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    真实海水环境下海水海砂混凝土内FRP筋性能退化研究

    时间：2023-06-26 11:25:07来源：百花范文网本文已影响人

    修林鹏，常宇飞，周 智，欧进萍

    （1. 大连理工大学建设工程学部，辽宁 大连 116024；
    2. 海南大学土木建筑工程学院，海南 海口 570228；
    3. 哈尔滨工业大学（深圳）土木与环境工程学院，广东 深圳 518055）

    海洋工程建设已成为土木工程建设的重点工作. 当前，河砂、淡水资源日益枯竭，无法满足巨大的工程需求［1］. 然而，沿海地区、海岛地域，海水、海砂储量丰富，若使用海水海砂拌和混凝土，并将其用于海洋工程建设，不仅可以大幅降低河砂和淡水的使用，还可实现就地取材，有巨大的成本优势. 研究表明，海水海砂混凝土（Seawater and sea sand concrete，SWSSC）的基本力学性能与普通混凝土相似［2］.

    海洋环境下，海水海砂中的氯离子会使钢筋发生严重的锈蚀，降低结构承载力和使用寿命［3］. 纤维增强复合材料（简称FRP）筋抗氯盐侵蚀能力优异［4-8］，以FRP 筋合理代替钢筋应用于海水海砂混凝土结构，能够避免由于氯离子引起的钢筋锈蚀问题，降低建造和维护成本. 但是，海洋环境下FRP筋在海水海砂混凝土内的耐久性仍需进一步研究.

    已有的混凝土内FRP 筋耐久性研究集中于将FRP 筋浸泡于恒定温度、恒定pH 的碱性溶液中进行加速腐蚀试验［9-13］. 然而，实际环境下由于海水中氯离子（Cl-）和硫酸根离子（SO42-）的交互作用，真实海水环境下海水海砂混凝土孔隙液的pH会发生动态变化［14］，并且环境温度波动变化. 这导致真实海水环境下海水海砂混凝土内的FRP筋退化规律与恒定温度恒定pH碱性溶液环境中的FRP筋退化规律不同. 当前，真实海水环境下海水海砂混凝土内的FRP 筋的力学性能退化数据缺乏，其真实退化规律仍不明确，十分有必要在真实海水环境下对海水海砂混凝土内的FRP筋进行耐久性研究.

    因此，本研究在海南省真实海水浸泡环境下，对海水海砂混凝土内的BFRP 筋和GFRP 筋的拉伸性能退化进行试验研究. 对比分析了FRP筋在真实海水海砂混凝土内部环境中的退化和模拟海水海砂混凝土孔溶液中的退化. 最后在试验进行地的年平均环境相对湿度条件下，对海水海砂混凝土内的BFRP 筋拉伸强度保留率进行了预测.

    1.1 试验材料试验筋材为智性科技南通有限公司生产的BFRP筋和GFRP筋，如图1. 两种FRP筋的名义直径均为6 mm，树脂基体均为环氧树脂，筋材表面缠绕式处理，肋间距为1d，肋深0.06d，d为筋材直径.BFRP 筋纤维体积百分比为65%，GFRP 筋纤维体积百分比为62.8%. 试验前对两种筋材拉伸性能实测结果列于表1中.

    表1 FRP筋腐蚀前拉伸性能

    图1 FRP筋

    海水海砂混凝土砂浆原材料为：32.5 级普通硅酸盐水泥，海水（pH=8.2），细度模数为2.0（细砂）的海砂. 配合比为水泥：海砂：海水=441 kg·m-3：661 kg·m-3：199 kg·m-3.

    1.2 试件制作试件制作参照ACI 440.3R-2012［15］. 试件总长860 mm，其中试验段260 mm，锚固长度300 mm. 锚固采用FRP筋外套钢管、内注植筋胶的方式.

    模具采用内径46 mm 的PVC 管，将FRP 筋试验段定位在PVC 管模具中轴线位置后，内灌海水海砂混凝土砂浆，保护层厚20 mm. 待砂浆凝固后拆除模具，试件拆模后标准养护28 d. 浸泡试件前，为防止FRP筋其他部位被海水腐蚀，除了砂浆覆盖层圆柱体侧面外，对试件的其余部位涂抹玻璃胶进行防水处理，使FRP筋的腐蚀只发生在SWSSC砂浆内部. 试件形式如图2所示.

    图2 试验试件

    1.3 真实海水浸泡环境试件浸泡于海南省海口市某海域（20°N，110.3°E）真实海水. 将试件沉入放置在该海域的木箱中，在木箱侧面距离木箱底部60 cm 处开有孔洞（长边等距开有7 个直径3 cm 的孔洞、短边等距开有5 个直径3 cm 的孔洞），保证木箱内部海水与外部海水交互流动，箱内海水的流速为30 cm·s-1. 试件浸泡状态如图3所示.

