崔玉奇，何 翔，姜景山，戈 宇，張九漢，高 樂，孟鵬飛

（南京工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 前言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于取材便利及整體性、耐久性、耐火性及可模性良好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各類工程中，但是受到高酸、高堿和低溫等惡劣環(huán)境的影響，混凝土結(jié)構(gòu)容易被腐蝕并遭到破壞，其力學(xué)性能會(huì)大大降低，建筑的使用壽命會(huì)受到較大的影響。根據(jù)有關(guān)資料顯示，鋼筋的銹蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的首要因素，全世界每年有超過15%的道路、橋梁工程因鋼筋銹蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)被破壞[1]，同時(shí)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在發(fā)生火災(zāi)時(shí)若其中的鋼筋融化將會(huì)引發(fā)更大的災(zāi)難。GFRP材料具有耐久性高、耐火性好、力學(xué)性能好等特點(diǎn)?；贕FRP材料的屬性，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，以期更好地掌握材料的力學(xué)性能及其特點(diǎn)，克服鋼筋混凝土構(gòu)件的一些缺陷，進(jìn)而更廣泛地應(yīng)用于實(shí)際工程中。

1 GFRP材料性能介紹

玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）是一種由合成樹脂和玻璃纖維經(jīng)過特殊工藝制成的復(fù)合材料。GFRP材料制作方便，其制作工藝要求溫度相對于其他纖維增強(qiáng)材料（FRP）材料及金屬制品低，能降低能耗；同時(shí)，GFRP材料取材便利、價(jià)格便宜、可塑性強(qiáng)，可以依據(jù)工程需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)；但其缺點(diǎn)是彈性模量小、長期耐高溫性差、層間抗剪強(qiáng)度低。

建筑工程中最常用的GFRP材料為E-玻璃纖維和F-玻璃纖維。經(jīng)過大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，將GFRP材料添加到混凝土柱中，能夠較好地提高材料的極限承載力和延展性，進(jìn)而提高材料的耐久性。

2 GFRP約束混凝土柱的種類和特點(diǎn)

2.1 GFRP約束混凝土柱的種類

GFRP約束混凝土是一種預(yù)先在GFRP管填充混凝土制成的混凝土柱，根據(jù)其內(nèi)置材料的不同可以分為GFRP鋼筋混凝土柱、GFRP鋼骨混凝土柱等多種混凝土柱。同時(shí)，混凝土柱按照截面形式的不同還可以分為圓形混凝土柱、方形混凝土柱、橢圓形混凝土柱等[2]。

2.2 GFRP約束混凝土柱的特點(diǎn)

GFRP約束混凝土柱的特點(diǎn)主要由GFRP材料本身決定。①耐久度高。GFRP材料不會(huì)與酸堿鹽發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)GFRP材料能夠有效阻止水進(jìn)入材料表面，減緩了材料表面樹脂的流失，延緩了材料抗拉強(qiáng)度的下降趨勢。②比強(qiáng)度高。GFRP材料的重量輕，密度是鋼材的1/4，承載力高，單位質(zhì)量的材料強(qiáng)度高，能夠提高施工效率，降低施工成本。③抗拉強(qiáng)度高。GFRP材料的抗拉強(qiáng)度為160～320 GPa，并且GFRP材料的抗拉曲線形態(tài)接近線彈性直線形式。④抗疲勞性好。GFRP材料的抗疲勞性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于金屬，金屬材料的破壞是由內(nèi)向外漸變后發(fā)生突然擴(kuò)張破壞的，而GFRP材料由內(nèi)向外逐漸破壞，破壞前有明顯的預(yù)兆，方便工程人員后期對工程進(jìn)行檢查和修復(fù)[3]。

3 GFRP約束混凝土柱的耐久性分析

針對GFRP約束混凝土柱的耐久度，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，研究環(huán)境條件包括濕熱、海水、凍融、干濕等多種情況。

3.1 濕熱環(huán)境下GFRP約束混凝土柱的耐久性分析

針對濕熱環(huán)境，主要研究溫度和水分對GFRP約束混凝土柱耐久度的影響，長期處于濕熱環(huán)境的GFRP材料的表面會(huì)逐漸溶解，表面縫隙逐漸增大，水分就會(huì)進(jìn)入材料內(nèi)部，進(jìn)一步加速了材料的開裂，使得其耐久度大大降低。

