陳紅梅，劉玉濤，關(guān)紀(jì)文

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，桂林 541004;2.南寧學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，南寧 530200)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大量新建建筑物拔地而起，導(dǎo)致淡水、砂石資源供應(yīng)矛盾加??；同時(shí)，在遠(yuǎn)海島嶼工程建設(shè)上，混凝土拌合骨料的來(lái)源是海洋工程開(kāi)發(fā)亟待解決的問(wèn)題之一。我國(guó)海岸線較長(zhǎng)，對(duì)于海洋工程及沿?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)而言，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋受到海水中氯離子等有害物質(zhì)的侵入易發(fā)生銹蝕[1-2]，致使建筑物在達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限前便出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷等耐久性問(wèn)題。

基于鋼筋銹蝕問(wèn)題，研究者提倡使用環(huán)氧涂層鋼筋、鍍鋅鋼筋、不銹鋼鋼筋等作為結(jié)構(gòu)受力筋，或采取在混凝土內(nèi)添加鋼筋阻銹劑、混凝土表面涂層及加設(shè)防腐蝕面層等措施[3]。更有學(xué)者深入探索得知：海洋中豐富的珊瑚資源具有節(jié)約建筑材料成本的優(yōu)勢(shì)，遠(yuǎn)海島礁工程建設(shè)可秉承因地制宜、就地取材的原則，以珊瑚礁砂替代普通砂石，并加入海水拌制成珊瑚混凝土(coral concrete)；同時(shí)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer, FRP)筋得益于其優(yōu)良的抗腐蝕特性與高抗拉強(qiáng)度，可置換易銹蝕的普通鋼筋，珊瑚混凝土與FRP筋的結(jié)合是解決普通砂石骨料緊缺、鋼筋銹蝕等問(wèn)題的最佳選擇。FRP筋種類多樣，可由不同類別的塑料纖維增強(qiáng)體與聚合物樹(shù)脂基體經(jīng)特定工序制作而成，其中，由新興高性能玄武巖纖維充當(dāng)重要組成成分的玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(basalt-fiber reinforced polymer, BFRP)筋成為現(xiàn)有FRP筋體系的補(bǔ)充，但目前關(guān)于BFRP筋的研究相對(duì)有限，其探索空間極大[4-7]。

鑒于BFRP筋與珊瑚混凝土均為新興建筑材料，其力學(xué)行為、本構(gòu)關(guān)系與普通鋼筋和普通混凝土相異，BFRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土耐久性問(wèn)題值得深入探究。本文先對(duì)BFRP筋及珊瑚混凝土進(jìn)行材料基本性能介紹，在此基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)BFRP筋的耐久性、珊瑚混凝土的耐久性、BFRP筋-珊瑚混凝土的界面粘結(jié)耐久性及BFRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土的結(jié)構(gòu)耐久性四個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行歸納梳理，其研究進(jìn)展脈絡(luò)圖如圖1所示。

圖1 BFRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土耐久性研究進(jìn)展脈絡(luò)圖Fig.1 Research progress map of durability of BFRP bars reinforced coral concrete

1 BFRP筋及珊瑚混凝土的基本性能

1.1 BFRP筋的基本性能

已有研究[8]表明，玄武巖纖維是一種非金屬類的人造無(wú)機(jī)纖維，它是以火山巖為主原料并在1 500 ℃高溫中熔制后提取而成，相較其他類型的纖維材料具有生態(tài)環(huán)保、比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、耐水性佳等優(yōu)點(diǎn)。BFRP筋的制作工藝為：先將玄武巖纖維擠壓成型后浸染一定比例的環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行膠合，再摻入適量的外加劑進(jìn)行拉擠、固化。BFRP直筋與箍筋如圖2所示。為提高BFRP筋的強(qiáng)度利用率，以保證筋體與混凝土之間有良好的粘結(jié)性能，除了光桿筋外，常將BFRP筋表面制成規(guī)律的凹凸花紋狀或進(jìn)行噴砂處理，如螺旋狀纏繞的帶肋螺紋筋、表面噴砂筋等。

圖2 BFRP直筋與箍筋[9]Fig.2 BFRP straight bars and stirrups[9]

圖3 BFRP筋與鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of BFRP bars and steels

