2020, Vol. 52
纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer，简写FRP)筋，具有轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀、电磁绝缘等优点[1]，已逐渐成为土木、水利以及交通工程等结构设计中一种潜在用材.其中，GFRP(glass FRP)筋凭借其造价低、综合性价比高等特点，在各类混凝土结构中有着广泛的应用前景.作为普通钢筋的替代品，配置FRP筋的混凝土结构构件通常会在酸、碱、氯盐和潮湿等各种环境中服役.因此，以GFRP筋为例，其在侵蚀环境中的力学长期性能需要进行大量试验研究与理论分析.
当前，针对GFRP筋在侵蚀环境下力学性能的研究，主要关注其抗拉性能的退化规律.研究表明所处环境不同的GFRP筋，其抗拉性能的退化存在较大差异[2]，并受到树脂基体材料的影响[3]；且随着腐蚀暴露龄期的增加，GFRP筋的抗拉性能退化愈明显[4-5].目前，国内外大部分研究主要从材料本身入手，用人工配置的溶液来模拟实际服役时所处的侵蚀环境，对GFRP筋的抗拉性能进行测试分析.然而，D′antino等[6]指出：直接浸泡侵蚀比真实混凝土环境下的腐蚀更为恶劣，利用直接浸泡试验得到的数据对GFRP筋的抗拉性能退化进行预测会显得有些保守.此外，实际混凝土结构工程往往在荷载和环境等诸多因素耦合作用下服役，也需要考虑荷载因素[7].因此，需要增加对埋置于混凝土内GFRP筋在受荷状态下的抗拉性能退化的对比研究.此外，一般认为FRP筋的抗拉性能退化往往是由其微观结构变化所引起，因此将扫描电子显微镜(scanning electron microscopy，简写SEM)的微观结构分析与宏观抗拉性能退化研究相结合，已成为探讨FRP筋抗拉性能退化的有效途径[4].
鉴于此，本文首先从材料出发，通过对GFRP筋的直接浸泡试验，探究不同浸泡环境与浸泡时间对GFRP筋抗拉性能的影响.其次以构件为落脚点，将GFRP筋埋置于混凝土梁中进行加载侵蚀试验，对比分析碱溶液直接浸泡与实际混凝土环境对GRFP筋腐蚀的差异.最后，对GFRP筋在碱、盐直接浸泡和实际混凝土环境下的长期性能进行了预测.此外，对埋置于混凝土梁内GFRP筋进行SEM观测，进一步探究了GFRP筋抗拉性能的损伤机制.相关研究可为GFRP筋的实际工程应用提供一定的理论与试验基础.
1 GFRP筋及其初始力学性能本文选用南京锋晖复合材料有限公司生产的GFRP筋，公称直径为12 mm.该GFRP筋由玻璃纤维和乙烯基酯树脂按一定的比例混合后通过拉挤成型工艺制备而成，质量含纤率为64%；筋材表面处理方式为带肋缠绕式见图 1(a)，其肋纹间距与肋高尺寸见图 1(b).
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图 1 GFRP筋 Fig. 1 GFRP bar |
参考JG/T 406—2013《土木工程用玻璃纤维增强筋》[8]的要求，制作了GFRP筋拉伸试件(见图 2(a))，测得GFRP筋的初始抗拉性能，见表 1.GFRP筋的典型拉伸破坏形态为炸散式，主要呈炸散絮状，见图 2(b).
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图 2 GFRP筋拉伸试样(mm) Fig. 2 GFRP specimens in tensile test (mm) |
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表 1 GFRP筋初始实测力学性能 Tab. 1 Measured mechanical properties of GFRP bar |
在进行浸泡试验前，用环氧树脂将待侵蚀GFRP筋试样的两端(长度300 mm，见图 2(a))进行密封处理，以保护锚固段筋材，避免其遭受侵蚀.待环氧树脂全部硬化后，将GFRP筋分别置于装有碱溶液、盐溶液和清水的溶液箱中进行浸泡试验.溶液具体配置方法：①碱溶液：依据ACI 440.3R-04规范[9]中的相关建议与方法进行配置，用于模拟混凝土内的碱性环境，具体配比见表 2；②盐溶液：依据ASTM D665-14e1规范[10]中的相关建议与方法进行配置，用来模拟海水环境，具体配比见表 3；③清水：由自来水组成，近似模拟室外潮湿环境.试验在结构实验室内进行，环境温度为室温；在试验周期内，定期测量侵蚀溶液的pH值，保证其溶质的含量处于稳定状态.