美國加利福尼亞大學(xué)的Sim將CFRP和GFRP材料暴露在濕熱環(huán)境一定時(shí)間后，通過試驗(yàn)測量其彈性模量、抗拉強(qiáng)度和極限應(yīng)變。當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境溫度逐漸升高后，試驗(yàn)結(jié)果顯示，CFRP材料的3項(xiàng)指標(biāo)不降反升，GFRP材料的3項(xiàng)指標(biāo)也沒有下降，但是延展性降低了。通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，CFRP和GFRP材料長時(shí)間暴露在濕度環(huán)境時(shí)，CFRP和GFRP材料的耐久度大幅度降低[4]。

Cederquist將FRP和GFRP材料放在不同溫度和濕度環(huán)境下開展試驗(yàn)，同時(shí)將試件放入溫度為24℃、濕度為30%的培養(yǎng)箱培養(yǎng)30 d，然后對試件進(jìn)行老化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)RP材料的抗拉強(qiáng)度隨著溫度的升高而有小幅度的升高，GFRP材料在老化前期，其抗拉強(qiáng)度下降較快，到老化后期，其抗拉強(qiáng)度下降的速度減緩，但是由于表面材料的析出及水分的進(jìn)入，材料表面的微裂縫逐漸增大，使得材料的力學(xué)性能大幅度下降[5]。

姚建鵬進(jìn)行了碳纖維薄板增強(qiáng)混凝土試驗(yàn)，結(jié)合已有模型建立了室溫大氣下的界面黏結(jié)滑移模型和濕熱環(huán)境下的界面滑移模型，對兩種模型得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明相對于處于室溫環(huán)境下的試件，濕熱環(huán)境下的試件表面的膠層更容易被破壞。同時(shí)，試件在濕熱環(huán)境中逐漸老化后，其剪切黏結(jié)強(qiáng)度和承載力都大幅度下降，在控制濕度不變的情況下，隨著溫度的增高，試件的剪應(yīng)力隨之降低。同時(shí)，隨著試件老化和被腐蝕得越來越嚴(yán)重，試件的剪切力變得很低，剪切力傳遞很短的距離后，材料就會(huì)發(fā)生剝落[6]。

3.2 海水環(huán)境下GFRP材料的耐久度分析

GFRP材料在高酸度環(huán)境下，材料受到腐蝕后開始從表面慢慢發(fā)生溶出，受腐蝕的情況與高分子材料相似，材料溶出后，材料的質(zhì)量減小，隨之溶出物質(zhì)不斷增加，材料表面的縫隙變大，液體進(jìn)入材料內(nèi)部后，材料的質(zhì)量短暫增加，但隨著時(shí)間的推移，材料的質(zhì)量會(huì)越來越低。

在堿度較高的條件下，GFRP材料會(huì)發(fā)生皂化反應(yīng)，材料里的樹脂水解產(chǎn)生酸根離子和醇。GFRP材料的樹脂基體具有抗堿性能，使材料性能受到的影響不大。

張建將CFRP材料放入人工配置的不同濃度的海水中進(jìn)行腐蝕老化試驗(yàn)，探求材料的力學(xué)規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明試件受到浸泡后，表現(xiàn)出較大的脆性，受到破壞時(shí)很難保持自身的完整性。試驗(yàn)表明，在經(jīng)過海水浸泡后，試件剛開始的抗拉強(qiáng)度和極限應(yīng)變與最初相比有所上升，但是在經(jīng)過150 d長時(shí)間的浸泡后，試件的抗拉強(qiáng)度和極限應(yīng)變都大幅度下降。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，即使采用強(qiáng)度等級(jí)更高的混凝土，混凝土界面的黏結(jié)強(qiáng)度總是呈現(xiàn)下降的趨勢，但是強(qiáng)度更高的混凝土的界面黏結(jié)強(qiáng)度相對于強(qiáng)度低的混凝土要好[7]。

