腐蝕環境下FRP錨桿耐久性能試驗研究

羅小勇，唐謝興，匡亞川，李凱雷

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

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腐蝕環境下FRP錨桿耐久性能試驗研究

羅小勇，唐謝興，匡亞川，李凱雷

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

摘要:通過纖維和樹脂的耐久性分析和GFRP錨桿、CFRP錨桿的抗堿性、抗酸性以及抗鹽腐蝕性試驗，得到GFRP錨桿和CFRP錨桿在不同腐蝕環境下力學性能隨腐蝕時間的變化規律。研究結果表明，GFRP錨桿在堿、酸和鹽介質中腐蝕1 500 n后，強度分別下降13.76%，11.09%和4.14%，其耐鹽腐蝕性能較好，但耐酸、耐堿性能相對較差，當GFRP錨桿應用到實際工程結構時需要考慮酸堿性環境的影響，可以通過控制應力水平低于極限拉伸強度的25%來保證耐久性的要求；酸堿鹽腐蝕環境對CFRP錨桿的強度影響很小，強度下降都在4%以內，碳纖維具有較好的耐酸、耐堿和耐鹽腐蝕的性質，與GFRP錨桿相比CFRP錨桿的耐久性較好；根據腐蝕環境下FRP錨桿力學性能試驗成果，給出力學性能隨腐蝕時間的退化規律計算公式，為FRP錨桿在腐蝕環境下的工程應用提供依據。

關鍵詞：FRP;錨桿;腐蝕;耐久性;力學性能

錨桿錨固是土木工程中的一個重要領域，在邊坡、基坑和壩體等工程建設中大量應用[1]。在永久的錨固工程中，通常把鋼材作為錨桿的主要材料，但鋼筋錨桿在實際工程中存在著很多缺陷，其易腐蝕的特點使得以鋼錨桿為主的錨固體系存在著安全隱患的突出問題。在地質復雜的邊坡支護類工程中，除了由于環境暴露引起的氧化外，土壤中還存在大量的易被水溶解的鈣、鈉、鎂鹽，極易產生電化學腐蝕，嚴重影響鋼錨桿的安全性和耐腐蝕性能。特別是近年來，隨著工業的污染加重，許多重工業地區酸雨降水量加大，導致鋼錨桿的腐蝕問題尤為突出[2]。一些學者開始對纖維增強塑料(FRP)錨桿進行研究，經過試驗研究發現采用FRP錨桿代替鋼錨桿是解決鋼錨桿腐蝕的有效方法[3]。北美、歐洲和日本等發達國家對FRP錨桿進行的試驗研究較多[4-6]，主要集中在黏結性能[7]、材料強度[8]和抗火性能[9-11]等方面。已有研究表明，GFRP筋在高溫下的材料性能衰減嚴重[12],隨著老化時間的增加，CFRP和GFRP片材的抗拉強度、彈性模量和延伸率逐漸降低，且溫度越高，降低速度越快[13-14],但國內外對FRP錨桿耐腐蝕性試驗研究較少[15]，對腐蝕機理的分析也不夠充分，FRP錨桿耐久性能還沒有深入的研究成果。 本文基于高溶度加速老化的試驗方法，分別對GFRP和CFRP錨桿在普通環境、酸性環境、堿性環境和鹽性環境條件下錨桿桿體進行物理和力學性能試驗，研究其在不同腐蝕條件下的物理和力學性能變化規律，為FRP錨桿在復雜地質條件下工程應用提供依據。

1FRP錨桿材料耐久性

現有試驗對3種E玻璃纖維增強復合材料系統和4種碳纖維增強復合材料系統在100%濕度、鹽水、堿溶液、柴油、紫外線、高溫(60～140 ℃)以及凍融循環的研究表明[21]：大多數碳纖維增強復合材料在經過10 000 h 的試驗后，耐久性良好；但是其中有一組碳纖維復合材料在耐潮濕性能試驗中，加固短梁的抗堿承載能力降低50%以上；E玻璃纖維增強復合材料系統暴露在潮濕環境時，更容易導致抗拉強度和極限應變的衰減，對大多數此類復合材料和環境而言，在經歷10 000 h 后，這種衰減會小于20%；同時發現有一組E玻璃纖維增強復合體系在100%濕度和38℃溫度環境中，10 000 h 后的抗拉強度損失達35%；但在鹽水和pH=9.5 的堿性溶液中，E 玻璃纖維增強復合材料系統的耐久性能無明顯降低；無論是碳纖維還是玻璃纖維增強復合材料在經過耐久性試驗后，彈性模量沒有明顯的降低。

