海洋环境下碳-玻璃纤维混杂筋吸湿行为和层间剪切性能研究 潘云锋 施佳君 俞一洵 咸贵军(1.浙江理工大学建筑工程学院, 杭州 310018; 2.哈尔滨工业大学土木工程学院, 哈尔滨 150090)0 引 言钢筋混凝土结构采用海水海砂制备或暴露在氯盐环境(近海地区、海洋环境等)中,由于氯离子渗透引起钢筋锈蚀,导致混凝土结构过早面临耐久性问题采用纤维筋替代钢筋增强混凝土结构,可以避免钢筋锈蚀问题,大幅提升结构在恶劣环境(如海水浸泡、盐雾、湿热环境等)下的使用寿命[1-3]考虑到耐腐蚀性能和价格等因素,玻璃纤维筋(GFRP筋)广泛应用于海工结构中通常混凝土孔溶液为碱性,pH值为12.4～13.7[4],孔溶液中OH-离子侵蚀玻璃纤维和环氧树脂基体,导致GFPR筋力学性能劣化[5-6]因此,有必要开展GFRP筋在恶劣环境(如水、碱、盐环境等)下的耐腐蚀性能提升技术,延长GFRP筋增强混凝土结构的服役寿命随着老化时间增加、老化温度升高、pH值增大,GFRP筋力学性能退化[7]在碱溶液(pH=12.7)下老化30 d和120 d,GFRP筋拉伸强度分别下降了2%和10%[8]随着老化温度升高,GFRP筋拉伸强度进一步退化。
碱溶液浸泡120 d后,60 ℃下GFRP筋拉伸强度比20 ℃下降了32%[9]随着碱溶液pH值增大,GFRP筋力学性能进一步退化在55 ℃碱溶液pH=13.6和pH=12.7下老化63 d,GFRP筋层间剪切强度分别退化了42%和14%[10]GFRP筋力学性能劣化主要来源树脂基体水解、玻璃纤维刻蚀和纤维-树脂界面脱黏[11]纤维-树脂界面作用在于保证纤维和树脂通过界面传递应力,使得纤维和树脂协同受力,界面黏结的好坏对GFRP筋短/长期力学性能起着重要作用[12]GFRP筋内树脂基体吸湿膨胀,形成湿应力,一旦湿应力超过纤维-树脂基体界面黏结强度,形成微裂纹,加速水分子、OH-离子迁移到GFRP筋内部[9, 13]迁入的自由OH-离子与玻璃纤维反应,打断玻璃纤维的-Si-O-Si-主链,刻蚀玻璃纤维,促使裂缝进一步萌生、扩展,导致GFRP筋力学性能下降[4]相比玻璃纤维,碳纤维具有更高耐腐蚀性能[14],但其价格昂贵,较难制备成土木工程用筋材在混凝土结构中广泛推广应用在GFRP筋外表面包裹高耐腐蚀的薄碳纤维层,制备碳-玻璃纤维混杂(HFRP)筋,阻隔玻璃纤维与OH-接触,解决玻璃纤维被OH-刻蚀问题,减缓GFRP筋力学性能劣化速率[15],实现海工结构用FRP筋低成本和高耐久性能的平衡。
水分子、有害离子由FRP筋表面向内部迁移,同时伴随着FRP筋由表及里梯度劣化[16]碳纤维材料(CFRP)和GFRP材料的吸湿行为差异较大[17]相似纤维体积含量下,CFRP材料的扩散系数比GFRP材料高出50%[18]碳纤维-树脂和玻璃纤维-树脂界面厚度分别为约100 nm和100～300 nm,纤维-树脂界面饱和吸湿率、扩散系数均大于树脂基体[19]碳纤维外层和玻璃纤维芯层复合后,其玻璃纤维、碳纤维交接界面纤维分布密集,水分子扩散路径复杂,且极易应力集中[20]因此,水分子在HFRP筋内迁移和分布行为,与玻璃纤维芯层和碳纤维外层的吸湿行为均有关,由于两者纤维直径、纤维-树脂界面属性差异较大,有必要研究HFRP筋的吸湿行为,及其对HFRP筋力学性能的影响强碱溶液(模拟普通混凝土孔溶液)下HFRP筋力学性能演化规律的研究结果表明,碳纤维外包裹GFRP筋能够有效提升其耐碱性能,在21,40,60 ℃强碱溶液下老化140 d后,其层间剪切强度保留率分别比同等侵蚀条件下GFRP筋提高了7%、69%和38%[15]实际海洋环境下,海工混凝土内GFRP筋不仅面临混凝土碱性离子的侵蚀,同时还面临着水分子、氯离子与OH-耦合作用等因素影响。