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表 2 碱性溶液各组分配比 Tab. 2 Distribution ratio of alkaline solution group |
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表 3 盐溶液各组分配比 Tab. 3 Distribution ratio of salt solution group |
为定量描述侵蚀溶液浸泡下GFRP筋的力学性能退化过程，将试件分别浸泡45、90、135和180 d后取出(每种溶液取一组3根)，并使其干燥，然后按图 2(a)进行拉伸试件制备并进行力学性能测试.试验发现，拉伸试件的破坏形式仍以炸散式为主，个别试件由于筋材与锚具间黏结不足而出现滑移破坏，视为无效结果，在计算中不予采用.
以碱溶液为例，不同浸泡时间后GFRP筋拉应力-应变曲线关系见图 3.由图 3可见，浸泡后试件拉应力-应变的变化特性与未浸泡试件类似，即从开始加载到峰值荷载，其拉应力-应变曲线基本呈线性增长，超过峰值荷载后突然下降，呈现脆性破坏特征.不同的是，浸泡后试件的峰值荷载随浸泡时间的增加而逐渐降低.
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图 3 碱溶液直接浸泡下GFRP筋拉应力-应变关系 Fig. 3 Tensile stress-strain curves of GFRP bars immersed in alkaline solution |
将GFRP筋作为受力筋配置在混凝土梁内，梁尺寸和配筋构造详图见4(a).混凝土设计强度等级为C30，其配合比为水泥:水:砂:石=449 :220 :615 :1 116，水灰比为0.49.其中水泥采用P.O 42.5硅酸盐水泥；粗骨料采用粒径为5~22 mm的碎石；砂选用粗砂；水为自来水.实测28 d标准立方体混凝土强度为37.9 MPa.
为了反映实际结构中混凝土梁的受荷情况，采用图 4(b)所示的两两自锚方式对试验梁施加持续荷载至开裂状态.随后将两两自锚梁分成两部分，一部分试件直接置于室外，承受一般大气环境的作用，记为自然老化环境；另一部分试件置于质量分数为5%的NaCl溶液中进行干湿循环作用，每个干湿循环周期为6 d，干湿比例为1:1，模拟实际混凝土构件遭受海水干湿交替作用，记为加速侵蚀环境，见图 5(a).以上两类试件的暴露时间均为366 d.待试验结束后，将混凝土梁破型，从中取出GFRP筋，见图 5(b).清洗并干燥后按图 2(a)进行拉伸试件制备并进行力学性能测试.经测定，试件的破坏形式与拉应力-应变关系与直接浸泡试验的试件类似.
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图 4 试验梁构造图与自锚方式示意(mm) Fig. 4 Schematic diagram of test beam construction and self-anchoring method (mm) |
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图 5 混凝土梁内GFRP筋的长期侵蚀试验 Fig. 5 Long-term erosion test of GFRP bars in concrete beams |
对不同浸泡龄期的GFRP筋进行拉伸试验，结果见表 4.
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表 4 直接浸泡下GFRP筋拉伸试验结果 Tab. 4 Tensile test results of GFRP bars immersed in solutions |
对比本文试验和现有文献[2, 11-12]结果，直接浸泡后GFRP筋的抗拉强度保留率见图 6.GFRP筋的抗拉强度随着浸泡时间的增加，均出现下降的趋势.其中，在碱环境下退化最为明显，盐环境次之，清水环境影响最小.文献[11, 13]研究发现碱性溶液有较高浓度的OH-，并会与GFRP筋中的Si-O发生化学反应，使GFRP筋内部受损，抗拉强度退化明显.已有文献[14]指出，GFRP筋抗碱能力较为一般，而其在氯盐环境下有着较好的耐腐蚀性能.本文试验结果在一定程度上也验证了这点.此外，本文GFRP筋在清水浸没180 d后，其抗拉强度退化了11.3%.一般认为，GFRP筋在清水长时间浸泡过程中，水分会导致玻璃纤维与树脂基体发生膨胀，且树脂基体在清水中发生水解反应后产生少量OH-，并破坏GFRP筋中的Si-O的结构，从而导致GFRP筋的抗拉强度在清水中也出现一定程度的退化[11].
