李文超,周廣發(fā),溫福勝,劉福勝,焦裕釗
(1.泰山學(xué)院 機(jī)械與建筑工程學(xué)院,山東 泰安 271000;2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院,山東 泰安 271018;3.水發(fā)規(guī)劃建設(shè)有限公司,山東 濟(jì)南 250100;4.山東斯福特實(shí)業(yè)有限公司,山東 泰安 271000)
玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)筋具有耐腐蝕、重量輕等特點(diǎn),是腐蝕環(huán)境中鋼筋的有效替代品之一[1-2],但復(fù)雜的侵蝕環(huán)境和混凝土堿性環(huán)境對(duì)GFRP 筋也存 在不利影 響[3-5].為 探明GFRP 筋的 耐久性能,研究者常采用加速老化試驗(yàn)測(cè)試GFRP 筋的強(qiáng)度保留率并分析其性能衰退規(guī)律[6-9],同時(shí)輔以掃描電子顯微鏡(SEM)、差示掃描量熱儀(DSC)來(lái)探究GFRP 筋的降解機(jī)理[10-11].在宏、微觀檢測(cè)的基礎(chǔ)上,利用Arrhenius 方程等原理,提出纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)筋不同的耐久性模型.Bank 等[12]認(rèn)為老化后FRP 筋的強(qiáng)度保留率與老化時(shí)間的對(duì)數(shù)是線性關(guān)系,該模型被多次用于FRP 筋耐久性的預(yù)測(cè)[13-14].部分學(xué)者用指數(shù)關(guān)系描述FRP 筋強(qiáng)度保留率與老化時(shí)間的關(guān)系[15-17],此類模型認(rèn)為FRP 筋力學(xué)性能的退化機(jī)理為纖維與樹(shù)脂脫黏.
在上述研究中,侵蝕環(huán)境多采用人工溶液,但人工溶液模擬的混凝土環(huán)境與真實(shí)混凝土環(huán)境對(duì)GFRP筋力學(xué)性能的影響差異較大[15-17].在潮濕環(huán)境中,F(xiàn)RP 筋的界面相最易受損[14],表現(xiàn)為纖維和樹(shù)脂的脫黏,與測(cè)試GFRP 筋層間剪切強(qiáng)度時(shí)的破壞現(xiàn)象契合,而不同于研究者常采用的GFRP筋拉伸試驗(yàn)破壞.
基于此,本文通過(guò)測(cè)試不同溫度(25、40、60 ℃)和老化齡期(15、30、60、90、183 d)GFRP 筋的層間剪切強(qiáng)度保留率,分析其力學(xué)性能衰退的規(guī)律,利用SEM、DSC 等方法揭示GFRP 筋的降解機(jī)理,以得到GFRP 筋在模擬和真實(shí)混凝土環(huán)境中的長(zhǎng)期力學(xué)性能預(yù)測(cè)模型.
試驗(yàn)選用山東斯福特實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的GFRP 筋,直徑(d)為16 mm,主要原材料為玻璃纖維和乙烯基樹(shù)脂,其中纖維含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))約80%.將GFRP 筋截至長(zhǎng)度80 mm,共制作104 個(gè)試件.不同侵蝕環(huán)境中的試件如圖1 所示.
圖1 不同老化環(huán)境中的試件Fig.1 Specimens in different aging environments
依 據(jù) CAN/CSA S807-19《Specification for fibre-reinforced polymers》規(guī)定,在1 L 去離子水中加入118.5 g Ca(OH)2、4.2 g KOH 和0.9 g NaOH,測(cè)得溶液pH 值約為13,用來(lái)模擬混凝土的孔溶液,該環(huán)境記為AS.另外,用厚度為20 mm 的混凝土包裹GFRP 筋后浸入自來(lái)水中,此環(huán)境記為CS.每種侵蝕環(huán)境均設(shè)置25、40、60 ℃ 3 種溫度,采用恒溫水浴槽控制試驗(yàn)水溫.為保證GFRP 筋的老化溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值,部分試件在GFRP 筋表面安裝貼片式熱電偶溫度傳感器,采用多通道測(cè)溫儀對(duì)其溫度進(jìn)行定期監(jiān)測(cè).
按照ASTM D4475-02(2016)《Test method for apparent horizontal shear strength of pultruded reinforced plastic rods by the short-beam method》規(guī)定,設(shè)置跨距為48 mm,采用WAW-100D 型電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行短梁剪切試驗(yàn)(見(jiàn)圖2),加載速率為1.3 mm/min,測(cè)得GFRP 筋的破壞荷載(P),按下式計(jì)算層間剪切強(qiáng)度(S).
