海水環境下GFRP筋?海水海砂混凝土黏結行為演化規律

金清平，周 典，胡巖磊

（武漢科技大學城市建設學院，武漢 430081）

0 前言

隨著國家海洋強國戰略與“一帶一路”倡議的不斷推進，需要使用大量混凝土開展海洋基礎設施建設，傳統混凝土需要從內陸運輸大量河砂和淡水，一方面浪費人力物力，另一方面河砂和淡水資源日益緊缺，因此由海洋提供的天然材料——海水海砂受到學者們關注，諸多學者對海水海砂混凝土開展了相關研究[1?4]。研究表明，采用合適的配合比時，海水海砂混凝土有較好的力學性能，海水和海砂中的化學離子對混凝土早期抗壓強度的形成有促進作用[5?7]。海水海砂中富含的氯離子會導致鋼筋銹蝕，造成結構性能快速退化，甚至結構的過早破壞，因此需要耐銹蝕的筋材作為海水海砂混凝土的增強筋。

纖維增強復合材料（FRP）是以纖維為增強體，樹脂為基體形成的。研究表明，FRP具有輕質高強、耐腐蝕等特點，用FRP筋代替鋼筋，可以有效解決腐蝕環境中鋼筋銹蝕問題，且FRP筋與混凝土有較好的工作協調性，可以作為受力筋應用到混凝土構件中[8]。Altal?mas等[9]研究了常溫下清水和海水浸泡下的FRP筋與混凝土黏結性能，結果表明水分子是導致黏結強度降低的主要因素，海水中的鹽離子（Cl?和SO42?）對黏結強度影響較小。Yan和Lin[10]研究了浸泡在不同溫度（50℃和70℃）氯化鈉溶液中的GFRP筋與混凝土的黏結性能，研究表明，黏結強度隨著暴露時間的增加而降低，且70℃的黏結強度退化率高于50℃。高婧和范凌云[11]通過中心拉拔試驗并結合多種理論模型，研究了CFRP筋與海水海砂混凝土的黏結?滑移曲線，最終得到不同條件下CFRP筋與海水海砂混凝土的黏結?滑移本構關系表達式。Zhou等[12]使用基于Arrhenius退化模型的TSF（time shift factor）法對GFRP筋與混凝土的黏結性能進行了預測，得到GFRP筋與混凝土在34年后的黏結強度保留率，Dong等[13?15]、Chang等[16]也使用TSF法成功預測了FRP筋?混凝土的黏結性能。綜上所述，FRP筋與混凝土在不同環境中的黏結耐久性一直備受關注；且基于Arrhenius退化模型的壽命預測方法已應用于FRP筋與混凝土的黏結強度預測。隨著海洋經濟的發展，開展GFRP筋海水海砂混凝土在海水環境下的黏結行為研究及壽命預測具有現實意義。

本文為探究海水浸泡下GFRP筋?海水海砂混凝土黏結性能的退化情況，開展54個GFRP筋?海水海砂混凝土拉拔試驗，研究不同溫度下清水環境和海水環境腐蝕后試件黏結強度的變化，并使用多種理論模型對黏結滑移曲線上升段進行分析，最后利用TSF壽命預測法對試件的長期黏結強度進行預測，為GFRP筋在海水海砂混凝土中的運用提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

GFRP筋，由乙烯基樹脂和玻璃纖維組成，GFRP筋表面為纏繞式，肋高為直徑的6%，肋間距為40 mm，直徑為20 mm，山西誠鑫達礦山設備有限公司；

水泥，P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，華新水泥股份有限公司；

海砂，天然海砂；

海水，使用海水晶鹽人工配置海水，鹽分含量參照ASTM D1141?98（2021）[17]，如表1所示，浙江藍海星鹽制品有限公司。

1.2 主要設備及儀器

萬能試驗機，WAW?1000，濟南新時代試金儀器有限公司；

動態應變儀，UT7808，武漢優泰電子技術有限公司。

1.3 樣品制備

試驗采用C40海水海砂混凝土，混凝土配合比為水泥∶海水∶碎石∶海砂=1∶0.4∶0.92∶2.15；經過強度試驗測得海水海砂混凝土28天抗壓強度平均值達到41.89 MPa；試驗中用鋼管內添植筋膠的方式對GFRP筋的端部進行錨固，防止拉力機夾具使GFRP的端部剪切破壞；拉拔試件為邊長200 mm的GFRP筋?海水海砂混凝土立方體試塊，黏結長度為5d（d為筋體直徑），黏結部位位于試件的末端，非黏結部位采用PVC管脫黏，以減小拉拔過程中加載端混凝土產生的擠壓應力對試驗結果的影響，試件如圖1所示。

