混凝土梁中GFRP筋加速老化與自然老化相關(guān)性分析*

董 杰 何雄君 章 恒 張 晶 楊永超 宋 淵 饒 軍

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司2) 廣州 510500)

混凝土梁中GFRP筋加速老化與自然老化相關(guān)性分析*

董 杰1)何雄君1)章 恒1,2)張 晶1)楊永超1)宋 淵1)饒 軍1)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司2)廣州 510500)

通過(guò)將GFRP筋配置于混凝土梁中并施加持續(xù)荷載后，置于不同的老化環(huán)境進(jìn)行了老化試驗(yàn).其中，自然老化試驗(yàn)是將試件暴露在自然環(huán)境中，加速老化試驗(yàn)是將試件分別浸泡在3種不同溫度(20，40，60 ℃)的堿溶液及鹽溶液中.完成相應(yīng)作用時(shí)間后，對(duì)試件的拉伸性能、剪切性能、壓縮性能進(jìn)行測(cè)試.通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析的方法，計(jì)算了各加速老化工況與自然老化工況之間的關(guān)聯(lián)度，即尋找出了退化趨勢(shì)與自然老化工況最相似的加速老化工況，進(jìn)而進(jìn)行加速因子及加速轉(zhuǎn)換因子的計(jì)算.根據(jù)確定的加速因子，即可在短期內(nèi)快速的預(yù)測(cè)自然老化過(guò)程GFRP筋的性能退化規(guī)律.

GFRP筋；加速老化；灰色關(guān)聯(lián)分析；加速因子

0 引 言

為研究混凝土梁中GFRP筋在使用過(guò)程中的耐久性能，將產(chǎn)品長(zhǎng)期暴露于某種自然環(huán)境中，是最能真實(shí)地反映其性能退化規(guī)律的方法.然而自然老化的試驗(yàn)周期非常長(zhǎng)，為短期內(nèi)快速了解其老化性能，目前主要通過(guò)人工加速老化試驗(yàn)的方法來(lái)對(duì)其老化性能進(jìn)行研究.

文中考慮GFRP筋復(fù)雜的服役環(huán)境，將配置有GFRP筋的混凝土梁分別置于不同的加速環(huán)境中，完成相應(yīng)的作用時(shí)間后，從梁中取出GFRP筋測(cè)試其各項(xiàng)力學(xué)性能.通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，選用合理的數(shù)學(xué)分析方法，尋求人工加速老化與自然老化之間的聯(lián)系，進(jìn)而能為快速預(yù)測(cè)材料實(shí)際使用過(guò)程中的性能退化規(guī)律提供可靠依據(jù).

1 試 驗(yàn)

1.1 試件制備

試驗(yàn)選用某公司生產(chǎn)的直徑10 mm的GFFP筋，單根長(zhǎng)110 cm.由生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的主要參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 試驗(yàn)用GFRP筋主要參數(shù)

為了模擬GFRP筋實(shí)際工作環(huán)境的老化性能，參照文獻(xiàn)[1-2]的試驗(yàn)要求，將1根長(zhǎng)為1 100 mm的GFRP筋布置在混凝土梁中，其布置形式見(jiàn)圖1.GFRP筋混凝土梁澆筑時(shí)選用C30混凝土，梁的幾何尺寸為1 100 mm×80 mm×110 mm.

圖1 混凝土梁中GFRP筋的布置形式(單位：mm)

配有GFRP筋的混凝土結(jié)構(gòu)物在實(shí)際工作環(huán)境中，往往需要長(zhǎng)期承受外荷載的作用.為了模擬這種狀態(tài)，將對(duì)GFRP筋混凝土梁施加持續(xù)荷載.在施加持續(xù)荷載之前，先需要根據(jù)四點(diǎn)試驗(yàn)確定試驗(yàn)用GFRP筋混凝土梁的極限抗彎承載力FL[3].通過(guò)施加持續(xù)荷載Fs=0.25FL模擬GFRP筋的長(zhǎng)期受荷狀態(tài).持續(xù)荷載的施加，是在成對(duì)的混凝土梁之間通過(guò)彈簧和反力架等施加荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)的.對(duì)于施加持續(xù)荷載的GFRP筋混凝土梁，加載時(shí)要保持GFRP筋處于梁體受拉一側(cè).

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 自然老化試驗(yàn)

自然老化試驗(yàn)是將施加持續(xù)荷載的GFRP筋混凝土梁置于室外環(huán)境，本文中的自然老化試驗(yàn)在湖北武漢地區(qū)進(jìn)行.在試驗(yàn)周期內(nèi)武漢地區(qū)的氣溫變化見(jiàn)圖2，自然老化試驗(yàn)見(jiàn)圖3.

