玻璃纤维复合筋在高温氯盐环境下拉伸力学性能试验研究

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发表时间: 2019/8/13 9:23:59

玻璃纤维增强聚合物（Glass Fiber Reinforced Polymer，简称GFRP）筋是一种替代钢筋的新型工程材料已经在混凝土结构中开始使用，对高温氯盐溶液中两种基体树脂的GFRP在90d侵泡周期内的腐蚀情况、破坏机理及拉伸力学性能指标的变化规律进行研究。试验结果表明，侵泡前后GFRP筋外观并无太明显的变化，质量变化均在2%之内，说明高温氯盐溶液对GFRP筋的腐蚀不大。两种基体材料GFRP筋的典型破坏形式大致相同，均为丝束桩炸开的脆性破坏。在90d的浸泡周期下，两种基体材料GFRP筋的拉伸强度变化略有不同，但强度衰减均在15%以内，且侵泡前后筋材的拉伸强度值仍可满足相关标准的要求。而弹性模量变化规律相似，高温氯盐容颜对其影响不大，模量衰减均在2%以内，且浸泡前后筋材的弹性模量值仍可以满足相关标准的要求。由此可知，氯盐溶液对GFRP筋的拉伸力学性能影响不大，GFRP筋在氯盐环境的工程应用中具有良好的耐久性能。

关键词：玻璃纤维增强聚合物筋；高温氯盐溶液；基体树脂；拉伸力学性能

一、前言

在冬季北方地区的道路运行过程中，氯盐可以很好地解决道路的积雪结冰问题，却会对路面上的一些钢筋混凝土的结构造成很大的影响，氯盐中的氯离子会通过混凝土内部的缝隙进入钢筋表米娜并对钢筋表面的一层钝化膜造成破坏。由于氯离子在破坏钢筋表面钝化膜的过程中并非与之发生相关的化学反应，而仅仅作为一种催化反应的催化剂，所以在整个氯盐环境中，随着时间的增长，氯离子的含量不会减少，如果钢筋本身的钝化膜遭到破坏而未进行任何预防侵蚀的处理，则氯离子会导致钢筋发生电化学腐蚀，随着时间的增长，其腐蚀速度会逐渐增加，从而造成钢筋混凝土结构的耐久性降低，使用寿命达不到设计基准期要求。

纤维增强复合材料作为钢筋增强混凝土的一种替代物已经在建筑、地铁、隧道和边坡支护中都有一些应用。FRP筋按其纤维原材不同可分为玻璃纤维复合材料（GFRP）筋、碳纤维复合材料（GFRP）筋、玄武岩纤维复合材料（BFRP）筋等，而现阶段GFRP筋因其质轻高强、良好的耐腐蚀性、不受电磁干扰、性价比等高一些优点已成为工程应用中较为广泛的FRP筋。GFRP筋在工程中应用时间不长，虽具有良好的耐腐蚀性能，但在复杂环境下的长期性能仍处于研究阶段。目前，用于FRP材料长期性能研究的方法主要是加速老化试验和自然暴露试验。由于FRP在工程应用中的时间并不长，其在长期性能的研究方面并无太多的成果。现阶段，普遍采用加速老化试验作为GFRP筋长期力学性能的研究方法。根据阿列纽斯（Arrhenius）定律，材料可以使用加速因子（通常是温度）加速老化，时间影响可以通过增加温度进行来模拟。Robert等研究发现60℃的温度控制因素为GFRP筋加速老化的上限。

本文重点研究GFRP筋在氯盐环境下的拉伸力学性能的变化规律，在配置好的60℃氯盐溶液中将不同基体材料的GFRP筋侵泡一定周期，并对不同侵泡周期的GFRP筋进行拉伸力学性能试验，从而对其相关力学性能指标进行分析并对不同基体材料的GFRP筋在氯盐环境下的耐久性进行评价。

二、试验材料

试验用GFRP筋采用江苏海川新科技有限公司生产的筋材。GFRP筋主要由玻璃纤维和基体树脂按照一定工艺复合而成。其中，由于基体树脂对GFRP筋材的耐久性能影响较大，一般工况不同，GFRP筋所选用的基体树脂也不太一样，现阶段工程中使用较多的两种基体树脂为不饱和树脂和乙烯基树脂，两种树脂相关性能对比如表1所示。

本文试验将两种树脂的GFRP筋进行相同条件的侵泡试验，两种基体树脂的GFRP筋组份含量为：玻璃纤维占比约75%，基体树脂占比约为25%，每种基体树脂GFRP筋均为同一批次生产。UP（不饱和聚酯树脂）基GFRP筋和VE（乙烯基酯树脂）基GFRP筋试件均为36根，试件侵泡周期为7，15，30，60，90 d，同时设立一组未侵泡筋材作为对比。每个侵泡周期两种基体树脂的筋材均有5根，全部筋材直径12mm，单根长度800mm。

三、试件制作

试验模拟氯盐环境为60℃饱和氯化钠溶液的恒温水箱。筋材放入恒温水箱前对筋材质量进行称重并编号记录，筋材摆放过程中相邻筋材间距为5～6mm，每层筋材试样间距为10mm，如图1所示。浸泡一定周期后，分别于7，15，30，60，90 d从恒温水箱中取出一组筋材，清洗风干后，再次进行称重，将浸泡前后的质量进行记录。

