混凝土环境中GFRP筋劣化机制研究

刘文博

（民航机场规划设计研究总院有限公司西北分公司，陕西西安 710075）

0 前言

钢筋混凝土结构耐久性中一个突出的问题就是钢筋锈蚀。人们为延长混凝土结构的耐久寿命，发明创造了FRP筋混凝土结构及混合配筋混凝土结构。

FRP（纤维增强塑料）为纤维（玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等）与基体（通常为树脂）两者共同构成的新型复合材料[1]，工程师希望通过采用FRP筋来解决混凝土结构耐久性的问题。FRP筋本身具有较高的承载能力，且性质稳定，不会出现锈蚀问题。虽然FRP筋在耐腐蚀方面优于普通钢筋，但其也有着不可忽视的耐久性问题。如AFRP筋在潮湿环境中或紫外线直接照射下性能有所降低；GFRP筋耐碱性能差，不宜在碱性环境和潮湿环境中使用[2]。本文着重讨论GFRP筋在碱性环境长期作用下的劣化机制。

1 碱性环境中GFRP筋的性能劣化

已有的关于GFRP筋的试验多在碱性溶液中进行。Mukherjee[3]将GFRP筋浸泡于60℃碱溶液中，试验进行30d时强度下降43%，60d时强度下降56%。张新越等[4]同样将GFRP筋浸入60℃碱溶液，56d后强度下降24.77%。Steckel[5]进行了GFRP筋在60℃碱环境、盐水、紫外线照射下的力学性能研究，结果表明无论在何种环境下，GFRP筋的弹性模量并未发生明显的降低。

关于GFRP筋还有很多类似试验，此处不再列出。从上述试验可以看出，碱性环境对GFRP筋的强度有着较大的影响，且影响时间越长，强度下降越大。混凝土内部通常呈强碱性，因此GFRP筋在混凝土内必定会产生劣化，具体劣化程度因实际情况而异。由于已有的试验绝大多数采用碱溶液模拟碱环境，与实际的混凝土内部环境有所区别，因此已有试验结果仅可作为理论分析数据，具体应用于实际工程时仍需进行其他方面的研究。

另外，虽然混凝土在使用期间会产生碳化使得碱性降低，但由于碳化本身所需时间较长，且不同环境及表面条件下的混凝土碳化速度千差万别，因此所有试验均不考虑混凝土碳化的影响。

2 混凝土碱性环境中GFRP筋的劣化机制

GFRP筋的劣化与混凝土的碱环境以及混凝土的微观构造密切相关。在混凝土固结过程中，混凝土内部形成大量的微小孔隙，孔隙包括0.5～2.5nm的层间孔、10～50nm的毛细孔和3～5μm的气孔[6]。这些孔隙使得水泥水化产生的大量阴阳离子渗透至GFRP筋的表面，造成劣化。这其中OH-为造成劣化的主要离子，一方面是因为水化产生的离子以OH-为主，另一方面是因为OH-在混凝土中的渗透速度远大于其他离子。同时水分子也会与纤维之间产生反应。这些所有因素综合起来造成了GFRP筋在混凝土碱性环境中的腐蚀。

2.1 基体的劣化机制

目前土木工程领域中FRP筋常用的基体包括聚酯树脂（polyester ester）基体、乙烯基酯树脂（viny lester）基体和环氧树脂（epoxy）基体。其中乙烯基酯树脂（viny lester）基体和聚酯树脂（polyester ester）一般主要用于GFRP筋的基体，而环氧树脂（epoxy）基体主要用于CFRP的基体。

基体相比于纤维，其弹性模量和强度均较小，主要作用包括约束各根纤维，使得各根纤维之间能够共同工作；为纤维提供工作环境，隔离侵蚀性物质，延缓纤维的腐蚀。基体的劣化一方面使得基体密实性减少，侵蚀性物质渗入速度增加，加快纤维腐蚀。另一方面会使得基体与纤维间的粘结能力减少，降低纤维间共同工作的能力。

基体的劣化包括物理原因及化学原因。其中物理原因为水分渗入基体内部，占据基体空穴，引起材料自由体积变化，最终使基体产生微裂纹[7]。化学原因为则为酯的水解，这也是基体劣化最主要的原因。

几乎所有树脂类聚合物均会水解，水解的过程会打开酯键，生成相应的羧酸和醇（环氧树脂例外）。其宏观表象即为基体密实性降低，孔隙增大，与纤维间粘结性降低，具体水解过程见式（1）。

R-COO-R′+H-OH→R-COOH+R′+OH-（1）

水解后由于酯键断裂，使得原本较长的分子链断裂为较短的分子链，进而导致前述的基体密实性减少和粘结能力减少。基体与纤维脱粘后纤维的受力将会急剧增加，有学者甚至认为GFRP筋力学性能的降低主要是由于脱粘引起的。

2.2 玻璃纤维的劣化机制

GFRP筋常用的玻璃纤维包括无碱玻璃纤维（E-glass）和耐碱玻璃纤维（AR-glass），其中耐碱玻璃纤维为无碱玻璃纤维外层加涂聚合物涂料制成，但多用于混凝土增强纤维，此处不再谈论。以下所讨论的GFRP筋纤维均为无碱玻璃纤维。

无碱玻璃纤维的主要成分为SiO2，同时包含少量Al2O3、CaO、MgO等。玻璃纤维的劣化本质上是SiO2与水以及碱性物质的反应造成的。由于混凝土内部呈强碱性（pH达12.5或更高），含大量OH-，OH-以及水分通过基体的微小间隙渗透至纤维表面，进而与纤维中的SiO2进行反应，破坏纤维的骨架结构，主要反应方程式见式（2）及（3）。

式（2）为SiO2与水的反应过程，由于该过程中Na+会从纤维中扩散出来，因此该过程又称为“浸出”。该过程一方面会产生OH-，为式（3）提供反应物。另一方面会在水与玻璃纤维之间生成凝胶层（比玻璃纤维的比重低），更有利于OH-与水的传输，进而加速腐蚀。凝胶层同时也会降低基体与纤维间的粘结能力。

式（3）为SiO2与OH-的反应过程，该过程为碱环境下纤维的主要破坏原因。由于其破坏玻璃纤维中的Si-O键，因此称之为“蚀刻”。Si-O键为玻璃纤维中的主要化学键，SiO2的高承载力主要来源于它。Si-O键的破坏将直接导致玻璃纤维结构骨架的完整性遭到破坏，降低纤维的各项使用性能，甚至导致断裂。

3 结语

在混凝土环境下GFRP筋的劣化不可避免，混凝土中的碱环境是造成GFRP筋腐蚀的主要原因。已有的试验多在碱溶液的环境下进行，与实际工程的情况有所区别。GFRP筋的劣化包括基体的劣化及纤维的劣化，二者的劣化机理各有不同。基体的劣化主要是酯的水解，而纤维的劣化则是与水分子及氢氧根离子反应的结果。在今后的试验研究中，学者应充分考虑GFRP筋劣化原因的复杂性，选用合适的分析方法，避免分析模型与实际情况误差较大造成试验结果不准确。