纤维增强复合材料约束混凝土柱耐久性研究进展

金清平，刘运蝶

（武汉科技大学城市建设学院，武汉 430065）

0 前言

FRP是由高性能纤维材料与基体材料按一定比例并经过一定工艺复合形成的1种高性能材料[1]。FRP材料因其可塑性强、强度高、优异的耐腐蚀性，结合混凝土在恶劣环境中被广泛应用[2-4]，混凝土填充在FRP管中形成FRP约束混凝土柱就是其中1种。FRP约束混凝土结构最早由Fardis和Khalili[5]提出，FRP管可以充当模板，使施工速度提高，而且对混凝土有约束作用，从而提高其强度和延性，降低了脆性[6-8]，如图1所示。目前，国内外学者对于FRP约束混凝土柱已开展了大量研究，包括FRP管不同形状[9-10]、不同纤维缠绕角度[11-12]、组合柱不同受力方式（压[13-14]、弯[15-16]、组合受力[17-18]）、不同荷载作用方式（循环荷载[19-20]、冲击荷载[21-22]、爆炸荷载）下的力学性能及FRP与内部混凝土的界面黏结滑移[23]，并提出受压应力应变模型[24-25]。

图1 无约束混凝土柱和FRP约束混凝土柱的轴向应力-应变关系Fig.1 Axial stress-strain relationship of unrestrained concrete columns and FRP confined concrete columns

由上述可知，关于FRP约束混凝土柱的力学性能研究成果较为丰富，但对于FRP约束混凝土柱耐久性能变化规律把握不够充分，因此，本文从不同腐蚀环境、不同温度、不同作用方式等3个方面系统梳理了FRP约束混凝土柱的长期性能，以期为FRP约束混凝土柱应用于恶劣环境中提供一定参考。

1 不同腐蚀环境下耐久性研究

1.1 盐腐蚀溶液中的耐久性能

Robert[26]、张慧娟[27]、Li[28]、沈阳[29]、Li[30]等研究了玻璃纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料、碳纤维增强塑料（G/B/CFRP）约束混凝土柱在盐溶液中的耐久性，结果表明浸泡后FRP管的环拉强度大幅度下降；氯盐浸泡后，氯离子扩散进入混凝土生成Friedel盐和水化产物[31]，使试件的微观结构更为致密；通过差示扫描量热法（DSC）、傅里叶变换红外吸收光谱（FTIR）研究其微观结构，发现盐溶液会使FRP材料劣化，如图2所示，游离的羟基离子（OH-）、氯离子（Cl-）以及水分子（H2O）会在FRP材料中扩散，树脂基体发生水解和塑化，致使树脂基体溶解、断裂，OH-和Cl-等腐蚀离子会使纤维劣化，树脂基体和纤维界面失去化学键合力和机械咬合力[32]，老化的玻璃纤维增强塑料（GFRP）约束混凝土柱表面存在一定的微裂纹，这就导致试件饱和时吸湿量增加，但GFRP管与混凝土之间的最大黏结强度并未下降[33]，浸泡了365 d的GFRP与混凝土界面之间没有明显损伤，因此，材料的劣化是GFRP约束混凝土柱承载力下降的主要原因，浸泡后的GFRP约束混凝土柱抗压强度保留率均小于1，强度下降显著，承载力衰减趋势呈现指数方式，浸泡时间较短时，承载力下降较快，逐渐趋于平缓。碳纤维增强塑料（CFRP）约束混凝土柱表现出更明显的脆性破坏特征，试件因中高区FRP断裂破坏，混凝土破坏更严重，GFRP约束混凝土柱比CFRP约束混凝土柱的变形能力更好，但CFRP约束混凝土柱极限荷载更高，强度保留率优于玄武岩纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料（B/GFRP）约束混凝土柱。随着浸泡时间的增加，FRP柱的归一化强度和极限应变逐渐降低，断裂应力比FRP环向强度下降更快。

图2 FRP材料在盐腐蚀溶液作用下的退化机理[3， 32]Fig.2 Degradation mechanism of FRP materials under action of salt corrosion solution[3， 32]

