濕熱環(huán)境對BFRP筋拉伸性能的影響

謝 亮，詹鎮(zhèn)峰，李兆恒，佘俊輝，湯 躍

(1.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院,廣東 廣州 510006；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東省水利重點科研基地,廣東 廣州 510635；3.成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610051)

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濕熱環(huán)境對BFRP筋拉伸性能的影響

謝 亮1，詹鎮(zhèn)峰1，李兆恒2，佘俊輝1，湯 躍3

(1.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院,廣東 廣州 510006；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東省水利重點科研基地,廣東 廣州 510635；3.成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610051)

玄武巖纖維筋；濕熱環(huán)境；拉伸性能

為研究BFRP筋在濕熱環(huán)境中的性能變化,本文研究了BFRP筋在蒸餾水、堿溶液及海水侵蝕環(huán)境中吸水性能和拉伸性能的變化,為BFRP筋在海工混凝土中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐和試驗依據(jù)。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

BFRP筋由四川航天拓鑫玄武巖實業(yè)有限公司提供,直徑為8 mm,表面為纖維螺旋纏繞加肋,并進行噴砂處理；基體材料為高溫固化環(huán)氧樹脂。圖1為BFRP筋試樣。

試驗用的堿溶液,依據(jù)美國ACI-3R-04標準配制,該溶液為KOH、NaOH、Ca(OH)2的混合過飽和溶液(PH值約為13)。試驗用人工海水則根據(jù)ASTMD 1141—98(2003)[6]和GB/T 15748—1995《船用金屬材料電偶腐蝕試驗方法》[7]配制而成,人工海水組成見表1。

圖1 BFRP筋示意

化合物濃度/(g/L)NaCl2450MgCl2520Na2SO4410CaCl2120KCl070NaHCO3020KBr010H3BO3003SrCl2003

1.2 試驗方法

1.2.1 耐腐蝕性測試

采用人工加速腐蝕試驗進行環(huán)境模擬,通過升高溫度,加速玄武巖纖維筋在不同環(huán)境下的性能退化。同時為測試BFRP筋在海水環(huán)境下的長期使用性能,將BFRP筋試樣置某海邊浪濺區(qū)(BFRP筋在浪濺區(qū)由于收到海浪沖擊,其腐蝕惡劣程度要高于海水浸泡或鹽霧環(huán)境),半年后取出進行抗拉強度試驗,觀察BFRP筋的性能變化。圖2為放置海邊浪濺區(qū)的BFRP筋試樣。

圖2 浪濺區(qū)試樣(圖中黑色試樣為BFRP筋)

1.2.2 拉伸性能測試

拉伸測試參考ASTM D638—99[8]標準和《纖維增強型塑料拉伸性能試驗方法》(GB/T 1447)[9],試驗用拉力機為WDW-100E電子萬能試驗機。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 蒸餾水及堿溶液浸泡對BFRP筋拉伸性能的影響

圖3與圖4為不同浸泡環(huán)境下BFRP筋不同溫度的水吸收擴散曲線。比較BFRP筋在不同浸泡溶液下的水吸收擴散曲線可知,在不同溫度的溶液中BFRP筋吸水符合兩階段水吸收行為[10],即浸泡早期吸水速率快速增加,后期吸水速率減慢,吸水行為未達到飽和穩(wěn)定。BFRP筋的增重率隨時間的延長而增加,即BFRP筋的質(zhì)量隨浸泡齡期的延長而增加,其質(zhì)量增加的原因是水分子擴散進入材料內(nèi)部,浸泡齡期越長,BFRP筋吸水越多,其質(zhì)量越大。

由圖3可知,BFRP筋在20 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃的蒸餾水溶液中浸泡2 a,增重率分別為78.7%、61.3%、47.3%與27.1%,說明其吸水率隨著溫度的升高而增加。而BFRP筋在20 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃的堿溶液環(huán)境下吸水率隨時間的變化規(guī)律與蒸餾水環(huán)境大致相同,但吸水率比蒸餾水環(huán)境的要高。研究表明[11],水分子是通過擴散作用進入材料內(nèi)部,而后形成毛細裂紋,隨著浸泡齡期延長,材料內(nèi)部形成空洞和裂紋,進一步加劇水分子進入材料內(nèi)部。另外,溫度越高,分子的運動速率越大,從而水分子進入材料內(nèi)部越迅速。同堿溶液浸泡相比,蒸餾水浸泡試樣的吸水率明顯較低,表明BFRP筋的耐水性能要好于耐堿性能。

