玻璃纖維增強聚合物筋耐久性及其增強水泥基復(fù)合材料研究.pdf

1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的主要形式，但是鋼筋銹蝕問題嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的服役性能。而纖維增強聚合物復(fù)合材料得益于其優(yōu)異的物理化學(xué)性能，在土木工程結(jié)構(gòu)修補、加固和增強方面得到廣泛應(yīng)用。其中，玻璃纖維增強聚合物(GFRP)筋具有拉伸強度高、質(zhì)輕、抗疲勞、性價比高等特點，是代替鋼筋增強混凝土結(jié)構(gòu)的理想材料。但同時，較差的耐水、堿等環(huán)境侵蝕性能限制了GFRP筋在土木工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。因此研究海洋和堿環(huán)境下GFRP筋的性能退變規(guī)律和侵蝕機理

2、，提高GFRP筋的耐侵蝕能力成為復(fù)合材料領(lǐng)域的一個重要研究課題。
　　本文首先測試了GFRP筋在腐蝕前的基本物理性能、吸濕性能、高溫性能及力學(xué)性能;然后研究了常溫及60℃高溫條件下，GFRP筋在潮濕、海洋、堿和鹽堿等環(huán)境模擬溶液作用下拉伸強度、拉伸彈性模量和極限應(yīng)變的變化規(guī)律;最后通過SEM/EDS、X-CT和XRF微觀分析技術(shù)對侵蝕前后GFRP的表觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成進(jìn)行了分析，結(jié)合擴散動力學(xué)、高分子物理、高分子化學(xué)等相關(guān)

3、理論，從基體、纖維-基體界面和纖維三方面揭示了GFRP筋在多種環(huán)境條件的侵蝕機理。
　　基于試驗研究得出以下結(jié)論:
　　(1) GFRP筋試樣的密度約為鋼筋密度的23％，公稱直徑10.33mm試樣拉伸強度為923.4MPa，約為普通鋼筋拉伸強度的2～3倍，拉伸彈性模量為33.9GPa。壓力作用下GFRP筋發(fā)生橫向劈裂破壞，抗壓強度與試樣直徑、長度有關(guān)。GFRP筋的平均吸水率擬合曲線表明，隨著齡期的增加，吸水率增長速率減小，直

4、至試樣處于飽和狀態(tài)，長期浸泡會出現(xiàn)質(zhì)量減小現(xiàn)象。高溫條件下，GFRP筋基體首先軟化，發(fā)生熱降解和交聯(lián)，失去對纖維的保護(hù)和粘結(jié)作用，玻璃纖維裸露呈亮白色。
　　(2)混凝土與GFRP筋具有較好的粘結(jié)性能，GFRP筋表面粘砂層附著于混凝土內(nèi)部，隨著混凝土強度等級的提高，粘結(jié)強度增大，混凝土內(nèi)埋GFRP筋剩余強度增大。常溫下，GFRP筋的力學(xué)性能對潮濕及海洋環(huán)境不敏感，堿及鹽堿復(fù)合環(huán)境中GFRP筋最小剩余拉伸強度分別為78.482％和7

5、5.05％，彈性模量最大損失分別為9.14％和10.62％。60℃條件下，離子的遷移速率加快，因此試樣表面有白色析出物產(chǎn)生;鹽堿復(fù)合作用發(fā)生了多離子侵蝕過程，加劇了GFRP筋的劣化程度。
　　(3) GFRP筋試樣內(nèi)部存在微裂縫、孔隙等原始缺陷，在環(huán)境侵蝕過程中其缺陷會不斷積累與擴展，因此GFRP的劣化過程與環(huán)境溫度、溶液濃度等多因素有關(guān)。常溫條件下，潮濕環(huán)境、混凝土環(huán)境及海洋環(huán)境模擬溶液侵蝕作用下的GFRP筋表觀形貌完整，化學(xué)成

6、分基本保持不變而強堿性模擬液及鹽堿復(fù)合模擬溶液侵蝕下的GFRP筋表面析出白色顆粒，產(chǎn)生蝕坑現(xiàn)象。60℃高溫條件下，離子擴散和侵蝕速率加快，強堿及鹽堿復(fù)合環(huán)境下，GFRP筋基體發(fā)生物理溶脹及化學(xué)分解，粘砂層脫落，表面基體粉化，剝離纖維表面，失去對纖維的粘結(jié)和保護(hù)作用，SiO2含量降低。GFRP筋外圍纖維呈松散狀，部分纖維裸露，內(nèi)部微裂縫、孔隙含量增加，為離子的進(jìn)一步侵蝕提供條件。但是在NaCl/NaSO4復(fù)鹽與堿共同作用下，由于陰離子間的

7、競爭作用導(dǎo)致侵蝕能力下降，GFRP的劣化速度反而低于單鹽分與堿的復(fù)合作用。
　　(4)水分子和離子吸附、擴散過程引起GFRP筋基體塑化反應(yīng)和水解作用，從而導(dǎo)致GFRP筋基體滲透開裂、基體-纖維界面劣化和層間分離，最終導(dǎo)致GFRP筋的性能發(fā)生劣化。水吸收作用主要通過以下三個擴散途徑:通過基體或纖維的擴散，在纖維-基體界面毛細(xì)作用下的擴散，及通過微裂縫、孔、缺陷等的擴散。侵蝕離子中的OH-離子和金屬陽離子擴散至基體表面破壞乙烯基酯中的

8、酯鍵而生成羧酸鹽，從而在纖維表面產(chǎn)生溶出和蝕刻作用，破壞玻璃骨架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致GFRP筋力學(xué)性能降低。微觀結(jié)構(gòu)的變化，SiO2含量減小，GFRP筋本身的缺陷為水分子和離子的擴散提供了通道，而提高溫度會加速離子的擴散速率。因此采取提高GFRP筋內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的致密性，對纖維進(jìn)行表面處理，增加纖維-基體粘結(jié)性能，采用高性能耐蝕纖維，及降低水泥基基體pH等措施可以有效提高GFRP筋的抗侵蝕能力。
　　(5) GFRP筋為線彈性材料，彈性模量低