1.2 酸、碱腐蚀溶液中的耐久性能

FRP约束混凝土柱在酸、碱腐蚀溶液中的耐久性能也是备受关注的问题，目前的研究主要集中于GFRP约束混凝土柱。唐国允[34]将GFRP约束混凝土柱分别浸泡于酸、碱性溶液中，试验发现在碱溶液的侵蚀下，GFRP管出现泛白现象，碱性越强，变白程度越深；在酸溶液的侵蚀下，管外表面无明显变化，但内部混凝土出现变黄现象；在酸、碱溶液中浸泡后，GFRP管对混凝土套箍作用减小，变形能力和延性均下降。Guo[35]等也对酸溶液腐蚀后的GFRP管混凝土柱进行了轴压试验，试验结果表明经过酸溶液腐蚀的试件破坏模式均为GFRP管断裂和核心混凝土被压碎，被酸溶液腐蚀后的试件极限承载力显著下降，浸泡时间越长，强度下降越明显，酸溶液pH值越小，试件的极限承载力越低，初始刚度随酸溶液的pH值降低而降低。GFRP约束混凝土柱在酸碱腐蚀溶液中的抗压强度保留率如图3所示，可以发现在酸、碱腐蚀溶液浸泡后GFRP约束混凝土柱的抗压强度保留率均有所下降，这是因为酸、碱溶液会以类似于水浸泡的形式使FRP材料发生降解，2种溶液都可能进入GFRP内部使纤维和基体水解和溶胀，产生微裂纹降低GFRP材料的强度[3，36]，图4为 GFRP在碱溶液作用下的扫描电子显微镜（SEM）照片，初始时，纤维与树脂基体黏结紧密，但在碱溶液作用后，氢氧化钙会在纤维表面成核，纤维和树脂基体均出现明显损伤，两者排列松散，黏结减弱[36]。还有学者将盐溶液与碱溶液混合，开展GFRP管混凝土柱的力学性能退化研究，孙强[37]将GFRP管混凝土柱浸泡在20、40、60 ℃的盐碱混合溶液中，研究结果表明GFRP管能减缓盐碱对核心混凝土的侵蚀，但浸泡后构件内部缺陷仍会增加，极限承载力下降明显，刚度大幅度下降。

图3 GFRP约束混凝土柱在酸碱腐蚀溶液中的抗压强度保留率[34-35]Fig.3 Retention of compressive strength of GFRP confined concrete column in acid and alkali corrosion solution[34-35]

图4 GFRP材料在碱溶液作用下的SEM照片[36]Fig.4 SEM images of GFRP material under action of alkali solution[36]

2 不同温度对力学性能的影响

2.1 高温对力学性能的影响

温度对FRP约束混凝土柱力学性能也会产生影响。高温会加速FRP约束混凝土柱在腐蚀溶液中的老化，单独的高温作用也会影响FRP约束混凝土柱的力学性能。Guo[38]、Tabatabaeian[39]等开展了高温作用下FRP约束混凝土柱的力学性能研究，试验表明在轴压荷载作用下，不同温度、不同温度作用时间的FRP约束混凝土柱破坏模式相似，主要表现为FRP管破裂与内部混凝土破碎，随着温度的增加，FRP约束混凝土柱的极限承载力和初始刚度下降明显，温度持续时间对极限承载力的影响很小。其主要原因是高温会使FRP管和内部混凝土材料性能劣化。一方面，高温会使混凝土内部引起物理和化学反应，严重破坏混凝土的结构[40]，骨料和水泥基之间的黏附减少，产生不同步的膨胀和收缩，造成局部应力过大，使混凝土孔隙增加，产生微裂纹[41]，如图5所示，低温石英（α-石英）转变为高温石英（β-石英），导致水泥基体与骨料连接处鼓起[42]。当温度继续升高，混凝土内部成分会发生分解，水化硅酸钙结构不在完整，氢氧化钙晶体脱水破坏，微裂纹不断增多并发展成宏观裂缝[42]，使混凝土强度显著降低。另一方面，高温对FRP材料影响显著，在高温下，树脂基体会发生玻化转变和分解[43-45]，发生树脂氧化开裂，削弱树脂基体和纤维之间荷载传递能力，纤维和环氧树脂脱粘[46]，FRP 材料的刚度和强度会下降[47-49]。因此，在轴向荷载作用下，FRP材料破坏过程受机体玻化和受热表层分层开裂影响，会导致纤维扭结破坏[50-51]，同时由于FRP材料环向强度的降低，会导致FRP管对混凝土的约束减小，使试件极限强度下降，并且材料的劣化也会导致试件极限强度降低。