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圖1 拉拔試件示意圖（尺寸單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of a pull?out specimen（dimension units：mm）

1.4 性能測試與結構表征

參照規范 ACI 440.1R-15[18]，根據不同影響因素設計了18組中心拉拔試件；試件按腐蝕周期分為3組（3.65、18、36.5 d），按腐蝕環境分為兩組（清水和海水環境），按環境溫度分為3組（10、40、60℃），每組3個試件，共54個試件；同批多澆筑5個試件作為空白對照組，與試驗試件在相同環境下養護28 d后進行一次拔出試驗，測其極限拉拔力，求出其極限黏結強度，作為基準強度；

拉拔試驗在WAW?1000微機控制電液伺服萬能試驗機上進行，最大荷載為1 000 kN，采用位移加載，加載速率為0.5 mm/min；試驗每隔3 kN記錄一次拉拔力和滑移量，直至滿足如下3個條件中的其中一個試驗結束：（1）GFRP 筋被拉斷；（2）混凝土劈裂破壞；（3）GFRP筋被拔出。

2 結果與討論

本文共進行了54個GFRP筋海水海砂混凝土試件在不同腐蝕環境下的拉拔試驗，試驗結果表明，同種腐蝕環境和溫度下，隨著腐蝕周期的增加，試件的黏結強度會持續退化；環境溫度越高，試件的黏結強度退化越快；海水環境對試件黏結強度的影響略大于清水環境。

2.1 試驗結果

假定黏結應力沿GFRP筋均勻分布，并且將GFRP筋與海水海砂混凝土的平均黏結強度作為沿GFRP筋埋長范圍內的最大黏結應力。試驗中考慮了不同腐蝕環境、環境溫度、腐蝕時間對GFRP筋海水海砂混凝土黏結性能的影響，試驗結果見表2。由試驗數據可知，同種腐蝕溫度和腐蝕周期下，海水環境下試件的黏結強度低于清水環境；同種腐蝕環境和腐蝕周期下，GFRP筋與海水海砂混凝土的黏結強度隨腐蝕溫度的升高而不斷減小；同種腐蝕環境和環境溫度下，隨著腐蝕周期的增加，試件的黏結強度會持續退化。

表2 GFRP筋?海水海砂混凝土黏結性能試驗結果Tab.2 Bond test results of all the GFRP?seawater sea sand con?crete specimens

2.2 黏結破壞模式與強度構成分析

帶肋GFRP筋與海水海砂混凝土之間的黏結力主要由3個部分組成：混凝土中水泥膠體與GFRP筋表面的化學膠著力；GFRP筋與混凝土接觸面上的摩擦力；GFRP筋表面粗糙不平產生的機械咬合力。其中，化學膠著力占比很小，一旦GFRP筋與混凝土交界面發生滑移，化學膠著力隨之喪失；發生相對滑移后，GFRP筋與混凝土之間的黏結力主要由摩擦力和機械咬合力提供。

試件中GFRP筋受力如圖2所示，其中斜肋上沿GFRP筋軸向的分力f1為黏結應力主要組成部分，垂直于GFRP筋的豎向力f2為環向擴張力，在混凝土中產生環向拉應力。拉拔試件的破壞分為拔出破壞、劈裂破壞和筋體拉斷破壞。當軸向分力f1大于GFRP筋與混凝土的極限黏結強度τu，且豎向分力f2小于混凝土極限抗拉強度ft時，發生拔出破壞。當軸向分力f1小于GFRP筋與混凝土的極限黏結強度τu，且豎向分力f2大于混凝土極限抗拉強度ft時，發生劈裂破壞。當拉拔力F大于GFRP筋極限抗拉強度Fu時，發生筋體拉斷破壞，破壞模式和破壞條件如表3所示。

