金清平,王 悅,趙甜甜,劉運蝶

(武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院,湖北 武漢 430065)

0 引 言

我國硫酸鹽環(huán)境分布廣泛,建筑結(jié)構(gòu)容易遭受嚴(yán)重的硫酸鹽侵蝕[1-2],硫酸鹽離子擴(kuò)散到混凝土中,與水泥水化反應(yīng),生成鈣礬石等引起混凝土膨脹,產(chǎn)生膨脹應(yīng)力[3],同時硫酸鹽的結(jié)晶會在混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生結(jié)晶壓力和裂縫[4-6],長期作用下會降低結(jié)構(gòu)的整體承載能力[7-8]。GFRP材料具有高強(qiáng)度比、抗疲勞和耐腐蝕性等優(yōu)點[9],向FRP管內(nèi)澆筑混凝土形成新的組合柱,FRP管的包裹使混凝土的強(qiáng)度和韌性得到了大幅的提高,FRP管脆性也能得到改善[10];當(dāng)承受軸向荷載時,混凝土受壓橫向膨脹,FRP管受到徑向壓力而產(chǎn)生被動約束,反向約束混凝土的側(cè)向膨脹;FRP管產(chǎn)生緊箍作用,限制了內(nèi)部微裂縫的發(fā)展,且軸向徐變減小,從而提高柱子的強(qiáng)度和延性[11]。將組合柱應(yīng)用于腐蝕環(huán)境中,能有效提高柱子的耐侵蝕性和承載力。

在有硫酸鹽侵蝕的地區(qū)通常存在水位變動等形成的干濕交替條件,是影響混凝土耐久性的重要因素之一。有研究表明在干濕交替環(huán)境下,混凝土結(jié)構(gòu)劣化比長期浸泡條件下混凝土結(jié)構(gòu)的劣化更嚴(yán)重[12-13],在硫酸鹽浸潤過程中依靠毛細(xì)作用輸送離子侵入孔隙,而干燥過程借助硫酸鹽對混凝土產(chǎn)生侵蝕。有研究表明超聲波檢測技術(shù)可以對混凝土在干濕循環(huán)作用下的抗硫酸鹽侵蝕性進(jìn)行表征[14],揭示混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能之間的聯(lián)系。國內(nèi)外學(xué)者對FRP管混凝土柱耐久性方面的研究相對匱乏,需要進(jìn)行大量試驗、理論和數(shù)值分析。近年來越來越多的FRP約束混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用到實際工程中,而在硫酸鹽浸泡和干濕循環(huán)等條件下對FRP材料都有很強(qiáng)的腐蝕,因此研究硫酸鹽環(huán)境中浸泡和干濕循環(huán)對FRP材料的腐蝕作用具有重要的意義。

通過對GFRP管混凝土短柱進(jìn)行硫酸鹽腐蝕試驗,分析浸泡和干濕循環(huán)兩種作用方式、不同腐蝕時間等因素對GFRP管混凝土短柱性能的影響,依據(jù)力學(xué)性能變化來表征GFRP管混凝土短柱性能劣化過程,確定硫酸鹽不同作用方式下GFRP管混凝土短柱的耐久性,并借助超聲檢測技術(shù),分析揭示GFRP管混凝土短柱的劣化機(jī)理。

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料

水泥采用華新牌P.O.42.5型號普通硅酸鹽水泥,細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.4的普通中砂;粗骨料為碎石,粒徑不大于20 mm;拌和水為普通自來水,混凝土強(qiáng)度為C40,具體配合比如表1,混凝土試塊實測強(qiáng)度如表2,表2中fcu-100為100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊抗壓強(qiáng)度,fcu為換算標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度。

表1 混凝土設(shè)計配合比

表2 混凝土試塊實測強(qiáng)度

GFRP管為廣東纖力玻璃鋼有限公司所生產(chǎn),規(guī)格為DN 100 mm×300 mm(內(nèi)徑100 mm,高300 mm±3 mm),壁厚為3 mm,纖維纏繞角度為沿順時針60°、120°,如圖1。用打磨機(jī)將GFRP管兩端磨平避免加載過程中產(chǎn)生偏心受壓。為確定GFRP管力學(xué)性能參數(shù),參照DL/T 802.2—2017《玻璃纖維增強(qiáng)塑料電纜導(dǎo)管》的分離盤法和GB/T 1448—2005《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗方法》的FRP壓縮特性實驗法,GFRP管組成材料力學(xué)性能參數(shù)見表3。

圖1 GFRP管混凝土短柱

表3 GFRP管力學(xué)性能參數(shù)