图5 高温作用下混凝土劣化机理Fig.5 Concrete deterioration mechanism under high temperature

因此，当温度较低时，FRP约束混凝土柱的破坏模式为混凝土破碎，由于混凝土微裂缝和FRP约束强度降低导致；当温度较高时，破坏模式为管鼓胀破坏，由于FPR管和混凝土之间脱粘、树脂基体的恶化以及纤维的屈曲和扭结导致。图6为FRP约束混凝土柱抗压强度保留率随温度变化的拟合曲线，由图也可以得出相似结论，温度作用时间对试件的抗压强度保留率影响不明显，温度升高影响更大，温度越高，试件的抗压强度保留率越低。

图6 高温对FRP约束混凝土柱抗压强度保留率的影响Fig.6 Effect of high temperature on retention of compressive strength of FRP confined concrete columns

2.2 低温对力学性能的影响

低温同样会影响FRP、混凝土的材料性能，从而影响 FRP 约束混凝土柱的力学性能。Xie[52]、Wang[53]等开展了低温作用下FRP约束混凝土柱的力学性能研究，试验发现低温降低了FRP对混凝土的约束作用，极限轴向应变也有所下降，但在低温作用下，极限抗压强度提升明显，抗压强度保留率随温度的降低而提高。这是由于在低温条件下，混凝土中的水冻结成冰，冰填充了一部分孔隙和微裂缝，提高了混凝土的强度和弹性模量[54-56]，如图7所示。同时，FRP管中的树脂基体也会被强化，抗压、环拉强度随之增加，弹性模量增加[57]，从而使FRP约束混凝土柱的抗压强度提高。但值得注意的是，Baris等[58]对FRP约束混凝土柱进行了加热-冷却循环试验，试验结果表明加热-冷却循环会使FRP约束混凝土柱极限强度和极限应变显著降低，湿环境、室外环境中的加热-冷却循环相比于干燥环境中会使柱的极限强度和极限应变进一步降低。

图7 低温对混凝土的作用机理[63]Fig.7 Action mechanism of low temperature on concrete[63]

3 不同作用方式耐久性研究

3.1 冻融循环作用下的耐久性能

FRP约束混凝土柱在冻融循环作用下耐久性能下降明显，众多学者对玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料（G/CFRP）约束混凝土柱的耐久性能进行研究。胡安妮等[59]采用快冻法对CFRP混凝土柱进行冻融循环试验，发现冻融循环会使CFRP与混凝土黏结强度下降20 %左右，但CFRP混凝土柱破坏时大部分CFRP与混凝土黏结良好，因此黏结强度的降低对CFRP约束混凝土柱的影响较小。He[60]、Li[61]、Boumarafi[62]等在不同溶液中对GFRP约束混凝土柱进行了冻融循环试验，包括空气、纯水、盐和碱溶液，试验结果表明经受冻融循环作用，GFRP管表面无明显劣化，但试件抗压强度保留率均有所降低，柱的耐腐蚀性较好，表现出良好的抗碱性，3种溶液中盐溶液对GFRP约束混凝土柱影响最为严重；在轴压荷载作用下，冻融循环后的试件破坏模式相似，主要表现为GFRP管的破裂与核心混凝土破碎；不同形状GFRP约束混凝土柱抗压强度保留率均下降较多。如图8所示，冻融循环会导致混凝土中的水会被冻结产生体积膨胀，使多余的水向外孔外流动形成静水压力[63]，逐渐在混凝土内部引起裂纹，同时会使GFRP材料发生降解，使基体产生孔洞和裂纹，使纤维分层，从而降低GFRP管强度，在多次冻融循环后，混凝土与GFRP界面之间会脱粘[64-65]，两者的协同工作能力降低，导致GFRP混凝土柱轴向强度明显降低，GFRP管柱在盐溶液中冻融循环200次后，抗压强度比未冻融循环的试件下降了9 %，同时弹性模量和应变也呈降低趋势；冻融循环次数增加，试件的初始刚度和极限承载力显著下降。

图8 静水压模型示意图[63， 66]Fig.8 Schematic diagram of hydrostatic model[63， 66]

