金清平，劉運(yùn)蝶

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430065）

0 前言

FRP是由高性能纖維材料與基體材料按一定比例并經(jīng)過一定工藝復(fù)合形成的1種高性能材料[1]。FRP材料因其可塑性強(qiáng)、強(qiáng)度高、優(yōu)異的耐腐蝕性，結(jié)合混凝土在惡劣環(huán)境中被廣泛應(yīng)用[2-4]，混凝土填充在FRP管中形成FRP約束混凝土柱就是其中1種。FRP約束混凝土結(jié)構(gòu)最早由Fardis和Khalili[5]提出，F(xiàn)RP管可以充當(dāng)模板，使施工速度提高，而且對(duì)混凝土有約束作用，從而提高其強(qiáng)度和延性，降低了脆性[6-8]，如圖1所示。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于FRP約束混凝土柱已開展了大量研究，包括FRP管不同形狀[9-10]、不同纖維纏繞角度[11-12]、組合柱不同受力方式（壓[13-14]、彎[15-16]、組合受力[17-18]）、不同荷載作用方式（循環(huán)荷載[19-20]、沖擊荷載[21-22]、爆炸荷載）下的力學(xué)性能及FRP與內(nèi)部混凝土的界面黏結(jié)滑移[23]，并提出受壓應(yīng)力應(yīng)變模型[24-25]。

圖1 無約束混凝土柱和FRP約束混凝土柱的軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.1 Axial stress-strain relationship of unrestrained concrete columns and FRP confined concrete columns

由上述可知，關(guān)于FRP約束混凝土柱的力學(xué)性能研究成果較為豐富，但對(duì)于FRP約束混凝土柱耐久性能變化規(guī)律把握不夠充分，因此，本文從不同腐蝕環(huán)境、不同溫度、不同作用方式等3個(gè)方面系統(tǒng)梳理了FRP約束混凝土柱的長(zhǎng)期性能，以期為FRP約束混凝土柱應(yīng)用于惡劣環(huán)境中提供一定參考。

1 不同腐蝕環(huán)境下耐久性研究

1.1 鹽腐蝕溶液中的耐久性能

Robert[26]、張慧娟[27]、Li[28]、沈陽[29]、Li[30]等研究了玻璃纖維增強(qiáng)塑料、玄武巖纖維增強(qiáng)塑料、碳纖維增強(qiáng)塑料（G/B/CFRP）約束混凝土柱在鹽溶液中的耐久性，結(jié)果表明浸泡后FRP管的環(huán)拉強(qiáng)度大幅度下降；氯鹽浸泡后，氯離子擴(kuò)散進(jìn)入混凝土生成Friedel鹽和水化產(chǎn)物[31]，使試件的微觀結(jié)構(gòu)更為致密；通過差示掃描量熱法（DSC）、傅里葉變換紅外吸收光譜（FTIR）研究其微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)鹽溶液會(huì)使FRP材料劣化，如圖2所示，游離的羥基離子（OH-）、氯離子（Cl-）以及水分子（H2O）會(huì)在FRP材料中擴(kuò)散，樹脂基體發(fā)生水解和塑化，致使樹脂基體溶解、斷裂，OH-和Cl-等腐蝕離子會(huì)使纖維劣化，樹脂基體和纖維界面失去化學(xué)鍵合力和機(jī)械咬合力[32]，老化的玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）約束混凝土柱表面存在一定的微裂紋，這就導(dǎo)致試件飽和時(shí)吸濕量增加，但GFRP管與混凝土之間的最大黏結(jié)強(qiáng)度并未下降[33]，浸泡了365 d的GFRP與混凝土界面之間沒有明顯損傷，因此，材料的劣化是GFRP約束混凝土柱承載力下降的主要原因，浸泡后的GFRP約束混凝土柱抗壓強(qiáng)度保留率均小于1，強(qiáng)度下降顯著，承載力衰減趨勢(shì)呈現(xiàn)指數(shù)方式，浸泡時(shí)間較短時(shí)，承載力下降較快，逐漸趨于平緩。碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）約束混凝土柱表現(xiàn)出更明顯的脆性破壞特征，試件因中高區(qū)FRP斷裂破壞，混凝土破壞更嚴(yán)重，GFRP約束混凝土柱比CFRP約束混凝土柱的變形能力更好，但CFRP約束混凝土柱極限荷載更高，強(qiáng)度保留率優(yōu)于玄武巖纖維增強(qiáng)塑料、玻璃纖維增強(qiáng)塑料（B/GFRP）約束混凝土柱。隨著浸泡時(shí)間的增加，F(xiàn)RP柱的歸一化強(qiáng)度和極限應(yīng)變逐漸降低，斷裂應(yīng)力比FRP環(huán)向強(qiáng)度下降更快。

