硫酸鹽環境下GFRP管混凝土柱軸壓性能演化規律

金清平,王 悅,趙甜甜,劉運蝶

(武漢科技大學 城市建設學院,湖北 武漢 430065)

0 引 言

我國硫酸鹽環境分布廣泛,建筑結構容易遭受嚴重的硫酸鹽侵蝕[1-2],硫酸鹽離子擴散到混凝土中,與水泥水化反應,生成鈣礬石等引起混凝土膨脹,產生膨脹應力[3],同時硫酸鹽的結晶會在混凝土結構中產生結晶壓力和裂縫[4-6],長期作用下會降低結構的整體承載能力[7-8]。GFRP材料具有高強度比、抗疲勞和耐腐蝕性等優點[9],向FRP管內澆筑混凝土形成新的組合柱,FRP管的包裹使混凝土的強度和韌性得到了大幅的提高,FRP管脆性也能得到改善[10];當承受軸向荷載時,混凝土受壓橫向膨脹,FRP管受到徑向壓力而產生被動約束,反向約束混凝土的側向膨脹;FRP管產生緊箍作用,限制了內部微裂縫的發展,且軸向徐變減小,從而提高柱子的強度和延性[11]。將組合柱應用于腐蝕環境中,能有效提高柱子的耐侵蝕性和承載力。

在有硫酸鹽侵蝕的地區通常存在水位變動等形成的干濕交替條件,是影響混凝土耐久性的重要因素之一。有研究表明在干濕交替環境下,混凝土結構劣化比長期浸泡條件下混凝土結構的劣化更嚴重[12-13],在硫酸鹽浸潤過程中依靠毛細作用輸送離子侵入孔隙,而干燥過程借助硫酸鹽對混凝土產生侵蝕。有研究表明超聲波檢測技術可以對混凝土在干濕循環作用下的抗硫酸鹽侵蝕性進行表征[14],揭示混凝土微觀孔隙結構與宏觀力學性能之間的聯系。國內外學者對FRP管混凝土柱耐久性方面的研究相對匱乏,需要進行大量試驗、理論和數值分析。近年來越來越多的FRP約束混凝土結構應用到實際工程中,而在硫酸鹽浸泡和干濕循環等條件下對FRP材料都有很強的腐蝕,因此研究硫酸鹽環境中浸泡和干濕循環對FRP材料的腐蝕作用具有重要的意義。

通過對GFRP管混凝土短柱進行硫酸鹽腐蝕試驗,分析浸泡和干濕循環兩種作用方式、不同腐蝕時間等因素對GFRP管混凝土短柱性能的影響,依據力學性能變化來表征GFRP管混凝土短柱性能劣化過程,確定硫酸鹽不同作用方式下GFRP管混凝土短柱的耐久性,并借助超聲檢測技術,分析揭示GFRP管混凝土短柱的劣化機理。

1 試驗設計

1.1 原材料

水泥采用華新牌P.O.42.5型號普通硅酸鹽水泥,細骨料采用細度模數為2.4的普通中砂;粗骨料為碎石,粒徑不大于20 mm;拌和水為普通自來水,混凝土強度為C40,具體配合比如表1,混凝土試塊實測強度如表2,表2中fcu-100為100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊抗壓強度,fcu為換算標準抗壓強度。

表1 混凝土設計配合比

表2 混凝土試塊實測強度

GFRP管為廣東纖力玻璃鋼有限公司所生產,規格為DN 100 mm×300 mm(內徑100 mm,高300 mm±3 mm),壁厚為3 mm,纖維纏繞角度為沿順時針60°、120°,如圖1。用打磨機將GFRP管兩端磨平避免加載過程中產生偏心受壓。為確定GFRP管力學性能參數,參照DL/T 802.2—2017《玻璃纖維增強塑料電纜導管》的分離盤法和GB/T 1448—2005《纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》的FRP壓縮特性實驗法,GFRP管組成材料力學性能參數見表3。

圖1 GFRP管混凝土短柱

表3 GFRP管力學性能參數

1.2 試驗方案

將試件分為7組,每組5個試件,其中有1組為對比試件,有3組為在硫酸鹽溶液中的浸泡試驗,有3組為在硫酸鹽溶液中的干濕循環試驗,試件信息如表4。硫酸鹽溶液為質量分數為5%的Na2SO4(依據文獻[15])。干濕循環試驗中采用的循環方案為浸泡24 h,取出擦干表面,室溫下自然風干24 h,每48 h為一個循環,每15 d更換一次溶液。在試件達到腐蝕時間后,用ZBL-U5100非金屬超聲檢測儀探測組合組的缺陷。