BFRP筋與普通鋼材的基本力學(xué)性能參數(shù)如表1所示[9-10]。與普通鋼筋(以HRB400鋼筋為例)相比，BFRP筋質(zhì)輕(約為普通鋼筋的1/6～1/4)、抗拉強(qiáng)度高，而其彈性模量與延伸率均低于普通鋼筋，是一種破壞突然的脆性材料。BFRP筋與鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。普通鋼筋具有鮮明的屈服點(diǎn)與屈服臺(tái)階，是延性特征顯著的彈塑性材料；而B(niǎo)FRP筋應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線[11]與硬鋼(以鋼絞線為例)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)展形式趨同，均呈線性增長(zhǎng)，無(wú)任何屈服點(diǎn)。纖維種類與含量、樹(shù)脂種類均為BFRP筋線膨脹系數(shù)的影響因素，而特殊之處在于，樹(shù)脂性能對(duì)BFRP筋橫向線膨脹系數(shù)的影響明顯高于玄武巖纖維性能對(duì)筋體縱向線膨脹系數(shù)產(chǎn)生的影響，較高的橫向線膨脹系數(shù)會(huì)造成筋材-混凝土界面粘結(jié)減弱、混凝土膨脹破裂及預(yù)應(yīng)力受損的危害。但BFRP筋與普通鋼筋、鋼絞線的縱向線膨脹系數(shù)差異不大，均與混凝土的線膨脹系數(shù)(10×10-6～15×10-6℃)接近，說(shuō)明BFRP筋具有與混凝土協(xié)同工作的基礎(chǔ)。

表1 BFRP筋與普通鋼材的基本力學(xué)性能參數(shù)[9-10]Table 1 Basic mechanical performance parameters of BFRP bars and ordinary steels[9-10]

1.2 珊瑚混凝土的基本性能

珊瑚混凝土是將珊瑚礁破碎成不同粒徑珊瑚骨料后，以珊瑚碎屑作粗骨料，珊瑚砂充當(dāng)細(xì)骨料，加入海水拌養(yǎng)而成的一類天然輕骨料混凝土。根據(jù)骨料組成的不同，可分為全珊瑚混凝土、珊瑚骨料混凝土及珊瑚砂混凝土[12]。其中，珊瑚礁是一種富含碳酸鈣(CaCO3)礦物成分的特殊有機(jī)巖質(zhì)體，廣泛分布于海洋地區(qū)的深海、淺海區(qū)域，對(duì)于島礁工程建設(shè)來(lái)說(shuō)，就地取材是可行之舉。珊瑚碎屑與珊瑚砂實(shí)物圖如圖4所示：珊瑚碎屑粗骨料多為灰白色，表觀多孔、質(zhì)量輕且形狀不規(guī)則，其表觀密度約為1 800 kg/m3，堆積密度約為1 000 kg/m3，孔隙率接近50%[13]；細(xì)骨料為乳白色顆粒狀，由細(xì)小珊瑚摻加少量貝殼碎片構(gòu)成。由圖5珊瑚混凝土的破壞剖面可知：珊瑚骨料與水泥漿體之間握裹緊密，同時(shí)含有較多大小不一的空洞；受制于珊瑚骨料自身強(qiáng)度低、脆性大等缺點(diǎn)，混凝土破壞過(guò)程中裂縫的穿透作用致使大部分珊瑚粗骨料破碎。

圖4 珊瑚碎屑與珊瑚砂實(shí)物圖Fig.4 Physical pictures of coral debris and coral sand

現(xiàn)有研究主要集中于珊瑚混凝土的適用性[14]、單軸抗壓本構(gòu)關(guān)系與基本力學(xué)性能[15-19]、脆性特性[20]等。然而，由于珊瑚骨料孔隙率高、滲透性強(qiáng)，含氯鹽成分的侵蝕物質(zhì)可輕易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，故珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)面臨保護(hù)層開(kāi)裂與脫落、內(nèi)置鋼材銹蝕等耐久性問(wèn)題。

由于混凝土骨料組分性能的不同，珊瑚混凝土與普通混凝土單軸受壓本構(gòu)關(guān)系存在差異，其應(yīng)力-應(yīng)變(σ-με)曲線如圖6所示。胡喬等[21]研究發(fā)現(xiàn)，二者區(qū)別如下：

(1)珊瑚混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性特征顯著。珊瑚骨料與普通砂石骨料相比，強(qiáng)度較低，脆性大，且其形狀各異、表面多孔，使水泥漿和骨料能夠粘結(jié)緊實(shí)，破壞裂縫出現(xiàn)較遲，故剛度變化小，線性階段較長(zhǎng)。

(2)珊瑚混凝土破壞時(shí)極限應(yīng)變較小。與高強(qiáng)度的普通砂石骨料不同，珊瑚混凝土抵抗變形的能力較弱，其受壓破壞時(shí)裂縫直穿低強(qiáng)度珊瑚骨料，裂縫發(fā)展后破壞迅速。

