王自柯, 段建新, 趙軍, 楊永明

( 1.鄭州大學(xué) 力學(xué)與安全工程學(xué)院，鄭州 450001；2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，鄭州 450001 )

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，存在由大氣腐蝕、海水侵蝕及凍融循環(huán)等多種環(huán)境因素引起鋼筋銹蝕進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)耐久性不足的嚴(yán)峻問(wèn)題[1]。為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性，延長(zhǎng)其使用壽命，使用耐腐蝕性能更好的材料代替鋼筋成為必然要求。纖維增強(qiáng)聚合物(Fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)材料是一種纖維與樹(shù)脂基體通過(guò)拉擠工藝制備成的新型復(fù)合材料，基于纖維優(yōu)良力學(xué)性能和樹(shù)脂基體的粘結(jié)與保護(hù)作用使FRP 材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，根據(jù)纖維類(lèi)型，可分為玄武巖纖維、玻璃纖維和碳纖維增強(qiáng)聚合物(BFRP、GFRP 和CFRP)等。利用FRP 筋替代鋼筋已成為土木工程領(lǐng)域提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一種有效選擇[4-6]。

雖然普遍認(rèn)為FRP 具有優(yōu)異的耐腐蝕性，但國(guó)內(nèi)外大量有關(guān)在水、酸、堿、鹽等腐蝕溶液中的試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)RP 并非免疫于所有腐蝕環(huán)境，尤其是在濕熱和堿環(huán)境下性能退化較嚴(yán)重[7-9]。Wu 等[10]研究結(jié)果表明，BFRP 筋在堿溶液中拉伸強(qiáng)度的退化明顯快于在酸/鹽溶液中。鄧宗才等[11]研究發(fā)現(xiàn)，BFRP、GFRP 和CFRP 筋在60℃堿溶液(pH=13.5) 中老化42 天后抗壓強(qiáng)度分別降低了43.6%、31.8% 和51.5%，而在60℃鹽溶液中老化42 天后分別降低了31.8%、22.2% 和18.1%，即相同溫度下，堿溶液對(duì)FRP 筋的腐蝕程度大于鹽溶液。張新越等[12]研究發(fā)現(xiàn)在60℃堿溶液(pH=13.5)、酸溶液(pH=3) 和鹽溶液中老化8 周后，GFRP 筋拉伸強(qiáng)度分別下降24.77%、12.5%和6.83%，而CFRP 筋拉伸強(qiáng)度分別下降1.64%、2.91%和3.69%，可見(jiàn)，在堿溶液中兩種FRP 筋的退化程度最高，且CFRP 筋的在堿、酸和鹽溶液中的耐腐蝕性能均優(yōu)于GFRP 筋。

FRP 筋的層間剪切性能也是筋材力學(xué)性能的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，它能夠有效評(píng)價(jià)筋材內(nèi)部纖維與樹(shù)脂間的粘結(jié)性能，且相比FRP 筋拉伸測(cè)試，具有試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、試樣小巧等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于FRP 筋力學(xué)及其耐久性能評(píng)價(jià)的研究中。Wang 等[13]研究了BFRP、GFRP 和CFRP 筋在兩種模擬海水海砂混凝土孔溶液(pH=13.4 和pH=12.7)中層間剪切性能的退化規(guī)律，研究表明3 種FRP筋在堿性更強(qiáng)的溶液中層間剪切強(qiáng)度退化更快，且GFRP 筋耐久性最好，CFRP 筋次之，BFRP 筋最差，同時(shí)水吸收和SEM 試驗(yàn)測(cè)得同種工況下BFRP 筋的吸水率最高、層間剪切測(cè)試后試樣內(nèi)纖維表面殘留的樹(shù)脂最少，這也解釋了3 種FRP 筋力學(xué)性能退化存在差異的原因。一般來(lái)說(shuō)，在堿溶液中BFRP 筋和GFRP 筋比CFRP 筋降解更嚴(yán)重主要?dú)w因于Si-O-Si (玄武巖纖維和玻璃纖維骨架)的斷鏈，Chen 等[7]將其解釋為纖維的蝕刻反應(yīng)。

