不同腐蚀环境下FRP筋耐久性与寿命预测研究进展

张 庭，金清平*，宋仕娥，曹南南，邓思远

（武汉科技大学城市建设学院，武汉 430065）

0 前言

FRP具有轻质高强、耐久性好等特点，用FRP筋替代钢筋用于工程结构，可解决钢筋的锈蚀问题，具有较好的工程价值和应用前景［1-3］。在各种恶劣环境下，FRP筋力学性能演化规律以及寿命关系到工程结构的使用与安全，有必要对其开展系统性研究。国内外机构和学者针对FRP材料在不同腐蚀环境作用下的耐久性能开展了大量研究，也取得了卓有成效的成果［4-5］。然而，FRP材料及其筋材具有多样化的组分构成，力学性能离散性相对较大，耐久性试验方法和分析理论也不尽相同，各种因素对耐久性研究结果的精确性会产生影响，对众多研究结论开展综合分析，有助于获得关于FRP筋耐久性的一致性结论。本文结合国内外关于FRP筋拉伸性能和耐久性能的研究，综合分析了各种环境作用下的FRP筋力学性能演化规律及其耐久性，基于Arrhenius方程对FRP筋的拉伸强度寿命模型进行了探讨，通过综合分析和明确FRP筋的耐久性，为FRP筋增强工程结构设计计算、运营维护等提供理论支撑，有利于促进其推广应用。

1 不同溶液中FRP筋耐久性能研究

1.1 FRP筋在水溶液中的耐久性

KIM［2］、TANNOUS［3］、于爱民［4］、张新越［5］等对 FRP筋在水溶液中的耐久性能开展了研究，发现玻璃纤维增强聚合物（GFRP）筋在水溶液腐蚀环境下的拉伸强度随浸泡周期延长而降低。图1为GFRP筋的拉伸强度保留率随浸泡时间延长而变化的拟合曲线［1-4］，反映了GFRP筋拉伸强度的变化规律。试验过程温度分别控制在25、40、50、80 ℃，将GFRP筋置于水溶液中腐蚀浸泡30、60、90、120 d后测试GFRP筋的拉伸强度，结果表明，当温度在25℃时，GFRP筋的拉伸强度下降速率没有出现跳跃点，变化平稳，且拉伸强度保留率在90%以上；温度升高明显加速了GFRP筋的退化，当温度在80℃时，GFRP筋拉伸强度的下降速率先增大后减小最后趋于平稳，120 d后的拉伸强度下降速率超过20%；且当浸泡周期低于60 d时，GFRP筋在50℃下的拉伸强度下降的拟合数据均在平滑曲线上，温度高于50℃时，拉伸强度下降速率较快，且随着浸泡时间延长，当温度越高时，GFRP筋在前期退化程度较大，后期逐渐减小甚至趋于稳定。

图1 GFRP筋在水溶液中拉伸强度保留率［1-4］Fig.1 Retention of tensile strength of GFRP bars in aqueous solution［1-4］

分析可知，当温度在25～50℃之间变化时，GFRP筋在水溶液腐蚀不同的天数后其拉伸强度下降速度未出现跳跃性的点，说明温度在25～50℃之间的变化对GFRP筋拉伸强度影响较小；当温度升到80℃时，加速了水分子扩散，水分子作为增塑剂破坏了聚合物链中的范德华力，使纤维和树脂吸水膨胀，产生了初始应力，影响了纤维树脂界面的黏结性能，进而加速了FRP筋的力学性能的退化［2-5］。

1.2 FRP筋在酸溶液中的耐久性

TANNOUS［3］、于爱民［4］、张新越［5］、王川［6］、王海良［7］等研究了FRP筋在酸溶液中的耐久性能，FRP筋在酸溶液中腐蚀后拉伸强度影响不大。试验均将裸露的GFRP筋在酸溶液中浸泡，温度作为加速条件，浸泡8周后测试其拉伸强度，结果表明，酸溶液浸泡环境下GFRP筋的拉伸强度随浸泡周期的延长而降低。当温度低于50℃时，拟合曲线斜率减小，整体退化速度呈现减小趋势；当温度高于50℃时，拟合曲线斜率先增大后减小，整体退化速度呈现先增加后下降趋势，最后趋于平缓。如图2所示，在酸溶液中，无论是哪一种温度GFRP筋在酸溶液中拉伸强度保留率均随浸泡时间的延长呈现下降趋势，但与水溶液浸泡环境相比较，整体下降趋势较为平缓，说明GFRP筋有较好的耐酸性。在60℃时，温度对GFRP筋影响较大，高温加速试验明显加速了GFRP筋拉伸性能的退化［4-8］。

