1、Industrial Construction Vol.53,No.4,2023工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期161 海洋环境下碳-玻璃纤维混杂筋吸湿行为和层间剪切性能研究 潘云锋1施佳君2俞一洵1咸贵军2(1.浙江理工大学建筑工程学院,杭州310018;2.哈尔滨工业大学土木工程学院,哈尔滨150090)摘要:采用薄碳纤维层外包裹玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋,制备碳-玻璃纤维混杂筋(HFRP筋),提升芯层 GFRP 筋长期力学性能,在海工结构中具有巨大的应用潜力。对水,强、弱碱,盐碱等溶液下GFRP、HFRP 裸筋吸湿行为和层间剪切强度变化规律进行研究,同时与水、模拟海水溶
2、液下砂浆包裹 GFRP和 HFRP 筋的层间剪切强度进行对比分析。研究表明:强碱、盐碱溶液下,HFRP 裸筋吸湿率小于 GFRP 裸筋,HFRP 裸筋层间剪切强度保留率大于 GFRP 裸筋,碳纤维层延缓芯层 GFRP 筋劣化速率;水、弱碱溶液下,HFRP 裸筋吸湿率大于 GFRP 裸筋,60 下 HFRP 裸筋层间剪切强度保留率小于 GFRP 裸筋。水、模拟海水溶液下砂浆包裹 GFRP 和 HFRP 筋的破坏模式和层间剪切强度变化与水、弱碱溶液下 GFRP 和 HFRP 裸筋相似。基于 Arrhenius 理论,预测了强碱、盐碱溶液下 GFRP 和 HFRP 裸筋在 4,17,21 下的长期层
3、间剪切强度。关键词:碳-玻璃纤维混杂筋;碱溶液;盐碱溶液;力学性能;耐久性 DOI:10.13204/j.gyjzG21062705Effects of Marine Environment on Water Diffusion and Interlaminar Shear Strength of Carbon-Glass Hybrid-Fiber Reinforced Polymer Bars PAN Yunfeng1SHI Jiajun2YU Yixun1XIAN Guijun2(1.School of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang
4、 Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China;2.School of Civil Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China)Abstract:To promote the durability of glass fiber reinforced ploymer(GFRP)bars,a thin layer of carbon fiber reinforced polymer was wrapped around the internal GFRP bars.The eff
5、ects of distilled water,strong alkali solution,alkalescent solution,and saline-alkaline solution on the water diffusion and interlaminar shear strength of GFRP and HFRP bars were investigated.It compared with the cement mortar-covered FRP bars in distilled water and seawater.The results showed that
6、in the case of the strong alkaline solution with pH 13.4 and saline-alkaline solution,the saturation water absorption of HFRP was less than that of GFRP.The retention interlaminar shear strength of HFRP bar was larger than GFRP bar,and the carbon fiber coat delayed the degradation of the internal GF
7、RP.In the case of distilled water and alkalescent solution with pH 12.7,the saturation water absorption of HFRP was larger than that of GFRP.The degradation of interlaminar shear strength for HFRP bars was more severe than GFRP bar at 60 .Trends of the variation of interlaminar shear stregnth and th
8、e failure modes of the cement mortar-covered FRP bars in distilled water and seawater were similar to the bare FRP bars in distilled water and alkaline solution with pH 12.7.The long-term interlaminar shear strength of GFRP and HFRP bars at 4 ,17 and 21 were predicted according to the Arrhenius theo