此外，因?yàn)閴A環(huán)境下FRP 筋的迅速劣化還與樹(shù)脂內(nèi)酯基的水解和纖維-樹(shù)脂界面的脫粘等有關(guān)，所以樹(shù)脂種類(lèi)不同對(duì)FRP 筋的耐久性也有重要影響。Benmokrane 等[14]研究了堿溶液(pH=12.6～13.0)下玄武巖纖維與乙烯基、環(huán)氧兩種樹(shù)脂之間的粘結(jié)耐久性能，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)相同條件老化后，玄武巖纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂筋具有更高的層間剪切強(qiáng)度保留率，耐久性優(yōu)于玄武巖纖維增強(qiáng)乙烯基樹(shù)脂筋。

總體來(lái)講，腐蝕環(huán)境的酸堿度、溫度和FRP筋類(lèi)型顯著影響FRP 筋力學(xué)性能的劣化速率。然而，目前關(guān)于FRP 筋在腐蝕環(huán)境下的試驗(yàn)研究雖然較多，但對(duì)不同類(lèi)型FRP 筋在多種腐蝕環(huán)境中的長(zhǎng)期力學(xué)性能劣化的對(duì)比試驗(yàn)研究還相對(duì)較少，對(duì)劣化機(jī)制的分析也不夠全面和深入[15]。因此，本文選用同種環(huán)氧樹(shù)脂基體的BFRP 筋、GFRP 筋和CFRP 筋，探究3 種FRP 筋在不同腐蝕環(huán)境下力學(xué)性能的退化規(guī)律和機(jī)制。首先對(duì)3 種FRP 筋在水、強(qiáng)堿溶液(pH=12.8)、弱堿溶液(pH=11)、模擬海水和酸溶液(pH=1.5) 5 種環(huán)境中進(jìn)行加速老化，然后對(duì)其進(jìn)行層間剪切性能試驗(yàn)，探究力學(xué)性能退化規(guī)律，然后通過(guò)水吸收、DMA、FTIR及SEM 等試驗(yàn)分析FRP 筋的劣化機(jī)制。通過(guò)研究獲得更全面的FRP 筋耐久性能結(jié)論，以促進(jìn)FRP材料在土木工程領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

本文使用的3 種生產(chǎn)直徑為6 mm 的FRP (即BFRP、GFRP 和CFRP) 筋購(gòu)自江蘇綠材谷新材料科技發(fā)展有限公司，且均采用同種環(huán)氧樹(shù)脂和相應(yīng)的增強(qiáng)纖維通過(guò)拉擠工藝制備而成。BFRP、GFRP 和CFRP 筋的纖維體積含量分別為60.33vol%、67.77vol%、61.78vol%；由排水法測(cè)得的實(shí)際平均直徑分別為6.60、6.43、6.45 mm。

1.2 試驗(yàn)環(huán)境及方案

選擇5 種具有不同pH 值的溶液作為腐蝕環(huán)境。溶液1 為蒸餾水，實(shí)測(cè)pH=7；溶液2 為強(qiáng)堿溶液，基于ACI 440.3R-2012[16]，由0.9 g NaOH、4.2 g KOH、118.5 g Ca(OH)2和1 L 蒸餾水混合而成，實(shí)測(cè)pH 值為12.8；溶液3 為弱堿溶液，通過(guò)將0.9 g NaOH、1.4 g KOH、0.037 g Ca(OH)2和1 L 蒸餾水充分混合后再稀釋50 倍制得，實(shí)測(cè)pH 值為11；溶液4 為模擬海水(以下統(tǒng)一簡(jiǎn)稱(chēng)為海水)，基于ASTM D1141-98(2013)[17]配制而成，實(shí)測(cè)pH 值為8.1；溶液5 為酸溶液，通過(guò)在1 L 蒸餾水中加入1.58 g 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95wt%～98wt%的濃硫酸制得，測(cè)試pH 值為1.5。溶液2～5 的化學(xué)成分組成見(jiàn)表1，均采用分析純?cè)噭┡渲啤?/p>

