盐湖高寒地区GFRP夹芯复合筋耐久性研究1)

李双营 赵建昌

*(兰州交通大学土木工程学院，兰州730070)

†(青海民族大学土木与交通工程学院，西宁810007)

在我国盐湖地区，氯离子渗入混凝土结构引起钢筋腐蚀破坏是混凝土结构耐久性的主要问题[1]，钢筋锈蚀是结构丧失原有承载力，难以达到预期使用寿命的主要因素。研究发现，纤维增强复合材料( fiber reinforced polymer，FRP)与钢筋相比，有高强、轻质、耐腐蚀等力学性能，在铁路、房屋建筑、地下领域得到了广泛的应用，在盐湖地区，纤维增强材料筋代替钢筋作为加强筋是解决钢筋锈蚀的有效途径[2]；日本和欧美国家对纤维增强复合材料筋在铁路、房屋建筑、地下领域等取得比较多的成果，应用技术早于中国[3-7]。国内东南大学、浙江大学等在纤维增强复合材料筋方面取得了一些成果：张新越等[8]在冻融环境与酸碱盐腐蚀作用下，对自制的玻璃纤维增强材料筋的耐久性进行试验研究，结果表明：玻璃纤维筋具有很好的冻融和耐酸盐腐蚀的性能，碳纤维筋具有比玻璃纤维更好的冻融和耐酸碱盐腐蚀的性能；王海良等[9]通过试验对3种直径不同的玄武岩纤维(basalt fiber reinforced polymer，BFRP)筋在冻融循环、酸溶液及其耦合作用下耐久性进行研究，分析环境类型及作用时间对其弹性模量、抗拉强度的影响；高永红等[10]对直径16 mm玻璃纤维增强复合材料 (glass fiber reinforced polymer，GFRP)筋单调一次拉伸及在应力上限水平为0.3σb，0.6σb(σb为筋体的极限抗拉强度)的9次循环加载拉伸损伤后的GFRP筋进行拉伸试验，分析GFRP筋体在破坏前后的拉伸力学性能变化规律，结果表明:筋材的极限抗拉强度随循环拉伸应力的增加呈下降趋势，折点处强度随循环拉伸应力的增加呈上升趋势；刘生纬等[11]用解析法和有限元法分析了复合材料在边坡稳定性中的应用；靳文强等[12]通过实验研究了黏土砖在浓度为10%硫酸盐干湿循环作用下质量、相对动弹性模量及强度退化机理；刘廷滨等[13]提出了能够定量预测复杂环境下混凝土耐久性损失的方法；王依兵等[14]基于细观力学理论，提出了横观各向异性复合材料弹性常数的分析模型。李趁趁等[15]模拟了碱性环境中FRP筋的耐久性；从FRP筋研究现状及应用形式看，国内外学者在对FRP筋拉伸性能、抗剪性能、徐变断裂性能及其混凝土结构性能研究方面进行了较为深入的研究，试验工况多为单调载荷和单种因素影响下的 FRP复合材料的各种性能的研究，而对纤维混杂结构的研究比较少，特别是GFRP夹芯复合(内部为钢筋，外部是GFRP筋)的研究更为少见，另外从国内外的研究看，在各种因素的耦合作用下FRP筋的各种性能的变化规律也很少见。因此本文主要考虑在多重因素作用下GFRP筋和GFRP夹芯复合筋的耐久性研究，为实际工程的应用提供理论支撑。

1 试验部分

1.1 主要原料

南京锋晖复合材料有限公司生产的玻璃纤维增强复合筋 (GFRP筋)，直径 12 mm 的实心筋和GFRP筋夹芯复合筋 (内部为钢筋，外部是 GFRP筋，简称 GFRP夹芯筋)，直径 12 mm(钢筋直径6 mm，外裹厚度为6 mm的玻璃纤维筋)。

