程 濤 （安徽省公路橋梁工程有限公司，安徽 合肥 230001）

鋼筋混凝土由于具有受力性能良好、造價(jià)低廉等優(yōu)勢(shì)，因此在建筑工程中得到了廣泛應(yīng)用，但也存在鋼筋的腐蝕嚴(yán)重、防腐蝕處理費(fèi)用等諸多不利因素，特別是地下水豐富等周圍復(fù)雜環(huán)境的地下工程，混凝土的耐久性很難得到保證，因此近年來國內(nèi)外紛紛采用GFRP筋材（玻璃纖維增加塑料筋）來代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋用于地下工程，由于這種材料具有抗拉強(qiáng)度高、密度較小、耐腐蝕、不導(dǎo)電不導(dǎo)磁等優(yōu)點(diǎn)，因此，在地下工程中得到了廣泛應(yīng)用。GFRP筋材主要由玻璃纖維和環(huán)氧樹脂所組成高分子合成材料，其物理力學(xué)性能受材料組成、制作工藝等因素影響，表現(xiàn)出很強(qiáng)的離散性特點(diǎn)，其中玻璃纖維是一種性能優(yōu)良的無機(jī)非金屬材料，其主要成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等，但應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)工程時(shí)多遇酸性、堿性等復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，易出現(xiàn)老化嚴(yán)重、強(qiáng)度衰減的現(xiàn)象，因此，配置GFRP筋材的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性必然受到相互粘結(jié)、協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)組成材料的耐久性及周圍工作環(huán)境所影響。

回顧國內(nèi)外對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)塑料筋的研究，主要體現(xiàn)在GFRP筋材的基本物理力學(xué)性能、筋材錨固段和桿體最佳形式等幾個(gè)方面，且集中于桿件的短期力學(xué)性能，缺乏對(duì)其長期力學(xué)性能的驗(yàn)證，未涉及實(shí)際復(fù)雜環(huán)境下GFRP筋材耐久性及抗腐蝕性研究，而實(shí)際工程中的GFRP筋材往往在早期力學(xué)性能能達(dá)到結(jié)構(gòu)承載力要求，但材料本身在周圍復(fù)雜環(huán)境下（酸、堿）的長期影響下，各項(xiàng)力學(xué)性能逐漸衰減，造成配置GFRP筋材結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)開裂、承載力不足等嚴(yán)重危害結(jié)構(gòu)安全的后果，因此，開展GFRP筋材力學(xué)性能隨時(shí)間及溶液溶度衰減規(guī)律就顯得尤為重要。

本文通過高溶度加速老化試驗(yàn)，分別在酸性及堿性環(huán)境下對(duì)GFRP筋進(jìn)行力學(xué)性能及質(zhì)量的試驗(yàn)研究，分析GFRP筋在腐蝕條件下的力學(xué)性能衰減規(guī)律，揭示溶液濃度、腐蝕時(shí)間等因素對(duì)GFRP筋材力學(xué)性能的作用機(jī)理，從而為地下工程中的GFRP筋材防腐及耐久性研究提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

為研究腐蝕時(shí)間和腐蝕溶度這兩種因素對(duì)GFRP筋材耐久性的影響，故在本次試驗(yàn)中采取三種不同腐蝕溶度，分別為D、50%D、25%D(D為最高溶度)，和三種不同腐蝕時(shí)間，分別為900小時(shí)、1200小時(shí)、1500小時(shí)。分別在酸、堿兩種溶液中進(jìn)行18組試驗(yàn)2*（900小時(shí)、1200小時(shí)、1500小時(shí)）*（D、50%D、25%D）。

試驗(yàn)采用Φ18螺紋GFRP筋材，將筋材切割編號(hào)，切割長度為500mm，共切割54根，分為18個(gè)組，每組三根。試驗(yàn)分別按時(shí)間因素及溶度因素控制下的腐蝕兩種方式進(jìn)行，編號(hào)采用透明膠帶粘貼編號(hào)于GFRP筋材之上，編號(hào)規(guī)則為A（酸性）、B（堿性），腐蝕溶度分別為D1（最高溶度）、D2（50%最高溶度）、D3（25%最高溶度），浸泡時(shí)間分別為S1(900小時(shí))、S2（1200小時(shí)）、S3（1500小時(shí)），則AD2S3表示筋材在50%最高溶度酸性溶液中浸泡1500小時(shí)。

2 試驗(yàn)方法

第一步：配置溶液。在自然環(huán)境中對(duì)材料的腐蝕主要有酸、堿性地質(zhì)環(huán)境、海水環(huán)境、酸雨、砂漿、混凝土等，本次試驗(yàn)采用高溶度加速試驗(yàn)方法，酸性環(huán)境采用HSO配置，堿性環(huán)境采用NaOH配置，其具體溶液配置見表1。