圖2 試件受力示意圖Fig.2 Schematic diagram of the force on the specimen

表3 試件破壞模式與破壞條件Tab.3 Failure modes and conditions of all the specimens

本次試驗試件的黏結破壞形式主要是劈裂破壞，見圖3，即軸向分力小于極限黏結強度，且豎向分力大于混凝土極限抗拉強度。在拔出過程中，混凝土承受由GFRP筋和混凝土之間的摩擦力和機械咬合力引起的斜向擠壓力。斜向擠壓力的豎直分量在混凝土上產生環向拉應力，當環向拉力大于混凝土的開裂荷載，試件產生劈裂裂紋。因此，失效模式與環向拉力和混凝土的開裂荷載有關，Davalos[19]通過 FRP 筋?混凝土黏結耐久性試驗提出，FRP筋和混凝土之間的黏結性能退化主要由FRP筋退化引起，與混凝土關系不大。因此，GFRP筋的退化是影響黏結強度及破壞模式的主要因素。

圖3 試件破壞形態Tab.3 Specimen failure form

2.3 黏結強度影響因素

下面采用試件的黏結強度保留率來分析在不同腐蝕環境、不同溫度、不同腐蝕周期作用下，試件黏結強度的變化規律。

圖4繪制了不同溫度作用下清水環境和海水環境中GFRP筋?海水海砂混凝土黏結強度保留率?腐蝕溫度曲線。在清水環境中，環境溫度越高，試件的黏結強度衰減越大。在10℃環境下，隨著腐蝕周期的增加，黏結強度衰減速率較慢，腐蝕3.65、18、36.5 d后試件的黏結強度保留率分別為99.27%、98.21%和96.64%，黏結強度保留率相差不大。而在40℃和60℃，試件的黏結強度衰減明顯加快。在60℃環境下，腐蝕3.65、18、36.5 d后試件的黏結強度保留率分別為96.49%、91.34%和82.56%。清水腐蝕36.5 d時，60℃的黏結強度保留率相較于10℃降低了14.08%。在海水環境中，試件黏結強度衰減規律與清水環境相似，隨著溫度的升高，試件的黏結強度衰減逐漸增大。在海水環境下腐蝕36.5 d時，60℃的黏結強度保留率相較于10℃降低了15.58%。

比較不同環境溫度下GFRP筋與海水海砂混凝土的黏結強度可知，環境溫度越高，試件黏結強度的衰減越快。在同種腐蝕環境中，環境溫度越高，溶液中的離子和分子運動越劇烈，溶液透過混凝土向黏結界面滲入速度更快。同時，環境溫度升高同樣加快了筋體表面纖維和樹脂與水分子之間的反應速率，導致試件黏結強度衰減加快。

圖4 不同溫度下試件的黏結強度保留率Fig.4 Retention rate of bond strength of specimens at different temperature

2.3.2 腐蝕環境對黏結性能的影響

圖5為清水和海水環境下，腐蝕3.65、18、36.5 d后GFRP筋?海水海砂混凝土黏結強度保留率?腐蝕周期曲線。通過對比圖6中清水和海水環境中試件的黏結強度保留率曲線可知：同種環境溫度和腐蝕周期下，海水環境中試件的黏結強度衰減略大于清水環境中，但區別不大。在10℃環境下腐蝕36.5 d后，清水和海水環境中試件的黏結強度保留率分別為99.27%和99.05%，僅相差0.23%。在40℃環境下腐蝕36.5 d后，清水和海水環境中試件的黏結強度保留率分別為88.21%和85.99%，相差2.21%。在60℃環境下腐蝕36.5 d后，清水和海水環境中試件的黏結強度保留率分別為82.56%和81.18%，相差1.37%。

圖5 不同腐蝕環境下試件的黏結強度保留率Fig.5 Retention rate of bond strength of specimens at different conditions