表1 4 種溶液的化學(xué)成分組成Table 1 Chemical composition of four kinds of solutions

在加速老化實(shí)驗(yàn)中，3 種FRP 筋均被切割成相應(yīng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)所要求的測(cè)試長(zhǎng)度；浸泡前，在每個(gè)試樣兩端涂上環(huán)氧樹(shù)脂并風(fēng)干以用于防止老化期間腐蝕溶液沿兩端滲入筋材內(nèi)部；制備好的筋材分別放入盛有不同腐蝕溶液的燒杯中，并將燒杯密封后放置在常溫(實(shí)測(cè)為20℃)、40℃和55℃的恒溫水浴中，分別浸泡1、2、3、6 和9 月后取出進(jìn)行短梁剪切試驗(yàn)，并另外準(zhǔn)備試樣開(kāi)展不同浸泡周期下的水吸收試驗(yàn)，最后取55℃條件下老化9 個(gè)月的試樣進(jìn)行DMA、FTIR 和SEM 試驗(yàn)。

1.3 短梁剪切試驗(yàn)

層間剪切性能采用短梁剪切試驗(yàn)方法進(jìn)行，根據(jù)ASTM D4475-02(2016)[18]，在量程為5 kN 的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(WDW-20C，上海華龍) 上進(jìn)行3 種FRP 筋的短梁剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置及試樣在載荷作用下的層間剪切失效模式如圖1 所以，即大多數(shù)裂紋出現(xiàn)在筋材橫截面的中間層。短梁剪切試樣長(zhǎng)度為6 倍實(shí)測(cè)直徑，測(cè)試跨度為5 倍筋材直徑，加載速度為1.3 mm/min。每組試樣測(cè)5 個(gè)相同的樣品，試驗(yàn)測(cè)得的筋材表觀水平剪切強(qiáng)度(即層間剪切強(qiáng)度)按照下式進(jìn)行計(jì)算：

圖1 短梁剪切試驗(yàn)裝置與剪切破壞試樣Fig.1 Interlaminar shear test set-up and specimens after interlaminar shear failure

式中：SH為層間剪切強(qiáng)度(MPa)；P為破壞載荷(N)；d為試樣直徑(mm)。

1.4 水吸收試驗(yàn)

參照ASTM D5229/D5229M-20[19]，對(duì)5 種溶液腐蝕下BFRP、GFRP 和CFRP 筋進(jìn)行吸水試驗(yàn)。腐蝕溫度為20、40 和55℃，前期測(cè)試時(shí)間為：1 h、3 h、6 h、12 h、1 天、2 天、4 天、7 天、14天和28 天，之后1 個(gè)月測(cè)試1 次，最長(zhǎng)腐蝕時(shí)間為9 個(gè)月，每個(gè)試樣的長(zhǎng)度與短梁剪切試樣保持一致。浸泡前在60℃烘箱(101A-3ET，上海實(shí)驗(yàn)儀器廠)中做進(jìn)一步干燥處理，直到試樣質(zhì)量恒定為止。試樣浸泡期間，通過(guò)定期稱(chēng)重取自不同溫度溶液中的試樣來(lái)監(jiān)測(cè)水分的增量。稱(chēng)重前，用薄紙擦拭試樣表面水分，然后用精度為0.0001 g的電子天平(FA2004N，常州衡正電子儀器)稱(chēng)量樣品的質(zhì)量。每組試樣至少測(cè)量5 個(gè)相同樣品。每個(gè)試樣的增重百分比按照下式計(jì)算：

其中：Mt為腐蝕時(shí)間t時(shí)的增重百分比(%)；W0為腐蝕前試樣的初始質(zhì)量(g)；Wt為腐蝕時(shí)間t時(shí)的試樣質(zhì)量(g)。

1.5 動(dòng)態(tài)熱機(jī)械力學(xué)分析(DMA)

