孙 丽，杨泽宇，居理宏，张春巍

(1. 沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁 沈阳 110168； 2. 沈阳市现代建筑产业化管理办公室，辽宁沈阳 110825； 3. 青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033)

0 引 言

纤维材料的耐久性一直是国内外学者关心的重点，因为在温湿度变化、紫外线辐射、化学物质侵蚀和冻融往复循环等恶劣环境下，纤维增强复合塑料(FRP)耐久性的优劣直接决定FRP筋能否替代钢筋在腐蚀环境中工作。国内外学者开展了大量与FRP材料和FRP构件耐久性相关的试验，取得了一定进展。

祁德庆等[1]分析了纤维筋的耐久性，在酸、碱、盐和其他溶液环境中浸泡后，对纤维材料起到主要腐蚀作用的是溶液中的氯离子和氢氧根离子。任慧韬等[2-3]在研究中得出了纤维筋的耐久性能在冻融循环、碱性环境和浸水等环境下的变化情况；此外，在普通混凝土梁中掺入短切碳纤维可改善混凝土的韧性并起到增强阻裂的效果。毕永清[4]在试验中探究了碳纤维增强塑料(CFRP)混凝土梁和CFRP混凝土柱在人工海水侵蚀环境下的强度、变形和试验材料的破坏情况。付凯等[5-6]根据ASTM D665规定的试验方法，开展了不同温度条件下GFRP筋在人工海水环境中的加速老化试验，并设计了FRP纵筋在细长混凝土柱中的应用方案。孙丽等[7-9]研究了偏心受压GFRP混凝土柱相关受力性能，通过GFRP筋混凝土柱海水腐蚀后的抗压性能试验，得出了在近似海洋腐蚀环境下GFRP筋作为受力筋在受压构件中可以有效提高其结构耐久性。国外学者为了达到理想状态下的预测效果[10-11]，通常采用阿伦尼乌斯方程作为GFRP筋寿命预测的理论基础，来实现侵蚀程度在不同温度条件下的相互转换。刘小艳等[12-13]通过试验提出了运用加速腐蚀试验来预测GFRP筋使用寿命的新思路，并通过在水泥基材料中掺入碳纤维来研究纤维材料对构件导电性和抗压强度的影响。阎西康等[14]通过试验探究了腐蚀时间不同的钢筋混凝土梁其正截面承载力的变化情况。张新越等[15]通过对FRP加筋混凝土短柱进行轴心受压破坏试验，发现在没有其他多余约束条件时，GFRP筋混凝土柱的极限抗压强度略高于CFRP筋混凝土柱。王军强等[16]以Fick第二扩散定律作为理论依据，探究钢筋混凝土构件在海洋环境下的寿命预测模型。毕傈俐[17]通过试验将刚度和强度都不同的纤维筋按面积比进行混合，通过纤维筋的依次断裂来使试验构件的破坏形态从脆性破坏变成延性破坏。赵洋[18]设计的材料腐蚀试验针对温差、湿度、海水浓度和紫外线因素等，通过模拟自然环境试验和加速试验来认识腐蚀规律和机理对材料耐腐性的影响。GFRP材料长期处于强碱环境下时抗拉强度下降较大，强碱环境对GFRP材料的破坏很严重。Zhang等[19]通过对FRP筋混凝土柱的轴向压缩试验，分析了其失效模式和应变曲线。

从国内外研究现况可以看出，海洋环境下钢筋混凝土构件主要受到氯离子和氢氧根离子的侵蚀，并且在传统的FRP混凝土构件耐久性试验研究中可以看出，传统的试验方案存在一定局限性，并不能得到真实、保守、有指导性意义的试验结论。因此，本文制备了10倍海水浓度的NaCl弱碱性盐溶液，并从新的思路和试验方案入手，排除混凝土保护层等其他因素，得到FRP筋混凝土柱在高浓度海水环境下的最不利情况，为FRP筋在实际工程中的应用奠定基础。

1 试验方案

1.1 混凝土标准立方体试块受压性能试验

本试验腐蚀溶液为质量分数30%的NaCl弱碱性盐溶液，浓度设定的目的是以极限状态加速溶液中离子侵蚀的速率，同时通过未经腐蚀的标准立方体试件与经过腐蚀的标准立方体试件的强度对比，明确本试验腐蚀环境对混凝土材料本身的影响，试验方案如表1所示。将制作好的标准混凝土立方体试块一组直接进行轴心受压试验，另一组放入到试验溶液中浸泡。浸泡180 d后取出试件再进行轴心受压破坏试验，探究试验中的腐蚀环境对混凝土材料本身极限抗压承载力的影响。