圖3 堿環(huán)境下BFRP筋不同溫度水吸收擴散曲線

圖4 蒸餾水環(huán)境下BFRP筋不同溫度水吸收擴散曲線

圖5和圖6分別是浸泡在不同溫度下蒸餾水和堿溶液中BFRP筋的拉伸強度與浸泡齡期的關(guān)系曲線。由圖可知,在堿溶液和蒸餾水中,BFRP筋的拉伸強度都隨浸泡齡期的延長而下降,并且堿溶液中拉伸強度下降更快。在浸泡初期,各溫度下的BFRP筋的拉伸強度下降較快,隨后慢慢平緩,最終趨于穩(wěn)定。這與圖3和圖4中的水吸收擴散曲線的變化規(guī)律一致,水分子進入材料內(nèi)部后,除了降低樹脂基體的強度外,還會降低樹脂基體和纖維增強體之間的粘結(jié)力,從而使強度降低。

另外BFRP筋浸泡溶液的溫度越高,拉伸強度下降得越快。如BFRP筋空白樣的拉伸強度為1 120 MPa,浸泡于20 ℃蒸餾水溶液中2 a,其拉伸強度為861 MPa,拉伸性能退化了23%；而浸泡于80 ℃蒸餾水溶液中2 a,BFRP筋的拉伸強度為337 MPa,拉伸性能退化了69.9%。溫度越高,BFRP筋的吸水速率越快,并且材料的松弛與降解速率加快,拉伸性能退化更嚴重。

圖5 堿環(huán)境下BFRP筋的拉伸強度

圖6 蒸餾水環(huán)境下BFRP筋的拉伸強度

根據(jù)BFRP筋的水吸收擴散曲線及拉伸強度的劣化可知,BFRP筋浸泡在堿性濕熱環(huán)境下腐蝕速率高于蒸餾水環(huán)境,引起該現(xiàn)象的原因可能是：①水分子及攜帶離子在基體內(nèi)部擴散,造成玄武巖纖維水解。堿性濕熱環(huán)境下,纖維水解速率高于蒸餾水環(huán)境；②相同溫度條件下,樹脂基體在堿性濕熱環(huán)境下降解速率較高。基體降解后,失去對纖維的保護,加速了纖維水解反應(yīng)。

2.2 海水浸泡對BFRP筋拉伸性能的影響

根據(jù)空白樣的拉伸試驗可知,所用BFRP筋的平均拉伸強度為1 120 MPa。圖7為海水浸泡下,BFRP筋的拉伸強度隨著浸泡溫度變化與浸泡齡期增長而變化的規(guī)律。由圖7可以看出,當(dāng)BFRP筋浸泡于40 ℃和60 ℃ 2周后,材料的拉伸強度由1 120 MPa分別退化至1 070 MPa和1 000 MPa,拉伸強度的損失率為5.0%與10.7%；而浸泡1個月后,拉伸強度繼續(xù)退化至980 MPa和900 MPa,拉伸強度的損失率為12.5%與19.6%。這說明BFRP筋的拉伸強度隨著浸泡齡期的延長,均發(fā)生顯著降低,并且隨著浸泡溫度的升高,其拉伸強度的下降幅度越大。Li[12]的研究認為,海水對BFRP筋的破壞是從界面開始的,首先由水分子的侵入導(dǎo)致界面脫粘,繼而界面脫粘導(dǎo)致材料性能下降。因此,在浸泡齡期和溫度的影響下,BFRP筋的拉伸性能持續(xù)下降。

圖7 在模擬海水浸泡下BFRP筋的拉伸強度

2.3 海水暴露對BFRP筋拉伸性能的影響

圖8為BFRP筋置于海水浪濺區(qū)老化半年后的試樣。如圖8所示,放置于海水浪濺區(qū)半年后的BFRP筋表面雖覆滿青苔,但其形貌基本沒有改變,表面噴砂完好,無纖維暴露,并且纖維與樹脂間界面未見明顯破壞,說明在海水暴露環(huán)境中老化基本不影響B(tài)FRP筋的外觀形貌。