圖5 珊瑚混凝土破壞面Fig.5 Failure surface of coral concrete

圖6 珊瑚混凝土(SC40)與普通混凝土(C40) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比[21]Fig.6 Comparison of stress-strain curves for coral concrete (SC40) and common concrete (C40)[21]

2 BFRP筋及珊瑚混凝土的耐久性

2.1 BFRP筋的耐久性

目前，F(xiàn)RP筋暴露于腐蝕環(huán)境后，其拉拔強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度及橫向剪切強(qiáng)度等機(jī)械性能測(cè)試的規(guī)范極為豐富[22-26]。對(duì)于FRP筋抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)雖取得一定進(jìn)展[27-28]，但抗壓性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)尚未達(dá)成一致。與此同時(shí)，BFRP筋在惡劣環(huán)境中宏觀與微觀損傷程度、劣化機(jī)理等長(zhǎng)期性能研究?jī)?nèi)容上存在局限性，制約其的廣泛應(yīng)用。下面針對(duì)不同腐蝕環(huán)境類別、疲勞與徐變物理作用等因素，對(duì)BFRP筋耐久性的試驗(yàn)研究展開(kāi)陳述。

(1)腐蝕溶液作用

較多學(xué)者將BFRP筋放置于模擬的酸、堿、鹽等腐蝕溶液及蒸餾水中進(jìn)行材料耐久性測(cè)試，研究腐蝕溶液的侵入對(duì)筋體表觀形貌及各項(xiàng)力學(xué)性能造成的影響。金漢林等[29]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：腐蝕后的BFRP筋存在顏色變黑、樹(shù)脂基體脫落與體積膨脹等現(xiàn)象；隨著腐蝕周期的增長(zhǎng)，出現(xiàn)白色泡沫附著于筋體且局部有蝕坑；酸堿腐蝕溶液會(huì)對(duì)筋材的抗拉、抗壓及抗剪強(qiáng)度分別造成不同程度的衰減，抗壓和抗拉強(qiáng)度受酸性溶液影響較大，抗剪強(qiáng)度和極限拉應(yīng)變受堿性溶液影響較大，且同條件下BFRP筋的抗酸性能優(yōu)越[30]。

在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者提出升高腐蝕環(huán)境溫度的建議，并發(fā)現(xiàn)不同溫度使BFRP筋微觀性能及力學(xué)性能的損傷產(chǎn)生差異。吳敬宇等[31]指出：隨著溫度的增加，蒸餾水和堿性腐蝕溶液下BFRP筋微觀損傷程度存在差別，高溫下的蒸餾水或堿性溶液均對(duì)筋體內(nèi)部玄武巖纖維組分腐蝕損傷程度顯著，纖維表面出現(xiàn)明顯的刻蝕并呈片狀剝離；同時(shí)，堿性腐蝕作用下的筋體內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，其腐蝕程度遠(yuǎn)大于蒸餾水環(huán)境。Massou[32]指出在不同溫度的海水浸泡腐蝕下，BFRP筋的拉伸性能、抗折強(qiáng)度(三點(diǎn)彎曲性能)和平面抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律不同。海水腐蝕與溫度的耦合作用，導(dǎo)致樹(shù)脂-玄武巖纖維的粘結(jié)力降低，試件的拉伸性能大大衰減；在20 ℃與40 ℃下，筋材的剪切強(qiáng)度略微增加，而60 ℃下顯著降低。與此同時(shí)，Rifai等[33]將BFRP筋暴露于不同溫度的堿性環(huán)境中進(jìn)行不同周期的腐蝕，探索拉伸強(qiáng)度、吸濕率、基體消化率和微觀組織特征之間的關(guān)聯(lián)性。在40 ℃的堿性溶液中，BFRP試件的抗拉強(qiáng)度保留率與潮濕混凝土環(huán)境下的試件相同，但隨著溫度與腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，堿性溶液下BFRP筋的抗拉強(qiáng)度保留率僅71%。原因在于，BFRP筋在堿性溶液下比潮濕混凝土環(huán)境下具有更高的吸濕率，且隨著腐蝕齡期的延長(zhǎng)和溫度的升高，纖維的吸濕量不斷增加，纖維-基體界面粘結(jié)度降低，故筋材的拉伸強(qiáng)度降低[34]。并指出，在較高溫度的持續(xù)腐蝕作用下，筋體內(nèi)部纖維-基體界面發(fā)生分離，基體解體后出現(xiàn)較多微間隙，溫度越高，纖維的周向剝離與基體的崩解程度越高。