图2 GFRP筋在酸溶液中拉伸强度保留率［3-7］Fig.2 Retention of tensile strength of GFRP bars in acid solution［3-7］

1.3 FRP在盐溶液中的耐久性

1.3.1 不同树脂的影响

CHEN［1］、KIM［2］、TANNOUS［3］、于爱民［4］、王海良［7］、WU［8］、AL-SALLOUM 等［9］研究了不同树脂的FRP筋在盐溶液中的耐久性，得到不同GFRP筋在盐溶液浸泡环境下的拉伸强度随浸泡周期延长呈现上升和下降交替变换的趋势。图3为不同树脂的GFRP筋的拉伸强度随浸泡时间延长而变化的情况［1-4，6-9］。试验研究了不饱和聚酯、乙烯基酯、环氧树脂、聚酯的GFRP筋在盐溶液中的拉伸强度，试验发现，不同树脂的GFRP筋的拉伸强度随腐蚀时间的延长呈现上下波动，但波动范围不大。其中乙烯基酯和不饱和聚酯的GFRP筋的拉伸强度随浸泡时间的延长呈现下降趋势，下降速度平稳；环氧树脂和不饱和聚酯的GFRP筋的拉伸强度先降低后增加。

图3 不同树脂GFRP筋在盐溶液中拉伸强度保留率［1-4，6-9］Fig.3 Retention of tensile strength of GFRP bars in salt solution［1-4，6-9］

分析得出，饱和聚酯在盐溶液中拉伸性能退化程度严重，原因是纤维和不饱和聚酯界面的黏结性区域小于纤维和乙烯基酯与环氧树脂的黏结性区域，乙烯基酯和环氧树脂纤维界面能更好地依附于基体本身，因此选用饱和聚酯作为基体材料的FRP筋耐久性能相对较差［2-5，7-10］。乙烯基酯作为GFRP筋的基体材料时，其拉伸强度受腐蚀周期和腐蚀环境变化的影响较小，因此工程实例中更多的是选择乙烯基酯作为GFRP筋的基体材料，性能稳定。

1.3.2 不同类型FRP筋的影响

王川［6］、王海良［7］、AL-SALLOUM 等［9］研究了不同类型的FRP筋在盐溶液中的拉伸性能研究，发现筋体的拉伸强度衰减与筋体的种类和直径有着紧密的关系。如图4、5所示，为不同类型的FRP筋的拉伸强度保留率随浸泡时间的变化拟合曲线。试验将GFRP筋和玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）筋在盐溶液腐蚀环境中浸泡不同的天数，温度控制在25、40、50、60和80℃。试验发现，当温度低于40℃时，随着浸泡时间的延长，GFRP筋和BFRP筋的拉伸强度下降速率增大，且GFRP筋的拉伸强度下降速率大于BFRP筋，浸泡腐蚀120 d后强度保留率在75%～80%之间；当温度在80℃时，GFRP筋的拉伸强度下降速度呈线性递减，120 d后强度保留率在70%～75%之间。GFRP筋在高温加速腐蚀下，拉伸强度下降速度明显增大，筋体的拉伸强度与温度有着必然的联系——温度越高筋体下降速度越快，当高于一定界限后筋体的内层纤维被破坏，筋体脆性断裂破坏。

图4 GFRP筋在盐溶液中拉伸强度保留率［6-7，9］Fig.4 Retention of tensile strength of GFRP bars in salt solution［6-7，9］

分析可知，GFRP筋在盐溶液腐蚀环境下会形成一层外表面盐膜，在盐膜保护下水分子不易侵入腐蚀筋体，GFRP筋体腐蚀速度减慢。FRP筋在盐溶液中有着良好的耐腐蚀性能［7-9］。

图5 BFRP筋在盐溶液中拉伸强度保留率［7-9］Fig.5 Retention of tensile strength of BFRP bars in salt solution［7-9］