圖2 試驗(yàn)周期內(nèi)武漢地區(qū)的氣溫變化圖

圖3 GFRP筋混凝土梁的自然老化試驗(yàn)

在自然老化前，取出混凝土梁中的筋體進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試并作為各項(xiàng)性能初始值.每次取樣過(guò)程中取出4根GFRP筋試件，其中3根用于拉伸試驗(yàn)試件的取樣，1根用于壓縮試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)的試件取樣.隨后，每隔90 d進(jìn)行一次GFRP筋取樣，見(jiàn)表2.

表2 GFRP筋混凝土梁自然老化試驗(yàn)的取樣時(shí)間

1.2.2 加速老化試驗(yàn)

文獻(xiàn)[4-6]通過(guò)試驗(yàn)指出，影響GFRP筋性能退化的主要控制因素為溫度和浸泡溶液類(lèi)型，而Taketo通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)GFRP筋浸泡在酸性溶液中，并未出現(xiàn)明顯退化現(xiàn)象，具有優(yōu)異的耐酸性能.因此，試驗(yàn)主要考慮溫度、堿性環(huán)境，以及鹽環(huán)境對(duì)GFRP筋性能的影響.

試驗(yàn)中的溶液環(huán)境，根據(jù)文獻(xiàn)[1]提供的配置方法，分別按表3所示的組成配置堿溶液及鹽溶液.為了考慮溫度的影響，試驗(yàn)中將溶液溫度分別控制在(20±2)，(40±2)和(60±2) ℃.

為了研究混凝土環(huán)境及持續(xù)荷載的作用對(duì)GFRP筋性能的影響，試驗(yàn)將裸筋、混凝土梁及施加持續(xù)荷載的混凝土梁浸泡在60 ℃的堿溶液中.

表3 試驗(yàn)用GFRP筋主要參數(shù) g/L

為了研究GFRP筋在服役狀態(tài)下的性能退化規(guī)律，分別將施加持續(xù)荷載的混凝土梁浸泡在20 ℃,40 ℃,60 ℃的溫度下，加速老化時(shí)間分別為30 d,60 d,90 d,120 d,150 d和180 d.各工況下的GFRP筋到達(dá)預(yù)定加速老化時(shí)間后，將混凝土梁取出.每種工況取出的4根梁，3根用于拉伸試驗(yàn)的試件取樣，另外1根用于剪切試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)及掃描電鏡的試件取樣.

混凝土梁取出后置于室內(nèi)自然風(fēng)干，待混凝土梁晾干后敲碎梁體取出GFRP筋.在取樣的過(guò)程中，盡量要減少人為因素對(duì)筋體的損壞，另外須把筋體表面殘存的混凝土清除干凈，以減少其對(duì)力學(xué)性能測(cè)試的影響.

1.3 性能測(cè)試

抗拉強(qiáng)度及拉伸模量的測(cè)試參考文獻(xiàn)[1-2]的有關(guān)要求，將試件放入雙剪測(cè)試裝置中，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行剪切試驗(yàn),見(jiàn)圖4.并對(duì)的試件的最大荷載和破壞形式進(jìn)行記錄.

圖4 雙剪測(cè)試裝置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 人工加速老化與自然老化之間的關(guān)聯(lián)度計(jì)算

結(jié)合GFRP筋老化過(guò)程力學(xué)性能的退化規(guī)律，選用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)GFRP筋的人工加速老化與自然老化的相關(guān)性進(jìn)行定量分析，并確定各人工加速老化工況與自然老化工況的關(guān)聯(lián)度，具體分析過(guò)程如下.

1) 確定參考系列與比較系列 在相關(guān)性分析的過(guò)程中，選取自然老化工況中的力學(xué)性能數(shù)據(jù)為參考系列，選取各種人工加速老化工況中的力學(xué)性能數(shù)據(jù)作為比較系列.

2) 數(shù)據(jù)量綱一的量化處理 由于GFRP筋的抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度的物理意義不同，直接采用試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)不便于比較.因此，在進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析的過(guò)程中，可通過(guò)計(jì)算各力學(xué)性能保留率，進(jìn)行了數(shù)據(jù)的量綱一的量化處理.因此，可以取各工況力學(xué)性能保留率為計(jì)算基本數(shù)據(jù)，計(jì)算基本數(shù)據(jù)見(jiàn)表4～6.