采用DMA 242E 動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀(德國(guó)耐馳)進(jìn)行DMA 試驗(yàn)，以表征FRP 筋的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。DMA 試樣取自FRP 筋芯部，尺寸為35 mm×4 mm×2 mm，測(cè)試模式為單懸臂，測(cè)試跨距為16.5 mm，溫度范圍為25～250℃，升溫速率為5℃/min，振幅為20 μm，采集頻率為1 Hz。本文選取試驗(yàn)結(jié)果中損耗因子tanδ曲線的峰值所對(duì)應(yīng)的溫度為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)值。

1.6 傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析

為了研究FRP 筋內(nèi)樹(shù)脂基體的降解機(jī)制，收集在5 種55℃溶液下腐蝕9 個(gè)月后的FPR 筋試樣，并與未老化FRP 筋試樣一起進(jìn)行FTIR 分析，將試樣打薄成4 mm 厚并將兩端打磨光滑，烘干48 h后進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)設(shè)備為美國(guó)賽默飛世爾科技公司生產(chǎn)的Nicolet 6700 傅立葉變換顯微紅外光譜儀，測(cè)試采用反射模式，測(cè)試的波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1，每個(gè)試樣以4 cm-1的光譜分辨率采集掃描64 次。

1.7 掃描電子顯微鏡(SEM)分析

利用SEM 分別觀測(cè)未老化和老化后BFRP、GFRP 和CFRP 筋的微觀形貌，所用試樣為各FRP筋短梁剪切試樣試驗(yàn)后的破壞斷面。其中老化后的試樣取55℃下5 種溶液下老化9 個(gè)月的FRP 筋試樣。試驗(yàn)設(shè)備為德國(guó)蔡司公司生產(chǎn)的Auriga 聚焦離子束掃描電鏡。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 FRP 筋表面形貌

圖2 給出了20、40 和55℃下5 種腐蝕溶液中老化9 月后3 種FRP 筋的表面形貌對(duì)比圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，在5 種不同溶液中老化9 個(gè)月后，F(xiàn)RP 筋出現(xiàn)了不同程度的形貌變化，其中，強(qiáng)堿溶液中的筋材劣化最嚴(yán)重，從圖中溶液2 中的3 種筋可以看出，特別是在55℃下已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的纖維樹(shù)脂脫粘、體積膨脹甚至開(kāi)裂等現(xiàn)象，說(shuō)明強(qiáng)堿溶液比其他4 種溶液的侵蝕性更強(qiáng)。其他4 種溶液中的筋材表面形貌也出現(xiàn)了一定劣化，但劣化程度相對(duì)較輕且基本上相差不大，無(wú)法直觀看出纖維與樹(shù)脂發(fā)生脫粘等現(xiàn)象。在同種溶液中，老化溫度越高，筋材的表面損傷愈嚴(yán)重，說(shuō)明升高溶液溫度對(duì)FRP 筋具有顯著的加速劣化作用。在55℃溶液2 強(qiáng)堿溶液中，BFRP 出現(xiàn)表面破裂，體積膨脹變大，纖維松散等現(xiàn)象；GFRP 表面也發(fā)生破裂、顏色發(fā)白；相比較而言，CFRP 表面劣化較輕。這說(shuō)明溶液OH-的濃度越大，BFRP 和GFRP 筋蝕刻反應(yīng)發(fā)生越多，F(xiàn)RP 筋性能劣化越快[7]，而因此CFRP 筋表現(xiàn)出比BFRP 和GFRP 筋更好的耐腐蝕性。此外，溶液2 中BFRP 和GFRP筋表面的白色顆粒是由溶液中過(guò)飽和的Ca(OH)2析出粘附所導(dǎo)致。

圖2 纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)筋老化9 個(gè)月后的表面形貌Fig.2 Surface morphologies of fiber reinforced polymer (FRP) bars aged for 9 months

此外，BFRP 筋在強(qiáng)堿溶液中表面發(fā)黃，而在酸溶液中發(fā)白，發(fā)黃是由于BFRP 筋表面纖維-樹(shù)脂界面脫粘，散露出內(nèi)部玄武巖纖維所致；發(fā)白可能是由于H+與表面纖維中的Na、Mg、K、Ca、Fe 等金屬元素成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使硅元素的相對(duì)含量提高[20]，而硅元素在玄武巖纖維中主要以二氧化硅形式存在，故導(dǎo)致筋材表面變白。