第二步：筋材浸泡。將筋材編號(hào)后利用電子秤稱重并進(jìn)行記錄，在6個(gè)水箱中分別加入20L水，并將按表1配置的腐蝕溶液倒入并攪拌均勻，將GFRP筋材按編號(hào)對(duì)應(yīng)浸泡于各水箱中，分別在規(guī)定時(shí)間（S1、S2、S3）后取出，沖洗烘干后再次稱重并記錄。

腐蝕溶液溶度配置 表1

第三步：抗拉試驗(yàn)。試驗(yàn)參考美國ACI440.3R-04中的相關(guān)試驗(yàn)方法，因GFRP筋材橫向抗壓和抗剪強(qiáng)度較低，為防止夾持部分出現(xiàn)提前壓碎的無效破壞，需對(duì)GFRP筋材夾持端進(jìn)行清洗處理，并使用玻璃纖維布和環(huán)氧樹脂進(jìn)行包裹。試驗(yàn)在萬能材料試驗(yàn)機(jī)（CSSWAW500DL）上進(jìn)行，施工連續(xù)外荷載時(shí)每隔2kN讀取應(yīng)變值，直到試件破壞，從而獲得GFRP筋材應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線。

3 酸性環(huán)境下腐蝕試驗(yàn)研究

當(dāng)GFRP筋材在酸性環(huán)境時(shí)，酸性物質(zhì)向GFRP筋材基體擴(kuò)散，導(dǎo)致纖維與樹脂基體剝離，并存在一定程度的水解，水解使分子鏈發(fā)生斷裂或降低交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的固化度，使得玻璃纖維中Ca元素顯著減少，當(dāng)環(huán)境中含有SO2離子時(shí)，桿體材料會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成CaS0并溶于環(huán)境中，從而導(dǎo)致GFRP筋材強(qiáng)度及彈性模量值下降?，F(xiàn)有文獻(xiàn)在30d、60d酸性腐蝕試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)表明：試件表面和直徑并無明顯變化，其抗拉和抗剪強(qiáng)度有所降低。

從腐蝕結(jié)果的表面現(xiàn)象上看，D3S1的一組GFRP筋材表面未發(fā)生明顯化學(xué)反應(yīng)，桿體外觀基本無明顯變化；D3S2、D2S1這兩組GFRP錨桿桿體外觀局部區(qū)域出現(xiàn)白色；其他各組桿體表面隨著酸性溶液溶度的不斷增大及腐蝕時(shí)間的不斷增長，錨桿表面呈現(xiàn)灰白色的深度不斷增大，說明桿體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的程度越發(fā)強(qiáng)烈。當(dāng)溶度達(dá)到最高溶度后，在腐蝕時(shí)間達(dá)到1500小時(shí)后，玻璃纖維中Ca元素與溶液中離子發(fā)生反應(yīng)生成類似CaSO附著于筋材表面，故桿體呈現(xiàn)灰白色。

①重量變化情況

試驗(yàn)結(jié)束后，用水沖洗試件并靜置半小時(shí)再烘干稱重，腐蝕前后重量對(duì)比如表2所示。

由表2可知，在25%最大溶度的酸性溶液浸泡時(shí)，當(dāng)腐蝕時(shí)間由900小時(shí)增加到1500小時(shí)后，其重量減小幅度僅從0.027%增加到0.041%；而在最大溶度浸泡時(shí)，其重量減小幅度由0.112%增加到0.160%，增加幅度相對(duì)較大，且減小重量值遠(yuǎn)大于25%溶度時(shí)的。當(dāng)GFRP筋材浸泡在25%最大溶度、浸泡1500小時(shí)后，重量損失率為0.041%，而當(dāng)GFRP筋材浸泡在50%最大溶度中浸泡900小時(shí)后，重量損失率為0.060%，說明筋材在低溶度時(shí)即使浸泡較長時(shí)間后的重量損失率還是小于高溶度時(shí)較短時(shí)間的重量損失率。說明腐蝕時(shí)間及溶液溶度均影響GFRP筋材的腐蝕程度，但溶液溶度的影響程度更為明顯。

GFRP筋材腐蝕前后重量對(duì)比 表2

②力學(xué)性能變化情況

按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將腐蝕前后GFRP筋材進(jìn)行對(duì)比拉撥試驗(yàn)，當(dāng)GFRP筋材被拉斷后立刻停止試驗(yàn)，記錄相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，腐蝕前材料抗拉強(qiáng)度為706.9MPa、彈性模量為42.3GPa。腐蝕后筋材極限抗拉強(qiáng)度及彈性模量見表3所示。