在相同的腐蝕溶液環(huán)境中，混凝土保護(hù)作用下的BFRP筋與直接受腐蝕溶液作用的BFRP裸筋相比，兩者的力學(xué)性能衰減程度不同。Lu等[35]對(duì)海水海砂混凝土包覆后的BFRP筋進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)堿性養(yǎng)護(hù)溶液相對(duì)于水溶液對(duì)混凝土內(nèi)筋體的侵蝕程度更大，在混凝土保護(hù)下堿性溶液仍是造成BFRP筋性能退化的主導(dǎo)因素。但較厚的珊瑚混凝土保護(hù)層，可減少堿溶液對(duì)混凝土內(nèi)BFRP筋的損傷。

綜上，關(guān)于BFRP筋材料耐久性的現(xiàn)有研究，主要集中在將其放置于pH值不同的酸、堿、海水和中性蒸餾水溶液中，并通過(guò)提高溫度以達(dá)到加速腐蝕的效果，但并未設(shè)置其在紫外線環(huán)境、凍融循環(huán)及海水潮汐區(qū)環(huán)境下的研究。鑒于各學(xué)者采取的試驗(yàn)控制因素、原材料性能參數(shù)及腐蝕齡期不同，BFRP筋的材料耐久性存在些許差異，但腐蝕溶液的侵蝕程度大致趨勢(shì)仍為：堿性溶液>中性蒸餾水溶液>酸性溶液>海水溶液，且腐蝕環(huán)境溫度越高，BFRP筋損傷程度越大。

(2)高溫作用

在腐蝕溶液作用下，溫度可起到一定的加速腐蝕效果，同時(shí)對(duì)BFRP筋力學(xué)性能造成一定損傷，故探求BFRP筋在高溫(諸如火災(zāi)等)環(huán)境下的力學(xué)性能尤為重要。與腐蝕溶液作用下的試驗(yàn)研究相比，BFRP筋在高溫作用下的研究非常少，應(yīng)給予一定重視。

唐利等[36]研究高溫對(duì)BFRP筋拉伸、抗壓與抗剪力學(xué)性能產(chǎn)生的影響，并觀察到高溫作用后的試件外觀形態(tài)和破壞模式存在明顯差異。溫度的升高使筋體表面的顏色由淺灰色變成炭黑色，高溫作用后拉伸試驗(yàn)中的BFRP筋纖維-樹(shù)脂的粘結(jié)力變?nèi)鯇?dǎo)致樹(shù)脂脫落，與纖維絲分離；溫度的升高與筋體力學(xué)性能的損傷呈正相關(guān)增長(zhǎng)，BFRP筋的各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)均降低；當(dāng)溫度升高至350 ℃時(shí)，筋材的抗拉與抗壓強(qiáng)度降低極為顯著，高達(dá)88.50%和77.75%。基于試驗(yàn)結(jié)果，在獲取BFRP筋應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立其在高溫作用下力學(xué)性能參數(shù)的退化模型。

(3) 疲勞與徐變物理作用

疲勞現(xiàn)象指在反復(fù)荷載作用下，拉索結(jié)構(gòu)不可避免地遭受應(yīng)力集中或在材料不均勻位置處產(chǎn)生裂紋，多發(fā)生于橋梁、體育館、核電站等建筑物上。但迄今為止，BFRP拉索尚未得到應(yīng)用。徐變則指在長(zhǎng)期的靜載作用下，筋體內(nèi)部缺陷部位的纖維極易發(fā)生斷裂，并延展至周圍的樹(shù)脂基體發(fā)生蠕變。因BFRP筋為脆性材料，其破壞具有突然性，故應(yīng)對(duì)BFRP筋的徐變斷裂性能給予重視。

Wang等[37]指出BFRP筋的疲勞破壞主要是由筋的外層纖維-樹(shù)脂基體界面脫粘引起的，并建議BFRP筋的允許應(yīng)力為極限抗拉強(qiáng)度的4%，在疲勞荷載作用下其最大應(yīng)力要保持在極限抗拉強(qiáng)度的53%以內(nèi)。同時(shí)，疲勞荷載對(duì)BFRP筋的彈性模量未造成影響，表明將其作為結(jié)構(gòu)增強(qiáng)筋時(shí)剛度受到的影響很小。Shi等[38]對(duì)經(jīng)受海水腐蝕后的BFRP筋開(kāi)展疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)疲勞退化的機(jī)理源于纖維-樹(shù)脂基體界面退化，弱界面容易受到疲勞載荷的影響，使筋的疲勞壽命縮減。