圖2 短梁剪切試驗(yàn)Fig.2 Short-beam shear test
為分析GFRP 筋性能衰退的機(jī)理,采用Gemini Sigma 300 型SEM 觀測(cè)GFRP 筋橫、縱截面微觀結(jié)構(gòu)的變化,并利用Perkinelmer DSC 4000 型DSC 測(cè)試GFRP 筋的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg).
圖3 為GFRP 筋的表面形態(tài).由圖3 可見(jiàn):GFRP筋在AS 環(huán)境中加速老化后,微溶于水的Ca(OH)2沉積在GFRP 筋表面;在CS 環(huán)境中,試件表面的樹(shù)脂破壞,外部纖維與樹(shù)脂分離.
圖3 GFRP 筋的表面形態(tài)Fig.3 Surface morphologies of GFRP bars
試驗(yàn)加載過(guò)程中試件兩端出現(xiàn)裂縫,裂縫沿軸向逐漸增大,直至貫穿破壞.試驗(yàn)測(cè)得未加速老化GFRP 筋試件的層間剪切強(qiáng)度為46.93 MPa.不同侵蝕環(huán)境下GFRP 筋層間剪切強(qiáng)度保留率(Y)的對(duì)比如圖4 所示.由圖4 可見(jiàn):
圖4 不同侵蝕環(huán)境下GFRP 筋的層間剪切強(qiáng)度保留率對(duì)比Fig.4 Comparison of Y of GFRP bars in different aggressive environments
(1)2 種侵蝕環(huán)境中GFRP 筋層間剪切強(qiáng)度保留率的衰退速率均隨著溫度的升高而增大,GFRP 筋在25、40、60 ℃的CS 環(huán)境中加速老化183 d 后,層間剪切強(qiáng)度相較于初始強(qiáng)度值分別衰退了17.7%、27.6%和38.6%.主要原因?yàn)闇囟壬呖梢约铀貵FRP 筋的水解反應(yīng),降低其力學(xué)性能.
(2)GFRP 筋老化前期的強(qiáng)度衰退較快.同樣以CS 環(huán)境為例,0~90 d GFRP 筋在25、40、60 ℃下的層間剪切強(qiáng)度相較于初始強(qiáng)度值分別衰退了11.4%、20.9%和27.8%,90~183 d 該數(shù)據(jù)為6.3%、6.7%和10.8%.在老化前期,水分子迅速擴(kuò)散至筋材,削弱了樹(shù)脂與纖維的界面黏結(jié)能力,導(dǎo)致層間剪切強(qiáng)度降低顯著.在老化后期,隨著筋材的飽和,水分子破壞GFRP 筋界面相的能力下降,材料強(qiáng)度降低速率放緩.
(3)在25 ℃下老化的前30 d 及40 ℃下老化的前15 d,GFRP 筋在CS 環(huán)境中層間剪切強(qiáng)度的衰退較快,可能是因?yàn)镃S 環(huán)境中試件在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中對(duì)GFRP 筋造成了損傷.在其他老化條件下,GFRP 筋在AS 環(huán)境中層間剪切強(qiáng)度的衰退速率均快于CS 環(huán)境.以60 ℃下加速老化183 d 為例,AS 和CS 環(huán)境中GFRP 筋層間剪切強(qiáng)度的保留率分別為48.6%、61.4%.CS 環(huán)境中GFRP 筋的損傷低于AS 環(huán)境中,主要原因是混凝土有效阻止了OH-和水分子進(jìn)入GFRP 筋.
將60 ℃下2 種環(huán)境中加速老化183 d 的試件與未加速老化試件進(jìn)行對(duì)比,其微觀結(jié)構(gòu)如圖5 所示.由圖5 可見(jiàn):
圖5 GFRP 筋的微觀結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructure of GFRP bars
(1)GFRP 筋由纖維、樹(shù)脂及其界面相組成,試件老化與其關(guān)系緊密[18].未加速老化的試件,纖維與樹(shù)脂黏結(jié)緊密,樹(shù)脂無(wú)損傷.在AS 環(huán)境中試件部分纖維與樹(shù)脂脫黏,此現(xiàn)象由樹(shù)脂基體吸水后膨脹程度各異引起,且滲透水壓亦會(huì)使界面相產(chǎn)生破壞.在AS、CS環(huán)境下,試件中的樹(shù)脂受到侵蝕,出現(xiàn)了少量的孔洞.
(2)在AS 環(huán)境中老化試件的纖維表面附有沉淀物,在CS 環(huán)境中老化試件的纖維表面有受侵蝕產(chǎn)生的淺坑.在AS 環(huán)境中存在大量的OH-,會(huì)與玻璃纖維中的SiO2發(fā)生式(2)、(3)所示的化學(xué)反應(yīng)[19],產(chǎn)物Si-OH 是附著于纖維表面的凝膠層,其密度小于纖維,可加劇OH-的擴(kuò)散.在CS 環(huán)境中,GFRP 筋外側(cè)的混凝土?xí)谝欢ǔ潭壬戏啪廜H-和H2O 侵蝕GFRP 筋的速率.