表4 試件信息

為避免在試驗中試件端部先發生破壞,在試件兩端纏繞寬3 cm的碳纖維增強聚合物(CFRP)布。在試件1/2處粘貼應變花。按照GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》規定進行加載,加載方式為力控制,在試驗荷載達到Nu極限荷載的70%前,每級加載1/15Nu;在接近70%Nu時,每級加載荷載調整為1/30Nu,每級荷載持續1 min,直到加載至試件破壞,試驗機自動卸載。

2 硫酸鹽腐蝕后變化

試件在硫酸鹽溶液中浸泡30 d后,GFRP管表面有少量白色析出物,試件質量較浸泡增加1.49%。浸泡90 d后,GFRP管表面白色析出物略微增多,并且有少量纖維剝落,試件質量較浸泡前增加2.47%。浸泡150 d后,GFRP管表面白色物質增多,并帶有一些鹽蝕坑,表面纖維部分剝落,試件質量較浸泡前損失0.5%。浸泡30 、90 d的混凝土表面完整且沒有裂縫出現,浸泡150 d混凝土表面出現少量微裂縫。

試件在硫酸鹽溶液中干濕循環作用30 d后,GFRP管顏色變深,并在纖維纏繞方向產生少量白色物質,試件質量較干濕循環前增加1.72%。作用90 d后,GFRP管表面白色物質增多,少量纖維斷裂與基體分離,試件質量較干濕循環前增加0.05%。作用150 d后,GFRP管表面白色物質較90 d沒有明顯增加,但能夠清楚地看到纖維的斷裂和剝離,并有明顯的鹽蝕坑,試件質量較干濕循環前損失0.81%。作用30、90 d后的混凝土沒有明顯的裂縫產生,只有少量的白色物質析出,作用150 d后混凝土表面出現微裂紋,并伴有少量混凝土碎屑掉落現象。浸泡150 d和干濕循環150 d的試件表觀如圖2。硫酸鹽干濕循環與浸泡作用下質量的變化都呈先增加后減小的趨勢,質量整體變化幅度不大,質量變化率如圖3。

圖2 浸泡150 d和干濕循環150 d表觀

圖3 質量變化率

用ZBL-U5100非金屬超聲檢測儀進行缺陷檢測,測點設置及異常點標記見圖4。利用聲學參數(聲時、幅度、頻率等)的大小變化,判斷試件是否存在缺陷。當核心混凝土不存在缺陷時,這些聲學參數沒有明顯變化;當試件出現界面脫粘、混凝土不密實或者空洞情況時,超聲波繞過缺陷位置導致傳播路徑增長,聲時明顯變大,波幅和頻率明顯變小。

圖4 不同腐蝕時間異常點

隨著腐蝕天數的增加,混凝土的缺陷由邊緣延伸到中部,且數量增加。硫酸鹽從組合柱兩端不斷向核心混凝土內部滲透,硫酸鹽腐蝕90 d時,干濕循環作用后試件上下邊緣附近位置有明顯的缺陷;浸泡作用后試件一端有少量缺陷。硫酸鹽腐蝕90 d時,干濕循環后試件混凝土完全被滲透,內部出現缺陷,邊緣缺陷增加;浸泡作用后試件缺陷往中部少量延伸數量遠少于干濕循環作用后試件。硫酸鹽腐蝕150 d時,干濕循環作用后試件核心混凝土破壞最明顯,缺陷位置最多且分布不均勻;浸泡作用后試件向核心混凝土內部滲透。硫酸鹽對試件侵蝕隨著腐蝕天數的增加而加劇。

3 試驗結果與分析

3.1 軸壓試驗現象

不同腐蝕時間在壓力試驗機上進行實驗時表現出相似的破壞過程與破壞形態。在加載初期表觀無任何破壞跡象。當浸泡試件荷載增加至75%Nu(Nu表示組合柱的極限承壓荷載),干濕循環加載至70%Nu時,GFRP管表面沿纖維纏繞角度方向出現白色螺紋,加載至80%Nu左右時,GFRP管出現大面積泛白,當加載至85%Nu左右時,泛白區域愈加明顯、范圍擴大,且有部分纖維絲斷裂突起,樹脂有明顯開裂且方向與纖維纏繞方向大致相同,兩端CFRP布出現破損;當加載至極限荷載時,GFRP管突然爆裂破壞,管壁沿著纖維鋪設方向出現較寬的裂縫,部分區域GFRP管整塊斷裂隆起,內部混凝土被壓碎飛出,大量纖維分層剝離且拉斷凸起。組合柱破壞速度呈脆性,腐蝕時間長的試件破壞更突然。隨著腐蝕時間的增加,GFRP管表面泛白嚴重且面積更大,最終破壞時裂縫變寬,核心混凝土更松散,相同腐蝕時間下干濕循環試件破壞程度比浸泡試件更大。根據非金屬超聲檢測儀檢測核心混凝土的缺陷情況,發現GFRP管破壞后裂縫的走向受到混凝土缺陷的影響,裂縫位于缺陷點之間,開裂方向與纖維纏繞方向一致。隨著腐蝕時間的增加,核心混凝土缺陷點向內部延伸且數量增加,裂縫也隨著缺陷點的增加而出現轉折,裂縫寬度增加,破壞更嚴重。