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图 6 GFRP筋抗拉强度保留率随暴露时间退化关系 Fig. 6 Variation of tensile strength retention of GFRP bars with exposure time |
在本文试验浸泡周期内，GFRP筋抗拉强度的退化在初期较快，随后逐渐变缓.以本试验中碱环境为例，在浸泡45 d后，GFRP筋的强度损失率接近总损失率的50%；而90 d至180 d(共浸泡90 d)的损失率仅为40%，文献[2, 11-12]的试验结果也验证这一退化规律.其原因可能在于，随着浸泡时间的增加，溶液在GFRP筋中的扩散达到一定深度后难度加大，反应生成物在GFRP筋内部产生堆积，使侵蚀速率日趋平缓[15].
由图 6可见，文献[2]盐环境中GFRP筋的退化速度和损伤程度均明显高于本试验和文献[11]的结果，究其原因为本试验与文献[12]的溶液温度为室温，而文献[2]的溶液温度为60℃，这表明所处环境温度的提高对GFRP筋抗拉强度的退化起到了明显的加速作用.已有文献[11]研究发现，随着溶液温度的升高，OH-与纤维的化学反应速率会相应提升，加快了筋材被腐蚀的速度，从而加大GFRP筋抗拉强度退化的程度.
3.1.2 弹性模量由表 4可见，经3种溶液浸泡后，GFRP筋材的弹性模量退化不明显，弹性模量损失基本上在5%以内；且由于测量、试验装置等因素的影响，还会造成弹性模量略有提高的情况出现[15].因此，结合本文和文献[11]试验结果，可认为在常温下GFRP筋的弹性模量受侵蚀环境影响不大.此外，文献[2]溶液温度虽为60 ℃，而其弹性模量的变化也与本文相近.具体原因在于[16]：FRP筋中的纤维是影响其弹性模量的主要因素，当筋材在常温下时，并未达到纤维的软化温度，故在试验周期内其弹性模量变化不大.
3.1.3 极限拉应变不同浸泡环境下GFRP筋的极限拉应变保留率随时间变化关系见图 7.图 7也给出了文献[2, 11]的试验结果.由图 7可见，GFRP筋极限拉应变的退化过程与其抗拉强度的变化趋势相近.主要原因为浸泡后GFRP筋的拉应力-应变关系仍为直线关系，且极限拉应变在数值上表现为抗拉强度与弹性模量和横截面积乘积的比值[8].在本文试验和文献[2, 11]中，随着浸泡时间的增加，GFRP筋的抗拉强度逐渐下降，且其弹性模量保留率均在95%以上，所以极限拉应变与其抗拉强度的变化趋势相近，即随着时间的增加逐渐呈下降趋势.
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图 7 GFRP筋极限拉应变保留率随暴露时间退化关系 Fig. 7 Variation of ultimate tensile strain retention of GFRP bars with exposure time |
对于置于一般大气环境下的混凝土梁(自然老化环境)，其内部GFRP筋所处的环境可视为混凝土内碱环境为主，并受大气环境的影响.经366 d后，测得本文试验中自然老化环境下GFRP筋的抗拉强度保留率为92.8%.为对比分析碱环境下直接浸泡与混凝土环境对GFRP筋腐蚀的差异，综合本文试验和现有文献[11-12, 17-18]结果，自然老化环境与碱溶液直接浸泡(180 d)后GFRP筋的抗拉强度保留率对比关系见图 8.
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图 8 两种碱环境下GFRP筋抗拉强度保留率对比 Fig. 8 Comparison of tensile strength retention of GFRP bars in two alkaline environments |
由图 8可见，本文试验、文献[12, 18]在碱溶液直接浸泡(180 d)后的结果远远大于本文自然老化试验和文献[11, 17]的结果.究其原因为自然老化环境虽是碱性，由于受混凝土碳化的影响，其pH值会逐渐下降，从而导致混凝土腐蚀GFRP筋的能力随时间逐渐降低.而将GFRP筋直接浸泡在碱溶液时，溶液pH值始终保持恒定，与实际混凝土相比，其腐蚀筋材效果更强，从而导致GFRP筋提前发生了劣变，大大降低其抗拉强度.
