恶劣环境条件下的FRP加固混凝土柱耐久性研究综述

2023-01-19杨莉萍

甘肃科技 2022年13期

杨莉萍

（甘肃省建筑科学研究院（集团）有限公司，甘肃兰州 730070）

近几十年，混凝土已作为最主要的建筑材料，被广泛应用于实际工程中，混凝土结构在我国乃至世界各国成为了最常见的结构形式。但处于自然环境中的混凝土结构常暴露于恶劣的环境条件下，例如高温、冻融、化学介质腐蚀等，随着时间的推移，混凝土结构不可避免会遭受到不同程度的侵蚀。因此，混凝土结构的补强加固成为土木行业的一个重要问题。近年来，纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Composite，FRP）因其优异的性能被广泛推广，使其在土木工程各个领域的应用急剧增加，如既有建筑结构的修复，立柱和桥墩的抗震加固，以及建造供车辆使用的桥梁和行人通道[1-3]。这种复合材料具有高模量和刚度、低密度（与传统材料相比）、高耐腐蚀性和增强耐久性的特点。特别是FRP在混凝土柱约束中的短期效率已在几项早期实验研究中得到证明[4-5]。

然而，现有对长期暴露于环境因素下加固结构构件力学行为进行的研究尚不足。恶劣的环境条件，如直接暴露于室外、温度变化、冻融循环，尤其是酸性或碱性侵蚀环境，都有可能影响FRP 加固的耐久性，并导致整个结构系统的机械性能大幅降低。全面了解FRP 约束混凝土的机理、特性对于优化设计和研究过程至关重要。

1 FRP耐久性研究现状

目前大多数应用于工程中的FRP 分为FRP 片材和FRP 筋材两类。两类材料各有优势，比如FRP片材可以粘贴于结构表面起到防护的作用，而FRP筋可以代替钢筋应用到结构中，其优异的抗拉、抗弯强度以及耐腐蚀等都会使结构的服役期明显加长。下面就对这两类FRP 在侵蚀环境中的耐久性进行梳理与分析。

1.1 湿热对FRP的影响

任慧韬等[6]通过试验分析了湿热环境下FRP 的力学性能，研究表明，就力学性能而言，玻璃纤维增强复合材料（GFRP）在湿热环境中受到的影响，相比于碳纤维增强复合材料（CFRP）在湿热环境中受到的影响更加容易。

张彦红等[7]采用25 个GFRP 试件进行了长时间的湿热试验，对伸长率、拉伸强度及弹性模量等进行了分析。研究表明，三者随老化时间的增加，前期以接近抛物线的趋势急剧下降，后期下降趋势趋于平稳。并建立了相应的性能衰减模型，可以较好预测经湿热作用后的GFRP使用寿命。

杨勇新等[8]研究了随湿热老化时间的增长，玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）力学性能的变化规律，研究表明：BFRP 片材抗拉强度和延伸率随作用时间的增长均呈现先下降、后上升的趋势，但对弹性模量影响较小。

但国内外学者通过大量试验和理论推导发现湿热环境一般不会对FRP的拉伸性能造成影响[9-10]。就此仍需进行更深入的研究。

1.2 温度对FRP的影响

高晓楠等[11]首先对未经处理的BFRP 片材和CFRP 片材进行高温作用，后进行拉伸试验。结果表明，高温作用后BFRP 片材与CFRP 片材相比，前者的拉伸强度和拉伸模量均远小于后者，而后者的伸长率一般小于前者。后用环氧树脂充分浸渍两种片材，同样进行了高温作用后的拉伸试验。从试验结果来看，经高温作用后，环氧树脂的作用并不明显。当温度超过200 ℃时，FRP 片材的拉伸强度及模量的下降趋势随高温作用时间的增长而增长。咸贵军等[12]对经环氧树脂浸渍单向BFRP 片材在高温中及高温作用后进行了试验研究。研究同样发现，BFRP 片材经高温作用后，其拉伸强度出现明显下降。并用微观试验分析了劣化机理，经高温作用后，BFRP 拉伸性能的下降主要是由于树脂的降解与界面的脱粘导致的。

王晓璐等[13]通过拉伸试验研究了高温下FRP筋材的力学性能，研究表明：随温度的升高极限强度逐渐降低；弹性模量在树脂软化前受温度的影响较小，一旦树脂完全软化，GFRP 筋材的弹性模量随温度的升高迅速折减，接近线性变化。李趁趁等[14]也进行了高温后FRP 筋材的纵向拉伸性能的试验研究，并且还对比研究了GFRP筋和BFRP筋材经高温后的拉伸性能。结果表明：随温度的升高，FRP筋材抗拉强度和极限应变逐渐下降；高温作用对BFRP影响小于GFRP 筋。朱德举等[15]的研究也得出了类似的结论。

