预制夹芯保温墙体FRP连接件抗拉强度加速老化试验研究

薛伟辰， 付 凯， 秦 珩

（1.同济大学 建筑工程系，上海 200092；2.北京万科企业有限公司，北京 100125）

预制夹芯保温墙体是一种集承载与保温一体化的新型保温墙体，一般由保温层、内外混凝土墙板、纤维增强塑料（FRP）连接件等构件组成.与传统的内保温或外保温墙体相比，预制夹芯保温墙体具有施工速度快、保温隔热性能优良等优点，在工业化住宅，尤其是工业化保障房建设中的应用前景广阔［1－3］.

FRP是一种高性能复合材料，具有较高的比强度和良好的耐腐蚀性能，而且导热系数很低，约为钢材的1／150，混凝土的1／30.研究［4－5］表明，在夹芯保温墙体中采用FRP连接件是避免连接件部位冷热桥、保证墙体耐久性的一个行之有效的方法.

FRP连接件是预制夹芯保温墙体的关键部件，其受力性能直接影响墙体的使用安全性及耐久性.目前，关于FRP连接件的研究主要集中在正常使用环境下FRP连接件的抗拉强度、抗压性能和抗剪性能等方面［6－7］.预制夹芯保温墙体中的FRP连接件处于混凝土环境，而混凝土环境属于强碱环境，pH值可达12.0～13.5，因此有必要对预制夹芯保温墙体FRP连接件的耐久性能进行研究.

研究［8］表明，预制夹芯保温墙体FRP连接件的抗剪性能具有较高的安全储备.在60℃模拟混凝土环境下侵蚀183.00d（对应自然环境50a）后，FRP连接件的层间剪切强度下降了26.89%，但与设计荷载值相比仍具有较大的安全系数.Vistasp等［9］的研究表明，GFRP筋在80℃模拟混凝土环境下侵蚀80周后，其抗拉强度降低40.00%.Mukherjee等［10］的研究表明，GFRP筋在60℃碱溶液腐蚀6个月后，其抗拉强度降低了56.00%；Nkurnziza［11］将拉应力水平分别为25%，38%的GFRP筋浸入60℃模拟混凝土环境中417.00d后，发现其抗拉强度分别下降了11.63%，31.68%；Chen［12］将 GFRP筋在60℃碱溶液中浸泡70.00d后发现，其抗拉强度下降了29.00%；李杉等［13］将GFRP片材在pH 值为12的碱溶液中浸泡60.00d，试验温度分别为40，50，60℃，结果发现其抗拉强度分别下降了41.70%，49.10%，55.00%.综上可见，腐蚀前后FRP材料的抗拉强度变化幅度差别较大.

为验证预制夹芯保温墙体在50a使用寿命期间的耐久性，实现主体结构与围护结构同寿命，有必要对预制夹芯保温墙体FRP连接件的耐久性能进行研究.本文基于ACI 440.3R－04《Guide Test Methods for Fiber－Reinforced Polymers（FRPs）for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures》中规定的试验方法对FRP连接件进行了183.00d（模拟自然环境下50a［14－15］）的加速老化试验研究，重点分析了侵蚀时间和环境温度等对FRP连接件抗拉强度的影响.同时，采用扫描电子显微镜（SEM）对腐蚀前后FRP连接件的微观形貌进行了观察.最后，基于阿列纽斯方程提出了模拟混凝土环境下FRP连接件抗拉强度的退化模型.

1 试验设计

1.1 试验原材料及试验参数

选用南京斯贝尔复合材料公司拉挤成型工艺生产的FRP连接件.FRP连接件的纤维材料为无碱玻璃纤维（E－glass），基体材料为乙烯基树脂（vinyl ester）.试验在自制的恒温溶液箱中进行，溶液温度分别为40，60℃，侵蚀时间分别为3.65，18.00，36.50，92.00，183.00d，每一温度、侵蚀时间下测试5个试件，共计50个.

1.2 试验方法

侵蚀溶液的配比参照ACI 440.3R－04中的有关规定，采用Ca（OH）2，KOH，NaOH 的混合溶液来模拟真实混凝土环境，pH 值为12.6～13.0.FRP连接件的抗拉强度试验在上海试验机厂生产的 WE－30液压式压缩试验机上进行，由英国产ISOLATED MEASUREMENT PODS的数据采集系统实时连续采集，加载时间持续2～4min.采用PHILIPS公司生产的XL－30型扫描电子显微镜（SEM）对侵蚀前后FRP连接件内部形貌进行观察.

2 抗拉强度

FRP连接件在40，60℃模拟混凝土环境中侵蚀前后的抗拉强度变化如图1所示，图2为FRP连接件典型的受拉破坏形态.