表4 自然老化與各加速老化工況下 GFRP筋抗拉強(qiáng)度保留率

表5 自然老化與各加速老化工況下 GFRP筋剪切強(qiáng)度保留率

表6 自然老化與各加速老化工況下 GFRP筋壓縮強(qiáng)度保留率

3) 關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算 根據(jù)上一步得到取各工況力學(xué)性能保留率的數(shù)據(jù)，可按式(1)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù).

(1)

在計(jì)算過(guò)程中，為了增加關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異性，同時(shí)減小因最大絕對(duì)差數(shù)值過(guò)大引起的結(jié)果失真現(xiàn)象，文中分辨系數(shù)取ρ=0.5.據(jù)此，可以得到GFRP筋老化過(guò)程中，分別以抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度的保留率為評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算的各種加速老化工況與自然加速老化工況之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7～9.

表7 以抗拉強(qiáng)度保留率為參量的各加速老化與 自然老化工況的關(guān)聯(lián)系數(shù)

表8 以剪切強(qiáng)度保留率為參量的各加速老化與 自然老化工況的關(guān)聯(lián)系數(shù)

表9 以壓縮強(qiáng)度保留率為參量的各加速老化與 自然老化工況的關(guān)聯(lián)系數(shù)

4) 關(guān)聯(lián)度ri的計(jì)算 根據(jù)上步計(jì)算出的關(guān)聯(lián)系數(shù)，見(jiàn)表10.灰色關(guān)聯(lián)度為

(2)

式中：灰色關(guān)聯(lián)度ri≤1，且當(dāng)灰色關(guān)聯(lián)度ri越接近1時(shí)，兩者之間表現(xiàn)出來(lái)的相關(guān)程度越好.

表10 GFRP筋各加速老化工況與自然老化工況的關(guān)聯(lián)度

由表10可知，在6種人工加速老化工況中，鹽環(huán)境/40 ℃浸泡條件下的人工加速老化對(duì)自然老化的關(guān)聯(lián)度較大.因此，根據(jù)此工況GFRP筋的老化規(guī)律來(lái)探究自然老化過(guò)程的老化規(guī)律具有更高的可信度.

同時(shí)，此工況中以抗拉強(qiáng)度保留率為參量計(jì)算的兩者之間的關(guān)聯(lián)度高達(dá)0.841.基于上述分析結(jié)果，文中將以鹽環(huán)境/40 ℃的條件下的GFRP筋抗拉強(qiáng)度保留率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算人工加速老化與自然老化之間的加速因子.

2.2 GFRP筋性能保留率與時(shí)間的回歸方程的建立

2.2.1 回歸方程建立的方法

在建立GFRP筋性能保留率的回歸方程的過(guò)程中，針對(duì)考慮到GFRP筋老化過(guò)程早期性能退化較快，文獻(xiàn)[7]通過(guò)對(duì)數(shù)擬合的方式建立了Y=a+b·lnt形式的回歸方程.考慮老化后期性能主要是穩(wěn)定的下降，文獻(xiàn)[8]等通過(guò)線(xiàn)性擬合的方式建立了Y=a+b·t形式的回歸方程.

Gunyaev等[9]則結(jié)合GFRP筋在老化過(guò)程中外部環(huán)境和材料本身的特點(diǎn)，考慮到老化過(guò)程中可逆及不可逆的性能變化，剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型為

(3)

由于文中用于研究的老化工況數(shù)據(jù)相對(duì)較少，又考慮到GFRP筋在老化初期各項(xiàng)性能下降趨勢(shì)較大，后期性能退化過(guò)程趨于穩(wěn)定且基本呈線(xiàn)性關(guān)系退化的特點(diǎn)，回歸方程為

(4)

在建立回歸方程的過(guò)程中，考慮老化前期以對(duì)數(shù)形式下降，隨后以線(xiàn)性形式緩慢退化.因此本文根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別以Y=a+b·t及Y=a+b·lnt的形式擬合回歸方程，分段函數(shù)的臨界點(diǎn)tm為

a0+b0·lntm=a1+b1·tm

(5)

為建立式(4)所示回歸方程，以性能保留率Y為因變量，分別以老化時(shí)間t及老化時(shí)間的自然對(duì)數(shù)lnt為自變量建立線(xiàn)性回歸方程.

根據(jù)所要求達(dá)到的顯著性水平α，查閱F分布臨界值表，當(dāng)F≥Fα(1,n-2)滿(mǎn)足時(shí)，則表明擬合的方程線(xiàn)性效果顯著，即因變量y與自變量x之間存在顯著的線(xiàn)性關(guān)系.

