腐蚀环境下FRP锚杆耐久性能试验研究

罗小勇，唐谢兴，匡亚川，李凯雷

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)



腐蚀环境下FRP锚杆耐久性能试验研究

罗小勇，唐谢兴，匡亚川，李凯雷

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

摘要:通过纤维和树脂的耐久性分析和GFRP锚杆、CFRP锚杆的抗碱性、抗酸性以及抗盐腐蚀性试验，得到GFRP锚杆和CFRP锚杆在不同腐蚀环境下力学性能随腐蚀时间的变化规律。研究结果表明，GFRP锚杆在碱、酸和盐介质中腐蚀1 500 n后，强度分别下降13.76%，11.09%和4.14%，其耐盐腐蚀性能较好，但耐酸、耐碱性能相对较差，当GFRP锚杆应用到实际工程结构时需要考虑酸碱性环境的影响，可以通过控制应力水平低于极限拉伸强度的25%来保证耐久性的要求；酸碱盐腐蚀环境对CFRP锚杆的强度影响很小，强度下降都在4%以内，碳纤维具有较好的耐酸、耐碱和耐盐腐蚀的性质，与GFRP锚杆相比CFRP锚杆的耐久性较好；根据腐蚀环境下FRP锚杆力学性能试验成果，给出力学性能随腐蚀时间的退化规律计算公式，为FRP锚杆在腐蚀环境下的工程应用提供依据。

关键词：FRP;锚杆;腐蚀;耐久性;力学性能

锚杆锚固是土木工程中的一个重要领域，在边坡、基坑和坝体等工程建设中大量应用[1]。在永久的锚固工程中，通常把钢材作为锚杆的主要材料，但钢筋锚杆在实际工程中存在着很多缺陷，其易腐蚀的特点使得以钢锚杆为主的锚固体系存在着安全隐患的突出问题。在地质复杂的边坡支护类工程中，除了由于环境暴露引起的氧化外，土壤中还存在大量的易被水溶解的钙、钠、镁盐，极易产生电化学腐蚀，严重影响钢锚杆的安全性和耐腐蚀性能。特别是近年来，随着工业的污染加重，许多重工业地区酸雨降水量加大，导致钢锚杆的腐蚀问题尤为突出[2]。一些学者开始对纤维增强塑料(FRP)锚杆进行研究，经过试验研究发现采用FRP锚杆代替钢锚杆是解决钢锚杆腐蚀的有效方法[3]。北美、欧洲和日本等发达国家对FRP锚杆进行的试验研究较多[4-6]，主要集中在黏结性能[7]、材料强度[8]和抗火性能[9-11]等方面。已有研究表明，GFRP筋在高温下的材料性能衰减严重[12],随着老化时间的增加，CFRP和GFRP片材的抗拉强度、弹性模量和延伸率逐渐降低，且温度越高，降低速度越快[13-14],但国内外对FRP锚杆耐腐蚀性试验研究较少[15]，对腐蚀机理的分析也不够充分，FRP锚杆耐久性能还没有深入的研究成果。 本文基于高溶度加速老化的试验方法，分别对GFRP和CFRP锚杆在普通环境、酸性环境、碱性环境和盐性环境条件下锚杆杆体进行物理和力学性能试验，研究其在不同腐蚀条件下的物理和力学性能变化规律，为FRP锚杆在复杂地质条件下工程应用提供依据。

1FRP锚杆材料耐久性

现有试验对3种E玻璃纤维增强复合材料系统和4种碳纤维增强复合材料系统在100%湿度、盐水、碱溶液、柴油、紫外线、高温(60～140 ℃)以及冻融循环的研究表明[21]：大多数碳纤维增强复合材料在经过10 000 h 的试验后，耐久性良好；但是其中有一组碳纤维复合材料在耐潮湿性能试验中，加固短梁的抗碱承载能力降低50%以上；E玻璃纤维增强复合材料系统暴露在潮湿环境时，更容易导致抗拉强度和极限应变的衰减，对大多数此类复合材料和环境而言，在经历10 000 h 后，这种衰减会小于20%；同时发现有一组E玻璃纤维增强复合体系在100%湿度和38℃温度环境中，10 000 h 后的抗拉强度损失达35%；但在盐水和pH=9.5 的碱性溶液中，E 玻璃纤维增强复合材料系统的耐久性能无明显降低；无论是碳纤维还是玻璃纤维增强复合材料在经过耐久性试验后，弹性模量没有明显的降低。

