GFRP錨桿耐久性能試驗研究

尹 超， 胡哲釧， 張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

GFRP被稱作玻璃纖維增強聚合物，是一種由玻璃纖維和樹脂合成的新型材料[1]。隨著GFRP新型材料的研究和GFRP錨桿的推廣應用，采用GFRP錨桿替代普通鋼筋錨桿是大勢所趨。在邊坡支護工程中，由于巖土體中的環境復雜，無法從根本上解決金屬錨桿腐蝕的問題，嚴重影響工程的耐久性。而GFRP錨桿與普通金屬錨桿相比，具有質輕、強度高、耐腐蝕等優點[2]。

目前對于GFRP錨桿性能已經開展了相關研究, 孫奇[3]分析了10種GFRP筋的拉伸性能，發現錨具能大大影響GFRP筋的極限承載力。高磊[4]提出了GFRP加固預應力混凝土梁的統一彎曲設計方法，給出了彎曲強度的計算公式和強度折減系數的推薦值。呂西林等[5]將GFRP筋置于高溫環境中，研究得到混凝土構件在不同抗火等級要求下的耐火極限時間。楊振茂等[6]進行了玻璃鋼錨桿的拉伸試 驗和錨尾性能試驗。馬念杰等[7]在綜合分析國內外FRP錨桿發展現狀和趨勢的基礎上，設計了一種新型的鋸齒形金屬套管錨尾玻璃纖維錨固結構。

然而，將GFRP錨桿應用于邊坡支護的先決條件是需要明確其基本力學性能及其極限指標，需要明確GFRP錨桿受不同的化學物質(酸、堿、鹽)腐蝕后的耐久性能[8]。鑒于此，論文對GFRP錨桿耐久性能展開研究，為后續的研究提供依據。

1 GFRP復合材料腐蝕機理

GFRP復合材料的組成部分中，玻璃纖維起增強作用，承擔大部分荷載，因此GFRP復合材料的剛度和拉伸強度較大。環氧樹脂和玻璃纖維結合在一起，通過界面將荷載從環氧樹脂轉移到玻璃纖維上，這不僅充分發揮了玻璃纖維的高拉伸強度，而且使載荷分布均勻，避免了應力薄弱區和早期損傷的發生。

因此，有2種方式使得GFRP復合材料破壞。第一種方式，讓玻璃纖維或環氧樹脂中的1種或2種材料受損；第二種方式，使玻璃纖維與環氧樹脂的連接界面受損。圖1表示GFRP復合材料失效原因及過程。

圖1 GFRP復合材料失效原因及過程

其中，GFRP復合材料腐蝕的主要原因是環境介質對界面的腐蝕。界面存在大量空隙，水分子在毛細作用下沿界面迅速擴散，造成GFRP復合材料濕熱老化。水對界面的破壞是主要因素。一方面，侵入的水分子溶解了玻璃纖維表面的可溶性成分，使其沿玻璃纖維表面的微裂紋迅速擴散，促進了微裂紋的傳播，破壞了玻璃纖維的表面結構；另一方面，對于環氧樹脂來說，水是溶脹、降解的輔助劑，水的存在會破壞環氧樹脂的結構。水對GFRP復合材料的侵蝕將不可避免地影響到整個界面相的狀態。

GFRP復合材料腐蝕的主要形式有3種：

(1)化學裂解。在活性介質的作用下，滲透到GFRP復合材料中的介質分子可以與基體樹脂大分子發生化學反應，破壞大分子主價鍵。

(2)溶脹和降解。溶劑分子滲透到GFRP復合材料中，破壞了大分子間的二次鍵，溶脹、降解了基體樹脂，使其強度降低。

(3)應力脆裂。在應力和某些介質的作用下，材料有時會發生裂紋并發展成裂縫，直至發生脆性斷裂。

有研究人員通過SEM電鏡分析發現，隨著腐蝕程度的加深，環氧樹脂表面的裂紋和空洞增多，腐蝕表面的溝槽變大，最終出現裂紋。由于這些空洞和裂縫的存在，基體樹脂材料和玻璃纖維脫落。在長期的環境效應下，GFRP復合材料的力學性能下降，導致材料失效。這從微觀的角度上證明了上述觀點。