2.2.2 加速老化過(guò)程回歸方程建立

通過(guò)分析，結(jié)合加速老化過(guò)程中實(shí)測(cè)的6組數(shù)據(jù)，選用GFRP筋的性能保留率Y為因變量，時(shí)間t及時(shí)間的對(duì)數(shù)T=lnt為自變量分別建立線(xiàn)性回歸方程.

根據(jù)線(xiàn)性回歸的計(jì)算原理，通過(guò)直線(xiàn)形式可擬合為：Y=95.819-0.025t，通過(guò)對(duì)數(shù)形式可擬合為：Y=103.052-2.183 lnt.加速老化過(guò)程的中，通過(guò)線(xiàn)性擬合的回歸方程臨界分布系數(shù)F=33.960，通過(guò)對(duì)數(shù)擬合的回歸方程臨界分布系數(shù)F=527.630，兩者均大于F0.01(1,4)=21.2，表明建立的回歸方程線(xiàn)性關(guān)系良好.

根據(jù)上述建立的回歸方程，由式(5)可確定分段函數(shù)臨界點(diǎn)tm=47，則鹽環(huán)境/40 ℃加速老化過(guò)程中GFRP筋抗拉強(qiáng)度保留率Y與老化時(shí)間T之間的關(guān)系見(jiàn)式(6).

(6)

2.2.3 自然老化過(guò)程回歸方程建立

通過(guò)分析，結(jié)合加速老化過(guò)程中實(shí)測(cè)的6組數(shù)據(jù)，選用GFRP筋的性能保留率Y為因變量，時(shí)間t及時(shí)間的對(duì)數(shù)T=lnt為自變量分別建立線(xiàn)性回歸方程.

通過(guò)直線(xiàn)形式可擬合為：Y=95.377-0.004t，通過(guò)對(duì)數(shù)形式可擬合為：Y=99.742-1.002 lnt.自然老化過(guò)程的中，通過(guò)線(xiàn)性擬合的回歸方程臨界分布系數(shù)F=92.726，通過(guò)對(duì)數(shù)擬合的回歸方程臨界分布系數(shù)F=87.623，兩者均大于F0.01(1,4)=21.2，表明建立的回歸方程線(xiàn)性關(guān)系良好.

根據(jù)上述建立的回歸方程，由于式(5)可確定分段函數(shù)臨界點(diǎn)Tm=132 d，則自然老化過(guò)程中GFRP筋抗拉強(qiáng)度保留率Y與老化時(shí)間T之間的關(guān)系見(jiàn)式(7).

(7)

2.3 人工加速老化對(duì)自然老化的加速因子

在分別得到GFRP筋在自然老化和加速老化過(guò)程中的性能退化回歸方程后，為了建立兩者之間的聯(lián)系文中引入了加速因子AF.加速因子是指使材料性能退化相同的程度時(shí)，自然老化與加速老化所用時(shí)間之比.通過(guò)計(jì)算加速因子，即可用加速老化過(guò)程使用時(shí)間與加速因子的乘積來(lái)預(yù)測(cè)自然老化過(guò)程的使用壽命.

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的回歸方程見(jiàn)圖5，在衡量材料的使用性能的時(shí)候，一般認(rèn)為材料性能退化率達(dá)50%時(shí)即失效.因此，文中取抗拉強(qiáng)度保留率退化至50%時(shí)為性能終止目標(biāo)，由此分別得到人工加速條件下的失效時(shí)間t=1 872.10 d，自然老化條件下的失效時(shí)間T=11 490.24 d，故人工加速老化對(duì)自然老化的加速因子：

(8)

圖5 老化過(guò)程建立的抗拉強(qiáng)度保留率回歸方程

因此，鹽環(huán)境/40 ℃環(huán)境加速老化對(duì)自然老化的加速因子為6.14，即表示在此加速環(huán)境中老化1 d相當(dāng)于自然環(huán)境中老化6.14 d.

2.4 人工加速老化對(duì)自然老化的加速轉(zhuǎn)換因子

加速因子AF指的是材料性能達(dá)到某一失效值時(shí)的加速倍率，為了解GFRP筋在整個(gè)壽命期內(nèi)的加速因子變化情況，本文引入了加速轉(zhuǎn)換因子ASF.加速轉(zhuǎn)換因子表示在任意老化時(shí)刻，加速老化相對(duì)自然老化的加速速率.

由式(6)～(7)兩個(gè)回歸方程，加速轉(zhuǎn)換因子ASF可以通過(guò)式(9)計(jì)算在相同性能保留率的條件下，加速老化與自然老化所用時(shí)間的比值得到.

(9)

通過(guò)聯(lián)立式(6)～(7)建立的回歸方程，通過(guò)計(jì)算可得加速轉(zhuǎn)換因子見(jiàn)式(10)，ASF的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6.

