GFRP 管混凝土短柱酸堿腐蝕的試驗研究

唐國允，單魯陽

TANG Guoyun，SHAN Luyang

(浙江工業大學建筑工程學院，浙江 杭州310014)

GFRP 管是將玻璃纖維和樹脂按一定比例采用拉擠或纏繞工藝制成，在GFRP 管內澆筑混凝土形成GFRP 管混凝土柱(Concrete—Filled GFRP Tubes Column)是一種比較新型的組合結構［1-2］，這種新的結構形式最早由美國學者Mirmiran 和Shahawy(1995)［3］提出，可用于高腐蝕性的環境中，能抵抗的惡劣環境的(潮濕、腐蝕、冷凍等)影響，有效改善混凝土的耐久性，并防止混凝土的碳化及鋼筋銹蝕，減少惡劣環境造成的侵蝕。因此，采用GFRP 管代替鋼管可以避免鋼管混凝土柱的銹蝕問題，同時保留了鋼管混凝土柱的優點［4］:

(1)GFRP 管約束核心混凝土使混凝土處于三向受力狀態，提高了強度和延性;

(2)混凝土的存在可以延緩或避免GFRP 管這種薄壁構件過早地發生局部屈曲，從而可保證其材料性能的充分發揮;

(3)GFRP 管可作為施工過程中澆筑混凝土的模板，節省模板費用，加快施工速度。

因此，GFRP 管混凝土組合柱在高層建筑結構、橋梁結構、海洋結構中具有廣泛的應用前景。

針對GFRP 管混凝土組合柱的軸壓、偏壓和抗震等力學性能［5-6］，已經有很多人進行了研究，而對抗腐蝕方面的研究卻相對缺乏。本文以試驗為主，研究了酸堿溶液對GFRP 管混凝土柱的腐蝕程度，為GFRP 管混凝土柱的廣泛應用打下堅實的實驗基礎。

1 試驗方案

1.1 試驗準備

本試驗采用廣東纖力玻璃有限公司提供的定制GFRP 圓管，其規格為DN150 mm ×450 mm 的短柱。其組成成分及材料參數見表1、表2。

表1 GFRP 管材料組成成分力學性能參數

表2 GFRP 管材料性能參數

本實驗采用C40 強度的混凝土，水泥采用標號為P. O42. 5 的錢潮牌水泥，碎石的最大粒徑是35 mm，且級配良好。砂子的細度模數為2.4 左右。混凝土的配合比見表3。

表3 C40 混凝土的實驗配合比

為了測定混凝土內部的應變，本實驗制作了一個鋼筋籠，并把應變片貼在上面，在澆筑時埋入混凝土中。為了測定外部的混凝土，會在管子的外面相應的貼上應變片，用以測定軸壓時外部GFRP 管的應變。

本文采用三種不同pH 值的酸堿溶液作為浸泡液。pH 值為2 的硫酸溶液是用濃硫酸按照合適的比例稀釋而成。然后是pH 為10 和13 的氫氧化鈉溶液，兩者均是用氫氧化鈉固體配制而成。

1.2 試驗方法

本試驗的變量有兩個:一個是浸泡的時間，考慮到具體的實驗條件和前人的研究，本實驗采用30 d和60 d 兩個浸泡時長;另一個變量是浸泡的溫度，提高溫度是為了加速反應，本文采用常溫20°和高溫60°這兩個溫度。高溫采用水浴加熱的方式。

結合三種不同的pH 值和兩種溫度以及兩種浸泡時間的變化，本試驗總共分為9 組實驗組進行，每組一根試件。另外還有一組對照組，是沒有經過浸泡處理的組合柱，總共為10 根短柱。構件在相應的條件下進行了浸泡之后，放在壓力試驗機下進行軸壓試驗。最后分析比較各柱的極限承載力的變化關系。

2 試驗結果與分析

2.1 GFRP 管混凝土組合柱的酸堿腐蝕結果

GFRP 管混凝土組合柱在酸堿溶液中的腐蝕結果見表4。其中GZ1-9 表示九組試驗的GFRP 混凝土組合柱，而GZD 表示未做任何處理的對照組的GFRP 混凝土組合柱。