3.2 硫酸鹽腐蝕對極限承載力的影響

未經過腐蝕的素混凝土柱的極限承載力為240.7 kN,未腐蝕的GFRP管混凝土短柱的極限承載力為1 133.1 kN,相同尺寸的混凝土短柱與GFRP管組合后,極限承載力提高了5倍左右。圖5為試件經過不同方式腐蝕后的極限承載力,由圖5可知,隨著腐蝕天數的增加試件的極限荷載降低,硫酸鹽浸泡腐蝕30、90、150 d試件相對未進行浸泡試件軸壓極限承載力分別下降3.49%、6.43%和13.02%,硫酸鹽干濕循環腐蝕30、90、150 d試件相對未進行干濕循環試件軸壓極限承載力分別下降4.31%、8.09%和13.64%。腐蝕90 d相對腐蝕30 d試件,缺陷點增加兩倍,極限承載力下降約是30 d的兩倍;腐蝕150 d相對腐蝕30 d試件,試件缺陷點數量約是30 d的3倍。圖6和圖7是浸泡和干濕循環作用下GFRP管混凝土短柱的強度和強度衰減速率。硫酸鹽腐蝕使試件的強度有明顯降低,抗壓強度衰減速率呈先降低后增加的趨勢,前期衰減速率最快,極限承載力下降最多;中期衰減速率減緩,隨著腐蝕時間的增加,衰減速率增加。在0～30 d內,浸泡作用與干濕循環作用下抗壓強度衰減速率相差0.036 MPa/d;在30～90 d內,抗壓強度衰減速率相差0.018 MPa/d;在90～150 d內,試件強度衰減速率相差-0.022 MPa/d。

圖5 不同腐蝕時間試件極限荷載

圖6 不同腐蝕時間試件抗壓強度

圖7 不同腐蝕時間試件抗壓強度衰減速率

硫酸鹽浸泡和干濕循環作用使試件的強度有明顯降低,在0～30 d時,硫酸鹽對試件的侵蝕速度最快,強度衰減速度最大,浸泡作用下的速率大于干濕循環作用下的速率,這是因為在初期硫酸鹽不同作用下,離子交換占主導地位,水分子和鹽離子與GFRP管和混凝土迅速發生大量的化學反應[3-8],侵蝕性物質致使混凝土產生缺陷以及部分玻璃纖維分子結構被破壞,導致試件軸壓性能有較大幅度的下降。

在30～90 d內,化學反應變緩,強度衰減速率減小,而干濕循環作用加快了離子侵蝕,不同作用強度衰減速率差距變小,核心混凝土因硫酸鹽不斷的腐蝕出現微量的剝落,質量開始出現損失,混凝土變松散。在90～150 d內,核心混凝土出現缺陷以及纖維-基體界面脫粘,打開了離子進入材料內部的通道,試件強度衰減速率較30～90 d增加,使得組合柱的承載能力不斷下降。干濕循環使材料內外產生濕度差,加快水分由外向內的擴散速度,持續干濕循環試件缺陷遠多于浸泡作用下試件,試件強度衰減速率高于浸泡作用下,微裂縫的產生會有更多的混凝土剝落,質量損失加劇。

3.3 荷載-應變曲線分析

加載過程中試件的荷載-應變曲線如圖8,素混凝土荷載-應變基本成直線,軸向應變增長快于環向應變;GFRP管混凝土短柱曲線呈雙曲線,GFRP管混凝土短柱曲線彈性階段基本與素混凝土曲線重合,到達素混凝土極限荷載后,曲線出現拐點,GFRP管套箍作用明顯。圖8中字母W、JZ、GS分別表示未經過腐蝕、經過浸泡腐蝕和干濕循環腐蝕的GFRP管混凝土短柱,數字代表試件編號,其中未作用的試驗組為平均值,用W表示。

圖8 不同腐蝕天數荷載-應變曲線

未腐蝕組GFRP管混凝土短柱的極限軸向應變和極限環向應變分別為-22 482 、17 883 με,GFRP管對混凝土的約束,使其延性有明顯的增加,軸向和環向應變都有大幅度的提高。對比未腐蝕GFRP管混凝土短柱的極限軸向應變和極限環向應,浸泡30 d后試件的極限軸向和環向應變分別為-19 100、15 800 με,分別減小了4.65%和5.70%;浸泡90 d后試件的極限軸向和環向應變分別為-19 037、15 730 με,分別減小了15.32%和12.04%;浸泡150 d后試件極限軸向和環向應變分別為-17 196、13 587 με,分別減小了23.51%和24.02%;未浸泡的試件橫向變形最小,剛度最高,腐蝕時間長的試件斜率更低,應變更大一些,更早出現轉折。