圖2 FRP材料在鹽腐蝕溶液作用下的退化機(jī)理[3， 32]Fig.2 Degradation mechanism of FRP materials under action of salt corrosion solution[3， 32]

1.2 酸、堿腐蝕溶液中的耐久性能

FRP約束混凝土柱在酸、堿腐蝕溶液中的耐久性能也是備受關(guān)注的問題，目前的研究主要集中于GFRP約束混凝土柱。唐國允[34]將GFRP約束混凝土柱分別浸泡于酸、堿性溶液中，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在堿溶液的侵蝕下，GFRP管出現(xiàn)泛白現(xiàn)象，堿性越強(qiáng)，變白程度越深；在酸溶液的侵蝕下，管外表面無明顯變化，但內(nèi)部混凝土出現(xiàn)變黃現(xiàn)象；在酸、堿溶液中浸泡后，GFRP管對(duì)混凝土套箍作用減小，變形能力和延性均下降。Guo[35]等也對(duì)酸溶液腐蝕后的GFRP管混凝土柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過酸溶液腐蝕的試件破壞模式均為GFRP管斷裂和核心混凝土被壓碎，被酸溶液腐蝕后的試件極限承載力顯著下降，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度下降越明顯，酸溶液pH值越小，試件的極限承載力越低，初始剛度隨酸溶液的pH值降低而降低。GFRP約束混凝土柱在酸堿腐蝕溶液中的抗壓強(qiáng)度保留率如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)在酸、堿腐蝕溶液浸泡后GFRP約束混凝土柱的抗壓強(qiáng)度保留率均有所下降，這是因?yàn)樗帷A溶液會(huì)以類似于水浸泡的形式使FRP材料發(fā)生降解，2種溶液都可能進(jìn)入GFRP內(nèi)部使纖維和基體水解和溶脹，產(chǎn)生微裂紋降低GFRP材料的強(qiáng)度[3，36]，圖4為 GFRP在堿溶液作用下的掃描電子顯微鏡（SEM）照片，初始時(shí)，纖維與樹脂基體黏結(jié)緊密，但在堿溶液作用后，氫氧化鈣會(huì)在纖維表面成核，纖維和樹脂基體均出現(xiàn)明顯損傷，兩者排列松散，黏結(jié)減弱[36]。還有學(xué)者將鹽溶液與堿溶液混合，開展GFRP管混凝土柱的力學(xué)性能退化研究，孫強(qiáng)[37]將GFRP管混凝土柱浸泡在20、40、60 ℃的鹽堿混合溶液中，研究結(jié)果表明GFRP管能減緩鹽堿對(duì)核心混凝土的侵蝕，但浸泡后構(gòu)件內(nèi)部缺陷仍會(huì)增加，極限承載力下降明顯，剛度大幅度下降。

圖3 GFRP約束混凝土柱在酸堿腐蝕溶液中的抗壓強(qiáng)度保留率[34-35]Fig.3 Retention of compressive strength of GFRP confined concrete column in acid and alkali corrosion solution[34-35]

圖4 GFRP材料在堿溶液作用下的SEM照片[36]Fig.4 SEM images of GFRP material under action of alkali solution[36]

