海洋环境下BFRP 筋力学性能时变规律研究

杨永民,祁长辉,关淑鸿,陈耿杰,刘炳岳,刘丹萍,刘俊辉,唐昀超*

（1. 仲恺农业工程学院城乡建设学院，广东广州 510225；2. 广东省岭南乡镇绿色建筑工业化工程技术研究中心，广东 广州 510225；3. 仲恺农业工程学院建筑节能可持续发展研究所，广东 广州 510225）

海洋环境下，混凝土受海水腐蚀会造成结构恶化，这对工程结构的耐久性、安全性和稳定性都有至关 重 要 的 影 响［1］。海 水 中 主 要 存 在Cl−、SO42−和Mg2+，混凝土的水化产物会与这些离子发生化学反应［2-5］，使得混凝土碱性降低，破坏混凝土微观结构的稳定性，对暴露在海水环境中的混凝土结构物造成腐蚀［6］。同时，钢筋的膨胀锈蚀也会影响结构物耐久性［7］。海水中足量的Cl−渗透混凝土表层并破坏钢筋的钝化膜，使钢筋活化并发生腐蚀破坏，最终导致混凝土结构物开裂［8］。

在海洋环境下使用玄武岩纤维材料代替普通钢筋可以改善海洋混凝土结构性能，有效解决海水和氯离子腐蚀钢筋等一系列问题［9-10］。玄武岩纤维（basalt fiber-reinforced polymers，BFRP）筋是指由玄武岩矿石经高温熔化后，通过挤压与拉拔纤维与树脂基体材料制备而成的一种新型非金属复合材料［11-12］。与钢筋相比，BFRP 筋具有轻质高强、耐腐蚀等优点，可以有效抵抗Cl−渗透，在海水环境中有较好的工作性能［13-14］。在盐环境下BFRP 筋的抗拉强度退化较小［15］，然而碱离子会对BFRP 筋造成一定程度的腐蚀［16］，在模拟海洋环境下（pH 值为12.7和13.4）BFRP 筋表面的硅酸盐和碱离子反应会导致较明显的性能退化［17］。Lu 和Ali 等［18-19］研究结果表明，BFRP 筋在60 ℃碱性环境下浸泡半年后的粘结强度下降69%，浸泡5000 h 后的横向抗剪强度、抗弯强度与层间剪切强度分别下降了12%、19%和21%。因此，在碱性海水环境下需要考虑BFRP 筋性能退化对结构物的影响。

为进一步研究BFRP 筋在复杂海水环境下的力学性能及微观结构变化，分别设计了直径为6 和8 mm 的普通BFRP 筋及用地质聚合物砂浆包裹后的BFRP 筋两组试件，研究试件在自来水、模拟海水和模拟碱性海水浸泡后拉伸强度的退化程度，以及放置在海浪区域后的拉伸性能的退化程度。根据BFRP 筋在不同海水环境下的横断面微观结构、试件腐蚀时间及剩余拉伸强度，建立海水环境下BFRP 筋拉伸强度退化模型，为BFRP 筋在混凝土海工应用给予试验依据和数据支撑。

1 试验部分

1.1 试验原材料

1.1.1 地质聚合物胶凝材料

基于本研究支撑课题的前期研究成果，制备了一种粉体状的地质聚合物胶凝材料（GI），其主要由韶钢粒化高炉矿渣、黄埔电厂粉煤灰、艾肯硅灰、激发剂及缓凝增强组分组成，其中韶钢S95 矿渣、黄埔电厂II 级粉煤灰、硅灰、模数为1.4 的固体硅酸钠和碳酸钠混合激发剂及缓凝增强剂的质量比为70∶12∶5∶8∶5。地质聚合物胶凝材料的化学组成和物理力学性能分别列于表1 和表2，粉体粒度分布如图1 所示。