图1 FRP连接件抗拉强度随时间的变化规律Fig.1 Curve of tensile strength vs.time

图2 FRP连接件受拉破坏形态Fig.2 Tensile failure modes of FRP connectors

由图1，2可见：（1）随着侵蚀时间的延长，FRP连接件的抗拉强度呈退化趋势，在60℃模拟混凝土环境中侵蚀92.00d后，其抗拉强度退化速率趋缓.模拟混凝土环境温度为60℃时，FRP连接件侵蚀3.65，18.00，36.50，92.00，183.00d后，其抗拉强度分别 下 降 了 8.69%，19.42%，26.61%，32.91%，38.85%.这主要是由于随着侵蚀时间的增加，FRP连接件中的纤维不断被腐蚀，从而造成了FRP连接件抗拉强度的不断退化.（2）在40，60℃模拟混凝土环境作用下，侵蚀183.00d后，FRP连接件的抗拉强度分别下降了26.39%，38.85%.这主要是由于随着温度的升高，模拟混凝土环境中的OH—运动速度加快，从而加速了FRP连接件中纤维与OH—的化学反应，导致抗拉强度不断退化.（3）在60℃模拟混凝土环境下侵蚀183.00d后（对应自然环境50a）FRP连接件的抗拉强度下降了38.85%.因此，对应于自然环境50a，FRP连接件的抗拉强度环境影响系数建议取偏于安全的2.0.

3 SEM分析

图3为FRP连接件在模拟混凝土环境中侵蚀前后的截面侵蚀状况.

图3 侵蚀前后FRP连接件截面侵蚀状况Fig.3 SEM images of the FRP connectors before and after being exposed to simulated concrete environment

由图3可见：（1）随着侵蚀时间的增加，FRP连接件的劣化程度逐渐增大.侵蚀前，FRP连接件内部结构比较致密，纤维比较饱满，纤维和树脂结合也较紧密；侵蚀后，纤维和树脂之间的界面变得松散，纤维与周围树脂之间出现较为明显的脱黏现象.（2）在40℃模拟混凝土环境中侵蚀36.50d后，纤维和树脂之间的界面仍比较紧密，没有出现明显的脱黏现象，而在60℃碱溶液中，纤维与周边树脂之间出现了明显的脱黏现象.侵蚀183.00d后，纤维和树脂间界面脱黏现象较为严重.（3）在60℃模拟混凝土环境中，随着侵蚀时间的增加，纤维的侵蚀程度愈发明显.183.00d后，纤维的侵蚀程度较为严重，在GFRP连接件内部出现很多孔洞.这是由于FRP连接件中的纤维与模拟混凝土环境溶液中的OH—不断发生化学反应，致使Si—O键断裂，从而对FRP连接件抗拉力学性能造成不利影响［12］.

4 FRP连接件抗拉强度退化模型

根据文献［13－14］，本文采用阿列纽斯方程来建立不同温度下FRP连接件抗拉强度退化模型.

4.1 退化模型

根据阿列纽斯方程，模拟混凝土环境下FRP连接件强度退化速率可用式（1）表示［16］.

式中：k为FRP连接件的强度退化速率，MPa／d；A为与材料特性和劣化过程有关的常数；Ea为引起FRP连接件强度退化的活化能，J／mol；R为气体常数，8.314 3J／（mol·K）；T 为环境绝对温度，K.

根据图1的试验数据，分别对模拟混凝土环境不同温度下FRP连接件的抗拉强度退化速率随时间变化的数据进行拟合，可得到抗拉强度退化速率Vt（%）与侵蚀时间t的关系为：

基于阿列纽斯方程，可得不同温度下FRP连接件抗拉强度退化速率Vt随时间t和温度T的变化关系为：

4.2 模型计算值与试验值对比

4.2.1 与本文试验结果的对比

图4为FRP连接件的抗拉强度退化速率随时间变化的试验值和模型计算值.由图4可见，基于阿列纽斯方程的FRP连接件抗拉强度退化速率试验值与模型计算值之比的平均误差均在10%以内，二者吻合较好.

图4 FRP连接件抗拉强度模型计算值与试验值对比Fig.4 Comparison of experimental and calculated results of FRP connectors

4.2.2 与已有文献试验结果对比

表1为本文抗拉强度退化模型对国内外已有文献中FRP连接件及片材的抗拉强度退化速率计算值与试验值对比.由于FRP材料组成的复杂性以及侵蚀溶液的差异，个别文献试验值与本模型计算值相差较大（达到1.93）.但总体上看，已有文献试验值与本文抗拉强度退化模型计算值之比的平均值为1.73，结果偏安全.

表1 FRP连接件抗拉强度退化速率试验值与计算值对比Table 1 Comparison of experimental and calculated results of tensile strength decrease rate of FRP connectors

续表1

5 结论

（1）侵蚀后FRP连接件的劣化区域内纤维和周围树脂之间出现了明显的脱黏现象，而且随着侵蚀时间的增加和环境温度的提高这种现象更为明显.

（2）随着侵蚀时间的增加，40，60℃模拟混凝土环境下的FRP连接件抗拉强度均呈下降趋势.

（3）在40，60℃模拟混凝土环境作用下，侵蚀183.00d后，FRP连接件的抗拉强度分别下降了26.39%，38.85%.

（4）对应自然环境50a时，FRP连接件的抗拉强度环境影响系数建议取2.0.

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