目前国内外对于HFRP筋在水分子、OH-离子、氯离子及其耦合环境对HFRP筋长期力学性能影响及其劣化机制研究较少鉴于此,通过研究水,强、弱碱和盐碱溶液下GFRP和 HFRP裸筋的吸湿行为和长期力学性能,并与水、模拟海水环境下砂浆包裹GFRP、HFRP筋层间剪切强度进行对比分析,揭示水分子、氯离子、OH-离子、砂浆包裹等对GFRP和HFRP筋力学性能劣化的影响机理基于Arrhenius理论,开展强碱、盐碱溶液下GFRP和HFRP裸筋的长期服役寿命预测1 试验材料及方法1.1 试验材料GFRP筋和HFRP筋由哈尔滨工业大学FRP复合材料与结构实验室设计,并由哈尔滨玻璃钢研究院有限公司生产,名义直径均为8 mm,如图1a所示树脂基体采用双酚A型环氧树脂(E-51)及其固化剂甲基六氢邻苯二甲酸酐(MeHHPA),FRP筋所用拉挤机固化区温度为180 ℃,纤维拉伸速率为40 cm/min,FRP筋参数如表1所示HFRP筋制备过程如图1b所示HFRP筋芯层GFRP半径约为3.3 mm,皮层CFRP厚度约为0.7 mma—GFRP筋和HFRP筋; b—HFRP筋制备过程图1 GFRP筋和HFRP筋[15]Fig.1 GFRP and HFRP bars表1 FRP筋材料参数Table 1 Parameters of FRP bars利用动态热机械分析仪(DMA),测试GFRP筋和HFRP筋玻璃化转变温度,所用DMA设备为美国TA公司生产,型号为Q800。
利用精密切割仪切割FRP筋试样尺寸约为17.5 mm×8.5 mm×2 mm采用单悬臂梁夹具进行测试,采样频率为1 Hz,损耗因子峰值所对应的温度定义为TgGFRP筋和HFRP筋的玻璃化转变温度分别为165,159 ℃1.2 试验环境采用加速老化试验方法,分别模拟湿热环境、混凝土内环境、海洋环境下FRP筋的服役工况,所设计的加速老化试验环境和筋材处理如表2所示配制的强碱溶液、弱碱溶液和盐碱溶液化学成分如表3所示[10]Arrhenious理论表明升高温度可加速FRP筋劣化,老化温度分别采用室内常温、40 ℃和60 ℃经检测,试验期间室内平均温度为21 ℃表2 加速老化试验的6种模拟环境Table 2 Accelerated six simulatedenvironments for aging test表3 碱溶液和盐碱溶液的化学成分Table 3 Chemical compositions of alkali solutionand saline-alkali solution图2为砂浆包裹FRP筋试样的照片和几何尺寸采用外径63 mmPVC管,FRP筋居中放置,倒入砂浆振捣密实24 h后拆除PVC管,试件在常温常湿环境中养护28 d后,放入蒸馏水和模拟海水中开展耐久性试验。
a—砂浆包裹FRP筋实物图;b—砂浆包裹FRP试样的几何尺寸,mm图2 砂浆包裹FRP筋实物图和几何尺寸Fig.2 The picture of mortar wrapped-embedded FRPbars and the schematic diagram of sizes1.3 FRP筋吸湿试验为研究不同侵蚀环境对FRP筋吸湿行为的影响,采用长度为50 mm的 FRP筋试样进行吸湿测试采用电子天平(精度为± 0.01 mg)测试FRP筋质量,每组试样有10个,试验结果取平均值初始质量记为M0,各个时间节点ti对应的质量记为Mi,则对应时间点ti的FRP筋质量变化率可按下式计算[21]:(1)式中:wt为质量吸湿率,%;M0为试样的初始质量,g;Mi为ti时刻的试样质量,g1.4 短梁剪切试验采用短梁剪切试验方法测试FRP筋层间剪切强度,表征纤维-树脂的界面性能[22]图3为短梁剪切测试照片考虑工程实际应用中,由于FRP筋长度远大于直径,试验仅考虑水分子沿着垂直纤维方向扩散但沿着纤维方向水分子扩散速率远大于垂直于纤维方向,因此,在老化试验前采用结构胶封闭FRP筋端部,阻止水分子沿着纤维方向扩散。
