潘云鋒 施佳君 俞一洵 咸貴軍

(1.浙江理工大學建筑工程學院, 杭州 310018; 2.哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院, 哈爾濱 150090)

0 引 言

鋼筋混凝土結構采用海水海砂制備或暴露在氯鹽環(huán)境(近海地區(qū)、海洋環(huán)境等)中,由于氯離子滲透引起鋼筋銹蝕,導致混凝土結構過早面臨耐久性問題。采用纖維筋替代鋼筋增強混凝土結構,可以避免鋼筋銹蝕問題,大幅提升結構在惡劣環(huán)境(如海水浸泡、鹽霧、濕熱環(huán)境等)下的使用壽命[1-3]?？紤]到耐腐蝕性能和價格等因素,玻璃纖維筋(GFRP筋)廣泛應用于海工結構中。通?；炷量兹芤簽閴A性,pH值為12.4～13.7[4],孔溶液中OH-離子侵蝕玻璃纖維和環(huán)氧樹脂基體,導致GFPR筋力學性能劣化[5-6]。因此,有必要開展GFRP筋在惡劣環(huán)境(如水、堿、鹽環(huán)境等)下的耐腐蝕性能提升技術,延長GFRP筋增強混凝土結構的服役壽命。

隨著老化時間增加、老化溫度升高、pH值增大,GFRP筋力學性能退化[7]。在堿溶液(pH=12.7)下老化30 d和120 d,GFRP筋拉伸強度分別下降了2%和10%[8]。隨著老化溫度升高,GFRP筋拉伸強度進一步退化。堿溶液浸泡120 d后,60 ℃下GFRP筋拉伸強度比20 ℃下降了32%[9]。隨著堿溶液pH值增大,GFRP筋力學性能進一步退化。在55 ℃堿溶液pH=13.6和pH=12.7下老化63 d,GFRP筋層間剪切強度分別退化了42%和14%[10]。

GFRP筋力學性能劣化主要來源樹脂基體水解、玻璃纖維刻蝕和纖維-樹脂界面脫黏[11]。纖維-樹脂界面作用在于保證纖維和樹脂通過界面?zhèn)鬟f應力,使得纖維和樹脂協(xié)同受力,界面黏結的好壞對GFRP筋短/長期力學性能起著重要作用[12]。GFRP筋內樹脂基體吸濕膨脹,形成濕應力,一旦濕應力超過纖維-樹脂基體界面黏結強度,形成微裂紋,加速水分子、OH-離子遷移到GFRP筋內部[9, 13]。遷入的自由OH-離子與玻璃纖維反應,打斷玻璃纖維的-Si-O-Si-主鏈,刻蝕玻璃纖維,促使裂縫進一步萌生、擴展,導致GFRP筋力學性能下降[4]。

相比玻璃纖維,碳纖維具有更高耐腐蝕性能[14],但其價格昂貴,較難制備成土木工程用筋材在混凝土結構中廣泛推廣應用。在GFRP筋外表面包裹高耐腐蝕的薄碳纖維層,制備碳-玻璃纖維混雜(HFRP)筋,阻隔玻璃纖維與OH-接觸,解決玻璃纖維被OH-刻蝕問題,減緩GFRP筋力學性能劣化速率[15],實現海工結構用FRP筋低成本和高耐久性能的平衡。

水分子、有害離子由FRP筋表面向內部遷移,同時伴隨著FRP筋由表及里梯度劣化[16]。碳纖維材料(CFRP)和GFRP材料的吸濕行為差異較大[17]。相似纖維體積含量下,CFRP材料的擴散系數比GFRP材料高出50%[18]。碳纖維-樹脂和玻璃纖維-樹脂界面厚度分別為約100 nm和100～300 nm,纖維-樹脂界面飽和吸濕率、擴散系數均大于樹脂基體[19]。碳纖維外層和玻璃纖維芯層復合后,其玻璃纖維、碳纖維交接界面纖維分布密集,水分子擴散路徑復雜,且極易應力集中[20]。因此,水分子在HFRP筋內遷移和分布行為,與玻璃纖維芯層和碳纖維外層的吸濕行為均有關,由于兩者纖維直徑、纖維-樹脂界面屬性差異較大,有必要研究HFRP筋的吸濕行為,及其對HFRP筋力學性能的影響。