王鐵成研究了海水濃度對CFRP圓形混凝土柱的耐久度的影響，將CFRP試塊放入海水中浸泡12 h，再放入烘箱中烘干12 h。通過上述循環(huán)步驟模擬混凝土受到海水腐蝕程度不同的情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，CFRP混凝土構(gòu)件相對于普通混凝土表現(xiàn)出更高的承載力，但是隨著后期實(shí)驗(yàn)次數(shù)逐漸增加，試件的承載力呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，海水腐蝕會(huì)導(dǎo)致材料表面樹脂溶解，海水開始進(jìn)入材料表面，CFRP材料阻礙了海水進(jìn)入材料的表面，使得CFRP材料相對于普通混凝土材料在剛度方面有更好的表現(xiàn)[8]。

張慧娟將GFRP約束混凝土構(gòu)件分別放入水和濃度為10%的NaCl溶液中，將試件浸泡30 d后取出用碳纖維布裹好烘干，水浸環(huán)境下設(shè)置7組試驗(yàn)，海水環(huán)境下設(shè)置10組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：無論是水浸環(huán)境還是海水環(huán)境，其承載力下降的趨勢基本相同，兩者均呈現(xiàn)指數(shù)型下降規(guī)律，隨著時(shí)間的增長，GFRP約束混凝土短柱的承載力趨于穩(wěn)定，海水濃度的增強(qiáng)并未對材料的承載力產(chǎn)生較大影響[9]。

楊苗苗對CFRP和GFRP進(jìn)行了海水浸泡試驗(yàn)，分別將兩種材料放入20℃、40℃、60℃的海水及60℃的蒸餾水中浸泡30 d，經(jīng)過測量，處于3個(gè)溫度段的海水中浸泡的GFRP材料其拉伸強(qiáng)度分別下降18%、43%、58%；處于60℃蒸餾水中的GFRP材料的拉伸強(qiáng)度下降了25%。將試件烘干后發(fā)現(xiàn)，海水的浸泡導(dǎo)致了材料結(jié)構(gòu)發(fā)生了不可逆的變化，雖然材料烘干后相對于浸泡時(shí)的強(qiáng)度有了提高，但是不能完全恢復(fù)[10]。

3.3 凍融環(huán)境下GFRP約束混凝土柱耐久性研究

混凝土建筑被廣泛運(yùn)用于世界各地，其中不乏高寒地區(qū)，高寒地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)常遭受凍融破壞。國內(nèi)外學(xué)者為了使FRP材料在高寒地區(qū)也能發(fā)揮良好的力學(xué)性能，對其耐久性做了大量的研究。例如，針對凍融循環(huán)對于混凝土的破壞問題就有國外學(xué)者提出了冰的分離層假說、充水系數(shù)理論、靜水壓力假說等。

（1）冰的分離層假說?；炷恋谋鶅鍪怯赏舛鴥?nèi)逐步延伸的，逐層發(fā)生結(jié)冰，外層先結(jié)冰，結(jié)冰過程中產(chǎn)生潛熱，使得水晶體接觸并使周圍孔隙中的水誘出，導(dǎo)致冰晶體繼續(xù)增長，當(dāng)溫度降低時(shí)，混凝土內(nèi)部將繼續(xù)結(jié)冰進(jìn)而形成一個(gè)冰層，而水結(jié)冰的過程中體積會(huì)增大，混凝土就會(huì)在一層層結(jié)冰的過程中逐漸膨脹，導(dǎo)致其耐久性逐漸變差。該研究結(jié)論具有一定的局限性，只適用于抗?jié)B性能差且長期處于低溫環(huán)境下的混凝土構(gòu)件。

（2）充水系數(shù)理論。充水系數(shù)是指土中孔隙水的體積與整個(gè)土體積之比。充水系數(shù)理論將充水系數(shù)作為混凝土構(gòu)件能否發(fā)生凍融循環(huán)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，然而充水系數(shù)測定的水是孔隙中容易蒸發(fā)的水而不是整個(gè)孔隙內(nèi)的水，因此充水系數(shù)可以作為評(píng)判混凝土抗凍性能的指標(biāo)之一，而不是決定性標(biāo)準(zhǔn)。

（3）靜水壓力假說。硬化的混凝土內(nèi)存在各種大小不同的孔隙，其直徑差距較大。由于孔隙表面存在張力，因此不同直徑的孔隙內(nèi)孔隙水的冰點(diǎn)不同，孔隙越小，則該孔隙內(nèi)的孔隙水冰點(diǎn)越低。