表4 試件分組及極限承載力值

2.2 結果分析與討論

圖1 是4 組組合柱的極限承載力對比圖。第1組是柱GZ1 和GZ3 的對比，他們的區別是溫度的不同。由表4 的數據可以得到，在高溫浸泡下的柱GZ3 的極限承載力相對低溫的柱GZ1 下降9.93%。而第2 組中，堿性溶液浸泡下的柱GZ7 的極限承載力相對柱GZ9 下降11.6%。同樣能夠反映出，高溫時組合柱的極限承載力下降的更多，在高溫下酸堿對GFRP 混凝土組合柱的侵蝕程度更大。第3 組是柱GZ1 和GZ2 的對比，他們的區別是浸泡時間的不同。同樣由表4 的數據可以得到，60 d 浸泡下的柱GZ2 的極限承載力相對30 d 浸泡的柱GZ1 反而上升了4.8%。其原因可能是組合柱在60 d 的浸泡下，其水化反應更徹底，所以柱子的強度得到了一定程度的提高。所以導致最后得出的組合柱的極限承載力在30 d 和60 d 浸泡的情況下幾乎相等的結論。還有可能本實驗由于本身的局限性，浸泡的時間不夠長，所以可以大膽預見的是如果浸泡的時間足夠長，那么組合柱的極限承載力應該會有相應的下降。第4 組GZ4 和GZ5 的對比同樣的反應出在堿性溶液的環境下，組合柱的極限承載力與上述相同的規律。

圖1 4 組組合柱的極限承載力對比圖

而圖2 是10 根組合柱極限承載力的一個柱狀對比圖。從圖中可以直觀地看到中間GZD 組合柱的極限承載力是最高的，從而說明經過酸堿浸泡處理的其他組合柱的強度都是有一定程度的下降的。由表4 的數據可以得出，GZ1 相對于GZD 下降了16.1%;GZ2 相對于GZD 下降了12.1%;GZ3 相對于GZD 下降了24.4%。以上三組組合柱在酸溶液的浸泡下，高溫時下降得最多。GZ4 相對于GZD 下降了16.9%;GZ5 相對于GZD 下降了11.3%;GZ6相對于GZD 下降了24.3%;這三組溶液是弱堿，下降的規律和酸環境下的結果是一樣的，也是高溫時下降得最多。GZ7 相對于GZD 下降了7.3%;GZ8相對于GZD 下降了5.6%;GZ9 相對于GZD 下降了18%。雖然組合柱在酸堿溶液的浸泡下極限承載力都有所下降，但是他們的腐蝕機理卻有些不同。酸性腐蝕主要是針對管子的基體材料和混凝土強度的影響，而堿性腐蝕主要是針對玻璃纖維［7］。

圖2 10 根組合柱的極限承載力對比圖

3 結 語

(1)酸堿溶液對GFRP 混凝土組合柱有一定的腐蝕作用，且隨著溫度的升高和浸泡時間的加長，組合柱的極限承載力下降加快。

(2)在酸堿環境中，組合柱的極限承載力有所下降，但是幅度不大，說明GFRP 混凝土組合柱能夠有效地抵抗酸堿侵蝕。

(3)酸堿雖然對GFRP 混凝土組合柱都有腐蝕作用，但是腐蝕機理卻不同，所以實際工程應用中要區別對待，并制定相應的解決措施。

［1]滕錦光，陳建飛，S·T·史密斯，等. FRP 加固混凝土結構［M］.滕錦光，顧磊，譯.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［2]葉列平，馮鵬.FRP 在工程結構中的應用與發展［J］.土木工程學報，2006，39(3):24 -36.

［3]Mirmiran A，Shaw M.A novel FRP—concrete composite construction for the infrastructure［C］// Proceedings of the ASCE Structures Congress XⅢ. Boston，1995:1663 -1666.

［4]謝啟芳，鄭培君，薛建陽，等.FRP 管混凝土組合柱的研究現狀與展望［J］.四川建筑科學研究，2012，38(3):24 -29.

［5]魯國昌.FRP 管約束混凝土軸壓性能研究［D］. 北京:清華大學，2005.

［6]秦國鵬，王連廣，吳迪.GFRP 管鋼骨混凝土偏壓構件非線性分析［J］.混凝土，2009(8):8 -11.

［7]武勝萍，蔣金洋.FRP 筋的耐久性能研究現狀［J］.華北水利水電學院學報，2012，33(6):124 -128.