2.2 FRP 筋層間剪切性能

測(cè)得BFRP、GFRP 和CFRP 筋的初始層間剪切強(qiáng)度平均值分別為45.79、44.85 和48.88 MPa，CFRP 筋的纖維粘結(jié)強(qiáng)度更優(yōu)異。FRP 試樣在不同腐蝕條件下的層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2～4，強(qiáng)度保留率如圖3 所示。結(jié)果表明，隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，F(xiàn)RP 筋的層間剪切強(qiáng)度基本呈下降趨勢(shì)，且腐蝕溫度越高，退化速率越大，例如CFRP筋在40℃酸溶液中老化1、2、3、6 和9 個(gè)月后的層間剪切強(qiáng)度保留率分別為97.1%、96.7%、95.3%、91.7%和89.4%；GFRP 筋在20℃水、強(qiáng)堿、弱堿、海水和酸溶液中老化9 個(gè)月后的層間剪切強(qiáng)度保留率分別為96.0%、93.0%、93.6%、91.6%和89.3%。而GFRP 筋在40 和55℃水中老化9 個(gè)月后的層間剪切強(qiáng)度保留率分別為95.4%和83.2%。

圖3 老化后FRP 筋的層間剪切強(qiáng)度保留率Fig.3 Interlaminar shear strength retention of FRP bars after aging

表2 老化后BFRP 筋的層間剪切強(qiáng)度Table 2 Interlaminar shear strength of BFRP bars after aging

表3 老化后GFRP 筋的層間剪切強(qiáng)度Table 3 Interlaminar shear strength of GFRP bars after aging

表4 老化后CFRP 筋的層間剪切強(qiáng)度Table 4 Interlaminar shear strength of CFRP bars after aging

同時(shí)，F(xiàn)RP 筋在強(qiáng)堿溶液中的降解速率明顯高于其他4 種溶液，尤其是在55℃時(shí)，BFRP、GFRP 和CFRP 筋在強(qiáng)堿溶液中腐蝕9 個(gè)月后的層間剪切強(qiáng)度保留率分別僅為10.6%、22.5%和41.6%，而在相同溫度和時(shí)間的弱堿溶液中的強(qiáng)度保留率則分別為85.2%、86.5% 和87.5%，其余3種溶液中保留率也均在76% 以上。類(lèi)似的，Yi等[21]研究也表明將模擬海水海砂混凝土孔溶液的pH 從13.2 降到12.3 后，老化后BFRP 筋的層間剪切強(qiáng)度保留率顯著提高。這可能是由于強(qiáng)堿溶液中的OH-離子含量遠(yuǎn)高于其他4 種溶液，而腐蝕于堿溶液中的3 種FRP 筋的層間剪切強(qiáng)度損失主要來(lái)自于纖維-樹(shù)脂界面的脫粘和樹(shù)脂的水解。

圖3 還表明了在水、弱堿、海水和酸溶液中，BFRP、GFRP 和CFRP 的層間剪切強(qiáng)度保留率均有所下降。在上述4 種溶液中，CFRP 和GFRP 筋的耐久性差異較小，在55℃下老化9 個(gè)月后的層間剪切強(qiáng)度保留率在86%左右；BFRP 筋在55℃水、弱堿溶液及海水中老化9 個(gè)月后的層間剪切強(qiáng)度保留率在85% 左右，而在酸溶液中保留率僅為76.7%。以上結(jié)果證明本文所用BFRP 筋的耐久性略低于CFRP 和GFRP 筋，這可能與目前玄武巖纖維生產(chǎn)時(shí)其表面處理工藝不成熟有關(guān)，Benmokrane等[14]和Wang 等[13]也有類(lèi)似的結(jié)果報(bào)道。

