堿液下GFRP筋力學性能劣化模型研究

高永紅，黃孝國，劉華琛，申俊宇

(武漢科技大學城市建設學院， 武漢 430065)

0 前言

據統計[1-2]，美國每年由于鋼筋腐蝕生銹而導致的經濟損失高達數百億美元，而我國沿海地區港口、橋梁等混凝土結構工程每年因鋼筋銹蝕也將投入數千億的維修費用。纖維增強復合材料(FRP)以其質輕、高強、耐腐蝕等特性成為替代鋼筋的理想材料[3]，結構在使用中常受到強堿、鹽等腐蝕介質的侵蝕，FRP筋的力學性能在此類環境下的演化規律以及工程適用性引起了廣泛的關注。國內外學者，研究腐蝕介質下FRP筋的力學性能變化大多采用加速老化試驗[4-13]，自然老化條件下開展相關研究周期長，研究成果較少。因此，深入開展自然老化條件下堿液中GFRP筋力學性能的劣化規律研究，對了解GFRP筋增強混凝土結構的耐腐蝕性能具有重大意義。

本文基于ACI-440規范要求，重點研究了筋體自然老化條件下在堿液中浸泡30、90、180 d后GFRP筋的力學性能、拉伸強度腐蝕速率和剩余強度衰減的變化規律，同時對比研究自然老化條件下相同腐蝕齡期內(180 d)堿溶液與鹽溶液對筋體拉伸強度劣化速率的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

GFRP筋，全長800 mm、有效長度400 mm、兩端鋼套筒200 mm、直徑分別為20 mm和25 mm，深圳海川材料有限公司；

NaOH，分析純，1 mol/L，深圳市恒迪源潤達實業有限公司；

KOH，分析純，山東浩中化工科技有限公司；

Ca(OH)2，分析純，天津博迪化工股份有限公司；

NaCl，分析純，北京康普匯維科技有限公司。

1.2 主要設備及儀器

微機控制電液伺服萬能試驗機，WAW-1000，濟南試金集團有限公司；

動態應變儀，UT7808，武漢優泰電子技術有限公司；

裂縫觀測儀，ZBL-F101，北京智博聯科技有限公司。

1.3 樣品制備

將桿件兩端使用自制塑料套管、細沙、水泥和玻璃膠密封；根據ACI-440規范采用質量分數分別為1 %、1.4 %、0.16 %的NaOH、KOH、Ca(OH)2的混合液，均勻攪拌5 min，倒入圓桶中并加自來水稀釋至溶液pH值約為12.6～13.0，模擬堿環境，溶液靜置24 h后，將密封桿件浸入溶液，浸泡周期分別為30、90 d和180 d；采用質量分數為3 %的NaCl，混合自來水稀釋，模擬鹽環境，溶液靜置24 h后，將密封桿件浸入溶液，浸泡周期為180 d；浸泡周期滿后，將桿件從溶液中取出靜置12 h后，拆掉密封裝置，并在桿件有效長度的1/2和1/4處的垂直拉伸方向(橫向)、平行拉伸方向(縱向)粘貼應變片，進行拉伸試驗。

1.4 性能測試與結構表征

拉伸性能測試：采用微機控制電液伺服萬能試驗機，按照GB/T 13096—2008[14]規定的方法，加載速率為2 mm/min，進行拉伸性能測試；

采用動態應變儀，2 s一次，定時采集筋體拉伸應變值；

采用裂縫觀測儀，觀察筋體裂縫開展情況。

2 結果與討論

2.1 表觀特征及拉伸破壞形態

圖1為GFRP筋在堿溶液和鹽溶液中浸泡180 d后的表觀變化。浸泡前筋體外表面粗糙，無光澤度。在堿溶液中浸泡180 d后，筋體表層樹脂基體因被腐蝕而軟化，導致部分玻璃纖維絲向外裸露，筋體外表面出現明顯光澤度，且筋體外表面局部出現灰白色物質[圖1(a)]，由于堿溶液中的OH-離子與筋體表層玻璃纖維發生反應生成HSiO3-和SiO32-等硅酸鹽膠凝[8]153-154[15]。如圖1(b)所示,鹽溶液中浸泡180 d后，筋體粗糙外表面因被腐蝕變光滑，表層基體樹脂有輕微腐蝕痕跡，筋體外表面出現一定光澤度。