1.2 样品制备

筋材试样称重完成后，将其做成700 mm的试拉件，其中标距L0=300 mm，夹芯钢筋(里面是钢筋，外面是玻璃纤维筋)，用套管锚固试拉件的两端(图1)，套管用无缝钢管制作而成，两端的锚固长度分别为200 mm，钢管内径比试样筋材杆件的直径大4 mm，壁厚3 mm，钢管与纤维之间的锚固用环氧树脂和固化剂按照4:1的比例配合而成。

图1 GFRP筋(GFRP夹芯筋)的尺寸图

1.3 试验方法

拉伸性能试验采用上海华龙仪器有限公司的DN150的电子万能试验机，加载步骤按照 GB/T3-0022–2013纤维增强复合材料筋基本力学性能试验方法进行[16]，先对试拉件进行5 mm/min位移控制预加载，当达到屈服强度的20%～30%时，预加载结束，卸载到载荷为0时再以5 mm/min位移控制正式加载，直到试拉件破坏，观察应力-应变曲线的变化规律，记录破坏载荷、抗拉强度和弹性模量等指标，试验过程中有滑筋、端头拉断等现象时，该试拉件报废。

盐湖卤水的配置按以下方法实施[17]：青海盐湖卤水中的元素比例是Mg2+，Ca2+，Cl－，SO2+复合型，Mg2+占35129.7 mg/L，Ca2+占4241 mg/L，Cl－占 204209 mg/L，SO2+占 22290 mg/L，本项目所用卤水是按照实际比例配置而成。

干湿循环试验在硫酸盐腐蚀箱中进行，参照GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法标准[18]的制度进行，在卤水中干湿循环腐蚀的实验步骤如下：卤水的质量分数为5%，其循环过程为：试件在常温下卤水中自然浸泡14 h，之后通过排水管排出溶液，在温度为40°C干燥箱中烘干8 h，最后慢慢关闭干燥箱的加热系统，在自然环境下冷却2 h，一个循环过程结束。

根据 GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[18]，青海盐湖环境的冻融试验按以下步骤实施：采用北京耐恒设备有限公司生产的快速冻融试验机模拟青海盐湖环境做冻融试验，将直径 16 mm GFRP筋浸入冻融机中进行冻融试验，每天冻融循环次数为6次，在温度为25°C中融化1 h左右，之后将冻融机的温度控制在-18°C左右进行冷冻4 h，一个冻融循环结束。

1.4 试验环境和参数设置

在盐湖卤水、干湿循环、冻融作用下各构件的力学性能退化规律，具体有四个工况：

第一工况：盐湖卤水作用下 (一次拉伸)(长度700 mm，直径16 mm的GFRP筋和GFRP夹芯复合筋)，浸泡周期 (15 d，30 d，60 d，90 d，120 d)，简记作 L15，L30，L60，L90，L120。

第二工况：盐湖卤水+干湿循环作用下 (一次拉伸)(长度 700 mm，直径 16 mm 的 GFRP筋和 GFRP夹芯复合筋)，循环周期 (10周期，20周期，30周期，40周期，50周期)，简记作L15+X10，L30+X20，L60+X30，L90+X40，L120+X50。

第三工况：冻融作用：(一次拉伸)(长度550 mm，直径16 mm的GFRP筋和GFRP夹芯复合筋)，冻融循环次数(10次，50次，100次，150次，300次)；简记作 D10，D50，D100，D150，D300。

第四工况：盐湖卤水+干湿循环+冻融耦合作用(一次拉伸)(长度550 mm，直径16 mm的GFRP筋和GFRP夹芯复合筋)。干湿循环10次，冻融10次；干湿循环20次，冻融 50次；干湿循环30次，冻融100次；干湿循环40次，冻融150次；干湿循环 50次，冻融 300次，简记作 L15+X10+D10，L30+X20+D50， L60+X30+D100， L90+X40+D150，L120+X50+D300。