1.2 試驗方案

將試件分為7組,每組5個試件,其中有1組為對比試件,有3組為在硫酸鹽溶液中的浸泡試驗,有3組為在硫酸鹽溶液中的干濕循環(huán)試驗,試件信息如表4。硫酸鹽溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的Na2SO4(依據(jù)文獻(xiàn)[15])。干濕循環(huán)試驗中采用的循環(huán)方案為浸泡24 h,取出擦干表面,室溫下自然風(fēng)干24 h,每48 h為一個循環(huán),每15 d更換一次溶液。在試件達(dá)到腐蝕時間后,用ZBL-U5100非金屬超聲檢測儀探測組合組的缺陷。

表4 試件信息

為避免在試驗中試件端部先發(fā)生破壞,在試件兩端纏繞寬3 cm的碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)布。在試件1/2處粘貼應(yīng)變花。按照GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定進(jìn)行加載,加載方式為力控制,在試驗荷載達(dá)到Nu極限荷載的70%前,每級加載1/15Nu;在接近70%Nu時,每級加載荷載調(diào)整為1/30Nu,每級荷載持續(xù)1 min,直到加載至試件破壞,試驗機(jī)自動卸載。

2 硫酸鹽腐蝕后變化

試件在硫酸鹽溶液中浸泡30 d后,GFRP管表面有少量白色析出物,試件質(zhì)量較浸泡增加1.49%。浸泡90 d后,GFRP管表面白色析出物略微增多,并且有少量纖維剝落,試件質(zhì)量較浸泡前增加2.47%。浸泡150 d后,GFRP管表面白色物質(zhì)增多,并帶有一些鹽蝕坑,表面纖維部分剝落,試件質(zhì)量較浸泡前損失0.5%。浸泡30 、90 d的混凝土表面完整且沒有裂縫出現(xiàn),浸泡150 d混凝土表面出現(xiàn)少量微裂縫。

試件在硫酸鹽溶液中干濕循環(huán)作用30 d后,GFRP管顏色變深,并在纖維纏繞方向產(chǎn)生少量白色物質(zhì),試件質(zhì)量較干濕循環(huán)前增加1.72%。作用90 d后,GFRP管表面白色物質(zhì)增多,少量纖維斷裂與基體分離,試件質(zhì)量較干濕循環(huán)前增加0.05%。作用150 d后,GFRP管表面白色物質(zhì)較90 d沒有明顯增加,但能夠清楚地看到纖維的斷裂和剝離,并有明顯的鹽蝕坑,試件質(zhì)量較干濕循環(huán)前損失0.81%。作用30、90 d后的混凝土沒有明顯的裂縫產(chǎn)生,只有少量的白色物質(zhì)析出,作用150 d后混凝土表面出現(xiàn)微裂紋,并伴有少量混凝土碎屑掉落現(xiàn)象。浸泡150 d和干濕循環(huán)150 d的試件表觀如圖2。硫酸鹽干濕循環(huán)與浸泡作用下質(zhì)量的變化都呈先增加后減小的趨勢,質(zhì)量整體變化幅度不大,質(zhì)量變化率如圖3。

圖2 浸泡150 d和干濕循環(huán)150 d表觀

圖3 質(zhì)量變化率

用ZBL-U5100非金屬超聲檢測儀進(jìn)行缺陷檢測,測點設(shè)置及異常點標(biāo)記見圖4。利用聲學(xué)參數(shù)(聲時、幅度、頻率等)的大小變化,判斷試件是否存在缺陷。當(dāng)核心混凝土不存在缺陷時,這些聲學(xué)參數(shù)沒有明顯變化;當(dāng)試件出現(xiàn)界面脫粘、混凝土不密實或者空洞情況時,超聲波繞過缺陷位置導(dǎo)致傳播路徑增長,聲時明顯變大,波幅和頻率明顯變小。

圖4 不同腐蝕時間異常點

隨著腐蝕天數(shù)的增加,混凝土的缺陷由邊緣延伸到中部,且數(shù)量增加。硫酸鹽從組合柱兩端不斷向核心混凝土內(nèi)部滲透,硫酸鹽腐蝕90 d時,干濕循環(huán)作用后試件上下邊緣附近位置有明顯的缺陷;浸泡作用后試件一端有少量缺陷。硫酸鹽腐蝕90 d時,干濕循環(huán)后試件混凝土完全被滲透,內(nèi)部出現(xiàn)缺陷,邊緣缺陷增加;浸泡作用后試件缺陷往中部少量延伸數(shù)量遠(yuǎn)少于干濕循環(huán)作用后試件。硫酸鹽腐蝕150 d時,干濕循環(huán)作用后試件核心混凝土破壞最明顯,缺陷位置最多且分布不均勻;浸泡作用后試件向核心混凝土內(nèi)部滲透。硫酸鹽對試件侵蝕隨著腐蝕天數(shù)的增加而加劇。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 軸壓試驗現(xiàn)象