硫酸鹽浸泡時間越長對試件的腐蝕越嚴重,試件剛度隨之降低,抗變形能力減弱,產生更大的壓縮變形和橫向鼓曲。這說明GFRP管混凝土短柱隨著硫酸鹽浸泡時間增加,腐蝕程度加深,試件的剛度降低,抗變形能力隨之降低,延性變差。

對比硫酸鹽溶液浸泡和干濕循環30、90、150 d后的GFRP管混凝土短柱荷載-應變曲線,試件的荷載-應變曲線可以分為3個階段:彈性階段,彈塑性階段和強化階段,如圖9～圖10,圖9為GFRP管混凝土柱荷載-應變三階段曲線。在彈性階段,干濕循環作用后試件的軸向和環向應變隨著荷載的增加變化不明顯,軸向應變的增加大于環向應變,此時軸向變形主要為混凝土受壓時產生的彈性變形,GFRP管與核心混凝土還未產生相互作用;在彈塑性階段,軸向應變與環向應變發生轉折,應變增加,泊松比變小,斜率發生變化,GFRP管開始對核心混凝土產生“約束力”。硫酸鹽腐蝕30 d后,浸泡作用與干濕循環作用試件軸向應變曲線出現交叉;硫酸鹽腐蝕90 d后,浸泡作用比干濕循環作用后試件軸向應變斜率稍大;硫酸鹽腐蝕150 d后,浸泡作用比干濕循作用后試件軸向應變和環向應變斜率大,應變差距更明顯;在強化階段,這時混凝土幾乎失去承載能力,GFRP管承受絕大部分的力,管受壓向外膨脹,軸向、環向應變顯著增加。硫酸鹽干濕循環作用更早進入強化階段。硫酸鹽腐蝕30 d后,干濕循環作用后試件軸向應變斜率稍大,硫酸鹽腐蝕90 、150 d后,干濕循環作用比浸泡作用試件軸向和環向應變斜率小,且作用時間長的試件的應變值差距相對較大。

圖9 GFRP管混凝土柱荷載-應變三階段曲線

圖10 環向應變-軸向應變

對試件施加軸向荷載,加載初期,核心混凝土承擔大部分荷載,GFRP管混凝土短柱受到硫酸鹽腐蝕,核心混凝土受損剛度下降,硫酸鹽干濕循環腐蝕時間長的試件彈性階段軸向應變更大,曲線更平緩;隨著荷載的增加,核心混凝土不斷向外膨脹,產生徑向壓力作用于GFRP管,GFRP管產生圍壓,反向約束核心混凝土,且圍壓隨著荷載增加,核心混凝土的不斷膨脹而增加,直到達到GFRP管混凝土短柱極限承載力而突然破壞失效。前期浸泡作用下試件強度下降速率快,破壞時產生更大的軸向變形。隨著腐蝕時間的增加,干濕循環作用的交替加速了離子交換的頻率,侵蝕介質和膨脹性物質增多,早于浸泡作用出現質量損失,GFRP管表面纖維剝落和坑蝕現象更嚴重,核心混凝土不密實程度加劇,GFRP管與混凝土界面脫粘,缺陷遠多于浸泡作用,從而使干濕循環作用下試件GFRP管提前進入受力狀態,降低了GFRP管與混凝土的協同作用,環向變形增加;干濕循環時間越長,腐蝕越嚴重,環向剛度下降幅度越大,GFRP管與混凝土的協同作用機制降低,干濕循環作用下試件軸向環向變形與浸泡作用下差距變大,試件延性降低,破壞更突然,裂縫變寬。

4 結 論

研究硫酸鹽干濕循環作用和浸泡作用對GFRP管混凝土短柱軸壓性能演變規律,分析不同腐蝕時間試件性能變化,綜上分析,結論如下:

1)在硫酸鹽環境下,GFRP管混凝土短柱的抗壓強度、軸向和環向變形都隨著腐蝕時間的增加而逐漸減小,剛度下降,抗變形能力隨之降低,延性變差。

2)隨著硫酸鹽腐蝕時間增加,前期干濕循環作用下比浸泡作用下GFRP管混凝土短柱抗壓強度衰減速率小,后期干濕循環作用比浸泡作用下GFRP管混凝土短柱抗壓強度衰減速率大。

3)隨著硫酸鹽腐蝕時間增加,硫酸鹽干濕循環作用比浸泡作用下對GFRP管混凝土短柱造成的缺陷更多,會產生更大軸向變形和橫向鼓曲,抗壓強度和GFRP管與混凝土協同作用略微降低。