1.4 不同碱环境对FRP筋耐久性影响

1.4.1 砂浆包裹对GFRP筋拉伸强度影响

KIM［2］、WU G［8］、AL-SALLOUM［9］、董志强［10］、ROBERT［11］、王伟［12］、BENMOKRANE 等［13］研究了砂浆包裹的GFRP筋在碱性环境中的拉伸性能退化，得出GFRP筋在高温强碱环境下筋体的拉伸性能退化速度明显加快。相对于筋体直接在碱溶液中升温加速腐蚀，砂浆包裹GFRP筋更加接近GFRP筋在混凝土中的工作环境。试验将砂浆包裹的GFRP筋置于自来水中，加速腐蚀到规定的龄期，温度控制在23、40、50℃。结果发现，当浸泡龄期在240 d后，观察GFRP筋和混凝土粘接界面，没有明显脱黏现象，拉伸强度保留率在90%以上，见图6。砂浆包裹后的GFRP筋体水分子更不容易侵蚀筋体表层，筋体表面不会产生裂缝，阻止了水分子的进入，其纤维和树脂界面的黏结性增大，筋体的拉伸强度提高［1，2，9-13］。

图6 砂浆包裹的GFRP筋在水溶液中的拉伸强度保留率［2，8-13］Fig.6 Retention of tensile strength of GFRP bars in aqueous solution coated with mortar［2，8-13］

1.4.2 不同直径的GFRP筋性能退化

王海良［7］、WU［8］、AL-SALLOUM［9］、ROBERT［11］、王伟［12］、BENMOKRANE［13］、NKURUNZIZA［14］、陆春华［15］等研究了不同直径的GFRP筋在碱性环境下的拉伸性能，不同直径的GFRP筋浸泡在强碱（pH=13）环境下的拉伸性强度变化规律随浸泡周期增加呈现不同下降趋势。如图7所示，为不同浸泡温度下GFRP筋直接浸泡在碱溶液中拉伸强度随浸泡时间变化的拟合曲线［7-9，11-15］。分别将直径为12.7、7和16 mm的GFRP筋置于温度为20、25、40、60和80℃下的碱性环境中浸泡，发现各GFRP筋在碱溶液中的拉伸强度保留率明显低于盐溶液、水溶液和酸溶液。当温度高于40℃时，GFRP强度下降幅度最高达到53%，温度加速试验加剧了GFRP筋的拉伸性能退化，80℃时拉伸强度保留率甚至低于40%。

图7 不同直径GFRP筋在碱性溶液中拉伸强度保留率［7-9，11-15］Fig.7 Retention of tensile strength of GFRP bars with different diameters in alkaline solution［7-9，11-15］

分析可知，在碱溶液浸泡环境下，当GFRP筋的外层受到侵蚀时，在温度加速作用下筋体表面层的损伤迅速向纤维层转移，玻璃纤维中的硅酸根离子和碱溶液中的氢氧根发生了反应，破坏了玻璃纤维的Si—O—Si键，GFRP筋的延性降低，随着温度加剧，筋体慢慢破坏，产生微裂缝，加速碱溶液对GFRP筋内层纤维和树脂的侵蚀，加剧了GFRP筋劣化，筋材慢慢被破坏［8-15］，筋体的拉伸强度下降。

1.5 FRP在冻融循环作用下耐久性能

目前对FRP筋在冻融循环下的破坏机理主要观点是认为冻融使得FRP材料产生了孔洞和以界面分层为主导的耐久性损伤，筋体内部结构破坏，基材各类树脂与增强纤维的抗冻性决定了整个FRP材料的抗冻性能。

张新越［5］、WU［8］、ROBERT［11］等进行了FRP筋在冻融循环下的耐久性研究，如图8所示，为不同的FRP筋在冻融循环作用下拟合后性能退化曲线。试验对35根GFRP筋进行50～100次冻融循环试验，之后进行静力拉伸试验。由图8可以看出，FRP筋在冻融循环作用下的拉伸强度随着冻融时间的延长先减小后增大，碳纤维增强聚合物（CFRP）筋的强度保留率在200 d后达到110%，GFRP筋和BFRP筋的强度保留率在200 d后达到90%以上，FRP筋的拉伸强度上升是因为低温能够进一步促进树脂固化物反应的进行，提高了固化物的拉伸强度［6，10-11］。此外，CFRP筋在低温冻融条件下具有更好的耐腐蚀性能。

图8 GFRP筋在冻融循环下拉伸强度保留率［5，8，11］Fig.8 Retention of tensile strength of GFRP bars under freezethaw cycles［5，8，11］