对于置于NaCl溶液干湿循环条件下混凝土梁(加速侵蚀环境)，其内部GFRP筋所处的环境以混凝土内碱环境为主，并受NaCl溶液的影响.为探究其与自然老化环境下混凝土梁内GFRP筋抗拉性能退化的差异，结合本文试验和相关文献[11, 17, 19]结果，图 9给出了加速侵蚀环境与自然老化环境下混凝土梁内GFRP筋抗拉强度保留率的对比.
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图 9 混凝土梁内GFRP筋抗拉强度保留率 Fig. 9 Tensile strength retention of GFRP bars in concrete beams |
由图 9可见，加速侵蚀环境下本文试验和现有文献[17, 19]的结果稍大于本文试验和现有文献[11, 17]在自然老化环境的结果，究其原因为加速侵蚀环境下持续荷载产生的裂缝为NaCl溶液进入混凝土内部提供了途径，使其到达GFRP筋表面的难度大大降低，从而导致其损失率高于自然老化环境.此外由于本文试验和文献[17, 19]中的构件是置于NaCl溶液中，而GFRP筋有较强的抗氯离子侵蚀能力，故不会造成梁内GFRP筋出现较大程度的退化.而文献[11]的梁是置于碱性溶液中，该梁中GFRP筋退化程度明显高于在梁置于NaCl中的情况.因此，结合本试验和现有文献[11, 17, 19]，可以认为当梁置于NaCl溶液时，其内部GFRP筋退化程度有限，而当梁置于碱溶液中，其内部GFRP筋会出现较大程度的退化.
4 GFRP筋微观结构分析由于混凝土内GFRP筋的侵蚀效果更符合工程实际，故对未侵蚀和埋置于混凝土梁内GFRP筋的微观结构进行了SEM观测分析.因经过混凝土梁内侵蚀后GFRP筋的表面较为松散，为有效降低在制作电镜观测试样时由人为因素导致GFRP筋内部结构损失，在切割和抛光处理前，用环氧树脂对试样进行嵌固.经测定未侵蚀及混凝土梁内侵蚀后GFRP筋(横/纵)断面的SEM结果分别见图 10、11.图中虚线为GFRP筋试样的外边缘，实线是腐蚀临界线，平整无玻璃纤维部分为环氧树脂嵌固胶.
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图 10 侵蚀前后GFRP筋横断面SEM照片 Fig. 10 SEM images of transverse sections of GFRP bars before and after corrosion |
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图 11 侵蚀前后GFRP筋纵断面SEM照片 Fig. 11 SEM images of vertical sections of GFRP bars before and after corrosion |
由图 10可见，未侵蚀的GFRP筋纤维与树脂基体黏结紧密，且外边缘未见纤维松散；在混凝土自然老化环境下，纤维与树脂基体之间的黏结发生了松弛，其边缘最外层纤维出现松散；而在混凝土加速侵蚀环境下，纤维与树脂基体之间的黏结程度进一步降低，松散区域越来越大.值得注意的是，横断面上可明显地观察到腐蚀区域与未腐蚀区域的临界线(图中实线)，虽然经过侵蚀后纤维与树脂基体黏结出现不同程度的松散，但内部的纤维和树脂基体仍保持较好的黏结，未出现明显的松弛.
由图 11可见，随着环境的改变，纤维与树脂基体虽出现不同程度的脱黏，见图中标记处，但纤维丝的表面仍较为光滑，其表面无明显损伤出现.这也是混凝土梁内GFRP筋抗拉性能未出现明显退化的主要原因.
结合试验结果和SEM微观结构分析，可以看出GFRP筋的受侵蚀是一个沿筋材径向从外部逐渐向内部不断深入的过程，并且腐蚀主要造成了纤维和树脂基体黏结的降低，在腐蚀严重的外层会出现脱黏，而筋材内部未腐蚀区域并没有受到影响，纤维与树脂基体仍能保持初始的性能，所以筋材能保持较好的抗拉性能.