    图3 试件浸泡环境

    试件浸泡期间（2021.05—2021.08），定期实测海水温度，每周两次，每次测量在当天的6时和15时进行. 所得该海域海水温度变化如图4所示.

    图4 真实海水温度变化曲线

    该海域海水的离子含量如表2 所示，海水的pH值为8.2.

    表2 海水离子成分含量（mg·L-1）

    1.4 试验装置与测量方案试件达到浸泡龄期后，敲开FRP 筋外的海水海砂混凝土砂浆保护层，将FRP 筋烘干后进行拉伸试验. 拉伸试验在华龙测试WDW-100C 万能试验机上进行，量程为100 kN. 依据ACI 440.3R-2012［15］进行拉伸试验，试验过程采用位移控制加载，加载速率为2 mm·min-1，采用标距50 mm 的引伸计记录变形. 拉伸试验如图5所示.

    图5 拉伸试验装置示意图

    FRP 筋的拉伸强度、弹性模量和极限拉应变按公式（1）和（2）进行计算：

    式中：fu为拉伸强度，Fu为拉伸破坏最大荷载；
    A为FRP 筋的横截面面积，E为弹性模量；
    F1、ε1分别为50%最大荷载以及相对应的应变；
    F2、ε2分别为20%最大荷载以及相对应的应变.

    本次试验试件包括BFRP 筋试件20 个，GFRP筋试件20个. 参数包括FRP筋种类（BFRP筋和GFRP筋），腐蚀龄期（30 d、50 d、60 d和90 d）. 每个龄期测试5个有效试样，数据结果取算术平均值.

    1.4 扫描电子显微镜观测为了解腐蚀对两种FRP筋内部纤维-树脂界面的影响，本研究对FRP 筋拉伸断裂面进行了扫描电子显微镜（SEM）观测. 观测所用的仪器为日本Hitachi 公司生产的型号为S-3000N的扫描电子显微镜.

    2.1 FRP筋表观变化 BFRP 筋和GFRP 筋的表观变化如图6 和图7 所示. 如图所示，其中BFRP筋随着腐蚀时间的增长，表面失去了原有光泽，肋间凹处由原来的黑色变为了纤维原丝的黄棕色，表面纤维松散加剧；
    表面肋的颜色逐渐由黑色向灰色转变，肋宽变窄，肋高减小. 以上的变化表明了BFRP 筋表面纤维树脂的粘结发生了较为严重的退化，这种退化可能会影响BFRP筋-海水海砂混凝土之间的粘结性能.反观GFRP 筋，随着腐蚀时间的增长，GFRP 筋表面纤维丝状逐渐明显，但未见纤维松散，表面的纤维之间仍保持良好的粘结，并且GFRP 筋表面肋未见明显变化. 由以上对两种筋材的表观变化分析可知，BFRP筋的表面退化明显高于GFRP筋.

    图6 BFRP筋表观变化

    图7 GFRP筋表观变化

    2.2 拉伸强度变化为便于对比分析，对两种筋材的性能采取规格化处理，以保留率（腐蚀后残余性能/初始性能）随腐蚀龄期的变化表征FRP筋性能退化.

    拉伸强度试验结果列于表3中.

    表3 BFRP筋和GFRP筋拉伸强度表

    由图8 可知，经过90 d 的真实海水浸泡，SWSSC 内的BFRP 筋拉伸强度有显著的退化.90 d 时，BFRP筋拉伸强度为576.4 MPa，强度保留率为46.0%.SWSSC内的BFRP筋拉伸强度0～30 d退化最快，经过30 d的腐蚀，BFRP 筋强度保留率下降了43.4%；
    30 d 以后退化速率变慢强度保留率逐渐趋于稳定，50～90 d 强度保留率仅下降了1.9%. 这与其他学者得到的BFRP 筋拉伸强度前期退化快，后期退化慢的规律相一致［16-17］. 经过90 d的真实海水浸泡，SWSSC内的GFRP筋拉伸强度总体呈下降趋势，强度下降较少，强度保留率均在88%以上，展现了很好的耐久性.

    图8 拉伸强度保留率退化曲线

    对未腐蚀和腐蚀后的BFRP筋和GFRP筋的拉伸断裂面进行扫描电子显微镜（SEM）观测，SEM对比图如图9和图10所示.