Wang等[39]通過(guò)分析試驗(yàn)中BFRP筋的徐變速率、不同應(yīng)力水平下的徐變-時(shí)間關(guān)系、持荷1 000 h后未斷裂試件的剩余強(qiáng)度，以及100萬(wàn)h的徐變斷裂應(yīng)力預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在持續(xù)加載1 000 h后，BFRP筋剩余強(qiáng)度仍達(dá)到初始抗拉強(qiáng)度的95%左右，并基于可靠性分析，得出BFRP筋的徐變斷裂應(yīng)力極限可采用其抗拉強(qiáng)度的52%。Banibayat等[40]在溫度為60 ℃時(shí)，模擬分析混凝土堿性溶液與荷載耦合作用下BFRP筋的徐變斷裂性能，指出對(duì)使用年限較短的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取與時(shí)間相關(guān)的徐變斷裂應(yīng)力極限。建議結(jié)構(gòu)使用壽命為5年和50年的建筑物，BFRP筋的徐變斷裂強(qiáng)度系數(shù)分別取其極限抗拉強(qiáng)度的28%、18%，并預(yù)測(cè)BFRP筋在114年后的徐變系數(shù)約為13%。

2.2 珊瑚混凝土的耐久性

對(duì)于珊瑚混凝土的耐久性，現(xiàn)主要研究其彈性模量、抗碳化、抗有害離子侵入及干燥收縮等方面的性能，結(jié)果表明，加大珊瑚混凝土的密實(shí)度可增強(qiáng)其抗腐蝕性能,在拌養(yǎng)珊瑚混凝土?xí)r摻加纖維、礦物摻合料等活性材料制成改良型混凝土有利于提高其耐久性。

混凝土的彈性模量是影響結(jié)構(gòu)剛度和耐久性的重要因素，但珊瑚混凝土彈性模量低于普通混凝土，原因在于珊瑚骨料自身孔隙率高且彈性模量低，導(dǎo)致珊瑚混凝土彈性模量低?；炷恋奶蓟且粋€(gè)復(fù)雜過(guò)程，也是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題的隱患，在珊瑚混凝土硬化過(guò)程中Ca(OH)2的存在填補(bǔ)了珊瑚骨料凹凸多孔的缺陷，使珊瑚混凝土的抗碳化能力高于普通混凝土。陳爽等[41]通過(guò)加速碳化試驗(yàn)探索了影響珊瑚混凝土碳化的因素，發(fā)現(xiàn)碳化深度與水灰比、粉煤灰外加劑摻量、碳化齡期成正比，與水泥用量成反比。同時(shí)，針對(duì)珊瑚混凝土具有初始氯離子含量高、表面自由氯離子含量高和表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)高的“三高”氯離子擴(kuò)散特征[42-43]，提出采用硫酸鎂水泥或延長(zhǎng)珊瑚混凝土養(yǎng)護(hù)齡期均可降低氯離子的侵入速度[44]。余強(qiáng)等[45]調(diào)查研究西沙地區(qū)某島嶼上海水-珊瑚礁砂混凝土的耐久性問(wèn)題，通過(guò)單因素影響分析法，發(fā)現(xiàn)影響珊瑚礁砂混凝土耐久性的因素有氯離子、鎂離子、硫酸鹽、二氧化碳、強(qiáng)紫外線及高溫嚴(yán)酷環(huán)境?；炷恋氖湛s程度可影響其裂縫的形成和發(fā)展，陳飛翔等[46]的試驗(yàn)表明珊瑚骨料的“微泵”特性能使自身完成內(nèi)養(yǎng)護(hù)，在此基礎(chǔ)上，水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2可填充珊瑚骨料的孔洞，使骨料與水泥漿體界面區(qū)的密實(shí)度、粘結(jié)力大大提升，這對(duì)抑制珊瑚混凝土的干燥收縮有一定成效。有研究者發(fā)現(xiàn)，將玄武巖纖維加入珊瑚混凝土后，其力學(xué)性能與CaCO3吸水率呈先增后降的趨勢(shì)，纖維的定量摻入會(huì)起到改善珊瑚混凝土耐久性的作用[47]。

現(xiàn)工程領(lǐng)域中珊瑚混凝土的應(yīng)用多為離岸海島工程，長(zhǎng)期處于高溫、高鹽、臺(tái)風(fēng)與潮汐等惡劣環(huán)境中，這些惡劣的條件對(duì)珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)安全具有極大的威脅，會(huì)造成混凝土保護(hù)層脹裂與脫落、內(nèi)置鋼材銹蝕、箍筋銹斷，甚至?xí)?lái)結(jié)構(gòu)垮塌。耐磨與抗沖刷性能、已有的耐久性影響因素協(xié)同作用對(duì)珊瑚混凝土的損傷情況研究較為匱乏。同時(shí)，隨著全球氣候變暖、污染物排放超標(biāo)、海洋吸收過(guò)量CO2造成海水酸化等現(xiàn)象加劇，不可避免地導(dǎo)致海水污染及海洋生態(tài)破壞，但尚未有海洋環(huán)境變化及海洋微生物侵蝕對(duì)珊瑚混凝土耐久性影響的研究，應(yīng)予以重視。