ASTM D4475标准推荐跨径比为1/3～1/6[22]采用径跨比为1/4,FRP筋名义直径为8 mm,其支座之间净跨设定为32 mm短梁剪切试验采用MTS-CMT4304电子万能试验机进行加载根据ASTM D4475标准要求,试验加载速率选定为1.3 mm/min每一测试点至少4根有效FRP筋试样,结果取平均值图3 短梁剪切测试Fig.3 Short-beam shear test根据ASTM D4475标准规定[22],FRP筋层间剪切强度通过式(2)计算:τmax=0.849Pmax/D2(2)式中:τmax为FRP筋的最大层间剪切应力,即为FRP筋层间剪切强度,MPa;D为FRP筋直径,mm;Pmax为最大承载力,kN2 结果与讨论2.1 破坏模式图4为老化前后GFRP和HFRP裸筋的层间剪切破坏模式由图4a和图4b可知,未老化GFRP和HFRP裸筋短梁剪切破坏是沿着纤维长度方向开裂,直至层间承载力完全丧失由图4c、4d、4g、4h可知,水、弱碱溶液下,GFRP和HFRP裸筋层间剪切破坏模式与未老化试样相似,裂缝沿着纤维方向扩展,引起层间剪切承载力失效破坏由此可知,水、弱碱溶液对GFRP和HFRP裸筋破坏模式影响较小。
由图4e、4f、4i、4j可知,在强碱、盐碱溶液下,老化后GFRP裸筋表面大量树脂水解,纤维裸露盐碱溶液下GFRP裸筋端部破坏比强碱溶液下的更严重通过肉眼可分辨,在强碱、盐碱溶液下HFRP裸筋表层树脂水解程度小于GFRP裸筋,且HFRP裸筋破坏模式仍为层间剪切破坏可见,强碱、盐碱溶液下HFRP裸筋比GFRP裸筋劣化小,碳纤维外层为芯层GFRP筋提供了保护作用,延缓芯层GFRP筋劣化速率a—未老化GFRP筋; b—未老化HFRP筋; c—水溶液下GFRP筋;d—水溶液下HFRP筋; e—强碱溶液下GFRP筋; f—强碱溶液下HFRP筋; g—弱碱溶液下GFRP筋; h—弱碱溶液下HFRP筋;i—盐碱溶液下GFRP筋; j—盐碱溶液下HFRP筋图4 GFRP裸筋和HFRP裸筋层间剪切破坏模式Fig.4 Interlayer shear failure modes of GFRP and HFRP bars after testa—水溶液下普通砂浆包裹GFRP筋; b—水溶液下普通砂浆包裹HFRP筋; c—模拟海水溶液下普通砂浆包裹GFRP筋;d—模拟海水溶液下普通砂浆包裹HFRP筋; e—模拟海水溶液下海水砂浆包裹GFRP筋; f—模拟海水溶液下海水砂浆包裹HFRP筋。
图5 砂浆包裹GFRP筋和HFRP筋层间剪切破坏模式Fig.5 Interlayer shear failure modes of mortarwrapped GFRP and HFRP bars图5为老化前后砂浆包裹GFRP筋和HFRP筋层间剪切破坏模式所有试样的裂缝均沿着纤维长度方向扩展,层间剪切破坏,继续施加荷载导致受拉一侧FRP筋纤维拉断老化后砂浆包裹GFRP筋和HFRP筋表面形貌与水、弱碱溶液下FRP裸筋相似,表面保持完整,且在水、模拟海水溶液下砂浆包裹GFRP筋和HFRP筋破坏模式,与水、弱碱溶液直接浸泡环境下FRP裸筋一致2.2 FRP筋吸湿行为图6为GFRP和HFRP裸筋吸湿率随时间变化情况随着老化时间增加,GFRP和HFRP裸筋吸湿率增加浸泡110 d后GFRP和HFRP裸筋吸湿率如表4所示a—水溶液;b—强碱溶液;c—弱碱溶液;d—盐碱溶液试样名称中G代表GFRP筋;H代表HFRP筋;W代表水溶液;NC代表强碱溶液;HC代表弱碱溶液;SS代表盐碱溶液;T21、T40和T60分别代表21 ℃、40 ℃和60 ℃图6 GFR。