1.6 溶液和应力耦合作用下FRP筋耐久性能

有学者研究了筋体在单因素作用下FRP筋体的强度损伤和耐久性能，发现溶液和应力耦合作用下的FRP筋体的强度损伤高于单因素作用下筋体的强度损伤。还有学者研究了GFRP筋在疲劳荷载和水环境、碱性环境耦合作用下加速老化试验，将GFRP筋在40℃的碱性溶液和水溶液［去离子水和浓度为0.16%Ca（OH）2］溶液中分别浸泡30和60 d，将浸泡后的GFRP筋体试样在高达1×106次循环的拉伸疲劳周期下进行测试，发现在没有疲劳载荷的情况下，GFRP筋具有良好的拉伸强度；在碱性暴露和疲劳载荷载的耦合作用下，疲劳寿命均显著下降，GFRP筋的拉伸强度下降［16-18］。

Wu等［8］研究了荷载和环境耦合作用下GFRP筋和BFRP筋的拉伸强度，图9（a）和（b）分别为不同浸泡温度下GFRP筋和BFRP筋在荷载和环境耦合作用下拉伸强度随时间变化的拟合曲线。从图（b）可以看出，在施加20%应力和溶液耦合作用下，55℃时BFRP筋在腐蚀环境下的老化速度明显加快，腐蚀80 d后的筋体的强度保留率下降到70%，未施加应力状态下BFRP筋体强度保留率高于85%，控制温度不变，随着应力增大，筋体的退化速度加快［8］。原因是GFRP筋在施加应力后会产生细小的裂缝，裂缝的出现使水分子和碱溶液中有害离子更容易侵蚀筋体内层。当筋体受到高温和强应力作用后裂缝的发展速度加快，筋体中的纤维和树脂界面的脱黏性增大，树脂和内层纤维应力的传递速度减慢，GFRP筋和BFRP筋的拉伸强度降低［19-23］。

图9 盐溶液和应力耦合作用下筋体拉伸强度保留率［8，16-23］Fig.9 Retention of tensile strength of bars under the coupling action of salt solution and stress［8，16-23］

2 FRP筋拉伸强度预测模型

基于Arrhenius方程对FRP筋的拉伸强度寿命预测模型开展研究。通过Arrhenius方程变换，探讨FRP筋拉伸强度保留率，以保留率为基础来建立寿命预测模型，该模型考虑温度、作用时间影响因素作用。FRP筋拉伸强度除受上述因素影响外，还会受到筋体组分、尺寸、溶液浓度、作用方式等众多因素影响。这些因素在传统模型（单一的指数函数）中无法一一表达，因此在指数函数的基础上通过增加常数变量来调整指数函数模型表达中存在的不足。针对不同腐蚀环境下FRP筋拉伸强度保留率试验测试结果［1-23］，利用上述函数形式进行数据拟合，拟合曲线方程见式（1）：

式中y——拉伸强度保留率，%

x——环境作用时间，d

A1、t、y0——方程相关参数

在水溶液、盐溶液、酸性溶液和碱性溶液作用下，考虑不同温度条件，拟合数据得到了不同的方程参数（y0、A1），如表1所示。可以看出，随着温度升高，y0减小A1增大。但是在水溶液中温度为50℃时y0值大于40℃和80℃中的y0值，出现峰值。

表1 不同溶液和温度作用下GFRP筋拟合拟合数据得到方程参数Tab.1 GFRP bar fitting curve results under the action of aqueous solution

不同腐蚀溶液相同温度条件下，拟合曲线中y0和A1两个参数变化关系如图10所示，可以看出y0和A1呈线性关系，与溶液pH值有相关性。

图10 不同温度腐蚀溶液下y0和A1关系Fig.10 Relationship between y0and A1at different temperature

3 结论

（1）FRP筋受到腐蚀溶液浸泡后性能产生退化，筋体的拉伸强度受温度、腐蚀溶液类型、腐蚀时间等因素影响较为显著，FRP筋在砂浆包裹和应力耦合作用下具有良好的耐久性能；

（2）温度加速了溶液中离子（Cl-、OH-、SO2-4）和分子在FRP筋体材料中的扩散，进而筋体性能退化速率加快；FRP筋在高温强碱作用下的性能退化最为严重，其强度保留率在腐蚀120 d后降低20%～30%；随着腐蚀时间的增加，FRP筋拉伸强度逐渐减小；在腐蚀溶液与荷载耦合作用下，筋体受到损伤后其拉伸强度显著降低；

（3）FRP筋寿命预测模型在传统的模型基础上增加常数变量加以修正是可行的，数据拟合程度较好，拟合得到模型的相关参数y0和A1，两者呈线性关系且与溶液pH值有相关性。