应力腐蚀对大直径BGFRP筋松弛的影响

摘要

纤维增强聚合物（FRP）当钢筋暴露于水分（如水）时，钢筋不会像钢筋那样腐蚀。相反，当暴露于碱性介质和某些情况下的酸中时，钢筋会发生降解。当钢筋同时受到应力和暴露于恶劣环境时，钢筋尤其表现出广泛的劣化。这种综合效应已被证实应力腐蚀对大尺寸预应力玄武岩玻璃纤维增强聚合物（BGFRP）应力松弛的影响通过实验室实验对钢筋进行分析。在两个单独的塑料罐中，在恒定应变下，将两个受力钢筋浸入酸和碱的水溶液中。在大约7个月的时间内观察到应力降低值。浸泡在酸浴中的钢筋平均应力松弛为9.2%，而在碱浴中的钢筋平均应力松弛为这些结果支持了早期的断言，即GFRP钢筋暴露在碱性介质中可能会损害加固结构的长期耐久性。

1.导言

多年来，大直径钢筋在岩土工程中用作土钉以及边坡、隧道、开挖等的地锚和岩锚。钢筋易受腐蚀，这是这些结构劣化的主要原因。纤维增强聚合物（FRP）最近，钢筋已被确定为钢筋的理想替代品，因为与钢筋相比，钢筋具有环保、重量轻、刚度高、可根据特定用途制造的优点。过去使用有毒缓蚀剂来抑制腐蚀和腐蚀环境保护主义者已经仔细检查了这些方法，因为它们是严重的生物危害和污染物[1.］.玻璃钢是一种环保的方法，可以尽量减少这些有毒的缓蚀剂的使用。FRP筋以其抗常规腐蚀而闻名，这种腐蚀来自于暴露在潮湿的环境中，如水和融冰盐，就像钢铁一样。这一优点是FRP筋被认为是钢结构加固的一种有前途的选择的主要原因。土钉和锚主要在拉力作用下使用。采用GFRP(玻璃纤维增强聚合物)棒作为土钉，充分利用了其抗拉强度高的优点，避免了其作为脆性材料剪切模量低的缺点[2.］.

应力腐蚀已成为GFRP筋领域研究的一个主要热点。这种情况是由于长期荷载以及暴露于恶劣环境条件（如酸、碱和除冰盐）的影响而产生的，这些是影响该材料耐久性的主要因素。与传统建筑材料的可用数据相比，阻碍FRP材料推广使用的最大障碍是缺乏长期和耐久性性能数据[3.]。由于使用GFRP钢筋作为土钉取决于对钢筋施加预应力，因此了解其应力松弛能力的程度变得非常重要。高应力松弛值会导致拉伸能力的损失，从而充分加固结构，这可能对系统的耐久性有害。应力松弛是广泛接受的预测结构材料长期力学性能的试验方法之一，具有时间和成本效益[4.]本文阐述了应力和水环境组合对GFRP筋应力松弛的影响。在这些研究中，对两根GFRP杆施加预应力，并将其浸入酸性和碱性溶液池中。通过观察应力松弛值（本研究中使用的主要测量参数），分析了钢筋作为土锚的长期使用和耐久性。

多年来，已经对GFRP钢筋的时间依赖性行为和长期耐久性进行了一些研究[5.–8.]。这些研究对这方面的研究作出了重大贡献。其中一些涉及蠕变的重要现象，最近很少涉及GFRP杆的松弛行为[9–12］.这些先前工作的另一个限制是大量的试验是在小直径GFRP筋(小于20mm)上进行的。在本研究中，我们将研究GFRP筋作为土钉单元用于边坡施工加固，土钉单元通常采用较大的几何尺寸，如钢土钉单元(直径大于25mm) [13］.

地锚暴露于地下水分（如水、酸和碱）对地锚的耐久性有显著影响。钢筋腐蚀是现有钢筋混凝土（RC）劣化的主要原因结构，导致大量维修和维护费用，导致使用寿命缩短。为了解决腐蚀问题，纤维增强聚合物（FRP）最近，钢筋不仅在现有结构的修复中，而且在新的和更耐用的钢筋混凝土结构的建造中，成为一种有希望的解决方案。但是，由于其在恶劣环境中的广泛应用以及暴露于高碱度混凝土中，FRP钢筋的耐久性性能及其与混凝土的粘结性具体问题是主要关切[14］.

玻璃纤维的损坏是由于两个过程的结合：（1）碱性水泥环境对玻璃纤维的化学侵蚀；（2）单丝之间水化产物的浓度和生长[15］.纤维的脆化是由于纤维表面氢氧化钙的成核。羟基化可引起纤维表面麻点和粗化。在水分存在的情况下，这些缺陷严重降低了纤维的性能。此外，在混凝土孔隙溶液中发现的钙、钠和氢氧化钾会对玻璃纤维产生强烈的影响。因此，玻璃纤维的降解不仅是由于pH值高，而且是由于碱和水分的结合。在岩土工程系统的使用寿命期间，由于酸雨或渗出土壤并收集矿物质的酸性液体，加固物有可能与酸接触。酸还会渗入钢筋混凝土，对传统钢筋造成负面影响[16,17］.因此，评估酸性环境对玻璃钢筋的影响是很重要的。所有这些降解现象的反应速率随温度升高而增加[18］.