由酸雨和混凝土碳化等引起的弱酸性(ph值在4~7之間)、由泄漏事故引起的強酸性(ph值小于4)、由混凝土內含火山灰引起的弱堿性(ph值在7~10之間)、由波特蘭水泥產生的強堿性(ph值大于10)等都會對FRP材料耐久性有影響。FRP錨桿中常用纖維、樹脂在各種環境下反應如表1所示。

表1　纖維和樹脂在惡劣環境下的反應

2試驗設計

由于試驗方法不同，試驗結果也不一樣。化學物質和環境因素導致FRP材料腐蝕的程度主要取決于浸潤樹脂的類型、纖維所受的拉應力的大小、化學物質的濃度、與化學物質接觸的時間和溫度。目前絕大多數有關FRP 長期性能的數據都由實驗室中加速腐蝕實驗得到。最近有不少國家對實際工程進行跟蹤研究的工作，人工加速老化實驗得到的數據只能作為參考。根據已有的研究經驗，采用加劇老化的方法對GFRP 錨桿及CFRP錨桿進行酸堿鹽介質腐蝕試驗研究。腐蝕試驗采用上海啟鵬工程材料科技有限公司的GFRP錨桿和哈爾濱工業大學與國家樹脂基復合材料工程技術研究中心聯合研制的CFRP錨桿。腐蝕試驗采用在三種不同的腐蝕介質中進行，酸性溶液為濃度6%的H2SO4溶液，堿性溶液為濃度3%的NaOH溶液，鹽溶液為濃度3%的NaCl溶液。為了防止溶液在末端浸漬，導致拉伸試驗中末端先夾碎，因此在錨桿的兩端都涂上環氧樹脂。在酸溶液中浸泡的試樣與在堿溶液中浸泡的情況相比，其拉伸強度保持率下降較緩慢，但隨著浸泡時間的增長其拉伸強度保持率下降；FRP 錨桿拉伸強度保持率下降是由于在硫酸溶液中發生了玻璃纖維及界面的劣化，玻璃纖維中的鈣成分與硫酸發生反應而生成了硫酸鈣并溶析于環境液中，試件表面顯現出灰白色，如圖1所示。

在堿溶液中浸泡的試樣與在酸溶液中浸泡的情況相比，試件的拉伸強度保持率下降較快。試樣表面形成白色變色層，如圖2所示。FRP錨桿拉伸強度保持率下降是由于在在氫氧化鈉溶液中發生了玻璃纖維中玻璃成分的溶析和樹脂的分解。在堿性環境下，樹脂加水分解引起樹脂中的酯結合成了羧酸和乙醇，以及產生了部分氧化硅產物，而導致了拉伸強度下降。在鹽溶液中浸泡的試樣，其拉伸強度保持率下降較緩慢，試件表面末發生明顯變化，FRP錨桿在鹽性環境中有較好的耐久性。當應力水平控制在低于極限拉伸強度的25%時，FRP錨桿耐久性能基本滿足復雜地質條件工程的要求。

(a)900 h; (b)1 200 h; (c)1 500 h圖1　酸性腐蝕試件Fig.1 Acidic corrosion specimens

(a)900 h; (b)1 200 h; (c)1 500 h圖2　堿性腐蝕試件Fig.2 Alkali corrosion specimens

3GFRP錨桿腐蝕試驗成果及分析

GFRP錨桿酸堿鹽介質腐蝕試驗結果如表2所示。

各組試件試驗成果見圖3。

GFRP錨桿的介質腐蝕時間對力學性能關系曲線如圖4所示。

對極限抗拉強度進行回歸分析，得出腐蝕時間h和酸腐蝕相對抗拉強度Δfaci、堿腐蝕相對抗拉強度Δfalk及鹽腐相對蝕抗拉強度Δfsal的關系式為：

Δfaci=1-0.000 07 h

(1)