2.3 FRP 筋吸水率

圖4 給出了BFRP、GFRP 和CFRP 筋在5 種溶液環(huán)境下的水吸收測(cè)試結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著浸泡時(shí)間的增加，試樣的吸水率增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)速率逐漸變慢，其中前兩周吸水率增速最快，例如，在40℃海水中，CFRP 筋在兩周時(shí)吸水率達(dá)到0.25%，在1、5 和9 個(gè)月時(shí)分別為0.31%、0.38%和0.53%。隨著溫度升高，3 種筋材在5 種溶液中的吸水率均增大，在20、40 和55℃水中浸泡9個(gè)月后BFRP 筋的吸水率分別為0.32%、0.42%和0.56%，GFRP 筋的吸水率分別為0.36%、0.44%和0.46%；CFRP 筋的吸水率分別為0.48%、0.69%和1.17%。圖中結(jié)果還顯示，3 種FRP 筋的吸水率基本呈現(xiàn)出在強(qiáng)堿溶液中最高，在酸溶液中次之，而在海水、水和弱堿溶液中的相差不大的趨勢(shì)。例如，40℃時(shí)BFRP 筋在對(duì)應(yīng)的分別為：強(qiáng)堿、酸、海水、水和弱堿溶液中的吸水率分別為1.70%、0.53%、0.35%、0.42% 和0.36%。3 種筋在55℃強(qiáng)堿溶液中吸水率直線上升，已遠(yuǎn)超過(guò)樹(shù)脂本身的吸水能力，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是強(qiáng)堿溶液中的高濃度OH-破壞了纖維-樹(shù)脂界面，從而使水分子大量滲入筋材內(nèi)部，而水吸收測(cè)試時(shí)僅擦拭筋材表面水分，從而導(dǎo)致其吸水率結(jié)果較高。

圖4 FRP 筋在不同溫度的溶液環(huán)境下的吸水率Fig.4 Water absorption results of FRP bars in different kinds of corrosion solution environments at different temperatures

2.4 FRP 筋熱性能

圖5～圖8 列出了BFRP、GFRP、CFRP 筋在55℃、5 種溶液中老化9 個(gè)月后的DMA 試驗(yàn)結(jié)果。從圖5 的儲(chǔ)能模量曲線可以看出，溶液2 中老化后的BFRP 與GFRP 筋的儲(chǔ)能模量(尤其是常溫段，如25～100℃) 明顯低于其余溶液老化試驗(yàn)及初始試樣，而各組CFRP 試樣結(jié)果則無(wú)明顯差異。從圖6 的損耗因子tanδ曲線可以看出，經(jīng)過(guò)9 個(gè)月老化后，5 種溶液老化后的3 種FRP 筋的損耗因子曲線均出現(xiàn)不同程度地向左上方偏移的傾向，說(shuō)明筋材內(nèi)部界面均發(fā)生了不同程度的降解[22-23]。其中，強(qiáng)堿溶液中的3 種FRP 筋tanδ曲線峰值增加明顯高于其他4 種溶液，這說(shuō)明強(qiáng)堿溶液對(duì)FRP 筋的劣化作用最顯著，而其余4 種溶液的劣化作用相差不大。同時(shí)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)55℃強(qiáng)堿溶液中老化9 個(gè)月后BFRP 筋的tanδ峰值從未老化的0.096 增加到0.272，而CFRP 筋的tanδ峰值從0.127 增加到0.166，GFRP 的tanδ峰值從0.092 增加到0.228，這也反映出BFRP 筋的劣化程度相對(duì)最為嚴(yán)重。同種試驗(yàn)條件下層間剪切強(qiáng)度越低，纖維-樹(shù)脂界面脫粘越嚴(yán)重導(dǎo)致吸水率則越高，對(duì)應(yīng)的tanδ峰值也增大，即上述tanδ試驗(yàn)結(jié)果與前文中短梁剪切和水吸收試驗(yàn)結(jié)論基本一致。

圖5 FRP 筋在55℃老化9 個(gè)月后的儲(chǔ)能模量曲線Fig.5 Storage modulus curves of FRP bars after aged at 55℃ for 9 months

圖6 FRP 筋在55℃下老化9 個(gè)月后的損耗因子tanδ 曲線Fig.6 Loss factor tanδ curves of FRP bars aged at 55℃ for 9 months