制备地质聚合物时未使用外加剂，主要采用的是韶关钢铁集团的粒化高炉矿渣（S95），其化学组成列于表3。

BFRP 筋试件来自四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司，共有直径6 和8 mm 两个规格。BFRP 筋本身没有屈服强度，极限抗拉强度基本在800—1100 MPa，大约是同半径热轧光圆型钢筋（HPB300，屈服强度为300 MPa）极限抗拉强度的1.65 倍、同半径三级热轧带肋钢筋（HRB400，屈服强度为400 MPa）极限抗拉强度的1.59 倍。此外，BFRP 筋的伸长率较钢筋低约为2.0%，而钢筋伸长率约为20.0%，大约为BFRP 筋的10 倍。

表1 地质聚合物胶凝材料的化学组成Table 1 Chemical composition of geopolymer binder

表2 地质聚合物胶凝材料的物理力学性能Table 2 Physical and mechanical properties of geopolymer binder

图1 地质聚合物胶凝材料的粒度分布Figure 1 Particle size distribution of geopolymer binder

表3 矿渣的化学组成Table 3 Chemical composition of GBFS

1.1.2 人工海水

根据ASTMD 1141-98（2003）和GB/T 15748-1995 船用金属材料电偶腐蚀试验方法，来配制实验使用的人工海水，人工海水组成列于表4。

表4 人工海水组成Table 4 Artificial seawater composition

1.2 试验方法

将长1100 mm 的BFRP 筋试件浸入人工海水中，经过预定的龄期之后取出，去除试件表面水分，参考美国ACI440.3R-04 纤维增强聚合物（FRP）筋增强混凝土结构试验方法指南的设计和制作BFRP筋拉伸试件，拉伸试件总长L=1000 mm，具体尺寸如图2 所示。

图2 BFRP 筋拉伸试件Figure 2 Tensile specimens of BFRP bars

在拉伸试验过程中，为避免拉力机夹具对BFRP 筋拉伸试件两端产生剪切破坏，在BFRP 筋两端用长度为200 mm 的钢套筒（壁厚3 mm、底直径为30 mm、顶直径为35 mm）锚固，钢套筒与BFRP 筋之间通过灌注环氧树脂粘结。

根据纤维增强复合材料筋基本力学性能试验方法（GB/T 30022-2013），在电液伺服万能试验机上测试BFRP 筋样品极限抗拉强度及拉应变，采用位移控制并控制试件在1—10 min 内破坏。

2 实验结果及分析

2.1 海水浸泡对BFRP 筋力学性能的影响

图3 为在自来水、模拟海水条件下浸泡后BFRP 筋拉伸强度的变化情况。从图3 可见：在自来水浸泡下，试件拉伸强度略有提升后下降，最后有倾向稳定的趋势；在模拟海水浸泡下，BFRP 筋强度降低；用地质聚合物砂浆包裹后的BFRP 筋强度衰退情况得到改善，其拉伸强度在腐蚀过程中先迅速下降后缓慢下降，即腐蚀介质在BFRP 筋中扩散达到一定深度后达到平衡，此时反应生成物在BFRP筋内部堆积使侵蚀反应放缓；对比直径分别为6 和8 mm 的BFRP 筋，在地质聚合物砂浆包裹状态下初始拉伸强度均为1158 MPa，在海洋环境下浸泡360 d 后最终拉伸强度分别为961.433 和1 005.433 MPa；随着浸泡时间的递增，在同一环境下直径为6 mm 的BFRP 筋拉伸强度比直径8 mm 的稍低。表明，后续需要持续关注更大直径下BFRP 筋在腐蚀环境中的退化现象。

图3 BFRP 筋在不同腐蚀介质中拉伸强度的变化Figure 3 Variation of tensile strength of BFRP bars in different corrosive medium

由于受到海浪冲击，海滨环境下BFRP 筋腐蚀情况较静置海水或普通盐雾环境复杂。将BFRP 筋试件放置海滨环境（海边浪溅区）下，半年后测试试件的拉伸强度并观察BFRP 筋的性能变化。