    图9 BFRP筋SEM对比图

    图10 GFRP筋SEM对比图

    SWSSC 内部盐碱环境下，FRP 筋的退化包括纤维退化、树脂基体水解和纤维-树脂界面退化三部分［9-10，17-18］. 通过SEM 图分析可知，在未腐蚀前，两种FRP筋的纤维表面均存在大量树脂，纤维与树脂之间有良好的粘结；
    随着SWSSC内盐碱性孔溶液对FRP筋的腐蚀，SWSSC内的BFRP筋和GFRP筋纤维表面树脂均有不同程度地减少，树脂对纤维的握裹减弱，纤维-树脂界面粘结性能下降. 另外，通过观察可以发现两种FRP筋的纤维丝表面光滑、没有坑蚀，表明纤维丝没有发生明显破坏.

    两种FRP 筋内部的变化说明了，真实海水浸泡下SWSSC 内的BFRP 筋和GFRP 筋拉伸性能的退化主要是由树脂基体水解导致纤维-树脂界面退化，纤维间应力传递困难，FRP 筋整体受力能力下降引起的.在SEM 图中可以明显看到，经过90 d 的真实海水浸泡，SWSSC 内的BFRP 筋纤维表面树脂含量明显少于GFRP 筋纤维表面树脂含量，结合通过试验测试得到的SWSSC 内的BFRP 筋拉伸强度的退化速度快于GFRP筋，可以表明在SWSSC内部孔溶液环境中GFRP筋耐久性优于BFRP筋.

    Wang 等［9］学者将BFRP 筋和GFRP 筋浸泡于不同温度的模拟SWSSC 孔溶液中，测试了不同浸泡时间两种筋材的拉伸强度保留率. 为对比真实环境和实验室升温加速模拟环境所得的SWSSC 内FRP 筋拉伸强度退化规律的异同，现对其试验数据进行收集，同时收集了BFRP 筋在60 ℃碱溶液浸泡下的拉伸强度退化数据［11］作为对比. 需要指出的是，以上试验研究所采用的BFRP筋和GFRP筋的直径、树脂基体、纤维种类和纤维体积百分比均与本次试验所采用的相同. 不同腐蚀环境下BFRP 筋和GFRP 筋拉伸强度保留率退化曲线见图11和图12.

    由图11可知，腐蚀前期（0～30 d），真实海水浸泡下SWSSC 内的BFRP 筋拉伸强度退化较快，明显快于浸泡于40 ℃和48 ℃的模拟SWSSC 孔溶液的BFRP 筋（裸筋），与浸泡于55 ℃的模拟SWSSC 孔溶液的BFRP 筋和浸泡于60 ℃碱溶液的BFRP 筋退化速度相当. 相比于升温模拟环境，真实海水浸泡下SWSSC包裹的BFRP 筋的拉伸强度在腐蚀后期退化缓慢，并逐步趋于稳定，而直接浸泡在模拟溶液中的BFRP 筋拉伸强度在腐蚀后期仍具有明显的退化趋势. 原因可由以下两点解释：

    图11 不同环境下BFRP筋的拉伸强度保留率退化

    （2）海水中的SO2-4和Mg2+与氢氧化钙和水化铝酸钙发生反应生成难溶性物质，使海水海砂混凝土内部更加密实，从而增大了腐蚀介质扩散到BFRP筋表面的难度，后期BFRP筋退化缓慢.

    由图12 可知，真实海水浸泡下SWSSC 内的GFRP 筋退化慢于升温模拟环境下GFRP 筋的退化. 本次试验进行过程中真实海水的平均温度超过了30 ℃，但与GFRP 筋裸筋浸泡于恒温32 ℃模拟SWSSC 孔溶液相比，真实海水浸泡下SWSSC内的GFRP筋退化速度仍较慢.

    图12 不同环境下GFRP筋的拉伸强度保留率退化

    2.3 弹性模量变化弹性模量测试结果列于表4中.

    表4 BFRP筋和GFRP筋弹性模量表

    图13 为BFRP 筋和GFRP 筋弹性模量的退化曲线，如图所示，真实海水浸泡下海水海砂混凝土内的BFRP筋和GFRP筋的弹性模量没有产生太大变化.

    图13 弹性模量保留率退化曲线

    FRP筋的弹性模量可由公式（3）表示［9］.

    式中，Ec、Em、Ef、Vm和Vf分别为FRP 筋弹性模量、树脂基体弹性模量、纤维弹性模量、FRP 筋的树脂体积分数和纤维体积分数.

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    玄武岩纤维弹性模量为79.3～93.1 GPa、E-玻璃纤维弹性模量为72.5～75.5 GPa，远高于环氧树脂的弹性模量（1.8～4.1 GPa），故FRP筋弹性模量主要取决于纤维的弹性模量. 两种筋材弹性模量没有发生明显的退化，表明了经过90 d的真实海水浸泡，海水海砂混凝土内的两种筋材纤维没有产生大的损伤，上述对两种FRP筋的SEM分析同样证明了这一点.