不同腐蝕時間在壓力試驗機(jī)上進(jìn)行實驗時表現(xiàn)出相似的破壞過程與破壞形態(tài)。在加載初期表觀無任何破壞跡象。當(dāng)浸泡試件荷載增加至75%Nu(Nu表示組合柱的極限承壓荷載),干濕循環(huán)加載至70%Nu時,GFRP管表面沿纖維纏繞角度方向出現(xiàn)白色螺紋,加載至80%Nu左右時,GFRP管出現(xiàn)大面積泛白,當(dāng)加載至85%Nu左右時,泛白區(qū)域愈加明顯、范圍擴(kuò)大,且有部分纖維絲斷裂突起,樹脂有明顯開裂且方向與纖維纏繞方向大致相同,兩端CFRP布出現(xiàn)破損;當(dāng)加載至極限荷載時,GFRP管突然爆裂破壞,管壁沿著纖維鋪設(shè)方向出現(xiàn)較寬的裂縫,部分區(qū)域GFRP管整塊斷裂隆起,內(nèi)部混凝土被壓碎飛出,大量纖維分層剝離且拉斷凸起。組合柱破壞速度呈脆性,腐蝕時間長的試件破壞更突然。隨著腐蝕時間的增加,GFRP管表面泛白嚴(yán)重且面積更大,最終破壞時裂縫變寬,核心混凝土更松散,相同腐蝕時間下干濕循環(huán)試件破壞程度比浸泡試件更大。根據(jù)非金屬超聲檢測儀檢測核心混凝土的缺陷情況,發(fā)現(xiàn)GFRP管破壞后裂縫的走向受到混凝土缺陷的影響,裂縫位于缺陷點之間,開裂方向與纖維纏繞方向一致。隨著腐蝕時間的增加,核心混凝土缺陷點向內(nèi)部延伸且數(shù)量增加,裂縫也隨著缺陷點的增加而出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,裂縫寬度增加,破壞更嚴(yán)重。

3.2 硫酸鹽腐蝕對極限承載力的影響

未經(jīng)過腐蝕的素混凝土柱的極限承載力為240.7 kN,未腐蝕的GFRP管混凝土短柱的極限承載力為1 133.1 kN,相同尺寸的混凝土短柱與GFRP管組合后,極限承載力提高了5倍左右。圖5為試件經(jīng)過不同方式腐蝕后的極限承載力,由圖5可知,隨著腐蝕天數(shù)的增加試件的極限荷載降低,硫酸鹽浸泡腐蝕30、90、150 d試件相對未進(jìn)行浸泡試件軸壓極限承載力分別下降3.49%、6.43%和13.02%,硫酸鹽干濕循環(huán)腐蝕30、90、150 d試件相對未進(jìn)行干濕循環(huán)試件軸壓極限承載力分別下降4.31%、8.09%和13.64%。腐蝕90 d相對腐蝕30 d試件,缺陷點增加兩倍,極限承載力下降約是30 d的兩倍;腐蝕150 d相對腐蝕30 d試件,試件缺陷點數(shù)量約是30 d的3倍。圖6和圖7是浸泡和干濕循環(huán)作用下GFRP管混凝土短柱的強(qiáng)度和強(qiáng)度衰減速率。硫酸鹽腐蝕使試件的強(qiáng)度有明顯降低,抗壓強(qiáng)度衰減速率呈先降低后增加的趨勢,前期衰減速率最快,極限承載力下降最多;中期衰減速率減緩,隨著腐蝕時間的增加,衰減速率增加。在0～30 d內(nèi),浸泡作用與干濕循環(huán)作用下抗壓強(qiáng)度衰減速率相差0.036 MPa/d;在30～90 d內(nèi),抗壓強(qiáng)度衰減速率相差0.018 MPa/d;在90～150 d內(nèi),試件強(qiáng)度衰減速率相差-0.022 MPa/d。