3.2 干湿循环作用下的耐久性能

吕珍莹[67]、Belarbi[68]、李趁趁[69]等研究了干湿循环作用下G/CFRP约束混凝土柱的耐久性能，试验表明干湿循环作用会降低FRP与混凝土的黏结性能[70]，CFRP约束混凝土柱虽然可以大大降低腐蚀速率，但是仍会发生腐蚀，水分子和离子会吸收进入混凝土内部，再在树脂基体和未包裹部分扩散。图9为干湿循环作用下FRP约束混凝土柱的侵蚀区域和过程，在干燥阶段，由于水分蒸发作用，水分会沿FRP与混凝土之间的缝隙向外迁移，内部湿度降低，孔隙不饱和度较高，在浸泡阶段，试件内部毛细吸收作用更强，纵向迁移速率更快，从而出现试件内部侵入深度高于外部的现象[29]。在干湿循环作用后，GFRP约束混凝土柱极限承载力下降明显，随着干湿循环次数增加，构件强度、刚度下降速度均变快；2种FRP约束混凝土柱在干湿循环作用下抗压强度保留率均有不同程度的下降，GFRP对混凝土柱的加固作用大于 CFRP。Wang[71，72]等用 1 组50次冻融循环、3组50次温度循环、3组50次干湿循环组合模拟美国中西部20年的恶劣天气周期，GFRP管混凝土经历了环境循环后发现，环境的温度、湿度变化对GFRP与混凝土的黏结性能影响不大，柱的轴向承载力几乎不变，极限环向应变和轴向应变分别下降了1 %和4 %。

图9 干湿循环作用下FRP约束混凝土柱的侵蚀区域和过程Fig.9 Erosion area and process of FRP confined concrete column under dry wet cycle

3.3 实际环境中的耐久性能

Xie等[73]将FRP约束混凝土柱置于中国南部地区室外自然环境中，研究了实际环境中FRP约束混凝土柱的耐久性能，实验结果表明随着暴露时间的增加，FRP约束混凝土柱的抗压强度、极限环向应变降低，暴露18个月后，柱的抗压强度下降约10 %，但呈现逐渐稳定的趋势；暴露30个月后，极限环向应变平均降低了17.3 %。张大伟[74]将FRP约束混凝土柱置于中国上海市自然环境中，包括露天淋雨环境和露天不淋雨环境2种状态，2种情况下，FRP约束混凝土柱在偏压荷载作用下，承载力均随时间增长而增加，极限挠度与之相反，随时间增长而下降。

4 结语

纤维增强复合材料约束混凝土柱为以往工程中钢管混凝土柱存在的问题带来了新的解决办法，其良好的耐久性能更是有着不可替代的优势，本文从盐、酸、碱3种腐蚀环境，高温、低温2种温度，冻融循环、干湿循环以及实际环境3种环境作用方式对FRP约束混凝土柱的耐久性进行梳理，得出如下结论：1.腐蚀溶液浸泡会对FRP约束混凝土柱的耐久性能造成影响。虽然盐、酸、碱3种腐蚀溶液对FRP约束混凝土柱的作用机理不同，但均会使FRP材料发生降解，破坏树脂基体与纤维之间的界面黏结性能，FRP对混凝土的环向约束降低，使FRP约束混凝土柱性能退化。2.不同温度会对FRP约束混凝土柱的耐久性能产生不同影响。高温会劣化FRP和混凝土的材料性能，使FRP约束混凝土柱的极限承载力下降；温度降低则与之相反，低温会提高FRP材料和混凝土的强度和弹性模量，使FRP约束混凝土柱的极限承载力提高。3.不同作用方式同样会对FRP约束混凝土柱的耐久性能产生影响。冻融循环、干湿循环以及实际环境作用下，均会使FRP和混凝土的材料性能显著下降，降低两者的协同能力，出现脱粘现象，使FRP约束混凝土柱的极限承载力降低。

虽然目前已经开展了大量FRP约束混凝土柱的耐久性能试验研究，也有在实际工程中的应用案例，但仍需对FRP约束混凝土柱的组合开展进一步探讨。当FRP约束混凝土柱在实际工程应用时，FRP通常暴露在外面，FRP材料很可能会受到意外损坏，如道路上除雪设备的切割、车辆、船只的刮碰等情况，在受到意外损坏时，FRP约束损伤混凝土柱的耐久性能研究基本处于空白状态，希望未来能在此方面开展更多研究，为FRP约束混凝土柱在实际工程中应用时提供参考。