Δfalk=1-0.000 09 h

(2)

表2　GFRP錨桿腐蝕試驗結果

(a)酸腐蝕;(b)堿腐蝕;(c)鹽腐蝕圖3　腐蝕GFRP錨桿試驗成果Fig.3 Test results of corrosion of GFRP anchor bolt

(a)極限抗拉強度;(b)彈性模量圖4　腐蝕GFRP錨桿力學性能Fig.4 Mechanical property of GFRP anchor bolt

Δfsal=1-0.000 02 h

(3)

同理，對彈性模量進行回歸分析，得出腐蝕時間h和酸腐蝕相對抗拉強度ΔEaci、堿腐蝕相對抗拉強度ΔEalk及鹽腐蝕相對抗拉強度ΔEsal的關系式為：

ΔEaci=1-0.000 04 h

(4)

ΔEalk=1-0.000 07 h

(5)

ΔEsal=1-0.000 007 h

(6)

對于酸堿鹽介質腐蝕的試驗，從試驗結果中可以得出玻璃纖維對酸和堿的腐蝕都是敏感的，但對鹽的腐蝕破壞并不嚴重。GFRP錨桿在堿，酸和鹽介質中浸漬900 h后，強度分別下降7.52%，5.86%和1.84%；GFRP錨桿在堿，酸和鹽介質中浸漬1 200 h后，強度分別下降10.50%，8.82%和2.61%；GFRP錨桿在堿，酸和鹽介質中浸漬1 500 h后，強度分別下降13.76%，11.09%和 4.14%?？梢?，GFRP錨桿在酸、堿溶液介質中強度損失較嚴重。

4CFRP錨桿腐蝕試驗成果及分析

CFRP錨桿酸堿鹽介質腐蝕試驗結果如表3所示。

表3　CFRP錨桿腐蝕試驗結果

各組試件試驗成果見圖5。

(a)酸腐蝕;(b)堿腐蝕;(c)鹽腐蝕圖5　腐蝕GFRP錨桿試驗成果Fig.5 Test results of corrosion of CFRP anchor bolt

CFRP錨桿的介質腐蝕時間與強度關系曲線如圖6所示。

(a)極限抗拉強度；(b)彈性模量圖6　CFRP錨桿腐蝕時間與強度關系曲線Fig.6 Mechanical property of CFRP anchor bolt

對極限抗拉強度進行回歸分析，得出腐蝕時間h和酸腐蝕相對抗拉強度Δfaci、堿腐蝕相對抗拉強度Δfalk及鹽腐相對蝕抗拉強度Δfsal的關系式為：

Δfaci=1-0.000 02 h

(7)

Δfalk=1-0.000 01 h

(8)

Δfsal=1-0.000 03 h

(9)

同理，對彈性模量進行回歸分析，得出腐蝕時間h和酸腐蝕相對抗拉強度ΔEaci、堿腐蝕相對抗拉強度ΔEalk及鹽腐蝕相對抗拉強度ΔEsal的關系式為：

ΔEaci=1-0.000 008 h

(10)

ΔEalk=1-0.000 02 h

(11)

ΔEsal=1-0.000 001 h

(12)

從酸堿鹽介質腐蝕試驗中可以看出，酸堿鹽對于CFRP錨桿的強度影響很小，強度下降都在4%以內。這說明碳纖維具有很好的耐酸、耐堿和耐鹽溶液腐蝕的性質。

5腐蝕環境下FRP錨桿力學性能退化機理分析

造成FRP力學性能降低的主要原因是腐蝕環境下樹脂基體性能的劣化、纖維的劣化以及纖維與樹脂基體界面結合力的退化。樹脂聚合物在腐蝕環境中可能會發生一系列的物理變化和化學變化。樹脂基體在腐蝕溶液環境中，其分子鍵將會水解破裂，樹脂吸水越多，水解破裂時間越短，老化一段時間后，當樹脂中的分子鍵基本破壞后，樹脂中各個分子主要靠化學鍵連接，在一定的老化時間內難以破裂；其中，玻璃纖維的劣化是造成GFRP力學性能大幅度降低的最主要原因，玻璃纖維中的Si-O鍵與水分子和堿中的氫氧根離子交換或化學反應導致Si-O鍵斷裂，造成GFRP宏觀力學性能大幅度降低[16]。