每个工况各需要90根玻璃纤维筋 (GFRP)和GFRP筋夹芯复合筋 90根，共 360根玻璃纤维筋(GFRP)和360根GFRP筋夹芯复合筋。

2 玻璃纤维筋的破坏机理

玻璃纤维筋是由玻璃纤维和聚合物基材通过环氧树脂和固化剂按照一定的比例组合而成，玻璃纤维含量较大，约占60%～82%，其余为基体。国内外试验研究表明：玻璃纤维含量与FRP筋的强度、力学性能和耐久性成正比例关系，玻璃纤维筋力学性能和耐久性退化的主要原因是[19]：当玻璃纤维筋中的Si–O键随着各种环境因素特别是碱溶液OH－作用断裂，树脂基体中的酯键随着各种环境因素的退化可用下式表示

金清平等[20]借助扫描电子显微镜观察筋体各阶段受力下的细观结构 (图 2)，扫描图显示树脂和玻璃纤维填充不致密，黏结和分布不均匀，内部存在一定的缺陷。根据微观结构的特征，玻璃纤维筋的内部结构会随着干湿循环、冻融次数等环境的侵蚀发生变化，导致力学性能改变。

图2 聚乙烯晶体的扫描图[20]

3 试验结果与分析

3.1 力学指标计算

GFRP筋材拉伸强度计算公式为

式中，σ为筋材实测抗拉强度，MPa；d为筋材直径，mm；P为筋材最大实测载荷，kN。

GFRP筋拉伸弹性模量计算公式为

式中，P1和ε1为50%最大破坏载荷对应的载荷和相应的应变，N和无量纲；E为FRP筋拉伸弹性模量，MPa；P2和ε2为最大极限载荷的 25% 对应的载荷和应变，N和无量纲。

GFRP筋极限应变计算公式为

式中，εu为 GFRP筋的极限应变，无量纲；fu为GFRP筋的极限抗拉强度，MPa。

3.2 GFRP筋和GFRP夹芯筋的单调一次拉伸和循环拉伸的表观特征及本构关系

3.2.1 GFRP筋一次拉伸和循环拉伸的表观特征及本构关系

GFRP筋单调一次拉伸试验中，载荷小于68 kN时，应力达到302 MPa，应变0.581%，试件表面几乎无变化，载荷与应力几乎成正比例关系；当载荷大于68 kN时，随着载荷的增加，由于应力集中导致纤维丝断裂破坏，GFRP筋不定时发出一声较微弱的声响，部分玻璃纤维筋从树脂基体中剥离。当施加载荷接近203 kN时，出现急促的纤维断裂声响；树脂在极限抗拉强度 67 MPa时发生失效破坏，此时应变3.523%，载荷在68 kN～203 kN之间，载荷与应力几乎成正比例关系，但是斜率减小，从实验现象可以得出：GFRP筋单调一次拉伸试验中应力应变的关系可以用两条折线来表示，如图3(模型a)，弹性模量由4.441减小到2.778，随着载荷的增加，试件中部薄弱处首先出现裂缝，部分玻璃纤维集中成束状，基体突然破坏，属于脆性破坏。

GFRP 筋循环拉伸作用下，应力达到 0.4σb(270 MPa)，还没有达到 302 MPa(折点应力)，所以，应变较小，弹性模量也小，循环5次过程中由载荷-位移曲线可以得到：起始位移为3.70 mm。随着循环次数的增加，加载应力上限0.4σb对应的载荷减小为54 kN，在循环加载-卸载过程中载荷-位移的关系均呈正比例。当循环次数结束载荷卸载完成后，GFRP筋的实际位移为4.00 mm，比GFRP筋起始位移3.70 mm增加了0.30 mm，残余变形几乎没有发生。

3.2.2 GFRP夹芯复合筋一次拉伸的表观特征及本构关系

直径为16 mm的GFRP夹芯筋(内钢筋8 mm，外 GFRP筋 8 mm)一次拉伸作用下，当作用在GFRP夹芯筋复合材料的载荷逐渐增加时，低延伸率的玻璃纤维首先破坏，但是它们被高延伸率的钢筋约束着，虽然玻璃纤维已经断裂不连续，但玻璃纤维仍能够继续承担剪切载荷，并且仍对刚度有贡献，导致GFRP夹芯筋复合材料的断裂应变比单一碳纤维大。或者也可以这样理解，在GFRP夹芯筋复合材料中，高延伸的钢筋起着抑制玻璃纤维裂纹传播的作用，能够减少玻璃纤维灾难性裂纹增长的概率，应力应变关系可用图4(模型b)表示。