9、ry.Keywords:carbon-glass hybrid-fiber reinforced polymer;alkaline solution;saline-alkaline solution;mechanical performance;durability 第一作者:潘云锋,男,1985 年出生,博士,副教授,yfpan 。通信作者:咸贵军,男,1972 年出生,博士,教授,gjxian 。收稿日期:2021-06-27 0引言钢筋混凝土结构采用海水海砂制备或暴露在氯盐环境(近海地区、海洋环境等)中,由于氯离子渗透引起钢筋锈蚀,导致混凝土结构过早面临耐久性问题。采用纤维筋替代钢筋增强
10、混凝土结构,可以避免钢筋锈蚀问题,大幅提升结构在恶劣环境(如海水浸泡、盐雾、湿热环境等)下的使用寿命1-3。162 工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期考虑到 耐 腐 蚀 性 能 和 价 格 等 因 素,玻 璃 纤 维 筋(GFRP 筋)广泛应用于海工结构中。通常混凝土孔溶液为碱性,pH 值为 12.4 13.74,孔溶液中 OH-离子侵蚀玻璃纤维和环氧树脂基体,导致 GFPR 筋力学性能劣化5-6。因此,有必要开展 GFRP 筋在恶劣环境(如水、碱、盐环境等)下的耐腐蚀性能提升技术,延长 GFRP 筋增强混凝土结构的服役寿命。随着老化时间增加、老化温度升高、pH 值增大,GFRP 筋力
11、学性能退化7。在碱溶液(pH=12.7)下老化 30 d 和 120 d,GFRP 筋拉伸强度分别下降了2%和 10%8。随着老化温度升高,GFRP 筋拉伸强度进一 步 退 化。碱 溶 液 浸 泡 120 d 后,60 下GFRP 筋拉伸强度比 20 下降了 32%9。随着碱溶液 pH 值增大,GFRP 筋力学性能进一步退化。在55 碱溶液 pH=13.6 和 pH=12.7 下老化 63 d,GFRP 筋层间剪切强度分别退化了 42%和 14%10。GFRP 筋力学性能劣化主要来源树脂基体水解、玻璃纤维刻蚀和纤维-树脂界面脱黏11。纤维-树脂界面作用在于保证纤维和树脂通过界面传递应力,使得纤
12、维和树脂协同受力,界面黏结的好坏对 GFRP 筋 短/长 期 力 学 性 能 起 着 重 要 作 用12。GFRP 筋内树脂基体吸湿膨胀,形成湿应力,一旦湿应力超过纤维-树脂基体界面黏结强度,形成微裂纹,加速水分子、OH-离子迁移到 GFRP 筋内部9,13。迁入的自由 OH-离子与玻璃纤维反应,打断玻璃纤维的-Si-O-Si-主链,刻蚀玻璃纤维,促使裂缝进一步萌生、扩展,导致 GFRP 筋力学性能下降4。相比 玻 璃 纤 维,碳 纤 维 具 有 更 高 耐 腐 蚀 性能14,但其价格昂贵,较难制备成土木工程用筋材在混凝土结构中广泛推广应用。在 GFRP 筋外表面包裹高耐腐蚀的薄碳纤维层,制备
13、碳-玻璃纤维混杂(HFRP)筋,阻隔玻璃纤维与 OH-接触,解决玻璃纤维被 OH-刻蚀问题,减缓 GFRP 筋力学性能劣化速率15,实现海工结构用 FRP 筋低成本和高耐久性能的平衡。水分子、有害离子由 FRP 筋表面向内部迁移,同时伴随着 FRP 筋由表及里梯度劣化16。碳纤维材料(CFRP)和 GFRP 材 料 的 吸 湿 行 为 差 异 较大17。相似纤维体积含量下,CFRP 材料的扩散系数比 GFRP 材料高出 50%18。碳纤维-树脂和玻璃纤维-树 脂 界 面 厚 度 分 别 为 约 100 nm 和 100 300 nm,纤维-树脂界面饱和吸湿率、扩散系数均大于树脂基体19。碳纤维
14、外层和玻璃纤维芯层复合后,其玻璃纤维、碳纤维交接界面纤维分布密集,水分子扩散路径复杂,且极易应力集中20。因此,水分子在 HFRP 筋内迁移和分布行为,与玻璃纤维芯层和碳纤维外层的吸湿行为均有关,由于两者纤维直径、纤维-树脂界面属性差异较大,有必要研究 HFRP 筋的吸湿行为,及其对 HFRP 筋力学性能的影响。强碱溶液(模拟普通混凝土孔溶液)下 HFRP筋力学性能演化规律的研究结果表明,碳纤维外包裹 GFRP 筋能够有效提升其耐碱性能,在 21,40,60 强碱溶液下老化 140 d 后,其层间剪切强度保留率分别比同等侵蚀条件下 GFRP 筋提高了 7%、69%和 38%15。实际海洋环境下
15、,海工混凝土内GFRP 筋不仅面临混凝土碱性离子的侵蚀,同时还面临着水分子、氯离子与 OH-耦合作用等因素影响。目前国内外对于 HFRP 筋在水分子、OH-离子、氯离子及其耦合环境对 HFRP 筋长期力学性能影响及其劣化机制研究较少。鉴于此,通过研究水,强、弱碱和盐碱溶液下GFRP 和 HFRP 裸筋的吸湿行为和长期力学性能,并与水、模拟海水环境下砂浆包裹 GFRP、HFRP 筋层间剪切强度进行对比分析,揭示水分子、氯离子、OH-离子、砂浆包裹等对 GFRP 和 HFRP 筋力学性能劣化的影响机理。基于 Arrhenius 理论,开展强碱、盐碱溶液下 GFRP 和 HFRP 裸筋的长期服役寿命
16、预测。1试验材料及方法1.1试验材料GFRP 筋和 HFRP 筋由哈尔滨工业大学 FRP 复合材料与结构实验室设计,并由哈尔滨玻璃钢研究院有限公司生产,名义直径均为 8 mm,如图 1a 所示。树脂基体采用双酚 A 型环氧树脂(E-51)及其固化剂甲基六氢邻苯二甲酸酐(MeHHPA),FRP 筋所用拉挤机固化区温度为 180 ,纤维拉伸速率为40 cm/min,FRP 筋参数如表 1 所示。HFRP 筋制备过程如图 1b 所示。HFRP 筋芯层 GFRP 半径约为3.3 mm,皮层 CFRP 厚度约为 0.7 mm。表 1FRP 筋材料参数Table 1Parameters of FRP bars纤维种类厂商直径/m拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa 密度/(g cm-3)玻璃纤维 E-玻纤 9600 Tex282 200762.54碳纤维东丽 T700-12K74 9002301.80利用动态热机械分析仪(DMA),测试 GFRP 筋和 HFRP 筋玻璃化转变温度,所用 DMA 设备为美国TA 公司生产,型号为 Q800。利用精密切割仪切割FRP 筋试样尺寸约为 17.5 mm8.5