2 不同溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

2.1 高溫對(duì)力學(xué)性能的影響

溫度對(duì)FRP約束混凝土柱力學(xué)性能也會(huì)產(chǎn)生影響。高溫會(huì)加速FRP約束混凝土柱在腐蝕溶液中的老化，單獨(dú)的高溫作用也會(huì)影響FRP約束混凝土柱的力學(xué)性能。Guo[38]、Tabatabaeian[39]等開展了高溫作用下FRP約束混凝土柱的力學(xué)性能研究，試驗(yàn)表明在軸壓荷載作用下，不同溫度、不同溫度作用時(shí)間的FRP約束混凝土柱破壞模式相似，主要表現(xiàn)為FRP管破裂與內(nèi)部混凝土破碎，隨著溫度的增加，F(xiàn)RP約束混凝土柱的極限承載力和初始剛度下降明顯，溫度持續(xù)時(shí)間對(duì)極限承載力的影響很小。其主要原因是高溫會(huì)使FRP管和內(nèi)部混凝土材料性能劣化。一方面，高溫會(huì)使混凝土內(nèi)部引起物理和化學(xué)反應(yīng)，嚴(yán)重破壞混凝土的結(jié)構(gòu)[40]，骨料和水泥基之間的黏附減少，產(chǎn)生不同步的膨脹和收縮，造成局部應(yīng)力過大，使混凝土孔隙增加，產(chǎn)生微裂紋[41]，如圖5所示，低溫石英（α-石英）轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷厥ⅲé?石英），導(dǎo)致水泥基體與骨料連接處鼓起[42]。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，混凝土內(nèi)部成分會(huì)發(fā)生分解，水化硅酸鈣結(jié)構(gòu)不在完整，氫氧化鈣晶體脫水破壞，微裂紋不斷增多并發(fā)展成宏觀裂縫[42]，使混凝土強(qiáng)度顯著降低。另一方面，高溫對(duì)FRP材料影響顯著，在高溫下，樹脂基體會(huì)發(fā)生?；D(zhuǎn)變和分解[43-45]，發(fā)生樹脂氧化開裂，削弱樹脂基體和纖維之間荷載傳遞能力，纖維和環(huán)氧樹脂脫粘[46]，F(xiàn)RP 材料的剛度和強(qiáng)度會(huì)下降[47-49]。因此，在軸向荷載作用下，F(xiàn)RP材料破壞過程受機(jī)體?；褪軣岜韺臃謱娱_裂影響，會(huì)導(dǎo)致纖維扭結(jié)破壞[50-51]，同時(shí)由于FRP材料環(huán)向強(qiáng)度的降低，會(huì)導(dǎo)致FRP管對(duì)混凝土的約束減小，使試件極限強(qiáng)度下降，并且材料的劣化也會(huì)導(dǎo)致試件極限強(qiáng)度降低。

圖5 高溫作用下混凝土劣化機(jī)理Fig.5 Concrete deterioration mechanism under high temperature

因此，當(dāng)溫度較低時(shí)，F(xiàn)RP約束混凝土柱的破壞模式為混凝土破碎，由于混凝土微裂縫和FRP約束強(qiáng)度降低導(dǎo)致；當(dāng)溫度較高時(shí)，破壞模式為管鼓脹破壞，由于FPR管和混凝土之間脫粘、樹脂基體的惡化以及纖維的屈曲和扭結(jié)導(dǎo)致。圖6為FRP約束混凝土柱抗壓強(qiáng)度保留率隨溫度變化的擬合曲線，由圖也可以得出相似結(jié)論，溫度作用時(shí)間對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度保留率影響不明顯，溫度升高影響更大，溫度越高，試件的抗壓強(qiáng)度保留率越低。

圖6 高溫對(duì)FRP約束混凝土柱抗壓強(qiáng)度保留率的影響Fig.6 Effect of high temperature on retention of compressive strength of FRP confined concrete columns

2.2 低溫對(duì)力學(xué)性能的影響

低溫同樣會(huì)影響FRP、混凝土的材料性能，從而影響 FRP 約束混凝土柱的力學(xué)性能。Xie[52]、Wang[53]等開展了低溫作用下FRP約束混凝土柱的力學(xué)性能研究，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低溫降低了FRP對(duì)混凝土的約束作用，極限軸向應(yīng)變也有所下降，但在低溫作用下，極限抗壓強(qiáng)度提升明顯，抗壓強(qiáng)度保留率隨溫度的降低而提高。這是由于在低溫條件下，混凝土中的水凍結(jié)成冰，冰填充了一部分孔隙和微裂縫，提高了混凝土的強(qiáng)度和彈性模量[54-56]，如圖7所示。同時(shí)，F(xiàn)RP管中的樹脂基體也會(huì)被強(qiáng)化，抗壓、環(huán)拉強(qiáng)度隨之增加，彈性模量增加[57]，從而使FRP約束混凝土柱的抗壓強(qiáng)度提高。但值得注意的是，Baris等[58]對(duì)FRP約束混凝土柱進(jìn)行了加熱-冷卻循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明加熱-冷卻循環(huán)會(huì)使FRP約束混凝土柱極限強(qiáng)度和極限應(yīng)變顯著降低，濕環(huán)境、室外環(huán)境中的加熱-冷卻循環(huán)相比于干燥環(huán)境中會(huì)使柱的極限強(qiáng)度和極限應(yīng)變進(jìn)一步降低。