圖5 不同腐蝕時間試件極限荷載

圖6 不同腐蝕時間試件抗壓強(qiáng)度

圖7 不同腐蝕時間試件抗壓強(qiáng)度衰減速率

硫酸鹽浸泡和干濕循環(huán)作用使試件的強(qiáng)度有明顯降低,在0～30 d時,硫酸鹽對試件的侵蝕速度最快,強(qiáng)度衰減速度最大,浸泡作用下的速率大于干濕循環(huán)作用下的速率,這是因為在初期硫酸鹽不同作用下,離子交換占主導(dǎo)地位,水分子和鹽離子與GFRP管和混凝土迅速發(fā)生大量的化學(xué)反應(yīng)[3-8],侵蝕性物質(zhì)致使混凝土產(chǎn)生缺陷以及部分玻璃纖維分子結(jié)構(gòu)被破壞,導(dǎo)致試件軸壓性能有較大幅度的下降。

在30～90 d內(nèi),化學(xué)反應(yīng)變緩,強(qiáng)度衰減速率減小,而干濕循環(huán)作用加快了離子侵蝕,不同作用強(qiáng)度衰減速率差距變小,核心混凝土因硫酸鹽不斷的腐蝕出現(xiàn)微量的剝落,質(zhì)量開始出現(xiàn)損失,混凝土變松散。在90～150 d內(nèi),核心混凝土出現(xiàn)缺陷以及纖維-基體界面脫粘,打開了離子進(jìn)入材料內(nèi)部的通道,試件強(qiáng)度衰減速率較30～90 d增加,使得組合柱的承載能力不斷下降。干濕循環(huán)使材料內(nèi)外產(chǎn)生濕度差,加快水分由外向內(nèi)的擴(kuò)散速度,持續(xù)干濕循環(huán)試件缺陷遠(yuǎn)多于浸泡作用下試件,試件強(qiáng)度衰減速率高于浸泡作用下,微裂縫的產(chǎn)生會有更多的混凝土剝落,質(zhì)量損失加劇。

3.3 荷載-應(yīng)變曲線分析

加載過程中試件的荷載-應(yīng)變曲線如圖8,素混凝土荷載-應(yīng)變基本成直線,軸向應(yīng)變增長快于環(huán)向應(yīng)變;GFRP管混凝土短柱曲線呈雙曲線,GFRP管混凝土短柱曲線彈性階段基本與素混凝土曲線重合,到達(dá)素混凝土極限荷載后,曲線出現(xiàn)拐點,GFRP管套箍作用明顯。圖8中字母W、JZ、GS分別表示未經(jīng)過腐蝕、經(jīng)過浸泡腐蝕和干濕循環(huán)腐蝕的GFRP管混凝土短柱,數(shù)字代表試件編號,其中未作用的試驗組為平均值,用W表示。

圖8 不同腐蝕天數(shù)荷載-應(yīng)變曲線

未腐蝕組GFRP管混凝土短柱的極限軸向應(yīng)變和極限環(huán)向應(yīng)變分別為-22 482 、17 883 με,GFRP管對混凝土的約束,使其延性有明顯的增加,軸向和環(huán)向應(yīng)變都有大幅度的提高。對比未腐蝕GFRP管混凝土短柱的極限軸向應(yīng)變和極限環(huán)向應(yīng),浸泡30 d后試件的極限軸向和環(huán)向應(yīng)變分別為-19 100、15 800 με,分別減小了4.65%和5.70%;浸泡90 d后試件的極限軸向和環(huán)向應(yīng)變分別為-19 037、15 730 με,分別減小了15.32%和12.04%;浸泡150 d后試件極限軸向和環(huán)向應(yīng)變分別為-17 196、13 587 με,分別減小了23.51%和24.02%;未浸泡的試件橫向變形最小,剛度最高,腐蝕時間長的試件斜率更低,應(yīng)變更大一些,更早出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。

硫酸鹽浸泡時間越長對試件的腐蝕越嚴(yán)重,試件剛度隨之降低,抗變形能力減弱,產(chǎn)生更大的壓縮變形和橫向鼓曲。這說明GFRP管混凝土短柱隨著硫酸鹽浸泡時間增加,腐蝕程度加深,試件的剛度降低,抗變形能力隨之降低,延性變差。