圖7 和圖8 對(duì)比了3 種FRP 筋的損耗因子和Tg隨老化時(shí)間的變化趨勢(shì)，可以看出，隨著老化時(shí)間的增加，tanδ呈變大的趨勢(shì)，而對(duì)應(yīng)的Tg則逐漸降低。例如，CFRP 筋在海水中老化3、6 和9 個(gè)月后的tanδ分別為0.130、0.127 和0.142，對(duì)應(yīng)的Tg為146.9℃、141.5℃和130.3℃。這些結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了FRP 筋的性能劣化會(huì)隨著浸泡時(shí)間的增加而不斷增加。

圖7 FRP 筋在55℃不同溶液中tanδ 峰值隨老化時(shí)間的變化曲線Fig.7 Variation curves of peak value of tanδ of FRP bars in different solutions at 55℃ with aging time

圖8 FRP 筋在55℃不同溶液中玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg 隨老化時(shí)間的變化曲線Fig.8 Variation curves of glass transition temperature Tg of FRP bars in different solutions at 55℃ with aging time

2.5 FRP 筋微觀結(jié)構(gòu)

FRP 筋在55℃不同溶液中老化9 個(gè)月前后的FTIR 測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。圖9(a) 中，BFRP 筋在水、弱堿、海水及酸溶液中老化后的試樣光譜圖較相似。其中，2 750～3 050 cm-1區(qū)域內(nèi)的譜帶代表的是環(huán)氧樹(shù)脂中的C-H 的伸縮振動(dòng)基團(tuán)[24]，而該峰值在強(qiáng)堿溶液老化后試樣的光譜圖中已經(jīng)幾乎看不出，說(shuō)明樹(shù)脂破壞最為嚴(yán)重，這與前文中試樣表面形貌松散結(jié)果相對(duì)應(yīng)。另一組組較明顯的峰值為950～850 cm-1波長(zhǎng)區(qū)域，其代表的是苯環(huán)中的C-H 的面外彎曲振動(dòng)基團(tuán)[25-26]，強(qiáng)堿溶液老化后的試樣圖譜同樣表現(xiàn)出了不同于未老化及其他4 種溶液老化情況下的圖譜，可見(jiàn)強(qiáng)堿溶液中BFRP 筋試樣的腐蝕程度較嚴(yán)重。圖9(b)和圖9(c)顯示在55℃強(qiáng)堿中老化9 個(gè)月后，GFRP 筋的圖譜出現(xiàn)了與BFRP 筋相似的退化規(guī)律，而CFRP 筋圖譜并未出現(xiàn)明顯的峰值變化。這也說(shuō)明了CFRP 筋的耐堿性能相對(duì)較好。

圖9 FRP 筋在55℃不同溶液中老化9 個(gè)月的FTIR 圖譜Fig.9 FTIR spectra of FRP bars aged for 9 months in different solutions at 55℃

2.6 FRP 筋微觀形貌

FRP 筋在55℃不同溶液中老化9 個(gè)月前后的SEM 測(cè)試結(jié)果如圖10～圖12 所示，可以看出，在3 種未老化FRP 筋試樣破壞斷面處纖維表面均有大量的殘余樹(shù)脂覆蓋，說(shuō)明未老化FRP 筋內(nèi)部纖維與環(huán)氧樹(shù)脂間粘結(jié)效果良好，但經(jīng)過(guò)55℃不同溶液浸泡老化9 個(gè)月后，由于筋材內(nèi)部出現(xiàn)了樹(shù)脂水解、纖維-樹(shù)脂界面脫粘等現(xiàn)象，導(dǎo)致短梁剪切試樣斷面處纖維表面殘留的樹(shù)脂不同程度地減少如圖10(a)～10(f)所示。同時(shí)，圖10(c)、圖11(b)和圖12(b) 顯示，在55℃強(qiáng)堿溶液中浸泡老化9個(gè)月后，3 種FRP 筋的纖維表面只能看見(jiàn)極少量的樹(shù)脂，大多都是光滑的纖維，表面纖維樹(shù)脂粘結(jié)力直線下降，這也解釋了前文中所有FRP 筋在溶液2 中老化后的層間剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其他溶液。