基于宏觀力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè),現(xiàn)將GFRP 筋的退化機(jī)理分析如下:
(1)樹(shù)脂基體在水分子和OH-的作用下,產(chǎn)生了不同程度的膨脹變形,削弱了其與纖維的黏結(jié),滲透水壓會(huì)進(jìn)一步破壞界面相.
(2)OH-與玻璃纖維結(jié)構(gòu)中的SiO2反應(yīng),使纖維結(jié)構(gòu)受損.
(3)樹(shù)脂基體中酯鍵的水解反應(yīng)同樣會(huì)降低GFRP 筋的性能,本次試驗(yàn)GFRP 筋采用乙烯基樹(shù)脂,其酯鍵的數(shù)量較少,因此僅觀測(cè)到少量的樹(shù)脂損傷.
依 據(jù)ASTM D3418《Standard test method for transition temperatures and enthalpies of fusion and crystallization of polymers by differential scanning calorimetry》,利用DSC 測(cè)試GFRP 筋在60 ℃下2 種環(huán)境中老化183 d 時(shí)的Tg.本次試驗(yàn)對(duì)GFRP 筋樣品進(jìn)行了2 次升、降溫,2 次升溫過(guò)程中測(cè)得的Tg分別記為Tg1和Tg2,結(jié)果如圖6 所示.由圖6 可見(jiàn):所有試樣的Tg2均大于Tg1,這是因?yàn)樵诘? 次升溫過(guò)程中會(huì)使試樣進(jìn)一步固化;與未加速老化試樣相比,GFRP筋在60 ℃下的AS 及CS 環(huán)境中老化183 d后,Tg2分別下降了9.2%和3.4%,說(shuō)明樹(shù)脂發(fā)生了不可逆反應(yīng).
圖6 不同侵蝕環(huán)境中GFRP 筋的玻璃轉(zhuǎn)化溫度對(duì)比Fig.6 Comparison of Tg of GFRP bars in different aggressive environments
目前,常用的GFRP 筋長(zhǎng)期力學(xué)性能預(yù)測(cè)模型大多基于Arrhenius 方程提出[12-16].根據(jù)Arrhenius 理論,GFRP 筋層間剪切強(qiáng)度退化速率(k)與溫度(T)的關(guān)系如下[20]:
式中:t為退化時(shí)間,d;A為退化常數(shù),1/d;Ea為材料的活化能,J/mol;R為理想氣體常數(shù),J/(mol·K).
對(duì)式(4)進(jìn)行如下轉(zhuǎn)化:
結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),在預(yù)測(cè)GFRP 筋的長(zhǎng)期性能時(shí)以下3 種模型應(yīng)用最為普遍,如式(7)~(9)所示.
式中:a、b、τ是擬合參數(shù);Y∞是FRP 筋在無(wú)窮長(zhǎng)老化時(shí)間時(shí)的層間剪切強(qiáng)度保留率,%.
模型1 最早由Litherland 等[21]提出并對(duì)玻璃纖維混凝土(GRC)的耐久性進(jìn)行了預(yù)測(cè).Bank 等[12]將該模型應(yīng)用于FRP 復(fù)合材料的長(zhǎng)期力學(xué)性能分析.吳剛等[22]利用該模型預(yù)測(cè)了GFRP 筋在不同環(huán)境中層間剪切強(qiáng)度保留率與時(shí)間的關(guān)系.模型1 雖然應(yīng)用較為廣泛,但自身存在一定的局限性:首先,該模型是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的擬合,并未考慮材料的退化機(jī)理;其次,在未老化時(shí)FRP 筋層間剪切強(qiáng)度為無(wú)窮大,與實(shí)際不符;最后,Arrhenius 方程假設(shè)材料的退化機(jī)理不隨溫度的變化而改變,在多位學(xué)者[13,23]的研究中得到的Arrhenius 線并不平行,與假設(shè)相違背.模型2 和模型3 相似,2 個(gè)模型均假設(shè)FRP 筋的破壞機(jī)理為纖維和樹(shù)脂脫黏,與微觀觀測(cè)結(jié)果一致[24-25].2 個(gè)模型最大的區(qū)別為材料在無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)間時(shí)的層間剪切強(qiáng)度保留率是否為零.當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí),模型2 顯示材料層間剪切強(qiáng)度保留率為零,模型3 則認(rèn)為材料層間剪切強(qiáng)度保留率為Y∞,模型3 更接近GFRP 筋在真實(shí)服役環(huán)境下耐久性的研究結(jié)果[26].基于此,本次研究以模型3 來(lái)建立GFRP 筋在2 種環(huán)境中的耐久性預(yù)測(cè)模型.