由酸雨和混凝土碳化等引起的弱酸性(ph值在4~7之间)、由泄漏事故引起的强酸性(ph值小于4)、由混凝土内含火山灰引起的弱碱性(ph值在7~10之间)、由波特兰水泥产生的强碱性(ph值大于10)等都会对FRP材料耐久性有影响。FRP锚杆中常用纤维、树脂在各种环境下反应如表1所示。

表1　纤维和树脂在恶劣环境下的反应

2试验设计

由于试验方法不同，试验结果也不一样。化学物质和环境因素导致FRP材料腐蚀的程度主要取决于浸润树脂的类型、纤维所受的拉应力的大小、化学物质的浓度、与化学物质接触的时间和温度。目前绝大多数有关FRP 长期性能的数据都由实验室中加速腐蚀实验得到。最近有不少国家对实际工程进行跟踪研究的工作，人工加速老化实验得到的数据只能作为参考。根据已有的研究经验，采用加剧老化的方法对GFRP 锚杆及CFRP锚杆进行酸碱盐介质腐蚀试验研究。腐蚀试验采用上海启鹏工程材料科技有限公司的GFRP锚杆和哈尔滨工业大学与国家树脂基复合材料工程技术研究中心联合研制的CFRP锚杆。腐蚀试验采用在三种不同的腐蚀介质中进行，酸性溶液为浓度6%的H2SO4溶液，碱性溶液为浓度3%的NaOH溶液，盐溶液为浓度3%的NaCl溶液。为了防止溶液在末端浸渍，导致拉伸试验中末端先夹碎，因此在锚杆的两端都涂上环氧树脂。在酸溶液中浸泡的试样与在碱溶液中浸泡的情况相比，其拉伸强度保持率下降较缓慢，但随着浸泡时间的增长其拉伸强度保持率下降；FRP 锚杆拉伸强度保持率下降是由于在硫酸溶液中发生了玻璃纤维及界面的劣化，玻璃纤维中的钙成分与硫酸发生反应而生成了硫酸钙并溶析于环境液中，试件表面显现出灰白色，如图1所示。

在碱溶液中浸泡的试样与在酸溶液中浸泡的情况相比，试件的拉伸强度保持率下降较快。试样表面形成白色变色层，如图2所示。FRP锚杆拉伸强度保持率下降是由于在在氢氧化钠溶液中发生了玻璃纤维中玻璃成分的溶析和树脂的分解。在碱性环境下，树脂加水分解引起树脂中的酯结合成了羧酸和乙醇，以及产生了部分氧化硅产物，而导致了拉伸强度下降。在盐溶液中浸泡的试样，其拉伸强度保持率下降较缓慢，试件表面末发生明显变化，FRP锚杆在盐性环境中有较好的耐久性。当应力水平控制在低于极限拉伸强度的25%时，FRP锚杆耐久性能基本满足复杂地质条件工程的要求。

(a)900 h; (b)1 200 h; (c)1 500 h图1　酸性腐蚀试件Fig.1 Acidic corrosion specimens

(a)900 h; (b)1 200 h; (c)1 500 h图2　碱性腐蚀试件Fig.2 Alkali corrosion specimens

3GFRP锚杆腐蚀试验成果及分析

GFRP锚杆酸碱盐介质腐蚀试验结果如表2所示。

各组试件试验成果见图3。

GFRP锚杆的介质腐蚀时间对力学性能关系曲线如图4所示。

对极限抗拉强度进行回归分析，得出腐蚀时间h和酸腐蚀相对抗拉强度Δfaci、碱腐蚀相对抗拉强度Δfalk及盐腐相对蚀抗拉强度Δfsal的关系式为：

Δfaci=1-0.000 07 h

(1)