蔡启明等[16]研究了高温作用后GFRP 筋材和BFRP 筋材的剪切性能，结果表明：随温度的升高FRP 筋材的剪切强度均逐渐降低，且GFRP 筋的退化速率明显高于BFRP 筋。相同温度作用后，直径12 mm的FRP筋材剪切性能退化速率一般高于直径16 mm 的筋材。但李光辉等[17]研究发现温度较高时直径对高温后FRP筋材的力学性能影响较小。

1.3 其他因素对FRP的影响

沙吾列提等[18]为研究我国西北自然环境条件对CFRP 片材的影响，将其置于室外实际环境中进行老化试验，以期得到较为准确的试验结果。研究表明，在自然老化2 年后，CFRP 片材的抗拉强度与弹性模量基本不变，而伸长率略有下降。同样杨勇新等[19]探讨了华北地区自然环境条件对CFRP 片材的影响，也得到了类似的结论。

于爱民等[20]为了研究FRP片材在恶劣环境中的拉伸性能，分别进行了室温下、冻融和干湿循环作用后的拉伸试验。研究结果表明，三种试验条件下，FRP 片材的应力随应变的增加基本呈现直线上升；冻融循环后，CFRP 片材受到的影响小于GFRP片材，同时二者拉伸强度随着冻融次数的增加而逐渐降低；此外GFRP 片材的拉伸性能受到干湿循环影响后没有出现明显的改变。王海良等[21]为了研究环境类型对BFRP 力学性能的影响，在酸溶液、冻融循环及其耦合作用下进行了3 种不同直径的BFRP筋材耐久性试验，结果表明：相同直径下耦合作用对BFRP 筋材抗拉强度的降低明显高于单一因素作用；不论单一还是耦合因素下，较小的试件其抗拉强度降低均明显高于其他两者。

2 FRP-混凝土柱研究现状

2.1 干湿循环的影响

李趁趁等[22]对混凝土圆柱分别采用CFRP 和GFRP 全裹粘贴加固与条带间隔粘贴加固，并在盐溶液干湿循环作用后进行轴心受压试验，结果表明，经侵蚀后，FRP加固混凝土圆柱的强度和延性均出现不同程度的降低，CFRP加固柱与GFRP加固柱相比而言，前者耐侵蚀性能较好，并且全裹粘贴方式优于条带间隔粘贴方式。张玲玲等[23]为了解海洋环境下CFRP 加固混凝土结构的耐久性，也进行了相同的试验，得到了相似的试验结果。

2.2 冻融循环的影响

李趁趁等[24]为了研究CFRP 和GFRP 条带约束混凝土圆柱在冻融作用后的轴压性能，进行了轴心抗压试验，研究表明，冻融作用后与常温条件下同类型试件相比，使FRP 条带约束混凝土圆柱的强度、刚度和延性均出现了不同程度的降低，且降低程度随着冻融次数的增加而增加。

郝伟等[25]通过对芳纶纤维增强复合材料（AFRP）约束混凝土进行快速冻融循环试验，研究了其在该环境下的轴心受压力学性能，结果表明：混凝土在AFRP 约束后其抗压性能得到了显著的提高，且随着粘贴层数的增多，轴心受压强度也逐渐提高。

2.3 温度的影响

徐明等[26]通过轴压试验研究了CFRP 约束混凝土在经历不同温度后的力学性能，结果表明，核心混凝土受到CFRP 的约束后，其抗压强度会随试件温度的升高而逐渐增大。而薛晋等[27]研究了经高温作用后对BFRP 约束混凝土柱承载力的影响，结果表明，随着炉内温度的增加，试件的破坏模式由BFRP 的拉断破坏转变为环氧树脂与混凝土的粘结破坏，其承载力随温度的升高而逐渐降低。

2.4 化学介质的影响

张大伟等[28]在硫酸盐浸泡作用下对CFRP 约束混凝土试件和非约束试件进行了对比试验分析，在浸泡后进行单轴受压试验，结果表明，CFRP 的约束可以有效提高试件的承载能力，在硫酸盐环境下，CFRP约束可以改善混凝土的抗腐蚀能力。

于峰等[29]分析研究了碱环境作用对PVC-CFRP管混凝土柱力学性能的影响，研究表明：就试件破坏形态而言，碱环境与普通环境下的较相似，但前者破坏过程较短，试件的承载力和变形也有不同程度的降低。

张家玮等[30]采用CFRP 片材分别对普通混凝土柱与硫酸盐侵蚀劣化混凝土柱进行加固，后通过单轴压缩试验对二者进行了研究。试验结果表明，二者的极限承载力、应力应变等均随侵蚀时间的增加而降低，但约束劣化混凝土柱的降低速率明显大于约束普通混凝土柱。表明CFRP 片材并不能有效阻止腐蚀离子的侵入；预劣化程度越高，CFRP 约束劣化混凝土的强度和极限承载力就越低。