图4 为放置BFRP 筋试件的示意图，表5 为BFRP 筋的拉伸性能结果。由表5 可知，老化BFRP筋的拉伸强度为1 053.1 MPa、拉伸弹性模量达到47.8 GPa，未经老化的BFRP 筋的拉伸强度为899.1 MPa、拉伸弹性模量为50.8 GPa。半年老化后，试样的强度提高了19%、拉伸强度降低了5.8%，说明BFRP 筋在海水浸泡半年内未有明显性能退化。

图4 浪溅区浸泡180 d 的BFRP 筋Figure 4 BFRP bars aged 180 days in the splash zone

表5 BFRP 筋（海水浪溅区暴露180 d）的拉伸性能Table 5 Tensile properties of BFRP bars（180 days exposure in seawater splash zone）

2.2 海洋环境下BFRP 筋抗拉强度退化模型

在自来水、模拟海水和碱性模拟海水（饱和Ca（OH）2人工海水溶液）中浸泡后BFRP 筋试样外观如图5 所示。从图5 可见，在不同条件下BFRP 筋表面变化是不一样的。浸泡在自来水中，BFRP 筋表面无明显变化；浸泡在模拟海水中，28 d 之后筋材表面的光泽度降低，浸泡90 d 之后光泽度比28 d 后的黯淡，浸泡一年之后筋材肋痕凹处变得粗糙；浸泡在碱性模拟海水中，28 d 后筋材光泽度显著下降且表面粗糙，浸泡60 d 后试件肋痕凹处由黑色变为黄棕色（玄武岩纤维颜色）、凸起处变为灰色，浸泡90 d后凸起变窄、黄棕色纤维原丝裸露明显，浸泡180 d后筋材表面变成了黄棕色松散纤维，浸泡一年后筋材表面树脂稀少、纤维完全松散。

图5 BFRP 在海水环境中筋腐蚀前后外观变化Figure 5 Appearance changes of reinforcement before and af⁃ter corrosion in seawater environment

图6 为BFRP 筋在水和海水环境下浸泡180 d的横断面SEM 图。从图6 可见：在水中浸泡180 d的BFRP 筋，其横断面树脂和BFRP 纤维丝结合紧密且没有孔隙；在海水中浸泡180 d 的BFRP 筋的边缘处外层纤维出现孔隙，并且表面结构遭受侵蚀后而松散。

图6 BFRP 筋在水和海水中腐蚀180 d 后的横断面微观结构Figure 6 Cross sectional microstructure of BFRP bars after 180 days of corrosion in water and seawater

水和海水环境下BFRP 筋纵断面的微观结构见图7。从图7 可见：未受海水腐蚀的BFRP 筋纵断面中，BFRP 纤维丝与树脂之间嵌合紧密，BFRP 纤维表面光滑平整；在海水中浸泡180 d 后，BFRP 纤维丝松散，中间粘结的树脂消失，在纤维丝表面附着了大量盐类结晶物这是由于在腐蚀过程中，腐蚀性介质主要沿着筋材径向由外向内逐步深入，早期主要造成纤维和树脂的脱落，后期造成纤维丝表面的腐蚀，最后引起BFRP 筋拉伸强度的显著降低。

图7 BFRP 筋在水和海水中浸泡180 d 后的纵断面微观结构Figure 7 Longitudinal microstructure of BFRP tendons soaked in hydrated seawater for 180 days

通过对BFRP 筋的微观分析可知，BFRP 筋在海水环境下的退化机理是纤维-树脂基体界面的剥离破坏，表达式如下［20］。

式（1）中Y∞为腐蚀时间趋于无穷的BFRP 筋剩余拉伸强度，t 为由腐蚀温度决定的特定时间。

地质聚合物混凝土中BFRP 筋在海洋环境下侵蚀主要分为两个方面，一个是海水的侵蚀，另一个是地质聚合物内部的碱侵蚀。因此对公式（1）进行了修正［21］，修正后方程如下。