強堿溶液(模擬普通混凝土孔溶液)下HFRP筋力學性能演化規(guī)律的研究結果表明,碳纖維外包裹GFRP筋能夠有效提升其耐堿性能,在21,40,60 ℃強堿溶液下老化140 d后,其層間剪切強度保留率分別比同等侵蝕條件下GFRP筋提高了7%、69%和38%[15]。實際海洋環(huán)境下,海工混凝土內GFRP筋不僅面臨混凝土堿性離子的侵蝕,同時還面臨著水分子、氯離子與OH-耦合作用等因素影響。目前國內外對于HFRP筋在水分子、OH-離子、氯離子及其耦合環(huán)境對HFRP筋長期力學性能影響及其劣化機制研究較少。

鑒于此,通過研究水,強、弱堿和鹽堿溶液下GFRP和 HFRP裸筋的吸濕行為和長期力學性能,并與水、模擬海水環(huán)境下砂漿包裹GFRP、HFRP筋層間剪切強度進行對比分析,揭示水分子、氯離子、OH-離子、砂漿包裹等對GFRP和HFRP筋力學性能劣化的影響機理?；贏rrhenius理論,開展強堿、鹽堿溶液下GFRP和HFRP裸筋的長期服役壽命預測。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

GFRP筋和HFRP筋由哈爾濱工業(yè)大學FRP復合材料與結構實驗室設計,并由哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司生產,名義直徑均為8 mm,如圖1a所示。樹脂基體采用雙酚A型環(huán)氧樹脂(E-51)及其固化劑甲基六氫鄰苯二甲酸酐(MeHHPA),FRP筋所用拉擠機固化區(qū)溫度為180 ℃,纖維拉伸速率為40 cm/min,FRP筋參數如表1所示。HFRP筋制備過程如圖1b所示。HFRP筋芯層GFRP半徑約為3.3 mm,皮層CFRP厚度約為0.7 mm。

a—GFRP筋和HFRP筋; b—HFRP筋制備過程。圖1 GFRP筋和HFRP筋[15]Fig.1 GFRP and HFRP bars

表1 FRP筋材料參數Table 1 Parameters of FRP bars

利用動態(tài)熱機械分析儀(DMA),測試GFRP筋和HFRP筋玻璃化轉變溫度,所用DMA設備為美國TA公司生產,型號為Q800。利用精密切割儀切割FRP筋試樣尺寸約為17.5 mm×8.5 mm×2 mm。采用單懸臂梁夾具進行測試,采樣頻率為1 Hz,損耗因子峰值所對應的溫度定義為Tg。GFRP筋和HFRP筋的玻璃化轉變溫度分別為165,159 ℃。

1.2 試驗環(huán)境

采用加速老化試驗方法,分別模擬濕熱環(huán)境、混凝土內環(huán)境、海洋環(huán)境下FRP筋的服役工況,所設計的加速老化試驗環(huán)境和筋材處理如表2所示。配制的強堿溶液、弱堿溶液和鹽堿溶液化學成分如表3所示[10]。Arrhenious理論表明升高溫度可加速FRP筋劣化,老化溫度分別采用室內常溫、40 ℃和60 ℃。經檢測,試驗期間室內平均溫度為21 ℃。

表2 加速老化試驗的6種模擬環(huán)境Table 2 Accelerated six simulatedenvironments for aging test

表3 堿溶液和鹽堿溶液的化學成分Table 3 Chemical compositions of alkali solutionand saline-alkali solution

圖2為砂漿包裹FRP筋試樣的照片和幾何尺寸。采用外徑63 mmPVC管,FRP筋居中放置,倒入砂漿振搗密實。24 h后拆除PVC管,試件在常溫常濕環(huán)境中養(yǎng)護28 d后,放入蒸餾水和模擬海水中開展耐久性試驗。

a—砂漿包裹FRP筋實物圖;b—砂漿包裹FRP試樣的幾何尺寸,mm。圖2 砂漿包裹FRP筋實物圖和幾何尺寸Fig.2 The picture of mortar wrapped-embedded FRPbars and the schematic diagram of sizes

1.3 FRP筋吸濕試驗

為研究不同侵蝕環(huán)境對FRP筋吸濕行為的影響,采用長度為50 mm的 FRP筋試樣進行吸濕測試。采用電子天平(精度為± 0.01 mg)測試FRP筋質量,每組試樣有10個,試驗結果取平均值。初始質量記為M0,各個時間節(jié)點ti對應的質量記為Mi,則對應時間點ti的FRP筋質量變化率可按下式計算[21]:

(1)

式中:wt為質量吸濕率,%;M0為試樣的初始質量,g;Mi為ti時刻的試樣質量,g。

1.4 短梁剪切試驗

采用短梁剪切試驗方法測試FRP筋層間剪切強度,表征纖維-樹脂的界面性能[22]。圖3為短梁剪切測試照片?？紤]工程實際應用中,由于FRP筋長度遠大于直徑,試驗僅考慮水分子沿著垂直纖維方向擴散。但沿著纖維方向水分子擴散速率遠大于垂直于纖維方向,因此,在老化試驗前采用結構膠封閉FRP筋端部,阻止水分子沿著纖維方向擴散。ASTM D4475標準推薦跨徑比為1/3～1/6[22]。采用徑跨比為1/4,FRP筋名義直徑為8 mm,其支座之間凈跨設定為32 mm。

短梁剪切試驗采用MTS-CMT4304電子萬能試驗機進行加載。根據ASTM D4475標準要求,試驗加載速率選定為1.3 mm/min。每一測試點至少4根有效FRP筋試樣,結果取平均值。

圖3 短梁剪切測試Fig.3 Short-beam shear test

根據ASTM D4475標準規(guī)定[22],FRP筋層間剪切強度通過式(2)計算:

τmax=0.849Pmax/D2

(2)

式中:τmax為FRP筋的最大層間剪切應力,即為FRP筋層間剪切強度,MPa;D為FRP筋直徑,mm;Pmax為最大承載力,kN。

2 結果與討論

2.1 破壞模式

圖4為老化前后GFRP和HFRP裸筋的層間剪切破壞模式。由圖4a和圖4b可知,未老化GFRP和HFRP裸筋短梁剪切破壞是沿著纖維長度方向開裂,直至層間承載力完全喪失。由圖4c、4d、4g、4h可知,水、弱堿溶液下,GFRP和HFRP裸筋層間剪切破壞模式與未老化試樣相似,裂縫沿著纖維方向擴展,引起層間剪切承載力失效破壞。由此可知,水、弱堿溶液對GFRP和HFRP裸筋破壞模式影響較小。由圖4e、4f、4i、4j可知,在強堿、鹽堿溶液下,老化后GFRP裸筋表面大量樹脂水解,纖維裸露。鹽堿溶液下GFRP裸筋端部破壞比強堿溶液下的更嚴重。通過肉眼可分辨,在強堿、鹽堿溶液下HFRP裸筋表層樹脂水解程度小于GFRP裸筋,且HFRP裸筋破壞模式仍為層間剪切破壞。可見,強堿、鹽堿溶液下HFRP裸筋比GFRP裸筋劣化小,碳纖維外層為芯層GFRP筋提供了保護作用,延緩芯層GFRP筋劣化速率。

a—未老化GFRP筋; b—未老化HFRP筋; c—水溶液下GFRP筋;d—水溶液下HFRP筋; e—強堿溶液下GFRP筋; f—強堿溶液下HFRP筋; g—弱堿溶液下GFRP筋; h—弱堿溶液下HFRP筋;i—鹽堿溶液下GFRP筋; j—鹽堿溶液下HFRP筋。圖4 GFRP裸筋和HFRP裸筋層間剪切破壞模式Fig.4 Interlayer shear failure modes of GFRP and HFRP bars after test

a—水溶液下普通砂漿包裹GFRP筋; b—水溶液下普通砂漿包裹HFRP筋; c—模擬海水溶液下普通砂漿包裹GFRP筋;d—模擬海水溶液下普通砂漿包裹HFRP筋; e—模擬海水溶液下海水砂漿包裹GFRP筋; f—模擬海水溶液下海水砂漿包裹HFRP筋。圖5 砂漿包裹GFRP筋和HFRP筋層間剪切破壞模式Fig.5 Interlayer shear failure modes of mortarwrapped GFRP and HFRP bars

圖5為老化前后砂漿包裹GFRP筋和HFRP筋層間剪切破壞模式。所有試樣的裂縫均沿著纖維長度方向擴展,層間剪切破壞,繼續(xù)施加荷載導致受拉一側FRP筋纖維拉斷。老化后砂漿包裹GFRP筋和HFRP筋表面形貌與水、弱堿溶液下FRP裸筋相似,表面保持完整,且在水、模擬海水溶液下砂漿包裹GFRP筋和HFRP筋破壞模式,與水、弱堿溶液直接浸泡環(huán)境下FRP裸筋一致。