(a)堿溶液 (b)鹽溶液圖1 腐蝕溶液浸泡后GFRP筋試樣的表面形貌Fig.1 Surface morphology of GFRP bars after corrosion solution

(a)桿件1/4處裂縫 (b)桿件破壞形態圖2 GFRP筋受拉破壞形態Fig.2 Tensile failure mode of GFRP bars

圖2為20 mm GFRP筋在堿溶液中浸泡180 d后的拉伸破壞形態。在拉伸過程中，當荷載加載到74.95 kN時，桿件出現初響，由于筋體外層纖維斷裂，作用在纖維上的應力重分布，隨著荷載增加，響聲頻率越來越快，繼續加載至108.4 kN時，響聲頻率減慢，此時桿件兩端出現裂紋，由于纖維斷裂由外層向內層逐漸過度，加載至124 kN時，響聲慢慢變弱直至停止，此時桿件1/4處出現寬度約為0.2 mm的裂紋[圖2(a)]，持續加載，裂紋向上下延伸，加載至153.3 kN時，突然出現一聲巨響，至157.6 kN時再次發生劈裂的響聲，響聲不斷加劇，直至桿件呈現炸開式破壞[圖2(b)]。由于桿件在加載過程中，筋體外層纖維首先承受應力，隨后由樹脂基體傳遞到內部纖維，導致橫截面上的應力并不是均勻等值分布，而從圓周向圓心逐漸遞減呈倒梯形分布。隨應力增大，外層纖維首先達到應力極限并發生斷裂，同時應力重新分布。隨著應力繼續增大，纖維斷裂由外層向內層逐漸過度，最后桿件發生破壞，破壞模式屬于脆性破壞。

2.2 拉伸強度及彈性模量劣化規律

GFRP筋在堿液中浸泡30、90、180 d及鹽溶液中浸泡180 d后的拉伸強度和彈性模量變化規律實測結果如表1所示。由表1可知，在堿液中GFRP筋的極限拉伸強度隨浸泡時間的延長呈下降趨勢，浸泡90 d和180 d后，20 mm筋體的拉伸強度比浸泡前降低了了20.89 %和28.33 %；25 mm筋體的拉伸強度比浸泡前降低了17.69 %和21.66 %。彈性模量隨浸泡時間的增長總體呈下降趨勢，但20 mm筋體浸泡30 d后的彈性模量比浸泡前升高了7.08 %，由于GFRP筋浸泡入堿液后發生了后固化反應[16]，提高了筋體的彈性模量。浸泡90 d和180 d后，20 mm筋體的彈性模量比浸泡前降低了7.08 %和10.83 %；25 mm筋體的彈性模量比浸泡前降低了4.41 %和9.25 %。在鹽液中浸泡180 d后GFRP筋的力學性能(極限拉伸強度和彈性模量)也明顯下降，20 mm和25 mm筋體的極限拉伸強度比浸泡前降低了14.58 %和7.78 %；彈性模量比浸泡前降低了19.58 %和1.76 %。

表1 腐蝕溶液浸泡下GFRP筋的力學性能Tab.1 Mechanical properties of GFRP bars immersed in corrosion solution

注：表中括號里面數值代表各工況偏差值； “↓”和“↑”表示下降和上升；“N20”表示20 mm GFRP筋浸泡前；“A20-30”表示20 mm GFRP筋在堿液中浸泡30 d后；“S20-180”表示20 mm GFRP筋在鹽溶液中浸泡180 d后，其他工況依此類推。