图3 模型a

图4 模型b

3.3 工况一：在盐湖卤水作用下(一次拉伸)GFRP筋和GFRP夹芯筋

表 1为盐湖卤水作用的测试结果，可以看到，在盐湖卤水环境下，随着龄期的增加，GFRP筋和GFRP夹芯筋的抗拉强度都减小，GFRP筋从677.98减小到 598.12，减小了 12%，而 GFRP夹芯筋从455.58减小到376.18，减少了17%，GFRP夹芯筋由于构造的原因减少幅度较大；另外，GFRP筋无屈服强度，GFRP夹芯筋有屈服强度，并且随着在卤水溶液中浸泡龄期的增大，GFRP夹芯筋的屈服强度减小；而GFRP筋随着在卤水溶液中浸泡龄期的增大，弹性模量先减小后增大，但GFRP夹芯筋的弹性模量一直增大；GFRP筋和GFRP夹芯筋的断裂应变都减小，GFRP筋由3.523减小到0.581，表现出明显的脆性，GFRP夹芯筋由18.314减少到13.178，断裂时相对应变较大，有一定的延性。

表1 盐湖卤水作用的测试结果

3.4 工况二：冻融作用下 (一次拉伸)GFRP筋和GFRP夹芯筋力学性能退化规律

从表2的数据可以得到，在盐湖卤水环境下，随着龄期的增加，GFRP筋和GFRP夹芯筋的抗拉强度都减小；另外，GFRP筋无屈服强度，GFRP夹芯筋有屈服强度，并且随着龄期的增加，屈服强度在减小；GFRP筋随着龄期的增加，弹性模量先减小后增大，而GFRP夹芯筋的弹性模量一直增大；GFRP筋和GFRP夹芯筋的断裂应变都减小，GFRP筋由3.423减小到0.421，表现出明显的脆性，GFRP夹芯筋由15.324减少到10.175。盐湖卤水单因素作用下抗拉强度、弹性模量、断裂应变降低的幅度更大，这是由干湿循环的环境改变导致的。

3.5 工况三：盐湖卤水+干湿循环(一次拉伸)GFRP筋和GFRP夹芯筋力学性能退化规律

从表3盐湖卤水+干湿循环作用下的测试结果可以看出，随着冻融次数的增加，GFRP筋和GFRP夹芯筋的抗拉强度都减小；另外，GFRP筋无屈服强度，GFRP夹芯筋有屈服强度，并且随着冻融次数的增加，其屈服强度和弹性模型的变化表现出的现象与在卤水溶液中表现出的现象一样；GFRP筋和GFRP夹芯筋的断裂应变都减小，GFRP筋由3.512减小到0.897，表现出明显的脆性，GFRP夹芯筋由17.324减少到13.31。

从表4盐湖卤水浸泡+干湿循环作用+冻融循环耦合作用下的测试结果可以看出，随着干湿、冻融循环次数的增加，GFRP筋和GFRP夹芯筋的抗拉强度都减小；另外，GFRP筋无屈服强度，GFRP夹芯筋有屈服强度，并且随着干湿循环冻融次数的增加，其屈服强度逐渐减小；GFRP筋的弹性模量随着干湿循环冻融次数的增加先减小后增加，而GFRP夹芯筋的弹性模量随着干湿循环冻融次数的增加而增加；GFRP筋和 GFRP夹芯筋的断裂应变都减小，GFRP筋由3.347减小到0.321，表现出明显的脆性，GFRP夹芯筋由17.319减少到10.175.各种因素耦合作用下，各物理量的减小程度更大，GFRP筋和GFRP夹芯筋都表现出明显的脆性。