2.2 FRP筋吸濕行為

圖6為GFRP和HFRP裸筋吸濕率隨時間變化情況。隨著老化時間增加,GFRP和HFRP裸筋吸濕率增加。浸泡110 d后GFRP和HFRP裸筋吸濕率如表4所示。

a—水溶液;b—強堿溶液;c—弱堿溶液;d—鹽堿溶液。試樣名稱中G代表GFRP筋;H代表HFRP筋;W代表水溶液;NC代表強堿溶液;HC代表弱堿溶液;SS代表鹽堿溶液;T21、T40和T60分別代表21 ℃、40 ℃和60 ℃。圖6 GFRP和HFRP裸筋吸濕率與老化時間關系Fig.6 The relationship between moisture absorption andimmersion time for GFRP and HFRP bars

由表4可知,GFRP裸筋吸濕率從大到小依次為鹽堿溶液、強堿溶液、水、弱堿溶液,且隨著溫度升高,GFRP裸筋吸濕率增加。水、弱堿溶液下GFRP裸筋吸濕率差別較小,吸濕率增加主要因為樹脂吸濕,吸濕量決定于GFRP裸筋樹脂基體含量。相比水溶液下,21,40,60 ℃強堿溶液下GFRP裸筋吸濕率分別增加了2.5倍、10.6倍和5.5倍,而21,40,60 ℃鹽堿溶液下GFRP裸筋吸濕率分別增加了5.0倍、15.7倍和10.3倍。這是因為在強堿、鹽堿溶液下GFRP裸筋樹脂基體吸濕膨脹,同時樹脂、玻璃纖維與OH-反應,導致樹脂水解、微裂紋擴展,溶液進入GFRP筋孔隙、裂紋,使得GFRP裸筋質量增加。

HFRP裸筋吸濕率從大到小依次為鹽堿溶液、強堿溶液、水、弱堿溶液,HFRP裸筋吸濕率趨勢與GFRP裸筋相同。與GFRP裸筋吸濕率比較可知,在水、弱堿溶液下HFRP裸筋吸濕率大于相應溫度下GFRP裸筋,這是因為碳纖維層擴散系數大于芯層GFRP筋,同時碳纖維層與芯層GFRP筋之間存在界面層,導致吸濕率增加。但在強堿、鹽堿溶液下HFRP裸筋吸濕率小于GFRP裸筋,因為碳纖維層阻隔玻璃纖維與OH-反應,減緩了HFRP裸筋內部微裂縫形成速率,從而減少了溶液遷移路徑,宏觀上表現為HFRP裸筋的吸濕率小于GFRP裸筋。

表4 110 d老化后GFRP筋和HFRP筋吸濕率Table 4 Moisture absorption of GFRP andHFRP bars after 110 days %

2.3 FRP筋層間剪切強度

不同浸泡環(huán)境下FRP裸筋的層間剪切強度如表5所示。對比分析水(圖7a和圖7b)和弱堿溶液(圖7e和圖7f)下浸泡溫度、浸泡時間對GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度的影響,得出以下三點規(guī)律:1)在21,40 ℃水溶液下老化140 d,GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度提高。隨著老化溫度升高到60 ℃,GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度均退化,HFRP裸筋層間剪切強度退化比GFRP裸筋更嚴重。2)在21,40 ℃弱堿溶液下老化140 d,GFRP裸筋層間剪切強度分別提升4%和9%,而21℃下HFRP裸筋層間剪切強度提升了8%,40 ℃下HFRP裸筋層間剪切強度下降了2%。老化溫度升高到60 ℃,GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度均退化,且HFRP裸筋層間剪切強度退化比GFRP裸筋更嚴重。3)水、弱堿溶液下,GFRP裸筋和HFRP裸筋主要受到吸濕塑化和樹脂基體后固化控制,隨著老化溫度升高,吸濕塑化起到控制作用,導致GFRP和HFRP裸筋層間剪切性能退化,且碳纖維外包裹GFRP筋后,HFRP裸筋加速吸濕,加劇HFRP裸筋層間剪切強度劣化。