ASF=T/t=

(10)

圖6 加速轉(zhuǎn)換因子與加速老化時(shí)間的關(guān)系圖

根據(jù)圖6可知，在加速老化的早期加速轉(zhuǎn)換因子ASF不斷上升，隨后基本穩(wěn)定在6.15左右.以不同的性能保留率為終止指標(biāo)時(shí)的加速因子見(jiàn)表11，由表11可見(jiàn)材料性能退化至50%時(shí)的加速因子為6.14，而材料完全失效時(shí)的加速因子為6.17，兩者并無(wú)顯著差異，說(shuō)明在老化過(guò)程中計(jì)算得到加速因子較穩(wěn)定.

表11 以不同性能保留率為終止指標(biāo)的加速因子

2.5 GFRP筋耐久性預(yù)測(cè)

在分別得到GFRP筋在自然老化和加速老化過(guò)程中的性能退化回歸方程(6)～(7)后，在達(dá)到某一性能值退化至Y0時(shí)，自然老化所需時(shí)間T(Y0)為

(11)

結(jié)合式(11)的方法，由式(6)計(jì)算的加速老化過(guò)程中的性能保留率的退化方程和式(8)計(jì)算的加速因子，可預(yù)測(cè)自然老化過(guò)程性能保留率的退化方程為

將試驗(yàn)得到自然老化過(guò)程性能保留率的退化方程，預(yù)測(cè)得到的自然老化過(guò)程性能保留率的退化方程分別繪成圖7.由圖7可見(jiàn)，兩者之前沒(méi)有的差異，具有良好的預(yù)測(cè)精度.

圖7 GFRP筋的強(qiáng)度保留率的預(yù)測(cè)趨勢(shì)與實(shí)測(cè)趨勢(shì)圖

實(shí)際上，為了的得到更準(zhǔn)確的退化規(guī)律，可以延長(zhǎng)老化試驗(yàn)的時(shí)間周期，增加試驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)量，不斷對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，以更好的指導(dǎo)GRRP筋的耐久性設(shè)計(jì).

3 結(jié) 論

1) GFRP筋在鹽環(huán)境/40 ℃加速老化條件與自然老化過(guò)程中的性能退化規(guī)律大體一致，因此，可以用鹽環(huán)境/40 ℃的加速試驗(yàn)對(duì)GFRP筋在服役狀態(tài)的性能退化規(guī)律進(jìn)行分析.

2) 在鹽環(huán)境/40 ℃浸泡條件下的老化試驗(yàn)中，其抗拉強(qiáng)度的退化規(guī)律與自然老化過(guò)程中更相似.因此，可以用GFRP筋的抗拉強(qiáng)度性能保留率作為具體的量化指標(biāo)進(jìn)行使用壽命的預(yù)測(cè).

3) 鹽環(huán)境/40 ℃浸泡條件下相對(duì)于自然老化的加速因子為6.14，也就是說(shuō)在此工況中老化1 d相當(dāng)于在自然老化6.14 d，自然老化過(guò)程的性能保留率則可通過(guò)鹽環(huán)境/40 ℃浸泡條件下的性能保留率乘以加速因子來(lái)預(yù)測(cè).

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Correlation Analysis of Accelerated Aging and Natural Aging of GFRP in Reinforced Concrete Beams

DONG Jie1)HE Xiongjun1)ZHANG Heng1,2)ZHANG Jin1)YANG Yongchao1)SONG Yuan1)RAO Jun1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(GuangdongConstructionScienceResearchInstituteGroupLimitedbyShareLtd.,Guangzhou510500,China)2)

In this experiment, the GFRP bars are placed in the concrete beams and applied to the continuous loading, and the aging test is carried out in different aging conditions. Among them, the natural aging test is to be exposed in the natural environment, and the accelerated aging test is to soak in three different temperatures (20,40,60 ℃) of the alkali solution and salt solution. After finishing the corresponding time, the tensile properties, shear properties and compressive properties of the specimens are tested. Through the method of grey correlation analysis, the accelerated aging condition and the correlation between natural aging condition are calculated, which find out the trend of degradation and natural aging conditions accelerated aging conditions are most similar. Besides, the acceleration factor and accelerate the conversion factor are calculated. According to the determined acceleration factors, the performance degradation of GFRP bars in natural aging process can be predicted quickly in the short term.

GFRP bars; accelerated aging; gray correlation analysis; accelerating factor

2016-12-26

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51178361)

TU377.9

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.027

董杰(1991—)：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與安全評(píng)估