1.2 新试验方法的混凝土柱轴心受压破坏试验

对2种筋笼进行编号，编号中第1个数字为不同时间节点的组次编号，4个数字0，1，2，3分别对应0，60，120，180 d的腐蚀天数。字母“R”代表的是钢筋筋笼，字母“G”代表GFRP筋筋笼。第2个数字为相同腐蚀环境下的筋笼编号，见表2。

表1 混凝土腐蚀的试验方案Tab.1 Test Scheme of Concrete Corrosion

表2 钢筋和GFRP筋筋笼腐蚀时间和编号Tab.2 Corrosion Time and Serial Number of Rebars and GFRP Bar Cages

进行轴心受压破坏试验，得出被10倍海水浓度的NaCl弱碱性盐溶液腐蚀后的筋笼对混凝土柱极限承载力的影响，试验方案见表3。

表3 混凝土柱轴心受压破坏试验方案Tab.3 Failure Test Scheme of Concrete Columns Under Axial Compression

2 试验结果与讨论

2.1 混凝土标准试块的受压性能试验结果

2.1.1 试验现象及试验数据的处理与分析

通过标准混凝土立方体试块的轴心受压破坏试验，分别得出了不同腐蚀环境下每个标准混凝土立方体试块的极限荷载和抗压强度，试验数据如表4，5所示。

表4 未腐蚀条件下的混凝土标准试块受压性能试验数据Tab.4 Compressive Property Test Data of Concrete Standard Cube Under Non Corrosion Condition

表5 长期腐蚀条件下的混凝土标准试块受压性能 试验数据Tab.5 Compressive Property Test Data of Concrete Standard Cube Under Long Term Corrosion

从表4，5的试验数据可以看出，混凝土试块的抗压强度随着腐蚀时间的增加而变化不大，不仅没有降低反而略有升高。绘制混凝土标准立方体试块的极限荷载变化曲线，如图1所示。

2.1.2 试验结果分析

未经腐蚀与腐蚀180 d的混凝土标准立方体试块抗压强度平均值分别为36.1 MPa和36.3 MPa。可以看出氯离子腐蚀对混凝土材料本身的影响不大，其抗压强度不仅没有大幅度衰减还略有升高。这是因为混凝土材料本身呈弱碱性，其化学组成主要为硅酸三钙(3CaOSiO2)、硅酸二钙(2CaO-SiO2)和铝酸三钙(3CaOAl2O3)，3种组成都不与氯化钠发生化学反应，所以对试件承载力的影响不大。同时，混凝土试块所处环境从空气变成了溶液，提高了混凝土的养护条件从而使强度略有升高。

2.2 基于新试验方法的混凝土柱轴心受压破坏试验结果与分析

2.2.1 试验现象

钢筋混凝土柱在受压试验中发生了轴压破坏和劈裂破坏。筋笼未腐蚀的混凝土柱发生轴压破坏，而筋笼腐蚀180 d的混凝土柱发生劈裂破坏，并且构件延性也大幅度降低。长时间的腐蚀使筋体的力学性能发生了较大变化，筋体受力性能、屈服强度等因素的降低使构件在钢筋受力薄弱区域发生了应力集中，从而导致了劈裂破坏的发生。裂缝情况如图2所示。

GFRP筋混凝土柱在受压试验中同样发生了轴压破坏和劈裂破坏，但与钢筋混凝土柱相比，筋笼腐蚀120 d的GFRP筋混凝土柱开始出现了劈裂破坏现象，提前了一个腐蚀阶段。因为GFRP筋是脆性材料且延性较差，在与混凝土协同工作时更容易发生应力集中现象。虽然GFRP筋混凝土柱的极限承载力不断降低，但较钢筋混凝土柱降低29.8%而言，其降低幅度并不大，只有13.5%。GFRP筋长期腐蚀后其混凝土柱的承载力要高于同条件钢筋混凝土柱的承载力，裂缝情况如图3所示。

2.2.2 试验结果分析

通过表6可以看出，随着柱内筋体腐蚀时间的增加，混凝土柱极限承载力不断降低，并且降低幅度较大。在腐蚀120 d时承载力急剧下降。腐蚀60 d时，钢筋混凝土柱极限承载力的保留率为92.6%，降低了7.4%；腐蚀120 d时，钢筋混凝土柱的极限承载力保留率下降到83.1%，降低了16.9%；腐蚀180 d时，钢筋混凝土柱的极限承载力保留率为70.2%，降低了29.8%。从数据可以看出，钢筋在腐蚀溶液中的耐腐蚀能力较差，筋体的力学性能受到极大的影响，当柱内筋体腐蚀180 d时，钢筋混凝土柱在结构中基本处于失效状态，虽然仍具有延性但极限承载力已经越来越低。