對比硫酸鹽溶液浸泡和干濕循環(huán)30、90、150 d后的GFRP管混凝土短柱荷載-應(yīng)變曲線,試件的荷載-應(yīng)變曲線可以分為3個階段:彈性階段,彈塑性階段和強(qiáng)化階段,如圖9～圖10,圖9為GFRP管混凝土柱荷載-應(yīng)變?nèi)A段曲線。在彈性階段,干濕循環(huán)作用后試件的軸向和環(huán)向應(yīng)變隨著荷載的增加變化不明顯,軸向應(yīng)變的增加大于環(huán)向應(yīng)變,此時軸向變形主要為混凝土受壓時產(chǎn)生的彈性變形,GFRP管與核心混凝土還未產(chǎn)生相互作用;在彈塑性階段,軸向應(yīng)變與環(huán)向應(yīng)變發(fā)生轉(zhuǎn)折,應(yīng)變增加,泊松比變小,斜率發(fā)生變化,GFRP管開始對核心混凝土產(chǎn)生“約束力”。硫酸鹽腐蝕30 d后,浸泡作用與干濕循環(huán)作用試件軸向應(yīng)變曲線出現(xiàn)交叉;硫酸鹽腐蝕90 d后,浸泡作用比干濕循環(huán)作用后試件軸向應(yīng)變斜率稍大;硫酸鹽腐蝕150 d后,浸泡作用比干濕循作用后試件軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變斜率大,應(yīng)變差距更明顯;在強(qiáng)化階段,這時混凝土幾乎失去承載能力,GFRP管承受絕大部分的力,管受壓向外膨脹,軸向、環(huán)向應(yīng)變顯著增加。硫酸鹽干濕循環(huán)作用更早進(jìn)入強(qiáng)化階段。硫酸鹽腐蝕30 d后,干濕循環(huán)作用后試件軸向應(yīng)變斜率稍大,硫酸鹽腐蝕90 、150 d后,干濕循環(huán)作用比浸泡作用試件軸向和環(huán)向應(yīng)變斜率小,且作用時間長的試件的應(yīng)變值差距相對較大。

圖9 GFRP管混凝土柱荷載-應(yīng)變?nèi)A段曲線

圖10 環(huán)向應(yīng)變-軸向應(yīng)變

對試件施加軸向荷載,加載初期,核心混凝土承擔(dān)大部分荷載,GFRP管混凝土短柱受到硫酸鹽腐蝕,核心混凝土受損剛度下降,硫酸鹽干濕循環(huán)腐蝕時間長的試件彈性階段軸向應(yīng)變更大,曲線更平緩;隨著荷載的增加,核心混凝土不斷向外膨脹,產(chǎn)生徑向壓力作用于GFRP管,GFRP管產(chǎn)生圍壓,反向約束核心混凝土,且圍壓隨著荷載增加,核心混凝土的不斷膨脹而增加,直到達(dá)到GFRP管混凝土短柱極限承載力而突然破壞失效。前期浸泡作用下試件強(qiáng)度下降速率快,破壞時產(chǎn)生更大的軸向變形。隨著腐蝕時間的增加,干濕循環(huán)作用的交替加速了離子交換的頻率,侵蝕介質(zhì)和膨脹性物質(zhì)增多,早于浸泡作用出現(xiàn)質(zhì)量損失,GFRP管表面纖維剝落和坑蝕現(xiàn)象更嚴(yán)重,核心混凝土不密實程度加劇,GFRP管與混凝土界面脫粘,缺陷遠(yuǎn)多于浸泡作用,從而使干濕循環(huán)作用下試件GFRP管提前進(jìn)入受力狀態(tài),降低了GFRP管與混凝土的協(xié)同作用,環(huán)向變形增加;干濕循環(huán)時間越長,腐蝕越嚴(yán)重,環(huán)向剛度下降幅度越大,GFRP管與混凝土的協(xié)同作用機(jī)制降低,干濕循環(huán)作用下試件軸向環(huán)向變形與浸泡作用下差距變大,試件延性降低,破壞更突然,裂縫變寬。

4 結(jié) 論

研究硫酸鹽干濕循環(huán)作用和浸泡作用對GFRP管混凝土短柱軸壓性能演變規(guī)律,分析不同腐蝕時間試件性能變化,綜上分析,結(jié)論如下:

1)在硫酸鹽環(huán)境下,GFRP管混凝土短柱的抗壓強(qiáng)度、軸向和環(huán)向變形都隨著腐蝕時間的增加而逐漸減小,剛度下降,抗變形能力隨之降低,延性變差。

2)隨著硫酸鹽腐蝕時間增加,前期干濕循環(huán)作用下比浸泡作用下GFRP管混凝土短柱抗壓強(qiáng)度衰減速率小,后期干濕循環(huán)作用比浸泡作用下GFRP管混凝土短柱抗壓強(qiáng)度衰減速率大。

3)隨著硫酸鹽腐蝕時間增加,硫酸鹽干濕循環(huán)作用比浸泡作用下對GFRP管混凝土短柱造成的缺陷更多,會產(chǎn)生更大軸向變形和橫向鼓曲,抗壓強(qiáng)度和GFRP管與混凝土協(xié)同作用略微降低。