對比分析強堿(圖7c和圖7d)和鹽堿溶液(圖7g和圖7h)下浸泡溫度、浸泡時間對GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度的影響,得出以下三點規(guī)律:1)在強堿溶液下,隨著老化時間、溫度增加,GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度下降。在21,40,SW表示模擬海水溶液;D0、D70、D100、D140和D189分別代表未老化、老化70 d、100 d、140 d和189 d;ENC代表普通砂漿包裹;ESSC代表模擬海水砂漿包裹。

表5 FRP筋層間剪切強度試驗數據Table 5 Test results of interlaminar shear strength of FRP bars

a—水溶液環(huán)境下GFRP筋; b—水溶液環(huán)境下HFRP筋;c—強堿溶液下GFRP筋; d—強堿溶液下HFRP筋; e—弱堿溶液下GFRP筋;f—弱堿溶液下HFRP筋; g—鹽堿溶液下GFRP筋; h—鹽堿溶液下HFRP筋; i—砂漿包裹GFRP筋; j—砂漿包裹HFRP筋。圖7 浸泡環(huán)境對GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度影響Fig.7 Effects of immersion conditions on the interlaminar shear strength of GFRP and HFRP bars

60 ℃下老化100 d,GFRP裸筋層間剪切強度分別下降了1%、31%和47%,而HFRP裸筋層間剪切強度分別下降了0%、3%和23%。2)21,40,60 ℃鹽堿溶液下老化140 d后,GFRP裸筋層間剪切強度分別下降了16%、68%和74%;HFRP裸筋層間剪切強度分別下降了0%、22%和39%。3)相比GFRP裸筋,在21,40,60 ℃ 強堿溶液下HFRP裸筋層間剪切強度保留率分別提升了1%、41%和45%,而在21,40,60 ℃鹽堿溶液下HFRP筋層間剪切強度保留率分別提升了19%、144%和135%?？梢?強堿和鹽堿溶液下,碳纖維層起到保護芯層GFRP筋的作用,延緩芯層GFRP筋劣化速率,且鹽堿溶液下碳纖維層對芯層GFRP筋保護效率比強堿溶液下更高。

圖7i和圖7j為水、模擬海水溶液下砂漿包裹GFRP筋和HFRP筋層間剪切強度變化。水溶液下老化189 d,普通砂漿包裹GFRP筋和HFRP筋的層間剪切強度分別下降了0%和5%;模擬海水溶液下老化189 d,普通砂漿包裹GFRP筋和HFRP筋層間剪切強度分別下降了0%和16%,而模擬海水溶液下老化189 d,海水砂漿包裹GFRP筋和HFRP筋的層間剪切強度分別下降了4%和6%。水、模擬海水溶液下,砂漿包裹HFRP筋劣化速率均大于砂漿包裹GFRP筋,且氯離子、OH-耦合效應對FRP筋性能影響不明顯?？梢?砂漿包裹下FRP筋劣化主要是由于FRP筋吸濕引起,相關趨勢與水、弱堿環(huán)境下FRP筋層間剪切強度退化趨勢相似。

圖8為GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度保留率比較。在21 ℃老化140 d后,水溶液、弱堿溶液、強堿溶液和鹽堿溶液使得GFRP裸筋層間剪切強度分別下降了-10%、3%、-4%和16%,HFRP裸筋層間剪切強度分別下降了0%、-4%、-8%和2%。隨著老化溫度升高,GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度退化。60 ℃下老化140 d后,水溶液、弱堿溶液、強堿溶液和鹽堿溶液導致GFRP裸筋層間剪切強度分別下降了3%、57%、5%和74%,導致HFRP裸筋的層間剪切強度分別下降了8%、32%、8%和39%。由此可知,鹽堿溶液下GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度退化最嚴重,且GFRP裸筋層間剪切強度比HFRP裸筋退化更嚴重。對GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度影響從大到小依次為鹽堿溶液、強堿溶液、弱堿溶液、水溶液,相比GFRP裸筋,60 ℃下HFRP裸筋層間剪切強度保留率分別提升了134%、58%、-3%和-5%。試驗研究表明,老化環(huán)境越惡劣(強堿、強堿鹽環(huán)境),碳纖維層保護芯層GFRP筋的效率越高。

a—21 ℃; b—40 ℃; c—60 ℃。圖8 GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度保留率比較Fig.8 Comparisons of retention ratio of interlayer shearstrength of GFRP and HFRP bars