由表7可以看出，GFRP筋混凝土柱极限承载力的降低幅度较为均匀。腐蚀60 d时，极限承载力保留率为95.4%，降低了4.6%。腐蚀120 d时，极限承载力保留率为92.1%，降低了7.9%。腐蚀180 d时，极限承载力保留率为86.5%，降低了13.5%。从数据可以看出，GFRP筋具有较强的耐腐蚀能力。

2种筋体材料混凝土柱轴心受压破坏试验的对比分析如图4所示。由图4可以看出，试验钢筋混凝土柱的承载力下降幅度较大。当腐蚀180 d时，混凝土柱的抗压承载力由688.7 kN下降到483.9 kN，保留率只有70.2%。同时，钢筋混凝土柱极限承载力下降的速率越来越快，腐蚀0～60 d时抗压承载力保留率下降7.4%；腐蚀60～120 d时，抗压承载力保留率下降9.5%；腐蚀120～180 d时，抗压承载力保留率下降12.9%。GFRP筋混凝土柱承载力下降较为平缓，当腐蚀180 d时，混凝土柱的抗压承载力由647 kN下降到559.9 kN，抗压承载力保留率为86.5%，并且下降速率也较为稳定。腐蚀0～60 d时，抗压承载力保留率下降4.6%；腐蚀60～120 d时，抗压承载力保留率下降3.3%；腐蚀120～180 d时，抗压承载力保留率下降5.6%。通过对比相同腐蚀时间对应的混凝土柱承载力可以得出，未腐蚀阶段和腐蚀的前期阶段钢筋混凝土柱的抗压承载力大于GFRP筋混凝土柱，因为钢筋与混凝土材料之间的协同作用要优于GFRP筋。两者间极限承载力的差距随着筋体腐蚀时间的增加而逐渐缩小。当筋体腐蚀90 d左右时，2种不同筋体材料的混凝土柱抗压承载力基本相等。筋体腐蚀90 d后，GFRP筋混凝土柱的极限抗压承载力逐渐大于钢筋混凝土柱的极限抗压承载力，并且差距逐渐增大。这说明在腐蚀环境中GFRP筋的耐腐蚀性比钢筋更强，并且可以有效地改善混凝土受压构件在海水腐蚀环境下的耐久性能。

表6 腐蚀溶液环境下钢筋混凝土柱轴心受压试验数据Tab.6 Axial Compression Test Data of Reinforced Concrete Columns in Corrosive Solution Environment

表7 腐蚀溶液环境下GFRP筋混凝土柱轴心受压试验数据Tab.7 Axial Compression Test Data of GFRP-reinforced Concrete Columns in Corrosive Solution Environment

3 结 语

(1)混凝土材料本身呈弱碱性，其化学组成主要为硅酸三钙、硅酸二钙和铝酸三钙，三部分化学组成都不与氯化钠发生化学反应，试验配制的腐蚀溶液对混凝土材料本身的力学性能影响不大。因此，用腐蚀后的筋笼来制作混凝土柱，再进行轴心受压试验，得到的海水环境下构件的力学性能将更加真实可靠。

(2)在传统模拟海洋环境下混凝土柱腐蚀试验中，由于混凝土柱保护层的作用，腐蚀溶液并不能很好地侵蚀到混凝土柱内的筋体。因此，传统试验得出的结论不具有代表性。本文给出了构件在腐蚀过程中的最不利条件(柱内筋体直接暴露在腐蚀溶液中)，得到了构件遭受腐蚀破坏的保守时效。钢筋混凝土柱腐蚀180 d后承载力下降近30%，承载力保留率只有未腐蚀状态下的70.2%，在建筑结构中基本处于失效工作状态。GFRP筋混凝土柱腐蚀180 d后承载力只下降了13.5%，小于钢筋混凝土柱强度一半的下降量，承载力保留率为未腐蚀状态下的86.5%。

(3)在轴心受压试验中，GFRP筋混凝土柱的破坏形态为脆性破坏，在柱内筋体未腐蚀阶段，与钢筋混凝土柱相比没有优势；经长期腐蚀后，GFRP筋混凝土柱的优势逐渐明显。同时，腐蚀环境下GFRP筋混凝土柱抗压强度的下降趋势较为稳定。因此，在沿海地区和海洋工程里，GFRP筋混凝土结构比钢筋混凝土结构有更大的优势。