Δfalk=1-0.000 09 h

(2)

表2　GFRP锚杆腐蚀试验结果

(a)酸腐蚀;(b)碱腐蚀;(c)盐腐蚀图3　腐蚀GFRP锚杆试验成果Fig.3 Test results of corrosion of GFRP anchor bolt

(a)极限抗拉强度;(b)弹性模量图4　腐蚀GFRP锚杆力学性能Fig.4 Mechanical property of GFRP anchor bolt

Δfsal=1-0.000 02 h

(3)

同理，对弹性模量进行回归分析，得出腐蚀时间h和酸腐蚀相对抗拉强度ΔEaci、碱腐蚀相对抗拉强度ΔEalk及盐腐蚀相对抗拉强度ΔEsal的关系式为：

ΔEaci=1-0.000 04 h

(4)

ΔEalk=1-0.000 07 h

(5)

ΔEsal=1-0.000 007 h

(6)

对于酸碱盐介质腐蚀的试验，从试验结果中可以得出玻璃纤维对酸和碱的腐蚀都是敏感的，但对盐的腐蚀破坏并不严重。GFRP锚杆在碱，酸和盐介质中浸渍900 h后，强度分别下降7.52%，5.86%和1.84%；GFRP锚杆在碱，酸和盐介质中浸渍1 200 h后，强度分别下降10.50%，8.82%和2.61%；GFRP锚杆在碱，酸和盐介质中浸渍1 500 h后，强度分别下降13.76%，11.09%和 4.14%。可见，GFRP锚杆在酸、碱溶液介质中强度损失较严重。

4CFRP锚杆腐蚀试验成果及分析

CFRP锚杆酸碱盐介质腐蚀试验结果如表3所示。

表3　CFRP锚杆腐蚀试验结果

各组试件试验成果见图5。

(a)酸腐蚀;(b)碱腐蚀;(c)盐腐蚀图5　腐蚀GFRP锚杆试验成果Fig.5 Test results of corrosion of CFRP anchor bolt

CFRP锚杆的介质腐蚀时间与强度关系曲线如图6所示。

(a)极限抗拉强度；(b)弹性模量图6　CFRP锚杆腐蚀时间与强度关系曲线Fig.6 Mechanical property of CFRP anchor bolt

对极限抗拉强度进行回归分析，得出腐蚀时间h和酸腐蚀相对抗拉强度Δfaci、碱腐蚀相对抗拉强度Δfalk及盐腐相对蚀抗拉强度Δfsal的关系式为：

Δfaci=1-0.000 02 h

(7)

Δfalk=1-0.000 01 h

(8)

Δfsal=1-0.000 03 h

(9)

同理，对弹性模量进行回归分析，得出腐蚀时间h和酸腐蚀相对抗拉强度ΔEaci、碱腐蚀相对抗拉强度ΔEalk及盐腐蚀相对抗拉强度ΔEsal的关系式为：

ΔEaci=1-0.000 008 h

(10)

ΔEalk=1-0.000 02 h

(11)

ΔEsal=1-0.000 001 h

(12)

从酸碱盐介质腐蚀试验中可以看出，酸碱盐对于CFRP锚杆的强度影响很小，强度下降都在4%以内。这说明碳纤维具有很好的耐酸、耐碱和耐盐溶液腐蚀的性质。

5腐蚀环境下FRP锚杆力学性能退化机理分析

造成FRP力学性能降低的主要原因是腐蚀环境下树脂基体性能的劣化、纤维的劣化以及纤维与树脂基体界面结合力的退化。树脂聚合物在腐蚀环境中可能会发生一系列的物理变化和化学变化。树脂基体在腐蚀溶液环境中，其分子键将会水解破裂，树脂吸水越多，水解破裂时间越短，老化一段时间后，当树脂中的分子键基本破坏后，树脂中各个分子主要靠化学键连接，在一定的老化时间内难以破裂；其中，玻璃纤维的劣化是造成GFRP力学性能大幅度降低的最主要原因，玻璃纤维中的Si-O键与水分子和碱中的氢氧根离子交换或化学反应导致Si-O键断裂，造成GFRP宏观力学性能大幅度降低[16]。

