GFRP 管混凝土短柱酸碱腐蚀的试验研究

唐国允，单鲁阳

TANG Guoyun，SHAN Luyang

(浙江工业大学建筑工程学院，浙江 杭州310014)

GFRP 管是将玻璃纤维和树脂按一定比例采用拉挤或缠绕工艺制成，在GFRP 管内浇筑混凝土形成GFRP 管混凝土柱(Concrete—Filled GFRP Tubes Column)是一种比较新型的组合结构［1-2］，这种新的结构形式最早由美国学者Mirmiran 和Shahawy(1995)［3］提出，可用于高腐蚀性的环境中，能抵抗的恶劣环境的(潮湿、腐蚀、冷冻等)影响，有效改善混凝土的耐久性，并防止混凝土的碳化及钢筋锈蚀，减少恶劣环境造成的侵蚀。因此，采用GFRP 管代替钢管可以避免钢管混凝土柱的锈蚀问题，同时保留了钢管混凝土柱的优点［4］:

(1)GFRP 管约束核心混凝土使混凝土处于三向受力状态，提高了强度和延性;

(2)混凝土的存在可以延缓或避免GFRP 管这种薄壁构件过早地发生局部屈曲，从而可保证其材料性能的充分发挥;

(3)GFRP 管可作为施工过程中浇筑混凝土的模板，节省模板费用，加快施工速度。

因此，GFRP 管混凝土组合柱在高层建筑结构、桥梁结构、海洋结构中具有广泛的应用前景。

针对GFRP 管混凝土组合柱的轴压、偏压和抗震等力学性能［5-6］，已经有很多人进行了研究，而对抗腐蚀方面的研究却相对缺乏。本文以试验为主，研究了酸碱溶液对GFRP 管混凝土柱的腐蚀程度，为GFRP 管混凝土柱的广泛应用打下坚实的实验基础。

1 试验方案

1.1 试验准备

本试验采用广东纤力玻璃有限公司提供的定制GFRP 圆管，其规格为DN150 mm ×450 mm 的短柱。其组成成分及材料参数见表1、表2。

表1 GFRP 管材料组成成分力学性能参数

表2 GFRP 管材料性能参数

本实验采用C40 强度的混凝土，水泥采用标号为P. O42. 5 的钱潮牌水泥，碎石的最大粒径是35 mm，且级配良好。砂子的细度模数为2.4 左右。混凝土的配合比见表3。

表3 C40 混凝土的实验配合比

为了测定混凝土内部的应变，本实验制作了一个钢筋笼，并把应变片贴在上面，在浇筑时埋入混凝土中。为了测定外部的混凝土，会在管子的外面相应的贴上应变片，用以测定轴压时外部GFRP 管的应变。

本文采用三种不同pH 值的酸碱溶液作为浸泡液。pH 值为2 的硫酸溶液是用浓硫酸按照合适的比例稀释而成。然后是pH 为10 和13 的氢氧化钠溶液，两者均是用氢氧化钠固体配制而成。

1.2 试验方法

本试验的变量有两个:一个是浸泡的时间，考虑到具体的实验条件和前人的研究，本实验采用30 d和60 d 两个浸泡时长;另一个变量是浸泡的温度，提高温度是为了加速反应，本文采用常温20°和高温60°这两个温度。高温采用水浴加热的方式。

结合三种不同的pH 值和两种温度以及两种浸泡时间的变化，本试验总共分为9 组实验组进行，每组一根试件。另外还有一组对照组，是没有经过浸泡处理的组合柱，总共为10 根短柱。构件在相应的条件下进行了浸泡之后，放在压力试验机下进行轴压试验。最后分析比较各柱的极限承载力的变化关系。

2 试验结果与分析

2.1 GFRP 管混凝土组合柱的酸碱腐蚀结果

GFRP 管混凝土组合柱在酸碱溶液中的腐蚀结果见表4。其中GZ1-9 表示九组试验的GFRP 混凝土组合柱，而GZD 表示未做任何处理的对照组的GFRP 混凝土组合柱。