圖10 短梁剪切試驗(yàn)后BFRP 筋試樣的SEM 圖像Fig.10 SEM images of BFRP bars specimens after short beam shear test

圖11 短梁剪切試驗(yàn)后GFRP 筋試樣的SEM 圖像Fig.11 SEM images of GFRP bars specimens after short beam shear test

圖12 短梁剪切試驗(yàn)后CFRP 筋試樣的SEM 圖像Fig.12 SEM images of CFRP bars specimens after short beam shear test

圖10、圖11 中的SEM 圖像還顯示，隨著不同溶液酸堿度的變化，老化后試樣中的玄武巖纖維和玻璃纖維基本都保持完整狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)明顯的纖維腐蝕與纖維開(kāi)裂現(xiàn)象[21]，這可能是由于本文所用的SEM 試樣為短梁剪切試驗(yàn)后的筋材斷面，主要觀測(cè)部位為FRP 筋的中部，而未對(duì)筋材的腐蝕較嚴(yán)重的外邊緣區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)?？梢?jiàn)，影響FRP 筋層間剪切強(qiáng)度劣化的原因主要是纖維-樹(shù)脂間脫粘和樹(shù)脂水解所導(dǎo)致的，而不同酸堿度溶液會(huì)導(dǎo)致不同程度的脫粘和水解。

3 結(jié) 論

在加速老化試驗(yàn)條件下，研究了5 種不同溶液環(huán)境中玄武巖纖維、玻璃纖維和碳纖維增強(qiáng)聚合物(BFRP、GFRP 和CFRP)筋的層間剪切性能退化規(guī)律，基于試驗(yàn)得到的力學(xué)性能、水吸收、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能及微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分表征等，可以得到以下結(jié)論：

(1) 降低腐蝕環(huán)境的堿度，可以有效延緩FRP筋層間剪切性能的退化速率。55℃、pH=12.8 的強(qiáng)堿溶液中腐蝕9 個(gè)月后，BFRP、GFRP 和CFRP筋的層間剪切強(qiáng)度保留率僅分別為10.6%、22.5%和41.6%，而相同條件下pH=11 的弱堿溶液中強(qiáng)度保留率則分別為85.2%、86.5% 和87.5%。與BFRP 筋和GFRP 筋相比，CFRP 筋具有更優(yōu)異的耐久性；

(2) 強(qiáng)堿環(huán)境是影響FRP 筋性能的重要因素。在強(qiáng)堿溶液中，F(xiàn)RP 筋的樹(shù)脂水解及纖維-樹(shù)脂界面脫粘都明顯增多，在55℃老化的環(huán)境下吸水率都遠(yuǎn)大于筋本身樹(shù)脂的吸水率。相應(yīng)地，水、弱堿、海水和酸環(huán)境中對(duì)FRP 筋劣化也有所影響，但這4 種環(huán)境相差不大，且影響程度均遠(yuǎn)低于強(qiáng)堿環(huán)境；

(3) 纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)筋的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg與損耗因子tanδ的退化與層間剪切強(qiáng)度的退化具有一定的關(guān)聯(lián)性，如CFRP 筋在55℃海水中老化3、6 和9 個(gè)月后的層間剪切強(qiáng)度保留率為91.0%、89.3% 和87.4%，對(duì)應(yīng)的tanδ峰值分別為0.130、0.127 和0.142，對(duì)應(yīng)的Tg分別為146.9℃、141.5℃和130.3℃；

(4) SEM 結(jié)果證明，F(xiàn)RP 筋層間剪切強(qiáng)度的退化主要與纖維-樹(shù)脂界面脫粘有關(guān)，而與內(nèi)部纖維的劣化關(guān)系較小，提高纖維與樹(shù)脂間界面粘結(jié)性能對(duì)提高FRP 筋在實(shí)際工程應(yīng)用中的耐久性至關(guān)重要。