GFRP 筋在2 種加速老化環(huán)境中的長(zhǎng)期力學(xué)性能預(yù)測(cè)模型建立步驟如下:
(1)將試驗(yàn)數(shù)據(jù)按式(9)進(jìn)行擬合,得到τ、Y∞如圖7 所示,相關(guān)系數(shù)(R2)均超過(guò)0.89.
圖7 基于模型3 的GFRP 筋長(zhǎng)期力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果Fig.7 Fitting results of long-term mechanical property test data for GFRP bars based on model 3
(2)將τ、Y∞帶入式(9),分別令層間剪切強(qiáng)度保留率為70%、80%和90%,按式(6)擬合Arrhenius直線,結(jié)果如圖8所示.AS和CS環(huán)境中的Ea/R分別為3 941和3 984.
圖8 不同環(huán)境中GFRP 筋的耐久性預(yù)測(cè)模型Arrhenius 線Fig.8 Arrhenius line for durability prediction model of GFRP bars in different environments
(3)利用Arrhenius 方程得出不同老化條件下的時(shí)間轉(zhuǎn)換因子(TSF).
在不同溫度下GFRP 筋退化至相同強(qiáng)度保留率所需時(shí)間的關(guān)系用TSF 表示[26].如GFRP 筋在溫度T1、T2老化環(huán)境中層間剪切強(qiáng)度退化速率均為k時(shí),所需時(shí)間t1、t2的關(guān)系依據(jù)式(4)分析如下:
以北京地區(qū)為例,利用式(12)并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),將2 種環(huán)境下不同溫度的TSF 列入表1.其中根據(jù)中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)[27]顯示北京地區(qū)的年平均氣溫為13.2 ℃.
表1 GFRP 筋不同溫度間的時(shí)間轉(zhuǎn)換因子Table 1 TSF of GFRP bars at different temperatures
(4)利用表1 數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果,建立北京地區(qū)溫度為13.2 ℃時(shí)GFRP 筋的長(zhǎng)期力學(xué)模型主曲線,如圖9 所示.
圖9 溫度為13.2 ℃時(shí)GFRP 筋的長(zhǎng)期力學(xué)模型主曲線Fig.9 Master curves of long-term mechanical property of GFRP bars at 13.2 ℃
溫度為13.2 ℃時(shí),若GFRP 筋在AS 和CS 環(huán)境下層間剪切強(qiáng)度保留率相同則需滿足下列等式關(guān)系:
式(13)、(14)僅在層間剪切強(qiáng)度保留率大于60%時(shí)適用.此外,GFRP 筋真實(shí)服役環(huán)境中的濕度通常遠(yuǎn) 低于試 驗(yàn)環(huán)境.Mufti 等[28]對(duì)服役5~8 a 的GFRP 筋進(jìn)行了檢測(cè),發(fā)現(xiàn)GFRP 筋的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分及Tg均未發(fā)生變化,表明室內(nèi)加速老化試驗(yàn)即使采用模型3 進(jìn)行預(yù)測(cè),其結(jié)果同樣偏保守.
(1)在堿溶液(AS)和混凝土包裹玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)筋后置于自來(lái)水中(CS)2 種環(huán)境中,GFRP 筋層間剪切強(qiáng)度的衰退速率均隨著溫度的升高而加快,在老化前期的層間剪切強(qiáng)度衰退速率快于后期.GFRP 筋在AS 環(huán)境中的衰退速率普遍快于CS 環(huán)境中(25 ℃及40 ℃初始老化階段除外).
(2)加速老化183 d 后GFRP 筋的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化.AS 環(huán)境中老化GFRP 筋的纖維表面有沉積物,少量纖維與樹(shù)脂脫黏,此現(xiàn)象由樹(shù)脂基體吸水后的膨脹程度各異引起,且滲透水壓亦會(huì)使界面相產(chǎn)生破壞.樹(shù)脂產(chǎn)生了少量孔洞,說(shuō)明樹(shù)脂受到了侵蝕.在CS 環(huán)境中老化GFRP 筋的纖維表面產(chǎn)生了淺坑,老化受損較輕.
(3)與普通試樣相比,GFRP 筋在60 ℃下AS 和CS 環(huán)境中老化后的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分別下降了9.2%、3.4%,說(shuō)明樹(shù)脂發(fā)生了不可逆水解反應(yīng),且在AS 環(huán)境中GFRP 筋的反應(yīng)程度較大,與微觀組織的觀測(cè)結(jié)果一致.
(4)建立了北京地區(qū)GFRP 筋長(zhǎng)期力學(xué)模型主曲線,利用該曲線可以預(yù)測(cè)GFRP 筋在2 種環(huán)境中服役時(shí)間的層間剪切強(qiáng)度保留率,并得到2 種環(huán)境中GFRP 筋老化程度相同時(shí)的老化時(shí)間關(guān)系.