为验证修正后的方程，对直径6 和8 mm 的BFRP 筋（地质聚合物砂浆包裹）在海水浸泡下拉伸性能时变规律进行模拟（图8），拟合参数列于表6。由表6 可知，在该环境下，直径为6 mm 的BFRP 筋最终强度为695 MPa，直径8 mm 的BFRP 筋最终强度为663 MPa。衰退模型分别为直径6 mm 的BFRP 筋衰 退 模 型 ff=695.38×(1 −exp(−8.199 58×10−7×t))−0.04694和 直 径8 mm 的BFRP 筋 衰 退 模 型ff=663.76×(1−exp(−1.983 49×10−6×t))−0.04248。

表6 BFRP 筋退化拟合参数Table 6 Fitting parameters to describe the degradation of BFRP bar

表7 为海水浸泡下直径6 和8 mm 的BFRP 筋拉伸强度误差值结果。从图8 及表7 可见：直径6 mm的BFRP 筋拟合最小相对误差绝对值为0.499%，最大为2.556%；直径8 mm 的BFRP 筋拟合最小相对误差为0.003%，最大为0.15%。说明衰退模型对直径8 mm 的BFRP 筋拟合效果优于增加6 mm。表明，相较于增加8 mm，部分直径6 mm 的BFRP 试件受海水腐蚀及碱腐蚀影响较大，可能是由于小直径试件加工精度不足，由此对实验结果产生影响。而有关腐蚀温度、湿度、海水离子种类及受力形式对BFRP 筋造成的侵蚀破坏，仍待进一步深入研究。

图8 海水浸泡环境下BFRP 筋拉伸强度Figure 8 Tensile strength of BFRP immersed in marine environment

表7 海水浸泡下直径6 和8 mm 的BFRP 筋拉伸强度误差值Table 7 Error value of tensile strength of Ф6mm and Ф8 mm BFRP bar immersed in marine environment

3 结论

以直径为6 和8 mm 的普通BFRP 筋及用地质聚合物砂浆包裹后的BFRP 筋两组试件作为参考，研究不同模拟海洋环境下BFRP 筋及其界面性能时变规律和力学性能，根据BFRP 筋力学性能时变规律所造成承载力的损失，建立了基于承载力衰退的BFRP 筋拉伸强度模型。

（1）BFRP 筋在自来水浸泡下的条件下抗拉强度先略有增加后下降，最后趋于稳定。在模拟海水中浸泡的条件下，其拉伸强度会随老化时间的增加而逐步降低。直径为6 mm 的BFRP 筋的拉伸强度在此条件下的衰退相比于直径为8 mm 的严重，最终拉伸强度分别为961.433 MPa 和1 005.433 MPa。

（2）BFRP 筋在海中的浪溅区裸露半年后的伸强度变化较小。经半年老化，试样的强度提高了19%，而拉伸强度降低了5.8%。说明，海水半年时间内的浸泡下并未引起BFRP 筋的拉伸性能明显退化。

（3）BFRP 筋表面外观在自来水中浸泡后无变化。试件外观在模拟海水中浸泡后随浸泡时间增加逐步劣化，在海水中浸泡180 d 后，BFRP 筋边缘外层出现孔隙，筋材外表树脂稀疏，纤维几乎完全松散，纤维丝表面附着大量盐类结晶物。

（4）根据BFRP 筋在海水环境下的退化机理建立并修正强度衰退模型，对直径为6 和8 mm 的BFRP 筋（地质聚合物砂浆包裹）在海水浸泡下拉伸性能时变规律进行模拟，结果表明直径为6 mm 的BFRP 筋最终强度为695 MPa，而直径为8 mm 的BFRP 筋最终强度为663 MPa。