比較不同腐蝕環境對GFRP筋與海水海砂混凝土的黏結強度的影響可知，海水環境對于試件黏結強度的影響略大于清水環境的影響，說明水分子和羥基離子是導致黏結強度下降的主要因素，海水中的鹽離子對黏結性能影響較小。如圖6所示，GFRP筋在潮濕環境下會與水分子（即H2O）和羥基離子（即OH-）發生反應，水分子和羥基離子通過滲透和毛細作用進入GFRP筋內部，導致樹脂水解[20]。由于海水滲透和水泥水化作用，海水海砂混凝土孔溶液中含有大量游離水分子和羥基離子。此外，由于樹脂的溶脹[21?22]，為溶液流動提供了通道，因此微裂紋逐漸產生并發展。隨著樹脂逐漸降解，纖維與樹脂的界面處發生脫黏[23]。在沒有樹脂保護的情況下，裸露的玻璃纖維在浸出的過程中溶解在溶液中。同時玻璃纖維的Si-O-Si鍵被羥基離子破壞，這也可能導致GFRP筋發生損傷（如裂紋和脆化[24]），甚至最終導致纖維斷裂。而且GFRP筋在制造過程中，微裂紋和空洞是不可避免的，這些缺陷進一步加速了GFRP筋的退化。而GFRP筋和混凝土之間的黏結性能退化主要由GFRP筋退化引起，與混凝土關系不大[19]。因此水分子和羥基離子是導致GFRP筋與海水海砂混凝土的黏結強度下降的主要因素。

圖6 GFRP筋?海水海砂混凝土黏結性能退化機理Fig.6 Degradation mechanism of GFRP bar?seawater?sea sand concrete bond performance

3 黏結滑移本構模型

混凝土與FRP筋黏結性能是考量FRP筋是否能夠替代鋼筋混凝土中普通鋼筋的關鍵參數。目前，國內外學者通過大量試驗研究提出了多種分析模型來描述FRP筋的黏結?滑移本構關系（見表4），其中BPE模型[25]是基于鋼筋混凝土的黏結性能提出的黏結滑移全過程曲線；mBPE模型[26]是對BPE模型的水平段和軟化段進行了改進；Malvar模型[27]是基于FRP與混凝土拉拔試驗提出的一種適用于FRP筋與混凝土之間黏結滑移本構模型，考慮了3種不同類型的FRP筋、箍筋約束和FRP筋肋高度對黏結強度的影響；CMR模型[28]是基于FRP筋混凝土的黏結性能提出的，對黏結滑移曲線的上升段進行了較為精確地模擬。

表4 常見黏結滑移本構模型Tab.4 Common bond?slip constitutive model

由于大部分混凝土構件或結構計算時只需要用到黏結滑移本構的上升段，因此，本文對黏結滑移曲線上升段進行分析。圖7和圖8分別繪制了采用BPE模型、CMR模型和Malvar模型對清水和海水環境下腐蝕36.5 d后的黏結滑移曲線上升段進行計算的理論值與試驗實測黏結滑移曲線對比。

圖7 清水36.5 d擬合曲線Fig.7 36.5 d fitting curve of clear water

圖8 海水36.5 d擬合曲線Fig.8 36.5 d fitting curve of seawater

為了驗證常用的黏結滑移模型的精確性，采用相關系數（R2）反映不同黏結滑移模型和試驗結果的擬合程度。R2越接近1，則擬合出的黏結滑移曲線和試驗結果相關性越好。

圖9展示了各工況下不同擬合曲線的相關系數，絕大部分擬合曲線的相關系數都大于0.95。表5為BPE模型、CMR模型和Malvar模型的相關系數離散程度分析，其中BPE模型的相關系數均值為0.984，變異系數為0.012 1；CMR模型的相關系數均值為0.978，變異系數為0.009 77；Malvar模型的相關系數均值為0.994 59，變異系數為0.003 15。因此相較而言，Malvar模型的上升段方程更適用于描述GFRP筋與海水海砂混凝土的黏結滑移本構關系。

圖9 擬合相關系數Fig.9 Mean value of correlation coefficient

表5 擬合曲線相關系數離散性分析Tab.5 Dispersion analysis of the correlation coefficient of the fit?ted curve