2.4 FRP筋長期壽命預測

基于Arrhenius理論,采用實驗室加速老化試驗結果預測GFRP和HFRP裸筋長期層間剪切強度。Arrhenius理論假設隨著加速老化溫度升高,FRP筋層間剪切強度下降,且控制其劣化的機理不變[23-24]。研究表明:隨著老化溫度升高,強堿、鹽堿溶液下GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度減小,且控制GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度劣化機理不變。由于試驗周期相對較短,FRP筋在水溶液、弱堿溶液下剪切強度變化較小,僅對強堿溶液和鹽堿溶液下FRP筋層間剪切強度進行壽命預測。描述FRP筋力學性能的劣化速率見式(3)[24]:

k=Bexp(-Eam/R1T)

(3)

式中:k為FRP筋力學性能劣化速率,1/d;B為關于材料及其劣化過程的參數;Eam為FRP筋劣化的活化能,J/mol;T為環(huán)境溫度,K。

對式(3)等號兩邊取對數,可轉換為:

(4)

已有研究證明,在老化初始階段FRP筋力學性能退化較快,隨著老化時間增加最終趨于平穩(wěn)[10,25]。采用式(5)來描述隨著老化時間增加,FRP筋力學性能退化的規(guī)律[25]:

Y=100exp(-t/τ)

(5)

式中:Y為FRP筋力學性能保留率,%;t為老化時間,d;τ為試驗結果的擬合參數。

基于Arrhenius理論,通過式(3)計算在不同老化溫度(如T1和T0)下退化至相同保留率時所需的老化時間t1和t0,將t0與t1的比值定義為時移因子(TSF)。根據定義,分別將T1和T0代入式(3),則時移因子TTSF可表達為:

(6)

具體的預測過程為:采用式(5)對強堿、鹽堿溶液下GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度演化規(guī)律進行擬合,獲得擬合參數τ列于表6。圖9為強堿、鹽堿溶液下GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度試驗結果和擬合結果。將表6的τ代入式(5),計算21,40,60 ℃下GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度保留率分別退化到60%、70%、80%和90%時所需的時間。采用式(4)對所得到的4組數據進行線性擬合,擬合曲線如圖10所示,回歸參數列于表7。由表7可知:擬合曲線與試驗數據的擬合度較高,表明選取的式(5)與試驗結果具有較好的吻合度。隨著老化溫度升高,τ減小,FRP筋層間剪切強度減小。

表6 GFRP和HFRP裸筋在不同環(huán)境和溫度下擬合參數Table 6 Detailed parameters of GFRP and HFRP barswith various environments and temperatures

通過式(6)預測給定環(huán)境溫度(T1)與加速老化溫度(T0)之間的時移因子TTSF。T1分別采用4,17,21 ℃三種環(huán)境溫度,通過式(6)計算所得時移因子列于表8。Val-Alain橋位于加拿大,至今已服役11 a,其服役環(huán)境平均氣溫為4 ℃[25]。試驗在杭州市開展,通過查詢中國氣象局監(jiān)測數據,得到2020年杭州市平均氣溫為17 ℃。考慮砂漿包裹FRP筋耐久性試驗的平均氣溫為21 ℃。將圖7強堿、鹽堿溶液下GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度演化曲線與相應給定環(huán)境溫度的時移因子TTSF疊加,即可獲得21,17,4 ℃下GFRP和HFRP裸筋長期層間剪切強度。

a—強堿溶液; b—鹽堿溶液。圖9 擬合曲線與試驗結果對比Fig.9 Comparisons of fitting and test results

a—強堿溶液下GFRP筋; b—強堿溶液下HFRP筋;c—鹽堿溶液下GFRP筋; d—鹽堿溶液下HFRP筋。圖10 GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度長期壽命的Arrhenius理論擬合曲線Fig.10 Fitting curve of the long-term interlaminar shearstrength of GFRP and HFRP bars by Arrhenius theory