3 BFRP筋-珊瑚混凝土的界面粘結(jié)耐久性

對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，筋材與混凝土粘結(jié)作用力的長(zhǎng)期持續(xù)完整極其關(guān)鍵。與普通鋼筋混凝土中混凝土被鋼筋肋剪壞的粘結(jié)破壞形式不同，對(duì)于FRP筋混凝土來(lái)說(shuō)，在混凝土強(qiáng)度大于30 MPa時(shí)，主要出現(xiàn)混凝土剪壞FRP筋肋現(xiàn)象，此時(shí)纖維與樹(shù)脂基體的剪切強(qiáng)度控制著FRP筋的粘結(jié)能力[48]。但現(xiàn)有研究多集中于BFRP筋、珊瑚混凝土的材料耐久性方面，兩者協(xié)同作用的粘結(jié)錨固機(jī)理較為缺乏，BFRP筋-珊瑚混凝土的界面粘結(jié)耐久性值得深入探索。

楊超等[49]、高傲等[50]、Dai等[51]針對(duì)不同直徑、不同粘結(jié)長(zhǎng)度與不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的BFRP筋-珊瑚混凝土錨固粘結(jié)試件進(jìn)行中心拉拔試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在拉拔試件的破壞模式中，直徑較小與粘結(jié)長(zhǎng)度較短的試件因珊瑚混凝土提供的側(cè)向約束力較強(qiáng)，極易發(fā)生BFRP筋的拔出破壞，其余為BFRP筋-珊瑚混凝土的劈裂破壞及珊瑚混凝土劈裂-BFRP筋拔出破壞，破壞形態(tài)如圖7所示。海水環(huán)境對(duì)BFRP筋-珊瑚混凝土界面粘結(jié)造成一定影響，使殘余摩擦應(yīng)力和粘結(jié)應(yīng)力下降，但不同形式海水環(huán)境造成的影響不同：海水潮汐環(huán)境下殘余摩擦應(yīng)力和粘結(jié)應(yīng)力逐步下降，而浸泡環(huán)境下的殘余粘結(jié)應(yīng)力則先上升后降低。如圖8所示，在創(chuàng)建BFRP筋-珊瑚混凝土粘結(jié)應(yīng)力-滑移(τ-s)本構(gòu)關(guān)系曲線基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出上升段、下降段、殘余段3個(gè)階段的本構(gòu)方程(式(1)～(3))，試驗(yàn)數(shù)據(jù)在模型驗(yàn)證中高度吻合。Wu等[52]發(fā)現(xiàn)筋體帶肋表面與覆砂表面的不同使BFRP筋在珊瑚混凝土中的粘結(jié)性能存在差異，帶肋表面可以實(shí)現(xiàn)筋材與混凝土更好的機(jī)械聯(lián)結(jié)，與普通混凝土相比，珊瑚混凝土與BFRP筋之間具有相當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)強(qiáng)度。

上升段：(0

(1)

(2)

殘余段：(s1

τ=τ1+γ[e-δω(s-s1)·cosω(s-s1)-1]+ρ(e-δω(s-s1)-1)

(3)

式中：τu為粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的第一峰值點(diǎn)A對(duì)應(yīng)的粘結(jié)應(yīng)力；τ1為第一低谷點(diǎn)B對(duì)應(yīng)的粘結(jié)應(yīng)力；su為第一峰值點(diǎn)A的滑移值；s1為第一低谷點(diǎn)B的滑移值；β,sr,γ,ρ,ω,δ均為試驗(yàn)參數(shù)。

圖7 BFRP筋-珊瑚混凝土試件的粘結(jié)破壞形態(tài)[49-51]Fig.7 Bonding failure patterns of BFRP bars and coral concrete specimens[49-51]

圖8 BFRP筋-珊瑚混凝土的粘結(jié)應(yīng)力-滑移(τ-s)本構(gòu)關(guān)系曲線[51]Fig.8 Bond stress-slip (τ-s) constitutive curve of BFRP bars and coral concrete [51]

我國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)對(duì)普通混凝土與熱軋帶肋鋼筋的粘結(jié)應(yīng)力-滑移(τ-s)本構(gòu)關(guān)系已給予明確規(guī)定，但約束筋材-混凝土粘結(jié)力的因素諸多，如混凝土的種類與強(qiáng)度、骨料顆粒級(jí)配、粘結(jié)錨固筋材的種類與強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)、箍筋的配置、養(yǎng)護(hù)環(huán)境的類別。在非惡劣環(huán)境下，對(duì)于FRP筋(多為CFRP筋、GFRP筋)與普通混凝土的界面粘結(jié)性能研究已取得豐碩成果，受制于珊瑚混凝土與普通混凝土不同，要深入展開(kāi)BFRP筋-珊瑚混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系的試驗(yàn)研究，才能精確剖析其界面粘結(jié)耐久性的機(jī)理。