筋材试样称重完成后，将其做成800mm的试拉件，其中标距L0=340mm，试拉件两端采用套管进行锚固，锚固端长度均为L1=230mm（图2）。套管为无缝钢管。其内径大于试样筋材杆体直径4mm，钢管壁厚3mm。锚固端头制作过程中使用膨胀剂和清水按照一定比例拌和制成锚固剂，无缝钢管端头需做密封处理，防止漏浆，插入筋材尽量保证对中，对筋材和钢管之间的空隙处塞满，防止筋材偏离中心位置，待其固化具有一定强度后，再使用同样的方法制作另一个端头。

四、拉伸性能试验

拉伸性能试验按GB/T 30022-2013《纤维增强复合材料筋基本力学性能试验方法》中规定的GFRP筋拉伸性能试验方法步骤进行，主要仪器为万能试验机，再大试验力为1000KN，试验力示值相对误差再在±０.５％以内，试验力测量范围为（1%～100%）FS（全程不分档），试验力加载速度范围为（0.02%～2%）FS/s，拉伸钳口最大间距为800mm，最大压缩空间为700mm，筋材夹持范围为Φ10～Φ40（图3）。试验过程采用位移控制，加载速度为5mm/min。试验开始时，先对试拉件进行预加载至试验机夹具将试件夹紧，安装测量变形的引申计于试件中部，引申计量程10mm，标距100mm，当加载位移达到0.8mm时取下引申计继续加载，直至试拉件破坏，并记录最大破坏荷载及其破坏形式，记录抗拉强度、拉伸弹性模量及应力—应变曲线等材料性能指标。每组5个试拉件，试拉件在锚固段内的破坏、锚具附近处破坏以及筋材从锚具中滑出的试样应按试验失败处理，结果予以作废，同组有效试拉件数据不足4个时，则认为试验失败。

五、试验结果及分析
   5.1 浸泡试样外观
   两种基体树脂的GFRP筋试样在浸泡前后外观变化形式大致相似。随着浸泡时间的延长，其表面逐渐失去光泽，杆体表面略显粗糙。纤维丝随着浸泡周期的增长，开始出现一定裸漏，相比而言，UP基GFRP筋的纤维丝裸露程度比VE基GFRP筋要明显一些。
   5.2 试件破坏现象
   本文试验中的GFRP筋的典型破坏形式为丝束状炸裂的脆性破坏形式。筋材在加载初期并未出现显著的材料破坏，当位移控制量接近0.8mm时，筋材会出现密集的单丝断裂声，并未发现明显的筋材外表面破坏。当荷载继续增大，筋材外侧开始出现一些肉眼可察的裂缝和纤维单丝(束)的断裂，响声不断加大加剧，随着加载的继续进行，筋材外侧的裂缝越来越明显，伴着一声巨响，筋材发生丝束状炸开破坏，如图4所示，试验结束。

5.3 破坏机理分析
   GFRP筋在纵向拉伸试验过程中，其主要由玻璃纤维和基体树脂共同承受荷载，基体树脂主要将玻璃纤维连接成一个整体，其承受荷载能力远远小于玻璃纤维，所以在加载初期，一切浸泡后裸露的纤维单丝会被拉断而发出细碎的响声，随着荷载继续增加，当达到纤维树脂界面的破坏荷载时，会发生两者间的界面破坏，随着荷载继续增加，发生界面破坏的单丝（束）应力急剧增大而致单丝（束）破坏，此时原本整体承受荷载筋材则需要进行应力重分布，承受荷载的纤维数量减少，而荷载继续增大，上述破坏形式会重复进行且间隔周期更短，所以后期，当第一条肉眼可见裂缝在筋材外面出现后，筋材会发生由外及内的快速炸裂破坏，最终筋材失去承载力，发生丝束状炸裂破坏的脆性破坏形式。
   5.4 试验结果
   GFRP筋材质量保留率定义为浸泡后与浸泡前称重质量比值。从浸泡前后的质量变化可以发现，在高温氯盐环境90 d的浸泡周期内，两种材料的GFRP筋质量损失均在1%之内。说明氯离子对GFRP筋纤维与树脂的侵蚀并不大，其质量发生微小的变化可能是由于水溶液对于基体树脂的腐蚀造成的。同时也发现，基体材料和浸泡时间对于GFRP拉伸性能试验的破坏形式影响并不太明显。试验过程中的典型破坏形式为GFRP筋丝束状炸裂的脆性破坏形式。从腐蚀机理可以看出，两种基体树脂在高温氯盐溶液环境下，其质量变化不大，氯离子对筋材腐蚀不明显，其质量微小变化可能源自基体树脂的水解作用。
       从试验结果数据的分析中可以发现，在高温氯盐环境下90 d的浸泡周期下，两种基体材料的GFRP筋的拉伸强度会呈现不同的变化规律，但两者的强度衰减均较为平缓，在90 d的浸泡周期下，两种基体材料筋材的强度均可控制在初始强度的85%以上，GFRP筋在浸泡周期内的强度值满足相关标准要求。两种筋材的弹性模量在90 d的浸泡周期内变化不大，弹性模量保留率均保持在98%以上，GFRP筋在浸泡周期内的弹性模量值满足相关标准要求。由此可以看出，在一定应用周期内，氯盐环境对GFRP筋的拉伸力学性能指标影响不大，GFRP筋在氯盐环境的工程中应用具有良好的耐久性能。