2 GFRP螺紋筋在酸、堿、鹽溶液環境下的耐久性能試驗

2.1 試驗準備

為了在試樣中部發生破壞，將大直徑材料加工成小直徑啞鈴形試樣，試驗樣本如圖2、圖3所示。為了防止試樣在試驗過程中受到局部損傷，銅線纏繞在凹槽內以填充凹槽，這可以有效地避免試樣端部的表面滑移。應變片對稱貼在試樣中部。

圖2 GFRP錨桿拉伸實驗試樣示意

圖3 GFRP錨桿試驗試樣

用鋼套管加固試樣端部，采用樹脂粘結劑連接鋼套管和GFRP筋。試驗在拉壓試驗機上進行，用電子引伸計測量應變。試驗裝置見圖4。

圖4 試驗加載裝置

試驗采用φ22 mm的GFRP螺紋筋276根，每根長度1 m。按常溫浸泡狀態的不同，共分為5組，具體情況如表1所示。

表1 試驗前試樣準備情況

將浸泡后的GFRP螺紋筋取出后，用清水將表面洗凈。浸泡完后的GFRP筋試樣如圖5所示。待完全干燥后用環氧樹脂和玻璃纖維對其兩端進行包扎。完全固化后，在SANS電液伺服萬能試驗機(1 000 kN)上進行拉伸試驗。

圖5 浸泡后試樣

2.2 耐酸、耐堿試驗結果

拉伸試驗于室溫30 ℃，濕度55%的環境下進行。拉伸試驗試樣共168根，其中152根拉斷，16根端頭拉脫。每組工況拱設置18組測試試樣，最終取算術平均值得到最終結果。拉伸試驗結果如表2、圖6所示。

圖6 拉伸強度-浸泡時間關系

表2 耐酸、堿拉伸試驗結果(30d)

從試驗數據我們可以看出，當GFRP錨桿處于強酸性或強堿性環境下，其力學性質指標-拉伸強度、彈性模量和拉拔力都有降低。然而，對比浸泡30天、60天、90天的試驗數據發現，力學性質指標的降低幅度極小，約0.1%～5%，這對GFRP錨桿的影響甚微。說明了GFRP錨桿具有良好的抵抗酸、堿溶侵蝕的性能。

2.3 耐鹽試驗結果

拉伸試驗于室溫30 ℃，濕度55%的環境下進行。拉伸試驗試樣共108根，其中101根拉斷，7根端頭拉脫。每組工況共設置18組測試試樣，最終取算術平均值得到最終結果。拉伸試驗結果如表3、圖7所示。

表3 耐鹽拉伸試驗結果(30d)

GFRP螺紋筋經過6%的NaCl溶液浸泡30天、60天、90天后，拉伸強度由634 MPa下降到631.6 MPa、627.6 MPa、624.5 MPa，下降幅度為1.53%，基本保持不變；彈性模量由45.25 GPa下降到44.83 GPa、44.63 GPa、44.27 GPa，基本無變化。

GFRP螺紋筋經過飽和的NaCl溶液浸泡30天、60天、90天后，拉伸強度由634 MPa下降到630.8 MPa、626.6 MPa、624.2 MPa，下降幅度為1.54%，基本保持不變；彈性模量由45.25 GPa下降到44.25 GPa、44.27 GPa、44.27 GPa基本無變化。

從試驗數據我們可以看出，GFRP螺紋筋在NaCl溶液中浸泡30天、60天、90天后，拉伸性能方面并沒有明顯的下降，說明GFRP材料耐Cl-1離子的能力還是比較理想的。