FRP力学性能降低同时也伴随着纤维与基体界面的劣化过程。界面劣化过程比较有代表的说法有以下几点：一是树脂基体在腐蚀环境中溶胀产生的界面内应力，进而产生裂纹，导致界面结合力下降：二是腐蚀环境中水解导致自身性能的降低，弱化了树脂对玻璃纤维复合材料的贡献及剪应力传递的能力；三是渗入到界面处的腐蚀溶液使界面发生水解；导致界面结合力降低。水的扩散率越大，基体吸水及渗入到界面的水越多，界面结合力的下降也越大。

对于腐蚀环境下FRP锚杆耐久性试验研究表明，在腐蚀环境下FRP锚杆总体耐久性较好，抗拉强度最多降低13.8%，弹性模量最多降低12%；相对盐溶液，FRP锚杆在酸碱溶液中力学性能退化较为严重；与GFRP 锚杆相比，CFRP锚杆的耐久性更好。

6结论

1)GFRP锚杆在碱，酸和盐介质中浸渍1 500 h后，强度分别下降13.76%，11.09%和4.14%。GFRP锚杆具有很好的耐盐腐蚀性能，但耐酸、耐碱性能相对较差。当GFRP锚杆应用到实际工程结构时需要考虑碱性环境的影响，可以通过控制应力水平低于极限拉伸强度的25%来保证耐久性的要求。

2)酸碱盐对于CFRP 锚杆的强度影响很小，强度下降都在4%以内，碳纤维具有较好的耐酸、耐碱、耐盐溶液腐蚀的性质。

3)造成FRP 锚杆力学性能降低的主要原因是树脂基体性能的劣化和纤维与树脂基体界面结合力的退化，本文根据腐蚀环境下FRP 锚杆力学性能试验成果，给出了力学性能随腐蚀时间的退化规律计算公式。

参考文献:

[1] 程良奎，李象范．岩土锚同·土钉·喷射混凝土—原理、设计与应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，2010．

CHENG Liangkui, LI Xiangfan.Geotechnical anchoring, soil Nail, shotcreting-principles, design and application[M].Beijing: China Architecture and Building Press, 2010.

[2] 李国维,余亮,吴玉财.预应力喷砂玻璃纤维聚合物锚杆的黏结损伤[J]．岩石力学与工程学报,2014,33(8).1711-1719.

LI Guowei，YU Liang，WU Yucai.Bond damage of prestressed sand-coated glass fiber reinforced polymer anchor[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(8):1711-1719.

[3] American Concrete Institute．Guide for the design and construction of concrete reinforced with FRP anchor bolt[S]．ACI Report 440．IR-O103，Farmington Hills，2004．

[4] Kocaoz S, Samaranayake V A，Nanni A．Tensile characterization of glass FRP bars[J]．Composites，Part B，2005，36(1)：127-134．

[5] Chen Y，Davalos J F，Ray I．Durability prediction for GFRP reinforcing bars using short-term data of accelerated aging tests[J]．Journal of Composites for Construction，2006，10(4)：279-286．

[6] Dejke V，Teppers R．Durability and service life time prediction of GFRP for concrete reinforcement[J]．FRPRCS5，Thomas Teford，2001(2)：505-513．

[7] Canadian Standards Association，CAN/CSA—S806—02．Design and construction of building components with fibre reinforced polymers[S]．Canadian Stand—ards Association，Rexdale，Ontario，2002．

[8] Japanese Society of Civil Engineers(JSCE)．Recom—mendations for design and construction of concrete structures using continuous fibre reinforced materials[S]．JSCE，Tokyo，Japan，1997．

[9] Bakht B, Al-Bazi G, Banthia N, Canadian bridge design code provisions for fiber-reinforced structures[J].Journal of Composites for Construction, 2000,4(1): 3-15.

