,可以看到,在鹽湖鹵水環(huán)境下,隨著齡期的增加,GFRP筋和GFRP夾芯筋的抗拉強(qiáng)度都減小,GFRP筋從677.98減小到 598.12,減小了 12%,而 GFRP夾芯筋從455.58減小到376.18,減少了17%,GFRP夾芯筋由于構(gòu)造的原因減少幅度較大;另外,GFRP筋無屈服強(qiáng)度,GFRP夾芯筋有屈服強(qiáng)度,并且隨著在鹵水溶液中浸泡齡期的增大,GFRP夾芯筋的屈服強(qiáng)度減小;而GFRP筋隨著在鹵水溶液中浸泡齡期的增大,彈性模量先減小后增大,但GFRP夾芯筋的彈性模量一直增大;GFRP筋和GFRP夾芯筋的斷裂應(yīng)變都減小,GFRP筋由3.523減小到0.581,表現(xiàn)出明顯的脆性,GFRP夾芯筋由18.314減少到13.178,斷裂時相對應(yīng)變較大,有一定的延性。
表1 鹽湖鹵水作用的測試結(jié)果
從表2的數(shù)據(jù)可以得到,在鹽湖鹵水環(huán)境下,隨著齡期的增加,GFRP筋和GFRP夾芯筋的抗拉強(qiáng)度都減??;另外,GFRP筋無屈服強(qiáng)度,GFRP夾芯筋有屈服強(qiáng)度,并且隨著齡期的增加,屈服強(qiáng)度在減小;GFRP筋隨著齡期的增加,彈性模量先減小后增大,而GFRP夾芯筋的彈性模量一直增大;GFRP筋和GFRP夾芯筋的斷裂應(yīng)變都減小,GFRP筋由3.423減小到0.421,表現(xiàn)出明顯的脆性,GFRP夾芯筋由15.324減少到10.175。鹽湖鹵水單因素作用下抗拉強(qiáng)度、彈性模量、斷裂應(yīng)變降低的幅度更大,這是由干濕循環(huán)的環(huán)境改變導(dǎo)致的。
從表3鹽湖鹵水+干濕循環(huán)作用下的測試結(jié)果可以看出,隨著凍融次數(shù)的增加,GFRP筋和GFRP夾芯筋的抗拉強(qiáng)度都減??;另外,GFRP筋無屈服強(qiáng)度,GFRP夾芯筋有屈服強(qiáng)度,并且隨著凍融次數(shù)的增加,其屈服強(qiáng)度和彈性模型的變化表現(xiàn)出的現(xiàn)象與在鹵水溶液中表現(xiàn)出的現(xiàn)象一樣;GFRP筋和GFRP夾芯筋的斷裂應(yīng)變都減小,GFRP筋由3.512減小到0.897,表現(xiàn)出明顯的脆性,GFRP夾芯筋由17.324減少到13.31。
從表4鹽湖鹵水浸泡+干濕循環(huán)作用+凍融循環(huán)耦合作用下的測試結(jié)果可以看出,隨著干濕、凍融循環(huán)次數(shù)的增加,GFRP筋和GFRP夾芯筋的抗拉強(qiáng)度都減??;另外,GFRP筋無屈服強(qiáng)度,GFRP夾芯筋有屈服強(qiáng)度,并且隨著干濕循環(huán)凍融次數(shù)的增加,其屈服強(qiáng)度逐漸減??;GFRP筋的彈性模量隨著干濕循環(huán)凍融次數(shù)的增加先減小后增加,而GFRP夾芯筋的彈性模量隨著干濕循環(huán)凍融次數(shù)的增加而增加;GFRP筋和 GFRP夾芯筋的斷裂應(yīng)變都減小,GFRP筋由3.347減小到0.321,表現(xiàn)出明顯的脆性,GFRP夾芯筋由17.319減少到10.175.各種因素耦合作用下,各物理量的減小程度更大,GFRP筋和GFRP夾芯筋都表現(xiàn)出明顯的脆性。
表4 鹽湖鹵水+干濕循環(huán)+凍融耦合作用下的測試結(jié)果