    2.4 BFRP筋拉伸强度预测 本次试验，BFRP 筋拉伸强度退化出现了退化平稳段. 故本部分仅对海洋环境下海水海砂混凝土内的BFRP筋拉伸强度进行预测.退化模型［19］表达式如（4）所示：

    式中：Y为强度保留率；
    t为时间；
    Y∞、τ为拟合参数.

    该退化模型假定：腐蚀初始，FRP筋的性能退化较快，之后性能退化变慢，最后趋向稳定. 本次试验得到的真实海水浸泡下海水海砂混凝土内的BFRP 拉伸强度退化规律符合该假定. 另外，该模型指出FRP材料力学性能退化的主要原因为纤维-树脂界面的脱粘，此退化机理已被之前的研究［5，9］所验证. 故结合本次试验所得数据与该退化模型进行强度保留率预测.

    BFRP 筋拉伸强度保留率拟合曲线如图14 所示. 结合本次试验数据与上述退化模型得到的拟合参数为：Y∞=44.7%，τ=18.4，R2=0.99；
    文献［12］中，研究者将BFRP 筋包裹在保护层厚度为32 mm 的普通混凝土内部后，浸泡于60℃的自来水中，结合其试验数据与退化模型得到的拟合参数为：Y∞=46.2%，τ=16.3，R2=0.98；
    文献［17］中，研究者将BFRP 筋包裹在厚度为20 mm 的海水海砂混凝土砂浆内部后，浸泡于室温下的人工海水中，结合其试验数据与退化模型得到的拟合参数为：Y∞=35.9%，τ=19.9，R2=0.98.

    图14 BFRP筋拉伸强度保留率拟合曲线

    在混凝土内部的水中，只有自由水和部分吸附水可以运输对FRP 筋有较大损伤的OH-等离子成分，混凝土内部的自由水和吸附水的含量与环境相对湿度密切相关［20］.

    本试验采用真实海水浸泡的方式研究海水海砂混凝土内BFRP 筋的退化，环境相对湿度为100%，混凝土内部处于吸水饱和状态，这种情况下混凝土内部环境对BFRP 筋的损伤最大；
    而实际结构所处的环境，环境相对湿度绝大多数情况都小于100%.

    Huang 等［20］学者提出环境相对湿度修正系数nH，以此来表达环境相对湿度对混凝土内的FRP 筋退化的影响，其大小为混凝土内可运输OH-等对FRP 筋有侵蚀性的离子的自由水和吸附水之占比，nH可按表5通过线性内插法取值.

    表5 修正系数nH取值

    引入环境相对湿度修正系数nH和相应的拟合参数后，海水海砂混凝土内BFRP 筋拉伸强度预测模型为：

    海口市年平均相对湿度为82%（数据来自国家气象科学数据中心），通过线性内插法计算得到对应的nH为0.442. 通过式（5）的计算，50 年后，海口市年平均环境相对湿度条件下，海水海砂混凝土内BFRP 筋拉伸强度保留率为75.6%.

    需要注意的是，本文对真实海水环境下海水海砂混凝土内BFRP筋的长期性能预测为初步探索，并且本文所得试验数据以及BFRP 筋长期性能的预测仅适用于本文所处的环境和所用的材料，需要后续更多的试验数据来补充和完善真实海水环境下海水海砂混凝土内BFRP筋的长期性能预测.

    本文对真实海水浸泡下海水海砂混凝土砂浆内的BFRP 筋和GFRP 筋拉伸性能退化规律进行了试验研究，并对两种FRP筋在腐蚀前后的断面进行了SEM观测. 得出如下结论：

    （1）经过90 d 的真实海水浸泡，海水海砂混凝土内的BFRP 筋拉伸强度退化显著，而GFRP 筋保持很高的强度保留率. 两种FRP 筋在海水海砂混凝土内拉伸强度退化主要由树脂的水解、纤维-树脂界面性能退化引起.

    （2）经过90 d 的真实海水浸泡，海水海砂混凝土内的BFRP 筋和GFRP 弹性模量基本无退化，FRP 筋的弹性模量主要取决于纤维的模量，这也表明BFRP筋和GFRP筋纤维模量无明显退化.

    （3）相比裸筋浸泡于腐蚀溶液中，由于外层混凝土层的保护，真实海水浸泡下海水海砂混凝土内的BFRP 筋在退化后期退化速度缓慢，强度保留率趋于稳定；
    真实海水浸泡下海水海砂混凝土内的GFRP 筋退化很慢.

    （4）依据试验数据进行预测，得到：海南省海口市真实海水环境下（年平均相对湿度为82%）海水海砂混凝土内的BFRP 筋拉伸强度保留率在50 a 后的预测值为75.6%（所得结果仅代表本文所用材料和所处试验环境）.

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