GFRP筋材酸性環(huán)境腐蝕后力學(xué)性能 表3

由表3可知，隨著腐蝕時(shí)間及酸性溶液溶度的不斷增加，GFRP筋材抗拉強(qiáng)度及彈性模量值均逐漸減小。在25%最大溶度的酸性溶液時(shí)，當(dāng)腐蝕時(shí)間由1200小時(shí)延長到1500小時(shí)后，抗拉強(qiáng)度下降了近1.25%；而在最大溶度時(shí)，抗拉強(qiáng)度則僅下降了0.58%。因此，隨著溶度增加，筋材抗拉強(qiáng)度隨腐蝕時(shí)間增加而降低的幅值越發(fā)不明顯。

從腐蝕機(jī)理來分析，筋材在腐蝕溶液內(nèi)發(fā)生物理溶解或化學(xué)反應(yīng)是造成GFRP桿體重量下降和抗拉強(qiáng)度及彈性模量降低的主要原因。在酸性環(huán)境下筋材部分酯化水解反應(yīng)溶于水以及玻璃纖維中Ca元素與溶液中離子發(fā)生反應(yīng)生成類似CaS0，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)遭到破壞。同時(shí)腐蝕使得玻璃纖維與樹脂界面的粘結(jié)性能變差，造成拉伸試驗(yàn)時(shí)單位應(yīng)力值所需的應(yīng)變量增加，彈性模量值減小。在低溶度下筋材腐蝕不明顯的原因是因在酸性條件下H要達(dá)到一定溶度后，筋材才能電離出部分Ca離子來發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以導(dǎo)致低溶度下筋材腐蝕失重率及抗拉強(qiáng)度和彈性模量下降并不明顯。而筋材在酸性環(huán)境下先快后慢的腐蝕速率，是由于前期與溶液中S02離子反應(yīng)生成的CaS0附著于玻璃纖維及樹脂表面，阻礙了化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致后期腐蝕減緩，且溶度越大，后期減緩腐蝕越明顯，腐蝕速率相應(yīng)也隨之減小。

4 堿性環(huán)境下腐蝕試驗(yàn)研究

當(dāng)GFRP筋材在堿性環(huán)境時(shí)，堿性物質(zhì)向筋材基體擴(kuò)散滲透，加水分解引起樹脂中酯結(jié)合生成羧酸(或其鹽類)和乙醇，導(dǎo)致玻璃纖維成分的溶析和樹脂的分解，其中筋材中部分硅元素生成氧化硅并溶于環(huán)境中，從而導(dǎo)致筋材強(qiáng)度下降?，F(xiàn)有文獻(xiàn)在GFRP筋材抗堿腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明：堿性環(huán)境下對(duì)筋材腐蝕性較強(qiáng)，桿體直徑有所減少且表面顏色產(chǎn)生變化，對(duì)筋材桿體抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度較酸性環(huán)境影響更大。

從腐蝕后表面現(xiàn)象上看，筋材在堿性環(huán)境下表面出現(xiàn)不同程度的灰白色，且白色深度隨著腐蝕時(shí)間的增長及堿性溶液溶度的增大而逐漸加深。當(dāng)腐蝕時(shí)間較長、溶液溶度較大時(shí)，筋材表面出現(xiàn)部分黏稠的熔脹現(xiàn)象，可能是因樹脂中的酯發(fā)生水解反應(yīng)結(jié)合生成鹽類和乙醇，且玻璃纖維中Si元素與OH離子發(fā)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，生成部分氧化硅等產(chǎn)物，導(dǎo)致筋材表面出現(xiàn)灰白色，且在長時(shí)間的堿性環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)局部溶脹的現(xiàn)象。

①腐蝕重量的變化情況

試驗(yàn)結(jié)束后，將試件用清水沖洗后靜置半小時(shí)再烘干后稱重，在不同溶度、不同腐蝕時(shí)間下的腐蝕前后重量對(duì)比如下表。

由表4可知，在堿性腐蝕環(huán)境下，筋材重量下降在0.041%～0.208%之間，筋材重量下降速度在整個(gè)過程中基本相同；在低溶度時(shí)的重量損失率大約在0.05%；而當(dāng)溶度增加到1.5%和3%時(shí)，其失重率增加到0.12%和0.18%左右，可以看出在堿性環(huán)境下，低溶度時(shí)桿體腐蝕程度相對(duì)較小，隨著溶度的增加，桿體失重率并非線性增加，而是先大幅增加，后小幅增大。同一溶度時(shí)筋材腐蝕速度在整個(gè)過程中基本未發(fā)生變化，當(dāng)在不同溶度時(shí)腐蝕速率不盡相同，當(dāng)腐蝕時(shí)間由900小時(shí)增加到1500小時(shí)，溶度在相對(duì)較低溶度時(shí)所對(duì)應(yīng)的損失率由0.041%增加到0.053%，增加幅度相對(duì)有限，而在相對(duì)較大溶度（3%溶度）時(shí)所對(duì)應(yīng)損失率由0.158%增加到0.208%，增加幅度相對(duì)較大，說明溶度增加能顯著提高筋材的腐蝕速率。