4 BFRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土的結(jié)構(gòu)耐久性

4.1 試驗(yàn)研究方面

鑒于對(duì)試驗(yàn)室條件、科研成本與耐久性時(shí)長(zhǎng)的考慮，目前FRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)耐久性層面的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，BFRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性試驗(yàn)研究更是非常少?，F(xiàn)有研究局限于BFRP筋增強(qiáng)其他種類混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，諸如：BFRP筋增強(qiáng)海水-海砂混凝土梁的抗彎性、疲勞性試驗(yàn)[53-56]，BFRP筋增強(qiáng)普通混凝土梁在凍融循環(huán)、疲勞荷載下的力學(xué)性能[57-59]。而采用其他筋材增強(qiáng)珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面，僅涉及BFRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土梁、柱的力學(xué)性能研究[60-63]，對(duì)其耐久性方面的研究極其空缺。

在不同干濕循環(huán)次數(shù)與不同溫度環(huán)境下，金云東[64]對(duì)10根BFRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土梁進(jìn)行受彎性能試驗(yàn)，從極限承載力、破壞形式、撓度分布及裂縫發(fā)展模式等方面，對(duì)島礁環(huán)境下BFRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土梁的力學(xué)性能退化規(guī)律展開(kāi)分析。隨著溫度、腐蝕齡期的增長(zhǎng)，BFRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土梁的破壞模式由受彎破壞向彎剪破壞、剪壓破壞轉(zhuǎn)變。這與普通鋼筋-珊瑚混凝土梁只發(fā)生正截面受彎破壞，且最終破壞形式為受壓區(qū)混凝土壓碎有較大區(qū)別。湯杰[65]將珊瑚礁砂混凝土和BFRP筋組合后制成梁、板構(gòu)件，發(fā)現(xiàn)BFRP筋-珊瑚混凝土板在沖切試驗(yàn)下發(fā)生斜拉破壞，且BFRP筋作為雙向板的增強(qiáng)筋具有優(yōu)越的工作性能；并在不同溫度下對(duì)BFRP筋-珊瑚混凝土梁進(jìn)行海水干濕與靜力加載耦合作用的腐蝕試驗(yàn)，該梁的破壞模式為剪-壓破壞，抗彎剛度有所提高。

鋼筋混凝土構(gòu)件的承載性能劣化必然會(huì)影響整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的安全性。對(duì)于BFRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)耐久性來(lái)說(shuō)，除了對(duì)梁、板構(gòu)件長(zhǎng)期力學(xué)性能有少量研究之外，受壓柱的耐久性研究幾乎空缺。而在實(shí)際工程建設(shè)中，受壓柱作為承擔(dān)豎向荷載的結(jié)構(gòu)，其承載性能與耐久性是決定工程質(zhì)量安全的關(guān)鍵之處，故BFRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究仍有較大的探索空間。

4.2 耐久性設(shè)計(jì)方面

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面，一個(gè)是依據(jù)已有材料的耐久性上升到對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計(jì)，二是針對(duì)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有情況推測(cè)未來(lái)的使用壽命。現(xiàn)行美國(guó)ACI440.1R—2015[66]、中國(guó)GB 50608—2010[67]、歐洲FIB Bulletin 40[68]與FIB-MC 2010[69]、意大利CNR-DT 203/2006[70]、日本JSCE—1997[71]、加拿大CSA-S806-02[72]等規(guī)范對(duì)FRP筋增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性已有一定的認(rèn)知，并引入環(huán)境影響折減系數(shù)、修正因子等對(duì)腐蝕環(huán)境作用下的FRP筋進(jìn)行約束。但相關(guān)的耐久性試驗(yàn)研究較為缺乏，規(guī)范中材料安全系數(shù)取值保守，削弱了FRP筋在混凝土中應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)?；谏鲜龈鲊?guó)研究提出的FRP筋增強(qiáng)普通混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范，均得到工程界的一定認(rèn)可。但關(guān)于BFRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程依舊空缺，故應(yīng)進(jìn)行深入研究，以保證BFRP筋-珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于實(shí)際工程的安全性、可靠性。