表7 通過公式4擬合獲得的參數Table 7 Parameters fitted by Eq. 4

FRP筋通常用于混凝土配筋,FRP筋真實的服役環(huán)境是被混凝土包裹的。圖11為強堿、鹽堿溶液下GFRP和HFRP裸筋長期層間剪切強度與砂漿包裹FRP筋的層間剪切強度比較。通過圖7與表8中21 ℃下的TTSF相疊加,獲得加速老化環(huán)境下裸筋層間剪切強度預測值,如圖11所示。采用式(5)擬合后的參數列于表9。圖11a為強堿溶液下FRP筋和水溶液下普通砂漿包裹FRP筋層間剪切強度比較。由圖11可知:采用強堿溶液下GFRP和HFRP裸筋較好預測水溶液下普通砂漿包裹FRP筋,表明砂漿包裹層釋放的OH-離子濃度與模擬普通混凝土孔溶液的強堿溶液相似。圖11b和圖11c分別為強堿、鹽堿溶液下GFRP和HFRP裸筋預測結果與模擬海水溶液下普通砂漿包裹FPR筋的層間剪切結果。強堿、鹽堿溶液下GFRP裸筋能夠較為準確地預測模擬海水溶液下普通砂漿包裹GFRP筋的層間剪切性能。

表8 給定環(huán)境溫度下的時移因子Table 8 Time-shift factors at the given temperature

a—水溶液下普通砂漿包裹FRP筋與強堿溶液下FRP裸筋;b—模擬海水溶液下普通砂漿包裹HFRP筋與強堿、鹽堿溶液下HFRP裸筋; c—模擬海水溶液下普通砂漿包裹GFRP筋與強堿、鹽堿溶液下GFRP裸筋。圖11 強堿、鹽堿溶液下FRP裸筋與砂漿包裹FRP筋的層間剪切強度預測結果Fig.11 The prediction results of interlaminar shear strength ofFRP bars wrapped mortar and FRP bars in strong alkaline solutionwith pH 13.4 and salt and alkali mixture

表9 給定環(huán)境溫度下FRP筋層間剪切強度演化的回歸系數Table 9 Regression coefficients of interlaminar shearstrength of FRP bars at the given temperature

圖12為強堿、鹽堿溶液下GFRP和HFRP裸筋在17 ℃和4 ℃下的層間剪切強度演化規(guī)律。由圖12可知:相比強堿溶液,鹽堿溶液下GFRP裸筋層間剪切強度退化更嚴重。采用碳纖維外包裹GFRP筋后,HFRP裸筋層間剪切強度顯著提升。工程實際應用中,考慮環(huán)境因素對FRP材料性能的影響,ACI 440推薦暴露在環(huán)境中的GFRP筋折減系數為0.7[26]。層間剪切強度保留率70%所對應的服役時間如表10所示。采用HFRP筋替代GFRP筋,在4 ℃強堿、鹽堿溶液下,HFRP筋的服役壽命分別提升了28%和12倍;在17 ℃強堿、鹽堿溶液下,HFRP筋的服役壽命分別提升了84%和7倍。

a—17 ℃(杭州); b—4 ℃(加拿大Val-Alain橋)。圖12 17 ℃和4 ℃環(huán)境下GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度的長期壽命預測Fig.12 The long-term life prediction of interlaminar shear strengthbetween GFRP and HFRP bars in 17 ℃ and 4 ℃

3 結 論

1)水、弱堿溶液下,110 d老化后GFRP裸筋吸濕率小于HFRP裸筋;強堿、鹽堿溶液下,GFRP裸筋吸濕率遠大于HFRP裸筋。

表10 層間剪切強度保留率70%對應的服役時間Table 10 Service time corresponding to 70% retentioninterlayer shear strength of FRP bars a

2)隨著老化溫度升高,GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度退化加劇;水、弱堿溶液下,GFRP裸筋層間剪切強度保留率大于HFPR裸筋,碳纖維層加速HFRP筋性能劣化;強堿、鹽堿溶液下,GFRP裸筋層間剪切強度保留率小于HFRP筋,碳纖維層起到保護芯層GFRP筋的作用,減緩芯層GFRP筋劣化速率。相比GFRP筋,在17 ℃強堿、鹽堿溶液下,HFRP筋的服役壽命分別提升了84%和7倍。

3)對GFRP和HFRP裸筋層間剪切強度影響從大到小依次為:鹽堿溶液>強堿溶液>弱堿溶液>水溶液。

4)21 ℃水、模擬海水溶液下砂漿包裹GFRP和HFRP筋破壞模式和層間剪切強度演化規(guī)律,與水、弱堿溶液下GFRP和HFRP裸筋相似。

5)基于Arrhenius理論,分別預測了4,17,21 ℃下GFRP和HFRP裸筋,隨著溫度升高、老化時間增加,FRP筋層間剪切強度保留率下降。