FRP力學性能降低同時也伴隨著纖維與基體界面的劣化過程。界面劣化過程比較有代表的說法有以下幾點：一是樹脂基體在腐蝕環境中溶脹產生的界面內應力，進而產生裂紋，導致界面結合力下降：二是腐蝕環境中水解導致自身性能的降低，弱化了樹脂對玻璃纖維復合材料的貢獻及剪應力傳遞的能力；三是滲入到界面處的腐蝕溶液使界面發生水解；導致界面結合力降低。水的擴散率越大，基體吸水及滲入到界面的水越多，界面結合力的下降也越大。

對于腐蝕環境下FRP錨桿耐久性試驗研究表明，在腐蝕環境下FRP錨桿總體耐久性較好，抗拉強度最多降低13.8%，彈性模量最多降低12%；相對鹽溶液，FRP錨桿在酸堿溶液中力學性能退化較為嚴重；與GFRP 錨桿相比，CFRP錨桿的耐久性更好。

6結論

1)GFRP錨桿在堿，酸和鹽介質中浸漬1 500 h后，強度分別下降13.76%，11.09%和4.14%。GFRP錨桿具有很好的耐鹽腐蝕性能，但耐酸、耐堿性能相對較差。當GFRP錨桿應用到實際工程結構時需要考慮堿性環境的影響，可以通過控制應力水平低于極限拉伸強度的25%來保證耐久性的要求。

2)酸堿鹽對于CFRP 錨桿的強度影響很小，強度下降都在4%以內，碳纖維具有較好的耐酸、耐堿、耐鹽溶液腐蝕的性質。

3)造成FRP 錨桿力學性能降低的主要原因是樹脂基體性能的劣化和纖維與樹脂基體界面結合力的退化，本文根據腐蝕環境下FRP 錨桿力學性能試驗成果，給出了力學性能隨腐蝕時間的退化規律計算公式。

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(編輯蔣學東)

Test on erosion resistance of FRP anchor bolt

LUO Xiaoyong, TANG Xiexing, KUANG Yachuan, LI Kailei

(College of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract：For the purpose of studying the durability of FRP anchor bolt, this paper studied on durability of the fiber and resin.The mechanical performance tests are conducted on FRP bolts in normal, acid, alkalis and salt conditions, from which the change law of mechanical property can be studied for bolts in different corrosion conditions.The test results chow that , after 1500 hours erosion in acid, alkalis and salt conditions, the strength of GFRP anchar falk to 11.09%, 4.14% respectively.GFRP anchor bolt mechanical property is well in salt condition compared with in acid and alkalis conditions.When GFRP anchor bolt applied to the practical engineering structure, the influences of acid and alkaline environment should be considered, and the stress must not exceed 25% of ultimate tensile strength.On the other hand, CFRP anchor bolt strength changes little in acid, alkalis and salt conditions, and intensity drops by around 4%percent.Carbon fiber erosion resistance is good in acid, alkalis and salt conditions.Compared with GFRP anchor bolt, CFRP anchor bolt durability is better.According to the test results, degradation law calculation figure of CFRP anchor bolt mechanical property were deduced in this paper, which provide the theory basis for the engineering application.

Key words：FRP; anchor bolts; corrosion; durability; mechanical property

通訊作者：羅小勇(1968-)，男，湖南衡陽人，教授，博士，從事結構工程方面的研究；E-mail：106371193@qq.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51178470)

收稿日期：2015-03-27

中圖分類號：P315.95; TU37

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2015)06-1341-07