預(yù)制夾芯保溫墻體FRP連接件抗拉強度加速老化試驗研究

薛偉辰， 付 凱， 秦 珩

（1.同濟大學(xué) 建筑工程系，上海 200092；2.北京萬科企業(yè)有限公司，北京 100125）

預(yù)制夾芯保溫墻體是一種集承載與保溫一體化的新型保溫墻體，一般由保溫層、內(nèi)外混凝土墻板、纖維增強塑料（FRP）連接件等構(gòu)件組成.與傳統(tǒng)的內(nèi)保溫或外保溫墻體相比，預(yù)制夾芯保溫墻體具有施工速度快、保溫隔熱性能優(yōu)良等優(yōu)點，在工業(yè)化住宅，尤其是工業(yè)化保障房建設(shè)中的應(yīng)用前景廣闊［1－3］.

FRP是一種高性能復(fù)合材料，具有較高的比強度和良好的耐腐蝕性能，而且導(dǎo)熱系數(shù)很低，約為鋼材的1／150，混凝土的1／30.研究［4－5］表明，在夾芯保溫墻體中采用FRP連接件是避免連接件部位冷熱橋、保證墻體耐久性的一個行之有效的方法.

FRP連接件是預(yù)制夾芯保溫墻體的關(guān)鍵部件，其受力性能直接影響墻體的使用安全性及耐久性.目前，關(guān)于FRP連接件的研究主要集中在正常使用環(huán)境下FRP連接件的抗拉強度、抗壓性能和抗剪性能等方面［6－7］.預(yù)制夾芯保溫墻體中的FRP連接件處于混凝土環(huán)境，而混凝土環(huán)境屬于強堿環(huán)境，pH值可達12.0～13.5，因此有必要對預(yù)制夾芯保溫墻體FRP連接件的耐久性能進行研究.

研究［8］表明，預(yù)制夾芯保溫墻體FRP連接件的抗剪性能具有較高的安全儲備.在60℃模擬混凝土環(huán)境下侵蝕183.00d（對應(yīng)自然環(huán)境50a）后，F(xiàn)RP連接件的層間剪切強度下降了26.89%，但與設(shè)計荷載值相比仍具有較大的安全系數(shù).Vistasp等［9］的研究表明，GFRP筋在80℃模擬混凝土環(huán)境下侵蝕80周后，其抗拉強度降低40.00%.Mukherjee等［10］的研究表明，GFRP筋在60℃堿溶液腐蝕6個月后，其抗拉強度降低了56.00%；Nkurnziza［11］將拉應(yīng)力水平分別為25%，38%的GFRP筋浸入60℃模擬混凝土環(huán)境中417.00d后，發(fā)現(xiàn)其抗拉強度分別下降了11.63%，31.68%；Chen［12］將 GFRP筋在60℃堿溶液中浸泡70.00d后發(fā)現(xiàn)，其抗拉強度下降了29.00%；李杉等［13］將GFRP片材在pH 值為12的堿溶液中浸泡60.00d，試驗溫度分別為40，50，60℃，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其抗拉強度分別下降了41.70%，49.10%，55.00%.綜上可見，腐蝕前后FRP材料的抗拉強度變化幅度差別較大.

為驗證預(yù)制夾芯保溫墻體在50a使用壽命期間的耐久性，實現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)與圍護結(jié)構(gòu)同壽命，有必要對預(yù)制夾芯保溫墻體FRP連接件的耐久性能進行研究.本文基于ACI 440.3R－04《Guide Test Methods for Fiber－Reinforced Polymers（FRPs）for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures》中規(guī)定的試驗方法對FRP連接件進行了183.00d（模擬自然環(huán)境下50a［14－15］）的加速老化試驗研究，重點分析了侵蝕時間和環(huán)境溫度等對FRP連接件抗拉強度的影響.同時，采用掃描電子顯微鏡（SEM）對腐蝕前后FRP連接件的微觀形貌進行了觀察.最后，基于阿列紐斯方程提出了模擬混凝土環(huán)境下FRP連接件抗拉強度的退化模型.