4 黏結強度退化模型

本文采用基于Arrhenius退化模型的TSF法[29]對清水環境和海水環境中GFRP筋?海水海砂混凝土黏結強度長期性能進行預測。Arrhenius退化模型是運用最廣的一種FRP材料壽命預測退化模型，其本質為基于Arrhenius方程建立溫度變化與化學反應速率的方程，如下式所示：

式中k——Arrhenius退化速率

Ea——反應活化能，eV

R——玻爾茲曼常數，8.617×10-5eV/℃

A——與材料和腐蝕過程相關的系數

T——熱力學溫度

TSF壽命預測法是基于Arrhenius方程建立的耐久性預測方法。該方法認為退化程度與退化速率的倒數成線性關系，TSF為不同溫度下達到相同腐蝕程度所需時間的比值：

根據Fib bulletin 40[30]采用TSF法預測 GFRP筋?海水海砂混凝土黏結強度之前需驗證黏結強度試驗值是否具有較好的線性關系，各工況下GFRP筋?海水海砂混凝土黏結強度保留率對數擬合曲線如圖10所示，所有工況下的黏結強度保留率?腐蝕周期雙對數擬合曲線相關系數均小于-0.8，可以采用TSF法進行壽命預測。

圖10 黏結強度保留率?腐蝕周期雙對數擬合曲線Fig.10 Bond strength retention?corrosion cycle double logarithmic fitting curves

根據圖10中的擬合曲線分別計算出40、60℃清水和海水環境中達到80%強度保留率所需時間，以40℃為參考溫度，求得40℃下的轉換系數TSF，不同環境中的轉換系數TSF如表6所示。

表6 清水和海水環境不同溫度下GFRP筋?海水海砂混凝土預測服役時間Tab.6 Predicted service time of GFRP reinforcement?seawater marine sand concrete under different temperatures in clear water and seawater environment

以40℃為參考溫度，將時間轉換因子TSF代入式（2）中，求出60℃下清水和海水環境中的分別為7 505.66和9 611.19。以年平均氣溫為20℃為例，對20℃清水和海水環境下GFRP筋?海水海砂混凝土壽命進行預測，利用式（2）計算出20℃清水和海水環境下的轉換因子分別為21.63和51.24。

利用上述清水和海水環境中的轉換因子對20℃清水和海水環境中腐蝕1、2、5、10、20、50、100年后GFRP筋?海水海砂混凝土黏結強度進行預測，預測結果如圖11所示。結果表明，采用TSF法對20℃清水環境和海水環境下GFRP筋?海水海砂混凝土黏結強度進行預測所得預測結果規律與試驗所得規律相似，相同腐蝕周期下海水環境中黏結強度保留率要略小于清水環境中。在海水環境下，GFRP筋與海水海砂混凝土前20年黏結強度退化速率為1.38%/年，20～50年的黏結強度退化速率為0.13%/年，50～100年的黏結強度退化速率為0.057%/年。在腐蝕初期黏結強度變化較快，在腐蝕50年后GFRP筋與海水海砂混凝土的黏結強度隨腐蝕周期的增加變化較小并趨于穩定，腐蝕時間為100年時，20℃的海水環境下，GFRP筋與海水海砂混凝土黏結強度保留率為65.58%。

圖11 清水和海水環境下GFRP筋?海水海砂混凝土黏結強度預測Fig.11 Prediction of bond strength of GFRP reinforcement?seawater marine sand concrete under clear water and seawater environment

5 結論

（1）海水環境下溫度對GFRP筋?海水海砂混凝土黏結強度有較大影響，溫度越高，黏結強度退化越快；

（2）海水浸泡環境下，水分子和羥基離子是導致GFRP筋?海水海砂混凝土黏結強度下降的主要因素，海水中的鹽分對黏結性能影響較小；

（3）海水環境下GFRP筋與海水海砂混凝土的黏結?滑移曲線上升段呈持續上升趨勢，可采用Malvar模型模擬；

（4）以20℃為基準溫度，采用TSF法對海水環境作用下的GFRP筋?海水海砂混凝土黏結強度進行長期性能預測，GFRP筋與海水海砂混凝土在0～20年黏結強度退化速率較快，試件的黏結強度在腐蝕50年后逐漸趨于穩定；試件在20℃海水環境腐蝕100年后試件的黏結強度保留率為65.58%。