表4 试件分组及极限承载力值

2.2 结果分析与讨论

图1 是4 组组合柱的极限承载力对比图。第1组是柱GZ1 和GZ3 的对比，他们的区别是温度的不同。由表4 的数据可以得到，在高温浸泡下的柱GZ3 的极限承载力相对低温的柱GZ1 下降9.93%。而第2 组中，碱性溶液浸泡下的柱GZ7 的极限承载力相对柱GZ9 下降11.6%。同样能够反映出，高温时组合柱的极限承载力下降的更多，在高温下酸碱对GFRP 混凝土组合柱的侵蚀程度更大。第3 组是柱GZ1 和GZ2 的对比，他们的区别是浸泡时间的不同。同样由表4 的数据可以得到，60 d 浸泡下的柱GZ2 的极限承载力相对30 d 浸泡的柱GZ1 反而上升了4.8%。其原因可能是组合柱在60 d 的浸泡下，其水化反应更彻底，所以柱子的强度得到了一定程度的提高。所以导致最后得出的组合柱的极限承载力在30 d 和60 d 浸泡的情况下几乎相等的结论。还有可能本实验由于本身的局限性，浸泡的时间不够长，所以可以大胆预见的是如果浸泡的时间足够长，那么组合柱的极限承载力应该会有相应的下降。第4 组GZ4 和GZ5 的对比同样的反应出在碱性溶液的环境下，组合柱的极限承载力与上述相同的规律。

图1 4 组组合柱的极限承载力对比图

而图2 是10 根组合柱极限承载力的一个柱状对比图。从图中可以直观地看到中间GZD 组合柱的极限承载力是最高的，从而说明经过酸碱浸泡处理的其他组合柱的强度都是有一定程度的下降的。由表4 的数据可以得出，GZ1 相对于GZD 下降了16.1%;GZ2 相对于GZD 下降了12.1%;GZ3 相对于GZD 下降了24.4%。以上三组组合柱在酸溶液的浸泡下，高温时下降得最多。GZ4 相对于GZD 下降了16.9%;GZ5 相对于GZD 下降了11.3%;GZ6相对于GZD 下降了24.3%;这三组溶液是弱碱，下降的规律和酸环境下的结果是一样的，也是高温时下降得最多。GZ7 相对于GZD 下降了7.3%;GZ8相对于GZD 下降了5.6%;GZ9 相对于GZD 下降了18%。虽然组合柱在酸碱溶液的浸泡下极限承载力都有所下降，但是他们的腐蚀机理却有些不同。酸性腐蚀主要是针对管子的基体材料和混凝土强度的影响，而碱性腐蚀主要是针对玻璃纤维［7］。

图2 10 根组合柱的极限承载力对比图

3 结 语

(1)酸碱溶液对GFRP 混凝土组合柱有一定的腐蚀作用，且随着温度的升高和浸泡时间的加长，组合柱的极限承载力下降加快。

(2)在酸碱环境中，组合柱的极限承载力有所下降，但是幅度不大，说明GFRP 混凝土组合柱能够有效地抵抗酸碱侵蚀。

(3)酸碱虽然对GFRP 混凝土组合柱都有腐蚀作用，但是腐蚀机理却不同，所以实际工程应用中要区别对待，并制定相应的解决措施。

［1]滕锦光，陈建飞，S·T·史密斯，等. FRP 加固混凝土结构［M］.滕锦光，顾磊，译.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［2]叶列平，冯鹏.FRP 在工程结构中的应用与发展［J］.土木工程学报，2006，39(3):24 -36.

［3]Mirmiran A，Shaw M.A novel FRP—concrete composite construction for the infrastructure［C］// Proceedings of the ASCE Structures Congress XⅢ. Boston，1995:1663 -1666.

［4]谢启芳，郑培君，薛建阳，等.FRP 管混凝土组合柱的研究现状与展望［J］.四川建筑科学研究，2012，38(3):24 -29.

［5]鲁国昌.FRP 管约束混凝土轴压性能研究［D］. 北京:清华大学，2005.

［6]秦国鹏，王连广，吴迪.GFRP 管钢骨混凝土偏压构件非线性分析［J］.混凝土，2009(8):8 -11.

［7]武胜萍，蒋金洋.FRP 筋的耐久性能研究现状［J］.华北水利水电学院学报，2012，33(6):124 -128.