[10] Toutanji H.Saafi M.Durability studies on concrete columns encased in PVC-FRP composite tubes[J].Composite Structures,2001(54): 27-35.

[11] Brahim Tighiouart，Brahim Benmokrane，Phalguni Mukhopadhyaya．Bond strength of Glass FRP rebar splices in beams under static loading[J]．Construction and Building Materials,1999(13)：383-392.

[12] 查晓雄, 王晓璐, 谢先义.GFRP筋混凝土梁耐火性能的试验研究[J]．防灾减灾工程学报,2012,32(1):50-55.

CHA Xiaoxiong, WANG Xiaolu, XIE Xianyi.Fire performance of GFRP reinforced concrete beams[J]．Journal of Disaster Prevention and Mitigation of Engineering,2012,32(1):50-55.

[13] 李杉,任慧韬,黄承逵.温度与碱溶液作用下FRP片材耐久性研究[J]．建筑材料学报,2010,13(1):94-99.

LI Shan, REN Huitao, HUANG Chengkui.Combined effects of temperature and alkaline solutionon durability of FRP sheets[J]．Journal of Building Materials,2010,13(1):94-99.

[14] 周萌.GFRP与BFRP复合材料的湿热耐久性能研究[D]．哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

ZHOU Meng.Study on hydrothermal ageing of glass and basalt fiber based FRP composites[D]．Harbing:Harbing Industrial University,2013.

[15] 李趁趁,于爱民,王英来.模拟混凝土碱性环境下FRP筋的耐久性[J]．建筑科学,2013,29(1):47-51.

LI Chenchen，YU Aimin，WANG Ying1ai.Durability of FRP rebars in alkaline environment of concrete[J]．Building Science,2013,29(1):47-51.

[16] Yilmaz V T，Glsser F P．Reaction of alkali-resistant glass fibers with cement, part l：Review, assessment, and microscopy[J]．Glass Technology,1991，32(3)：91-98．

(编辑蒋学东)

Test on erosion resistance of FRP anchor bolt

LUO Xiaoyong, TANG Xiexing, KUANG Yachuan, LI Kailei

(College of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract：For the purpose of studying the durability of FRP anchor bolt, this paper studied on durability of the fiber and resin.The mechanical performance tests are conducted on FRP bolts in normal, acid, alkalis and salt conditions, from which the change law of mechanical property can be studied for bolts in different corrosion conditions.The test results chow that , after 1500 hours erosion in acid, alkalis and salt conditions, the strength of GFRP anchar falk to 11.09%, 4.14% respectively.GFRP anchor bolt mechanical property is well in salt condition compared with in acid and alkalis conditions.When GFRP anchor bolt applied to the practical engineering structure, the influences of acid and alkaline environment should be considered, and the stress must not exceed 25% of ultimate tensile strength.On the other hand, CFRP anchor bolt strength changes little in acid, alkalis and salt conditions, and intensity drops by around 4%percent.Carbon fiber erosion resistance is good in acid, alkalis and salt conditions.Compared with GFRP anchor bolt, CFRP anchor bolt durability is better.According to the test results, degradation law calculation figure of CFRP anchor bolt mechanical property were deduced in this paper, which provide the theory basis for the engineering application.

Key words：FRP; anchor bolts; corrosion; durability; mechanical property

通讯作者：罗小勇(1968-)，男，湖南衡阳人，教授，博士，从事结构工程方面的研究；E-mail：106371193@qq.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51178470)

收稿日期：2015-03-27

中图分类号：P315.95; TU37

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2015)06-1341-07