5 GFRP筋抗拉强度退化对比分析与预测 5.1 直接浸泡下GFRP筋抗拉强度退化对比分析参照已有研究成果[4, 20-21]，对于盐与碱溶液直接浸泡下的GFRP筋，可用Arrhenius模型对其抗拉强度保留率的退化进行数值拟合分析：
| $ Y=100 \exp \left(-\frac{t}{\tau}\right), $ | (1) |
式中：Y为GFRP筋抗拉强度保留率；t为侵蚀时间，d；τ为拟合回归参数.结合本文试验，对其在盐与碱溶液直接浸泡下抗拉强度保留率进行了拟合.
图 12(a)给出了本文试件在碱溶液浸泡下的拟合曲线以及与现有文献[11-12, 18]的对比，图 12(b)为其在盐溶液浸泡下的拟合曲线以及与现有文献[4, 11, 22]的对比.由图 12可见，本文拟合关系曲线能较好描述现有文献[4, 11-12, 18, 22]的试验结果.由此可说明，本文拟合曲线具有一定适用性.
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图 12 直接浸泡下GFRP筋抗拉强度退化数值拟合与对比分析 Fig. 12 Fitting and comparative analysis of tensile strength retention of GFRP bars immersed in aggressive solutions |
文献[17]给出了自然老化环境下混凝土梁内GFRP筋抗拉性能退化模型：
| $ Y=\left\{\begin{array}{ll} 107.014-2.183 \ln t, & t \leqslant 288 \mathrm{d} ;\\ 95.819-0.004 t & t>288 \mathrm{d}. \end{array}\right. $ | (2) |
结合文献[11]和本文试验的试验结果，其与根据式(2)计算得到的理论值之间的对比见表 5.该退化模型的理论计算值Y1与试验值Y2吻合度较高，该退化模型具有一定的可行性.
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表 5 自然老化环境下混凝土梁内GFRP筋抗拉强度保留率理论值与实测值的对比 Tab. 5 Comparison of theoretical and measured values of tensile strength retention of specimens in concrete beams under natural aging environment |
由于试验及人为物力等因素，研究GFRP筋长期性能退化往往是借助加速老化试验进行的[23-24].文献[25]提出可以从考虑环境因素的短期试验数据回归分析得到R10，即FRP筋抗拉强度每10 a的对数(记为Log decade)下降的百分比，进而对FRP筋的长期性能进行预测.结合此方法对本文所用GFRP筋在盐、盐溶液浸泡下的服役寿命进行预测.GFRP筋在盐、碱溶液直接浸泡下服役50、100 a后的抗拉强度保留率见图 13.
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图 13 GFRP筋长期性能预测 Fig. 13 Long-term predictions of tested GFRP bars |
由图 13可见，本文GFRP筋直接在盐溶液中服役50 a和100 a后，其抗拉强度保留率分别为41.3%、35.5%，而直接在碱溶液中服役50 a和100 a后，其保留率则为26.1%、19.2%.
上述结果为GFRP筋在盐、碱溶液直接服役的预测值，对其在自然老化环境下性能的预测需进一步探讨.参考本文GFRP筋在碱溶液与自然老化试验值，结合其在碱溶液的拟合曲线可推算出本文GFRP筋在自然老化环境下暴露一年相当于碱溶液直接浸泡37 d.再结合文献[25]的方法，预测出其在自然老化环境下服役100 a后，抗拉强度保留率为42.0%.可见，GFRP筋在实际工况下服役100 a后，仍能够保持一定的力学性能.
6 结论1) GFRP筋的抗拉性能随溶液直接浸泡时间的增加而降低；其中浸泡180 d后，GFRP筋的抗拉强度在碱溶液中退化最为明显，盐溶液次之，清水环境影响最小.
2) 对于混凝土梁内GFRP筋，其抗拉强度下降速率明显小于碱溶液直接浸泡.分析认为混凝土的pH值会随碳化作用而逐渐下降，从而导致其腐蚀GFRP筋的能力随时间逐渐降低.
3) 结合试验结果和SEM微观结构分析，可认为导致GFRP筋抗拉性能退化的主要原因是纤维与树脂基体黏结性能的降低.
4) 由盐、碱溶液直接浸泡下GFRP筋长期性能的预测结果，可以发现GFRP筋的抗拉性能出现明显退化.相比而言，混凝土内GFRP筋在服役100 a后仍能保持良好的力学性能.
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