圖8 BFRP筋(海水浪濺區(qū)老化半年)試樣

BFRP筋空白樣的平均拉伸強度為1 120 MPa,拉伸彈性模量為50.8 GPa。表2給出了海水浪濺區(qū)老化半年后的BFRP筋的拉伸性能。如表2所示,半年老化后,BFRP筋的拉伸強度為1 311.7 MPa,拉伸強度提高了17.1%,而彈性模量為47.8GPa,其降低了5.8%,說明海水浸泡半年時間內(nèi)并未引起B(yǎng)FRP筋的性能明顯退化。試樣的破壞形式為“炸散式”破壞[13],破壞處纖維被拉毛,呈發(fā)散形狀,發(fā)散范圍達到了兩端套管附近。綜上所述,在海水浪濺區(qū)暴露半年后的BFRP筋的拉伸性能,與未老化前相比,其拉伸性能基本保持不變(變化量小于6%)。

表2 BFRP筋(海水浪濺區(qū)暴露180 d)的拉伸性能

3 結(jié)語

本文研究了玄武巖纖維筋在濕熱環(huán)境下的性能退化規(guī)律,并且觀察了其在海水暴露環(huán)境的性能變化。得到如下結(jié)論：

1) 玄武巖纖維筋具有較好的耐水浸泡性能,但其耐堿性能較差,因為濕熱環(huán)境下,堿溶液中纖維的水解速率以及樹脂基體的降解速率均高于蒸餾水環(huán)境。

2) BFRP筋在模擬海水中浸泡,其拉伸強度隨老化時間增加而逐步下降,且老化溫度越高,材料的拉伸性能下降越顯著。

3) BFRP筋在海水浪濺區(qū)暴露半年后,拉伸性能變化甚小。

[1] Antonio Nanni,ACI Committee 440.State-of-the-art report on fiber reinforced plastic(FRP) reinforcement for concrete structures[R].Detroit,Michigan:American Concrete Institute,1996．

[2] 胡顯奇,申屠年.連續(xù)玄武巖纖維在軍工及民用領(lǐng)域的應(yīng)用[J].高科技纖維與應(yīng)用,2005,30(6):7-13．

[3] 李樹新,李貴春.FRP筋性能及在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報,2006,24(1):10-12．

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[6] Standard Practice for the Preparation of Substitute Ocean Wate：ASTMD 1141—98(2003) [S]．[7] 船用金屬材料電偶腐蝕試驗方法：GB/T 15748—1995[S]．[8] Standard Test Method for Tensile Propertics：ASTM D638-99(1999) [S].

[9] 纖維增強型塑料拉伸性能試驗方法：GB/T 1447—2005[S]．[10] 苗玉飛. 水或堿溶液浸泡對碳纖維增強乙烯基酯拉擠板材性能的影響[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2015．

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(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

Tensile Property of BFRP Under Hygrothermal Environment

XIE Liang1, ZHAN Zhenfeng1, LI Zhaoheng2, SHE Junhui1, TANG Yue3

(1. School of Civil Engineering,Guangzhou University, Guangzhou 510006,China;2. Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower,Guangdong Provincial Key Scientific Research Base, Guangzhou 510635,China;3. Chengdu Design & research Institute of Building materials industry CO,. Ltd, Chengdu 610051, China)

In marine engineering, the reinforced concrete will generate expansion damage attacked by chloride ions, sulfate ions, and magnesium ions, which seriously affecting the durability of concrete structure. Basalt fiber reinforced polymer(BFRP) rebar have excellent corrosion resistance, which can avoid the durability problems caused by corrosion. Therefore, BFRP rebar have a wide application prospect in marine concrete field. In this study, the effects of hygrothermal environment on the moisture absorption behavior of BFRP bars have been investigated. In addition, the degradation regularity of tensile properties of BFRP bars under distilled water, alkali and seawater environment have been characterized. The results show that the water absorption of BFRP tends to be a two-phase water absorption behavior under the water or alkali solution. The water absorption rate increases rapidly in the early stage and slows down in the later stage. The tensile properties of BFRP bars declines gradually with the increase of the soaking temperature and the soaking time, and the descent degree increases with the increase of the soaking temperature under distilled water, alkali and seawater environment. After half a year of exposure at the seawater splashing zone, the tensile property of the BFRP bars basically remains unchanged.

Basalt fiber reinforced polymer rebar；hygrothermal environment； tensile property

2016-08-15;

2016-09-25

廣東省水利科技創(chuàng)新項目(編號：2015-10)；中國博士后科學(xué)基金(編號：2016M590776)。

謝亮(1991),男,碩士,主要從事水工結(jié)構(gòu)材料的研究。

TB332；TU503

A

1008-0112(2016)010-0036-04