進一步分析發現，20 mmGFRP筋隨浸泡時間的增長，極限拉伸強度逐漸降低，浸泡3個時間段(30、90、180 d)內每個時間節點前后，拉伸強度下降幅度在10 %左右，因此，將浸泡周期分為前期(0～30 d)、中期(30～90 d)和后期(90～180 d)3個時間段。了解各個時間段內筋體極限拉伸強度的衰減速率，在一定程度上可以對腐蝕介質中的GFRP筋增強結構在服役期間不同階段的結構性能進行預測和評估。

2.3 強度衰減速率

在不同溶液、不同時間段內GFRP筋的拉伸強度平均衰減速率如圖3所示。圖3(a)反映了20 mm和25 mmGFRP筋在堿液浸泡的前、中、后期3個時間段內拉伸強度的平均衰減速率，20 mm筋體的拉伸強度平均衰減速率分別為1.93、1.45、0.57 MPa/d，呈逐漸放緩的趨勢；而25 mm筋體在中期的拉伸強度衰減速率最快為1.65 MPa/d，后期衰減速率最緩為0.32 MPa/d，總體來看，在前、中期20 mm和25 mm GFRP筋的拉伸強度衰減速率分別為1.61 MPa/d 和1.41 MPa/d，明顯高于后期衰減速率。筋體在浸泡初期發生水解，破壞了筋體結構中部分脆弱的硅氧網絡結構，使筋體強度衰減速率加速，但在浸泡后期，水解產生的硅酸作為一種極限分子使水分子極化，形成Si(OH)4·nH2O定向圍繞在筋體周圍，在筋體表面形成硅膠薄膜，隨浸泡時間的增加逐漸變厚，阻礙離子交換，減弱了筋體腐蝕速率[17]，導致筋體的拉伸強度衰減速率降低。在堿液中浸泡較長時間后，溶液因溶出而存在的Ca+離子，在玻璃纖維表面沉積形成一層不可溶的Ca - Si膜，在一定程度上也減弱了溶液中OH-離子對玻璃纖維的侵蝕作用[9]153-156，導致筋體的拉伸強度衰減速率降低，說明隨著浸泡時間的延長，堿液在浸泡初期對GFRP筋的拉伸強度劣化影響高于浸泡末期。

從圖3(a)可以看出,相同時間段、相同溶液中不同直徑筋體的拉伸強度的平均衰減速率差異大，且在不同時間段、不同直徑筋體的拉伸強度的平均衰減速率也有差異，如在堿液中浸泡前期和后期2個時間段內，20 mm筋體的拉伸強度的平均衰減速率高于25 mm筋體，但浸泡中期時間段內，20 mm筋體的拉伸強度平均衰減速率又小于25 mm筋體，說明尺寸效應對GFRP筋在堿液下的拉伸強度衰減速率有一定影響。

GFRP筋的直徑/mm：—20 —25 溶液類型：—堿溶液 —鹽溶液(a)堿溶液下前、中、后期衰減速率 (b)相同浸泡齡期堿、鹽溶液腐蝕速率對比圖3 在腐蝕溶液浸泡后GFRP筋極限拉伸強度衰減速率Fig.3 Decay rates of ultimate tensile strength of GFRP bars in corrosive solution

圖3(b)反映了在堿液和鹽溶液中浸泡相同齡期(180 d)內20 mm和25 mm GFRP筋的拉伸強度平均衰減速率。可以看出，相同溶液中，堿液中和鹽溶液中GFRP筋的拉伸強度平均衰減速率隨筋體直徑的增大分別降低了48.6 %和64.0 %；不同溶液中，20 mm和25 mm GFRP筋的拉伸強度平均衰減速率在堿液中比鹽溶液中增大了21.1 %和44.6 %，由于堿溶液能提供的OH-離子濃度相對于鹽溶液要高，高濃度的OH-離子加快了對玻璃纖維的蝕刻速率[7]39-40，纖維劣化速率增大，導致筋體強度衰減速率也變快。