圖7 低溫對(duì)混凝土的作用機(jī)理[63]Fig.7 Action mechanism of low temperature on concrete[63]

3 不同作用方式耐久性研究

3.1 凍融循環(huán)作用下的耐久性能

FRP約束混凝土柱在凍融循環(huán)作用下耐久性能下降明顯，眾多學(xué)者對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)塑料、碳纖維增強(qiáng)塑料（G/CFRP）約束混凝土柱的耐久性能進(jìn)行研究。胡安妮等[59]采用快凍法對(duì)CFRP混凝土柱進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)會(huì)使CFRP與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度下降20 %左右，但CFRP混凝土柱破壞時(shí)大部分CFRP與混凝土黏結(jié)良好，因此黏結(jié)強(qiáng)度的降低對(duì)CFRP約束混凝土柱的影響較小。He[60]、Li[61]、Boumarafi[62]等在不同溶液中對(duì)GFRP約束混凝土柱進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)，包括空氣、純水、鹽和堿溶液，試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)受凍融循環(huán)作用，GFRP管表面無明顯劣化，但試件抗壓強(qiáng)度保留率均有所降低，柱的耐腐蝕性較好，表現(xiàn)出良好的抗堿性，3種溶液中鹽溶液對(duì)GFRP約束混凝土柱影響最為嚴(yán)重；在軸壓荷載作用下，凍融循環(huán)后的試件破壞模式相似，主要表現(xiàn)為GFRP管的破裂與核心混凝土破碎；不同形狀GFRP約束混凝土柱抗壓強(qiáng)度保留率均下降較多。如圖8所示，凍融循環(huán)會(huì)導(dǎo)致混凝土中的水會(huì)被凍結(jié)產(chǎn)生體積膨脹，使多余的水向外孔外流動(dòng)形成靜水壓力[63]，逐漸在混凝土內(nèi)部引起裂紋，同時(shí)會(huì)使GFRP材料發(fā)生降解，使基體產(chǎn)生孔洞和裂紋，使纖維分層，從而降低GFRP管強(qiáng)度，在多次凍融循環(huán)后，混凝土與GFRP界面之間會(huì)脫粘[64-65]，兩者的協(xié)同工作能力降低，導(dǎo)致GFRP混凝土柱軸向強(qiáng)度明顯降低，GFRP管柱在鹽溶液中凍融循環(huán)200次后，抗壓強(qiáng)度比未凍融循環(huán)的試件下降了9 %，同時(shí)彈性模量和應(yīng)變也呈降低趨勢(shì)；凍融循環(huán)次數(shù)增加，試件的初始剛度和極限承載力顯著下降。

圖8 靜水壓模型示意圖[63， 66]Fig.8 Schematic diagram of hydrostatic model[63， 66]

3.2 干濕循環(huán)作用下的耐久性能

呂珍瑩[67]、Belarbi[68]、李趁趁[69]等研究了干濕循環(huán)作用下G/CFRP約束混凝土柱的耐久性能，試驗(yàn)表明干濕循環(huán)作用會(huì)降低FRP與混凝土的黏結(jié)性能[70]，CFRP約束混凝土柱雖然可以大大降低腐蝕速率，但是仍會(huì)發(fā)生腐蝕，水分子和離子會(huì)吸收進(jìn)入混凝土內(nèi)部，再在樹脂基體和未包裹部分?jǐn)U散。圖9為干濕循環(huán)作用下FRP約束混凝土柱的侵蝕區(qū)域和過程，在干燥階段，由于水分蒸發(fā)作用，水分會(huì)沿FRP與混凝土之間的縫隙向外遷移，內(nèi)部濕度降低，孔隙不飽和度較高，在浸泡階段，試件內(nèi)部毛細(xì)吸收作用更強(qiáng)，縱向遷移速率更快，從而出現(xiàn)試件內(nèi)部侵入深度高于外部的現(xiàn)象[29]。在干濕循環(huán)作用后，GFRP約束混凝土柱極限承載力下降明顯，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，構(gòu)件強(qiáng)度、剛度下降速度均變快；2種FRP約束混凝土柱在干濕循環(huán)作用下抗壓強(qiáng)度保留率均有不同程度的下降，GFRP對(duì)混凝土柱的加固作用大于 CFRP。Wang[71，72]等用 1 組50次凍融循環(huán)、3組50次溫度循環(huán)、3組50次干濕循環(huán)組合模擬美國中西部20年的惡劣天氣周期，GFRP管混凝土經(jīng)歷了環(huán)境循環(huán)后發(fā)現(xiàn)，環(huán)境的溫度、濕度變化對(duì)GFRP與混凝土的黏結(jié)性能影響不大，柱的軸向承載力幾乎不變，極限環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變分別下降了1 %和4 %。