4.3 壽命預(yù)測(cè)方面

基于余紅發(fā)[73]修正的氯離子擴(kuò)散模型和壽命分析軟件ChaDuraLife V1.0，達(dá)波等[74]對(duì)失效概率為5%～10%的全珊瑚海水混凝土(coral aggregate seawater concrete, CASC)結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，并提出海洋工程中的CASC結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置高于C50的混凝土強(qiáng)度值，且混凝土保護(hù)層厚度應(yīng)大于7.5 cm，便可延長(zhǎng)其結(jié)構(gòu)服役壽命。Li等[75]綜合運(yùn)用Fick和Arrhenius退化模型對(duì)珊瑚混凝土中的BFRP筋進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，試驗(yàn)值與模型擬合值相符。劉志勇等[76]在考慮溫度加速系數(shù)滲入的Arrhenius公式基礎(chǔ)上，添加了濕度加速系數(shù)與溫差應(yīng)力加速系數(shù)后得到加速因子(F)的計(jì)算公式(式(4))，有效地將加速試驗(yàn)得到的BFRP筋壽命轉(zhuǎn)化為正常使用狀態(tài)下的壽命。

(4)

式中：Ea為失效反應(yīng)的活化能；K為Boltzmann常數(shù)；Tenvir為正常工作下的溫度；Tacce為加速試驗(yàn)下的溫度；Henvir為正常工作相對(duì)濕度；Hacce為加速試驗(yàn)相對(duì)濕度；ΔTenvir為正常工作下的溫度變化；ΔTacce為加速試驗(yàn)下的溫度變化。

綜上，制約混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素復(fù)雜不一，已有的試驗(yàn)研究、結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范與壽命預(yù)測(cè)計(jì)算模型難以準(zhǔn)確反映實(shí)際的設(shè)計(jì)與施工。針對(duì)BFRP筋與珊瑚混凝土這兩種新型材料而言，應(yīng)在現(xiàn)有FRP筋增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及壽命預(yù)測(cè)模型基礎(chǔ)上，開(kāi)展大量試驗(yàn)研究進(jìn)行校驗(yàn)創(chuàng)新，尤其是結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能、動(dòng)態(tài)性能和疲勞性能監(jiān)測(cè)等方面。

5 結(jié)論與展望

本文采取文獻(xiàn)綜合法，對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于BFRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土耐久性工作進(jìn)行一系列的梳理，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)研究、設(shè)計(jì)規(guī)范及壽命預(yù)測(cè)方面仍缺乏全面性與系統(tǒng)性。為推廣BFRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土在未來(lái)工程中的應(yīng)用，廣大科研工作者可進(jìn)一步深入探索，將其耐久性的定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)榱炕芯俊?/p>

(1)試驗(yàn)研究方面：現(xiàn)有的試驗(yàn)研究方法多為提高溫度以實(shí)現(xiàn)加速腐蝕效果，模擬的腐蝕溶液環(huán)境并不等同于實(shí)際腐蝕環(huán)境，對(duì)真實(shí)服役環(huán)境下的試件展開(kāi)試驗(yàn)，更能保證可靠度。試驗(yàn)研究對(duì)象集中于BFRP筋、珊瑚混凝土材料層面及BFRP筋-珊瑚混凝土界面粘結(jié)的耐久性，對(duì)BFRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土梁、板構(gòu)件的耐久性也開(kāi)展部分討論，而受壓柱的耐久性研究極為匱乏，已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不足以支撐起B(yǎng)FRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，需擴(kuò)充不同構(gòu)件在腐蝕條件耦合作用下的耐久性研究。

(2)設(shè)計(jì)規(guī)范方面：現(xiàn)行規(guī)范對(duì)普通鋼筋與普通混凝土的材料層面均有抗腐蝕等耐久性技術(shù)規(guī)程，但其對(duì)新興建筑材料BFRP筋與珊瑚混凝土并非完全適用，不能直接套取。關(guān)于FRP筋暴露于腐蝕環(huán)境下的多項(xiàng)機(jī)械性能測(cè)試規(guī)范較為全面，而對(duì)于BFRP筋的各項(xiàng)研究尚不充分，且其在腐蝕環(huán)境下的受壓表現(xiàn)尚不清晰。同時(shí)，BFRP筋-珊瑚混凝土的界面粘結(jié)耐久性與BFRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的相關(guān)規(guī)范內(nèi)容亟待補(bǔ)充。

(3)壽命預(yù)測(cè)方面：現(xiàn)有研究成果缺少對(duì)整個(gè)FRP筋體系增強(qiáng)珊瑚混凝土的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)，同時(shí)，BFRP筋增強(qiáng)珊瑚混凝土的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)也非常少，后期可通過(guò)大量試驗(yàn)及采用實(shí)地監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，有利于建立準(zhǔn)確、科學(xué)的壽命預(yù)測(cè)模型。