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗原材料及試驗參數(shù)

選用南京斯貝爾復(fù)合材料公司拉擠成型工藝生產(chǎn)的FRP連接件.FRP連接件的纖維材料為無堿玻璃纖維（E－glass），基體材料為乙烯基樹脂（vinyl ester）.試驗在自制的恒溫溶液箱中進行，溶液溫度分別為40，60℃，侵蝕時間分別為3.65，18.00，36.50，92.00，183.00d，每一溫度、侵蝕時間下測試5個試件，共計50個.

1.2 試驗方法

侵蝕溶液的配比參照ACI 440.3R－04中的有關(guān)規(guī)定，采用Ca（OH）2，KOH，NaOH 的混合溶液來模擬真實混凝土環(huán)境，pH 值為12.6～13.0.FRP連接件的抗拉強度試驗在上海試驗機廠生產(chǎn)的 WE－30液壓式壓縮試驗機上進行，由英國產(chǎn)ISOLATED MEASUREMENT PODS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時連續(xù)采集，加載時間持續(xù)2～4min.采用PHILIPS公司生產(chǎn)的XL－30型掃描電子顯微鏡（SEM）對侵蝕前后FRP連接件內(nèi)部形貌進行觀察.

2 抗拉強度

FRP連接件在40，60℃模擬混凝土環(huán)境中侵蝕前后的抗拉強度變化如圖1所示，圖2為FRP連接件典型的受拉破壞形態(tài).

圖1 FRP連接件抗拉強度隨時間的變化規(guī)律Fig.1 Curve of tensile strength vs.time

圖2 FRP連接件受拉破壞形態(tài)Fig.2 Tensile failure modes of FRP connectors

由圖1，2可見：（1）隨著侵蝕時間的延長，F(xiàn)RP連接件的抗拉強度呈退化趨勢，在60℃模擬混凝土環(huán)境中侵蝕92.00d后，其抗拉強度退化速率趨緩.模擬混凝土環(huán)境溫度為60℃時，F(xiàn)RP連接件侵蝕3.65，18.00，36.50，92.00，183.00d后，其抗拉強度分別 下 降 了 8.69%，19.42%，26.61%，32.91%，38.85%.這主要是由于隨著侵蝕時間的增加，F(xiàn)RP連接件中的纖維不斷被腐蝕，從而造成了FRP連接件抗拉強度的不斷退化.（2）在40，60℃模擬混凝土環(huán)境作用下，侵蝕183.00d后，F(xiàn)RP連接件的抗拉強度分別下降了26.39%，38.85%.這主要是由于隨著溫度的升高，模擬混凝土環(huán)境中的OH—運動速度加快，從而加速了FRP連接件中纖維與OH—的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致抗拉強度不斷退化.（3）在60℃模擬混凝土環(huán)境下侵蝕183.00d后（對應(yīng)自然環(huán)境50a）FRP連接件的抗拉強度下降了38.85%.因此，對應(yīng)于自然環(huán)境50a，F(xiàn)RP連接件的抗拉強度環(huán)境影響系數(shù)建議取偏于安全的2.0.

3 SEM分析

圖3為FRP連接件在模擬混凝土環(huán)境中侵蝕前后的截面侵蝕狀況.

圖3 侵蝕前后FRP連接件截面侵蝕狀況Fig.3 SEM images of the FRP connectors before and after being exposed to simulated concrete environment