為了研究凍融循環(huán)對于GFRP混凝土柱耐久性的影響，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量試驗(yàn)和研究。高哲等研究玄武巖透水混凝土的抗凍性能，采用快凍法開展了4組試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)普通混凝土在55次凍融循環(huán)后發(fā)生破壞，玄武巖纖維混凝土則在65次凍融循環(huán)后發(fā)生破壞，而加入VAE86和玄武巖纖維的混凝土則在經(jīng)過77次凍融循環(huán)后才發(fā)生破壞[11]。張凱翔[12]研究了玄武巖纖維體積摻入量對于纖維增強(qiáng)混凝土的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明在摻入量體積占總體積0．3%時(shí)，混凝土相對于其他摻入量能表現(xiàn)出更好的抗凍性能?？傮w而言，對于纖維增強(qiáng)混凝土抗凍性的研究表明，將纖維摻入混凝土確實(shí)能提高纖維增強(qiáng)混凝土的抗凍性能。對于采用什么材料能夠提高纖維增強(qiáng)混凝土的抗凍性，已經(jīng)開展的試驗(yàn)表明引氣劑、粉煤灰、VAE86等都是有效的。

4 GFRP約束混凝土柱長期使用耐久度下降的機(jī)理分析

GFRP約束混凝土柱長期使用情況下耐久度下降主要是受較高酸堿度、極端天氣等惡劣環(huán)境影響及材料本身的自由度下降等原因的影響?？紤]到環(huán)境的復(fù)雜性，材料耐久度的下降難以歸咎為是某一種因素影響的結(jié)果，但是材料應(yīng)用的環(huán)境不同，其環(huán)境的主要特點(diǎn)也不同，例如處于熱帶就要考慮濕熱環(huán)境對材料耐久度的影響，需要接觸到海水時(shí)就要研究海水對材料耐久度的影響，只有做好特定環(huán)境下的針對性應(yīng)對措施，才能更好地提高材料的耐久度。

5 應(yīng)用前景

隨著建筑技術(shù)的發(fā)展、建造材料的革新及應(yīng)用場景的延伸，建筑越來越需要考慮極端環(huán)境下的承載性能，GFRP材料具有良好的耐久性，相對于普通混凝土柱，其在濕熱、浸泡、凍融等極端環(huán)境下都能表現(xiàn)出更好的性能，同時(shí)相對于鋼筋混凝土柱，其耐腐蝕性更好，耐火性也更好，更利于后期的檢測和修復(fù)[13]。GFRP管也可以作為施工過程中混凝土澆筑的模板，能減少施工時(shí)間，降低施工成本，大大提高施工效率。

6 結(jié)論與展望

大量試驗(yàn)研究表明，纖維復(fù)合混凝土材料能夠有效提高材料在極端環(huán)境下的耐久度，通過添加一些特殊試劑改善GFRP材料本身的性質(zhì)，可進(jìn)一步提升GFRP材料的耐久性。GFRP材料具有較好的抗拉性和耐腐蝕性的特點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)能夠保證材料在一定的時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要對于GFRP材料在濕熱、海水等環(huán)境下的耐久度進(jìn)行研究，研究的內(nèi)容局限于少數(shù)環(huán)境條件。未來，隨著工程應(yīng)用環(huán)境的變化和工程應(yīng)用范圍的拓展，建筑工程需要面對越來越多不同的極端環(huán)境，因此需要研究干熱、凍融、濕冷等各種情況。此外，在對GFRP混凝土在不同環(huán)境下耐久度試驗(yàn)研究中還發(fā)現(xiàn)，在GFRP混凝土中添加一些其他材料能夠改善或克服GFRP材料彈性模量較低、容易開裂的缺點(diǎn)，使GFRP混凝土柱的耐久性更強(qiáng)。同時(shí)，試驗(yàn)所用的都是小試塊、短柱試件，而實(shí)際工程中使用的都是長柱，此外材料的配合比及試驗(yàn)儀器尺寸對于材料耐久度的影響也需要考慮，這些都要求研究人員對GFRP混凝土柱開展更多的研究。