2.4 堿液下GFRP筋的拉伸強度剩余強度衰減模型

基于Arrhenius理論方程，在本次試驗結果基礎上，對經典的GFRP筋拉伸強度剩余強度衰減模型進行修正，提出了更符合GFRP筋拉伸強度衰減規律的修正模型。Arrhenius方程是預測GFRP筋在特殊環境中使用壽命的基礎[10]51[13]764，在Arrhenius方程中筋體強度退化速率k與桿件剩余強度比Y和腐蝕浸泡時間t之間的關系如式(1)所示：

(1)

式中Y——桿件剩余強度比(筋體剩余拉伸強度與初始拉伸強度的比值)

τ——相關參數

t——浸泡時間，d

其中，τ=1/k。由于筋體在特殊環境下始終具有殘余強度，因此定義當t為無窮大時，桿件才破壞。根據式(1)對本次試驗實測得在堿液下不同浸泡周期內GFRP筋殘余拉伸強度比值結果進行非線性擬合，得到經典模型下GFRP筋剩余強度衰減擬合曲線，如圖4所示。

GFRP筋的直徑/mm：●—25 ▼—20━ —25mm擬合曲線 ┅ —20 mm擬合曲線圖4 經典模型下GFRP筋剩余強度衰減擬合曲線Fig.4 Fitting curve of residual strength degradation of GFRP bars based on the classical model

考慮到在實際使用過程中筋體的拉伸強度不會出現趨近于0(即筋體完全失效)的情況，并結合筋體在堿液下浸泡初期拉伸強度衰減速率較快，中后期拉伸強度衰減速率放緩的特點，通過引入2個新參數A1、y0，對經典模型進行修正，如式(2)所示。以修正模型公式(2)重新對實測結果進行擬合，得到修正模型下GFRP筋剩余強度衰減擬合曲線，如圖5所示。

(2)

式中A1、y0——假設參數

GFRP筋的直徑/mm：●—25 ▼—20━ —25 mm擬合曲線 ┅ —20 mm擬合曲線圖5 修正模型下GFRP筋剩余強度衰減擬合曲線Fig.5 Fitting curve of residual strength degradation of GFRP bars based on the modified model

從圖4、圖5以及表2可以看出，經典模型下得到GFRP筋在堿液下剩余拉伸強度衰減規律曲線相關性一般，在浸泡周期內整條曲線近似為一條直線，表明筋體強度衰減速率基本保持不變，曲線擬合相關性一般。而結合本次試驗中在堿液下GFRP筋的拉伸強度衰減規律的修正模型，對試驗數據進行非線性擬合，曲線前段斜率大，后段斜率逐漸變小，反映筋體的拉伸強度前期衰減速率較強，后期衰減速率減弱，與本試驗前面得出的結果相吻合，且擬合曲線相關性較好, 其中20 mmGFRP筋剩余強度實測值與擬合結果相關性系數平方(R2)為0.99。

表2 GFRP筋剩余強度擬合方程系數Tab.2 Coefficient of fitting equation of residual strength degradation of GFRP bars

3 結論

(1)在堿液中，GFRP筋的極限拉伸強度隨浸泡時間的增長逐漸劣化降低，在堿液中浸泡180 d后， 20 mmGFRP筋，極限的拉伸強度比浸泡前降低了28.33 %，彈性模量比浸泡前降低了10.83 %； 25 mmGFRP筋，極限拉伸強度降低了21.66 %，彈性模量下降了9.25 %；

(2)相同腐蝕液中，不同浸泡周期內不同尺寸筋體的拉伸強度的平均衰減速率不同；相同浸泡齡期內，在堿液下筋體拉伸強度衰減速率高于鹽溶液；

(3)堿液下筋體拉伸強度衰減速率，在浸泡前期高于后期；修正后剩余強度衰減模型更準確反映出GFRP筋在堿液下的強度衰減規律。