表4 盐湖卤水+干湿循环+冻融耦合作用下的测试结果

4 卤水作用、干湿循环、冻融循环及耦合作用下的数据分析

为方便分析GFRP筋、GFRP夹芯筋在卤水作用、干湿循环、冻融循环及耦合作用后力学性能的退化规律，将工况1盐湖卤水腐蚀龄期120天(L120)、工况2盐湖卤水+干湿循环(L120+X50)、工况3冻融作用下(D300)、工况4盐湖卤水+干湿循环+冻融耦合(L120+X50+D300)作用下的各力学性能绘制成图，从图 5～图 8可以得到，耦合因素作用下GFRP筋和GFRP夹芯复合筋的极限抗拉强度、弹性模量均比单因素作用下小，而在单因素作用下，随着龄期的增加，弹性模量先减少后增加，且腐蚀性的大小关系是：盐湖卤水+干湿循环+冻融耦合＞盐湖卤水+干湿循环＞冻融＞盐湖卤水，GFRP筋在各种因素作用下，其腐蚀程度较小，无明显的屈服强度，属于脆性破坏，而直径为16 mm的GFRP夹芯复合筋由于内外钢筋和纤维筋各8 mm，所以各力学性能比较理想，外部的玻璃纤维筋由于腐蚀较小起到一个保护的作用，且随着载荷的增加玻璃纤维的应变要比钢筋的应变小，极限抗拉强度大，所以GFRP夹芯复合筋的裂缝首先出现在纤维表面，虽然纤维表面出现裂缝，但是纤维起着保护和承载两方面的作用，当裂缝较多时，GFRP夹芯复合筋的承载能力主要钢筋承担，表现出钢筋的力学性能，所以在受载荷作用的过程中表现出一定的延性，两者配合承载体现了各自的优缺点，性能互补，达到一定的目的。

图5 GFRP筋和GFRP夹芯筋极限抗拉强度的对比图

图6 GFRP筋在弹性模量的变化图

图7 GFRP夹芯筋弹性模量的变化图

图8 GFRP筋和GFRP夹芯筋弹性模量的变化图

5 结 论

(1)GFRP筋的一次拉伸试验不存在屈服强度，应力应变曲线用两段折线来表示，在破坏之前，应变的变化量较小，表现出明显的脆性；GFRP夹芯复合筋是一个新型材料，在一次拉伸过程中，由于外部的玻璃纤维筋腐蚀较小起到一个保护的作用，且随着载荷的增加玻璃纤维的应变要比钢筋的应变小，极限抗拉强度大，所以GFRP夹芯复合筋的裂缝首先出现在纤维表面，虽然纤维表面出现裂缝，但是纤维起着保护和承载两方面的作用，当裂缝较多时，GFRP夹芯复合筋的承载能力主要钢筋承担，表现出钢筋的力学性能，存在明显的屈服强度，应力应变用三段线来表示，表现出明显的延性，同时抗腐蚀能力增强，在盐湖地区是一种比较理想的新型材料。

(2)在多重因素耦合作用下，随着盐湖卤水腐蚀周期、冻融次数、干湿循环次数的增加，GFRP筋和GFRP夹芯复合筋的抗拉强度逐渐减小，但是GFRP筋减小的幅度较小，而GFRP夹芯复合筋由于有钢筋的存在，抗拉强度减小比较大，特别是在盐湖卤水90 d以上，冻融150次以上时GFRP夹芯复合筋的极限抗拉强度实验不是很明显，屈服强度减小并且与抗拉极限强度接近，表现出明显的脆性。在各种因素作用下GFRP筋随着龄期的增加弹性模量先减少后增加，而GFRP夹芯复合筋的弹性模量逐渐减小，相对来讲减小的幅度不是很大。

(3)各种耦合因素作用下 GFRP筋和 GFRP夹芯复合筋的极限抗拉强度、弹性模量均比单因素作用下小，而在单因素作用下，随着龄期的增加，弹性模量先减少后增加，且腐蚀性的大小关系是盐湖卤水+干湿循环+冻融耦合＞盐湖卤水+干湿循环＞冻融＞盐湖卤水。