為方便分析GFRP筋、GFRP夾芯筋在鹵水作用、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)及耦合作用后力學(xué)性能的退化規(guī)律,將工況1鹽湖鹵水腐蝕齡期120天(L120)、工況2鹽湖鹵水+干濕循環(huán)(L120+X50)、工況3凍融作用下(D300)、工況4鹽湖鹵水+干濕循環(huán)+凍融耦合(L120+X50+D300)作用下的各力學(xué)性能繪制成圖,從圖 5~圖 8可以得到,耦合因素作用下GFRP筋和GFRP夾芯復(fù)合筋的極限抗拉強(qiáng)度、彈性模量均比單因素作用下小,而在單因素作用下,隨著齡期的增加,彈性模量先減少后增加,且腐蝕性的大小關(guān)系是:鹽湖鹵水+干濕循環(huán)+凍融耦合>鹽湖鹵水+干濕循環(huán)>凍融>鹽湖鹵水,GFRP筋在各種因素作用下,其腐蝕程度較小,無明顯的屈服強(qiáng)度,屬于脆性破壞,而直徑為16 mm的GFRP夾芯復(fù)合筋由于內(nèi)外鋼筋和纖維筋各8 mm,所以各力學(xué)性能比較理想,外部的玻璃纖維筋由于腐蝕較小起到一個保護(hù)的作用,且隨著載荷的增加玻璃纖維的應(yīng)變要比鋼筋的應(yīng)變小,極限抗拉強(qiáng)度大,所以GFRP夾芯復(fù)合筋的裂縫首先出現(xiàn)在纖維表面,雖然纖維表面出現(xiàn)裂縫,但是纖維起著保護(hù)和承載兩方面的作用,當(dāng)裂縫較多時,GFRP夾芯復(fù)合筋的承載能力主要鋼筋承擔(dān),表現(xiàn)出鋼筋的力學(xué)性能,所以在受載荷作用的過程中表現(xiàn)出一定的延性,兩者配合承載體現(xiàn)了各自的優(yōu)缺點(diǎn),性能互補(bǔ),達(dá)到一定的目的。
圖5 GFRP筋和GFRP夾芯筋極限抗拉強(qiáng)度的對比圖
圖6 GFRP筋在彈性模量的變化圖
圖7 GFRP夾芯筋彈性模量的變化圖
圖8 GFRP筋和GFRP夾芯筋彈性模量的變化圖
(1)GFRP筋的一次拉伸試驗(yàn)不存在屈服強(qiáng)度,應(yīng)力應(yīng)變曲線用兩段折線來表示,在破壞之前,應(yīng)變的變化量較小,表現(xiàn)出明顯的脆性;GFRP夾芯復(fù)合筋是一個新型材料,在一次拉伸過程中,由于外部的玻璃纖維筋腐蝕較小起到一個保護(hù)的作用,且隨著載荷的增加玻璃纖維的應(yīng)變要比鋼筋的應(yīng)變小,極限抗拉強(qiáng)度大,所以GFRP夾芯復(fù)合筋的裂縫首先出現(xiàn)在纖維表面,雖然纖維表面出現(xiàn)裂縫,但是纖維起著保護(hù)和承載兩方面的作用,當(dāng)裂縫較多時,GFRP夾芯復(fù)合筋的承載能力主要鋼筋承擔(dān),表現(xiàn)出鋼筋的力學(xué)性能,存在明顯的屈服強(qiáng)度,應(yīng)力應(yīng)變用三段線來表示,表現(xiàn)出明顯的延性,同時抗腐蝕能力增強(qiáng),在鹽湖地區(qū)是一種比較理想的新型材料。
(2)在多重因素耦合作用下,隨著鹽湖鹵水腐蝕周期、凍融次數(shù)、干濕循環(huán)次數(shù)的增加,GFRP筋和GFRP夾芯復(fù)合筋的抗拉強(qiáng)度逐漸減小,但是GFRP筋減小的幅度較小,而GFRP夾芯復(fù)合筋由于有鋼筋的存在,抗拉強(qiáng)度減小比較大,特別是在鹽湖鹵水90 d以上,凍融150次以上時GFRP夾芯復(fù)合筋的極限抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)不是很明顯,屈服強(qiáng)度減小并且與抗拉極限強(qiáng)度接近,表現(xiàn)出明顯的脆性。在各種因素作用下GFRP筋隨著齡期的增加彈性模量先減少后增加,而GFRP夾芯復(fù)合筋的彈性模量逐漸減小,相對來講減小的幅度不是很大。
(3)各種耦合因素作用下 GFRP筋和 GFRP夾芯復(fù)合筋的極限抗拉強(qiáng)度、彈性模量均比單因素作用下小,而在單因素作用下,隨著齡期的增加,彈性模量先減少后增加,且腐蝕性的大小關(guān)系是鹽湖鹵水+干濕循環(huán)+凍融耦合>鹽湖鹵水+干濕循環(huán)>凍融>鹽湖鹵水。