圖9 干濕循環(huán)作用下FRP約束混凝土柱的侵蝕區(qū)域和過程Fig.9 Erosion area and process of FRP confined concrete column under dry wet cycle

3.3 實(shí)際環(huán)境中的耐久性能

Xie等[73]將FRP約束混凝土柱置于中國南部地區(qū)室外自然環(huán)境中，研究了實(shí)際環(huán)境中FRP約束混凝土柱的耐久性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著暴露時(shí)間的增加，F(xiàn)RP約束混凝土柱的抗壓強(qiáng)度、極限環(huán)向應(yīng)變降低，暴露18個(gè)月后，柱的抗壓強(qiáng)度下降約10 %，但呈現(xiàn)逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)；暴露30個(gè)月后，極限環(huán)向應(yīng)變平均降低了17.3 %。張大偉[74]將FRP約束混凝土柱置于中國上海市自然環(huán)境中，包括露天淋雨環(huán)境和露天不淋雨環(huán)境2種狀態(tài)，2種情況下，F(xiàn)RP約束混凝土柱在偏壓荷載作用下，承載力均隨時(shí)間增長(zhǎng)而增加，極限撓度與之相反，隨時(shí)間增長(zhǎng)而下降。

4 結(jié)語

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料約束混凝土柱為以往工程中鋼管混凝土柱存在的問題帶來了新的解決辦法，其良好的耐久性能更是有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，本文從鹽、酸、堿3種腐蝕環(huán)境，高溫、低溫2種溫度，凍融循環(huán)、干濕循環(huán)以及實(shí)際環(huán)境3種環(huán)境作用方式對(duì)FRP約束混凝土柱的耐久性進(jìn)行梳理，得出如下結(jié)論：1.腐蝕溶液浸泡會(huì)對(duì)FRP約束混凝土柱的耐久性能造成影響。雖然鹽、酸、堿3種腐蝕溶液對(duì)FRP約束混凝土柱的作用機(jī)理不同，但均會(huì)使FRP材料發(fā)生降解，破壞樹脂基體與纖維之間的界面黏結(jié)性能，F(xiàn)RP對(duì)混凝土的環(huán)向約束降低，使FRP約束混凝土柱性能退化。2.不同溫度會(huì)對(duì)FRP約束混凝土柱的耐久性能產(chǎn)生不同影響。高溫會(huì)劣化FRP和混凝土的材料性能，使FRP約束混凝土柱的極限承載力下降；溫度降低則與之相反，低溫會(huì)提高FRP材料和混凝土的強(qiáng)度和彈性模量，使FRP約束混凝土柱的極限承載力提高。3.不同作用方式同樣會(huì)對(duì)FRP約束混凝土柱的耐久性能產(chǎn)生影響。凍融循環(huán)、干濕循環(huán)以及實(shí)際環(huán)境作用下，均會(huì)使FRP和混凝土的材料性能顯著下降，降低兩者的協(xié)同能力，出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象，使FRP約束混凝土柱的極限承載力降低。

雖然目前已經(jīng)開展了大量FRP約束混凝土柱的耐久性能試驗(yàn)研究，也有在實(shí)際工程中的應(yīng)用案例，但仍需對(duì)FRP約束混凝土柱的組合開展進(jìn)一步探討。當(dāng)FRP約束混凝土柱在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，F(xiàn)RP通常暴露在外面，F(xiàn)RP材料很可能會(huì)受到意外損壞，如道路上除雪設(shè)備的切割、車輛、船只的刮碰等情況，在受到意外損壞時(shí)，F(xiàn)RP約束損傷混凝土柱的耐久性能研究基本處于空白狀態(tài)，希望未來能在此方面開展更多研究，為FRP約束混凝土柱在實(shí)際工程中應(yīng)用時(shí)提供參考。