GFRP筋材堿性環(huán)境下腐蝕前后重量對(duì)比 表4

從腐蝕機(jī)理來看，腐蝕環(huán)境為堿性溶液時(shí)筋材重量減少量較酸性腐蝕環(huán)境要大。這是由于在堿性環(huán)境中筋材中樹脂發(fā)生分解反應(yīng)引起樹脂中酷結(jié)合生成酸以及部分氧化硅產(chǎn)物，且當(dāng)反應(yīng)量較多時(shí)產(chǎn)生溶脹現(xiàn)象，從而進(jìn)一步促成水解反應(yīng)，導(dǎo)致重量降低量大于酸性環(huán)境中的。

②腐蝕前后力學(xué)性能的變化

在現(xiàn)有規(guī)范條件下對(duì)腐蝕前后GFRP筋材進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，腐蝕前材料的抗拉強(qiáng)度為706.9MPa，彈性模量為42.3GPa；試驗(yàn)后GFRP筋材的極限抗拉強(qiáng)度及彈性模量見表5所示。

由表5可知，在最大溶度的25%、50%、100%時(shí)，抗拉強(qiáng)度減小幅度分別約為3.5%、9.5%、15%。當(dāng)腐蝕時(shí)間由900小時(shí)延長到1500小時(shí)，在最大溶度25%堿性溶液時(shí)，抗拉強(qiáng)度降低幅度由3.57%增加到3.99%，變化幅度相對(duì)較小；而在最大溶度時(shí)，降低幅度由13.16%增加到16.71%，變化幅度相對(duì)較大。在最大溶度的25%、50%、100%時(shí)筋材彈性模量分別約為41.0GPa、39.5GPa、38.0GPa。當(dāng)腐蝕時(shí)間由900小時(shí)延長到1500小時(shí)，在最大溶度25%時(shí)彈性模量減小率由2.08%增加到3.64%，減小幅度相對(duì)較小，而在最大溶度時(shí)的增加率由9.03%增加到12.42%，減小幅度相對(duì)較大。因此，隨著腐蝕時(shí)間及堿性溶液溶度的不斷增加，GFRP筋材的抗拉強(qiáng)度及彈性模量值均逐漸減小，且溶度越高，力學(xué)性能隨腐蝕時(shí)間增加而衰減的幅度越發(fā)明顯。

GFRP筋材堿性環(huán)境腐蝕后力學(xué)性能 表5

從腐蝕機(jī)理來看，由于堿性環(huán)境中樹脂中的酯發(fā)生水解反應(yīng)生成羧酸以及玻璃纖維和樹脂中硅元素反應(yīng)生成氧化硅類產(chǎn)物，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)遭到破壞，造成筋材抗拉強(qiáng)度降低；同時(shí)溶液也腐蝕了玻璃纖維與樹脂界面，使得兩者的粘結(jié)性能變差，協(xié)調(diào)變形能力變?nèi)?，進(jìn)而造成筋材的彈性模量降低。

綜上可知，堿性環(huán)境中筋材中樹脂發(fā)生分解反應(yīng)后期產(chǎn)生溶脹現(xiàn)象，進(jìn)一步促成水解反應(yīng)，而在酸性環(huán)境下反應(yīng)生成物附著于筋材表面，阻礙化學(xué)反應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展，造成堿性腐蝕導(dǎo)致的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、質(zhì)量下降量均大于酸性環(huán)境中的，堿性溶液的腐蝕速率較為均勻，而酸性溶液的腐蝕速率隨腐蝕時(shí)間增加而逐漸減慢。

5 結(jié)論

本文基于室內(nèi)試驗(yàn)研究GFRP筋材在酸、堿腐蝕環(huán)境下筋材質(zhì)量及力學(xué)性能隨溶液溶度及腐蝕時(shí)間的變化規(guī)律。得出如下結(jié)論：

①在酸堿性環(huán)境下筋材中樹脂發(fā)生酯化水解反應(yīng)以及玻璃纖維中鈣元素與溶液中離子發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致筋材結(jié)構(gòu)遭到破壞；

②酸性環(huán)境中因反應(yīng)生成物附著于筋材表面，阻礙反應(yīng)發(fā)展，造成筋材的腐蝕速率先快后慢，而在堿性環(huán)境中因樹脂發(fā)生水解反應(yīng)后期產(chǎn)生溶脹現(xiàn)象，促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行，使得筋材的腐蝕速率較為均勻；

③隨著腐蝕時(shí)間及溶液溶度的不斷增加，筋材的質(zhì)量、抗拉強(qiáng)度及彈性模量值均逐漸減小，但堿性環(huán)境中筋材質(zhì)量減少量及力學(xué)性能衰減率均大于酸性環(huán)境中的。