GFRP锚杆耐久性能试验研究

尹 超， 胡哲钏， 张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031)

GFRP被称作玻璃纤维增强聚合物，是一种由玻璃纤维和树脂合成的新型材料[1]。随着GFRP新型材料的研究和GFRP锚杆的推广应用，采用GFRP锚杆替代普通钢筋锚杆是大势所趋。在边坡支护工程中，由于岩土体中的环境复杂，无法从根本上解决金属锚杆腐蚀的问题，严重影响工程的耐久性。而GFRP锚杆与普通金属锚杆相比，具有质轻、强度高、耐腐蚀等优点[2]。

目前对于GFRP锚杆性能已经开展了相关研究, 孙奇[3]分析了10种GFRP筋的拉伸性能，发现锚具能大大影响GFRP筋的极限承载力。高磊[4]提出了GFRP加固预应力混凝土梁的统一弯曲设计方法，给出了弯曲强度的计算公式和强度折减系数的推荐值。吕西林等[5]将GFRP筋置于高温环境中，研究得到混凝土构件在不同抗火等级要求下的耐火极限时间。杨振茂等[6]进行了玻璃钢锚杆的拉伸试 验和锚尾性能试验。马念杰等[7]在综合分析国内外FRP锚杆发展现状和趋势的基础上，设计了一种新型的锯齿形金属套管锚尾玻璃纤维锚固结构。

然而，将GFRP锚杆应用于边坡支护的先决条件是需要明确其基本力学性能及其极限指标，需要明确GFRP锚杆受不同的化学物质(酸、碱、盐)腐蚀后的耐久性能[8]。鉴于此，论文对GFRP锚杆耐久性能展开研究，为后续的研究提供依据。

1 GFRP复合材料腐蚀机理

GFRP复合材料的组成部分中，玻璃纤维起增强作用，承担大部分荷载，因此GFRP复合材料的刚度和拉伸强度较大。环氧树脂和玻璃纤维结合在一起，通过界面将荷载从环氧树脂转移到玻璃纤维上，这不仅充分发挥了玻璃纤维的高拉伸强度，而且使载荷分布均匀，避免了应力薄弱区和早期损伤的发生。

因此，有2种方式使得GFRP复合材料破坏。第一种方式，让玻璃纤维或环氧树脂中的1种或2种材料受损；第二种方式，使玻璃纤维与环氧树脂的连接界面受损。图1表示GFRP复合材料失效原因及过程。

图1 GFRP复合材料失效原因及过程

其中，GFRP复合材料腐蚀的主要原因是环境介质对界面的腐蚀。界面存在大量空隙，水分子在毛细作用下沿界面迅速扩散，造成GFRP复合材料湿热老化。水对界面的破坏是主要因素。一方面，侵入的水分子溶解了玻璃纤维表面的可溶性成分，使其沿玻璃纤维表面的微裂纹迅速扩散，促进了微裂纹的传播，破坏了玻璃纤维的表面结构；另一方面，对于环氧树脂来说，水是溶胀、降解的辅助剂，水的存在会破坏环氧树脂的结构。水对GFRP复合材料的侵蚀将不可避免地影响到整个界面相的状态。

GFRP复合材料腐蚀的主要形式有3种：

(1)化学裂解。在活性介质的作用下，渗透到GFRP复合材料中的介质分子可以与基体树脂大分子发生化学反应，破坏大分子主价键。

(2)溶胀和降解。溶剂分子渗透到GFRP复合材料中，破坏了大分子间的二次键，溶胀、降解了基体树脂，使其强度降低。

(3)应力脆裂。在应力和某些介质的作用下，材料有时会发生裂纹并发展成裂缝，直至发生脆性断裂。

有研究人员通过SEM电镜分析发现，随着腐蚀程度的加深，环氧树脂表面的裂纹和空洞增多，腐蚀表面的沟槽变大，最终出现裂纹。由于这些空洞和裂缝的存在，基体树脂材料和玻璃纤维脱落。在长期的环境效应下，GFRP复合材料的力学性能下降，导致材料失效。这从微观的角度上证明了上述观点。

2 GFRP螺纹筋在酸、碱、盐溶液环境下的耐久性能试验

2.1 试验准备

为了在试样中部发生破坏，将大直径材料加工成小直径哑铃形试样，试验样本如图2、图3所示。为了防止试样在试验过程中受到局部损伤，铜线缠绕在凹槽内以填充凹槽，这可以有效地避免试样端部的表面滑移。应变片对称贴在试样中部。

图2 GFRP锚杆拉伸实验试样示意

图3 GFRP锚杆试验试样

用钢套管加固试样端部，采用树脂粘结剂连接钢套管和GFRP筋。试验在拉压试验机上进行，用电子引伸计测量应变。试验装置见图4。

图4 试验加载装置

试验采用φ22 mm的GFRP螺纹筋276根，每根长度1 m。按常温浸泡状态的不同，共分为5组，具体情况如表1所示。

表1 试验前试样准备情况

将浸泡后的GFRP螺纹筋取出后，用清水将表面洗净。浸泡完后的GFRP筋试样如图5所示。待完全干燥后用环氧树脂和玻璃纤维对其两端进行包扎。完全固化后，在SANS电液伺服万能试验机(1 000 kN)上进行拉伸试验。

图5 浸泡后试样

2.2 耐酸、耐碱试验结果

拉伸试验于室温30 ℃，湿度55%的环境下进行。拉伸试验试样共168根，其中152根拉断，16根端头拉脱。每组工况拱设置18组测试试样，最终取算术平均值得到最终结果。拉伸试验结果如表2、图6所示。

图6 拉伸强度-浸泡时间关系

表2 耐酸、碱拉伸试验结果(30d)

从试验数据我们可以看出，当GFRP锚杆处于强酸性或强碱性环境下，其力学性质指标-拉伸强度、弹性模量和拉拔力都有降低。然而，对比浸泡30天、60天、90天的试验数据发现，力学性质指标的降低幅度极小，约0.1%～5%，这对GFRP锚杆的影响甚微。说明了GFRP锚杆具有良好的抵抗酸、碱溶侵蚀的性能。

2.3 耐盐试验结果

拉伸试验于室温30 ℃，湿度55%的环境下进行。拉伸试验试样共108根，其中101根拉断，7根端头拉脱。每组工况共设置18组测试试样，最终取算术平均值得到最终结果。拉伸试验结果如表3、图7所示。

表3 耐盐拉伸试验结果(30d)

GFRP螺纹筋经过6%的NaCl溶液浸泡30天、60天、90天后，拉伸强度由634 MPa下降到631.6 MPa、627.6 MPa、624.5 MPa，下降幅度为1.53%，基本保持不变；弹性模量由45.25 GPa下降到44.83 GPa、44.63 GPa、44.27 GPa，基本无变化。

GFRP螺纹筋经过饱和的NaCl溶液浸泡30天、60天、90天后，拉伸强度由634 MPa下降到630.8 MPa、626.6 MPa、624.2 MPa，下降幅度为1.54%，基本保持不变；弹性模量由45.25 GPa下降到44.25 GPa、44.27 GPa、44.27 GPa基本无变化。

从试验数据我们可以看出，GFRP螺纹筋在NaCl溶液中浸泡30天、60天、90天后，拉伸性能方面并没有明显的下降，说明GFRP材料耐Cl-1离子的能力还是比较理想的。