由圖3可見：（1）隨著侵蝕時間的增加，F(xiàn)RP連接件的劣化程度逐漸增大.侵蝕前，F(xiàn)RP連接件內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較致密，纖維比較飽滿，纖維和樹脂結(jié)合也較緊密；侵蝕后，纖維和樹脂之間的界面變得松散，纖維與周圍樹脂之間出現(xiàn)較為明顯的脫黏現(xiàn)象.（2）在40℃模擬混凝土環(huán)境中侵蝕36.50d后，纖維和樹脂之間的界面仍比較緊密，沒有出現(xiàn)明顯的脫黏現(xiàn)象，而在60℃堿溶液中，纖維與周邊樹脂之間出現(xiàn)了明顯的脫黏現(xiàn)象.侵蝕183.00d后，纖維和樹脂間界面脫黏現(xiàn)象較為嚴重.（3）在60℃模擬混凝土環(huán)境中，隨著侵蝕時間的增加，纖維的侵蝕程度愈發(fā)明顯.183.00d后，纖維的侵蝕程度較為嚴重，在GFRP連接件內(nèi)部出現(xiàn)很多孔洞.這是由于FRP連接件中的纖維與模擬混凝土環(huán)境溶液中的OH—不斷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，致使Si—O鍵斷裂，從而對FRP連接件抗拉力學(xué)性能造成不利影響［12］.

4 FRP連接件抗拉強度退化模型

根據(jù)文獻［13－14］，本文采用阿列紐斯方程來建立不同溫度下FRP連接件抗拉強度退化模型.

4.1 退化模型

根據(jù)阿列紐斯方程，模擬混凝土環(huán)境下FRP連接件強度退化速率可用式（1）表示［16］.

式中：k為FRP連接件的強度退化速率，MPa／d；A為與材料特性和劣化過程有關(guān)的常數(shù)；Ea為引起FRP連接件強度退化的活化能，J／mol；R為氣體常數(shù)，8.314 3J／（mol·K）；T 為環(huán)境絕對溫度，K.

根據(jù)圖1的試驗數(shù)據(jù)，分別對模擬混凝土環(huán)境不同溫度下FRP連接件的抗拉強度退化速率隨時間變化的數(shù)據(jù)進行擬合，可得到抗拉強度退化速率Vt（%）與侵蝕時間t的關(guān)系為：

基于阿列紐斯方程，可得不同溫度下FRP連接件抗拉強度退化速率Vt隨時間t和溫度T的變化關(guān)系為：

4.2 模型計算值與試驗值對比

4.2.1 與本文試驗結(jié)果的對比

圖4為FRP連接件的抗拉強度退化速率隨時間變化的試驗值和模型計算值.由圖4可見，基于阿列紐斯方程的FRP連接件抗拉強度退化速率試驗值與模型計算值之比的平均誤差均在10%以內(nèi)，二者吻合較好.

圖4 FRP連接件抗拉強度模型計算值與試驗值對比Fig.4 Comparison of experimental and calculated results of FRP connectors

4.2.2 與已有文獻試驗結(jié)果對比

表1為本文抗拉強度退化模型對國內(nèi)外已有文獻中FRP連接件及片材的抗拉強度退化速率計算值與試驗值對比.由于FRP材料組成的復(fù)雜性以及侵蝕溶液的差異，個別文獻試驗值與本模型計算值相差較大（達到1.93）.但總體上看，已有文獻試驗值與本文抗拉強度退化模型計算值之比的平均值為1.73，結(jié)果偏安全.

表1 FRP連接件抗拉強度退化速率試驗值與計算值對比Table 1 Comparison of experimental and calculated results of tensile strength decrease rate of FRP connectors

續(xù)表1

5 結(jié)論

（1）侵蝕后FRP連接件的劣化區(qū)域內(nèi)纖維和周圍樹脂之間出現(xiàn)了明顯的脫黏現(xiàn)象，而且隨著侵蝕時間的增加和環(huán)境溫度的提高這種現(xiàn)象更為明顯.

（2）隨著侵蝕時間的增加，40，60℃模擬混凝土環(huán)境下的FRP連接件抗拉強度均呈下降趨勢.

（3）在40，60℃模擬混凝土環(huán)境作用下，侵蝕183.00d后，F(xiàn)RP連接件的抗拉強度分別下降了26.39%，38.85%.

（4）對應(yīng)自然環(huán)境50a時，F(xiàn)RP連接件的抗拉強度環(huán)境影響系數(shù)建議取2.0.

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