玻璃纖維增強聚合物筋耐久性及其增強水泥基復合材料研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、鋼筋混凝土結構是現(xiàn)有基礎設施建設的主要形式,但是鋼筋銹蝕問題嚴重影響了結構的服役性能。而纖維增強聚合物復合材料得益于其優(yōu)異的物理化學性能,在土木工程結構修補、加固和增強方面得到廣泛應用。其中,玻璃纖維增強聚合物(GFRP)筋具有拉伸強度高、質輕、抗疲勞、性價比高等特點,是代替鋼筋增強混凝土結構的理想材料。但同時,較差的耐水、堿等環(huán)境侵蝕性能限制了GFRP筋在土木工程領域的廣泛應用。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合材料領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變的變化規(guī)律;最后通過SEM/EDS、X-CT和XRF微觀分析技術對侵蝕前后GFRP的表觀形貌、微觀結構和化學組成進行了分析,結合擴散動力學、高分子物理、高分子化學等相關

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。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),失去對纖維的保護和粘結作用,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筋的力學性能對潮濕及海洋環(huán)境不敏感,堿及鹽堿復合環(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。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,化學成

6、分基本保持不變而強堿性模擬液及鹽堿復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,強堿及鹽堿復合環(huán)境下,GFRP筋基體發(fā)生物理溶脹及化學分解,粘砂層脫落,表面基體粉化,剝離纖維表面,失去對纖維的粘結和保護作用,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,為離子的進一步侵蝕提供條件。但是在NaCl/NaSO4復鹽與堿共同作用下,由于陰離子間的

7、競爭作用導致侵蝕能力下降,GFRP的劣化速度反而低于單鹽分與堿的復合作用。
  (4)水分子和離子吸附、擴散過程引起GFRP筋基體塑化反應和水解作用,從而導致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,破壞玻璃骨架結構,導致GFRP筋力學性能降低。微觀結構的變化,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)部微觀結構的致密性,對纖維進行表面處理,增加纖維-基體粘結性能,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

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