几位作者研究了危险环境对纤维增强聚合物复合材料耐久性的影响[19–21]包括加速老化、负载和模拟酸、碱、盐水等环境的综合影响。Nkurunziza等人[22有关GFRP筋耐久性的文献综述为设计工程师提供了大量有用的信息。对GFRP筋的退化机理进行了阐述，列举了GFRP筋退化的原因及防治技术进展。在结语中，Nkurunziza等人承认，最新一代GFRP筋在高温下承受高于设计极限的应力，结合腐蚀性介质的耐久性测试，得出结论，现行规范和指南采用的强度折减系数是保守的。现行规范和指导方针所采用的因素是基于对已基本演变的早期玻璃钢棒进行的少量测试结果。此外，加速试验技术是非常保守的，需要更能代表实际现场条件的试验，以准确预测GFRP筋的长期耐久性。

2.材料

以下各节对试验中使用的材料进行了说明。

2.1.砂涂层BGFRP钢筋

本研究中使用的FRP棒由环氧树脂和两种纤维（包括玄武岩和玻璃纤维）制成。为了提高纯玻璃纤维复合材料在碱性环境中的耐腐蚀性，具有玻璃纤维内芯的玄武岩-玻璃纤维混杂复合材料被具有更好耐碱性的玄武岩纤维覆盖表中列出了所用钢筋的所有性能1.．

如图所示1.，试验采用的增强材料为中国广东省中山普威尔复合材料有限公司生产的直径为28mm的玄武岩-玻璃纤维混杂复合材料。23]主体由热固性环氧树脂组成，每种成分的含量（按重量计）为树脂19%，玄武岩纤维10%，玻璃纤维65%，细砂6%。

2.2.应力松弛试验变形装置

如果使用传统楔形摩擦夹具加载FRP杆，高压缩应力和楔形表面锯齿造成的机械损伤的组合将导致夹持区过早失效。使用可承受任何机械性能测量拉伸载荷的装置夹紧FRP杆ies是一项关键技术。在本研究中，使用无缝钢管夹持FRP钢筋，方法是用粘合剂填充FRP钢筋，粘合剂可自行膨胀，逐渐产生压缩应力。设计了一个扶正器，将钢筋保持在钢管的中心，以便精确分布管道中的压缩应力，如图F所示伊戈尔2.．

从图中白色材料显示粘合剂和插入间隙的扶正器的一半。前两半扶正器固定在管道的一端，然后插入管道，直到另一半穿过扶正器的孔。粘合剂液体由水泥、膨胀材料和水制成然后将扶正器倒入管道中。将另外两个扶正器固定在管道的另一端，用湿布包裹套管端并间歇浇水，使试样保持在室温和湿养护状态，持续约24小时。然后用粘结材料填充FRP杆另一端的管道。制备试样再固化24小时，然后安装到框架中，并在室温下适当固化不超过15天。该装置的主要优点是，在恒定变形条件下，它可以承受可达到大直径FRP钢筋极限抗拉强度70%的拉伸应力。该装置up能满足模拟FRP筋预应力结构实际承载过程的FRP筋耐久性试验要求[23］.

FRP钢筋松弛试验的加载系统包括一个空心千斤顶、带螺纹支撑杆的钢套管（连接外螺纹螺母）以及与两个支承板和底板的连接，如图所示3.．

光纤布拉格光栅（FBG）传感器通过2mm凹槽安装在FRP棒体的中心，并通过粘合剂固定，以测量应变，如图所示5.图形4.按距离显示BGFRP条中每个传感器的位置。

塑料矩形浸没罐用于盛装酸和碱溶液。这些罐在较小的表面上有孔，当杆固定在框架上并施加如图所示的载荷时，杆将穿过这些孔6.．用石蕊试纸测量罐中液体的pH值。表格2.当杆的千斤顶端为0时，给出传感器在杆中的位置的精确描述。

3.实验的程序

组装变形设备，将罐体放入框架内。棒样通过塑料容器的板和壁上的孔插入。塑料罐内的小孔用橡胶和胶带密封，并注入凡士林以堵塞橡胶和通道之间的缝隙。然后将溶液倒入罐中，并吞没试件的自由端，锚定部分悬挂在设置的两端。

试件逐步循环加载，每阶段加载增量约为10kN，并记录加载单元值。在加载的每个阶段，调节性测压元件的读数时间变化率小于标准的2kN/h。负载水平由测压元件读取;在加载板较小面的表盘显示变形读数。此过程完成后，再增加荷载，重复此步骤，直至将螺栓加载到90kN后锁紧，保持应变和拉力。然后将应力试件锁定约7天，使预应力损失接近于零。按照上述步骤，10天后开始测量和关联数据。

4.实验结果与分析

4．1.应力松弛分析:酸

记录和分析每个传感器的应力变化。从图中所示的趋势来看7.其中，松弛现象在传感器1中最为普遍，松弛范围在50 ~ 21MPa左右。传感器2和传感器3的应力变化较小，分别从135MPa和148MPa到122MPa和134MPa。这可以归因于试样中应力的分布。压力从杆的一端传到另一端，并试图达到平衡。因此，在末端锚固点和中心锚固点的应力减少几乎没有变化。传感器4和传感器5在杆的受力过程中损坏。

应力的平均变化如图所示7.来自FBG传感器2和3。它们分别显示了9.21%和9.34%的弛豫百分比，这表明了杆的该区域弛豫过程的相似性。根据图表，应力变化计算为9.3%，从140 MPa到约128 MPa。

4.2. 应力松弛分析：碱性

分析了碱性浸没试样中的应力变化，每个传感器读数的数字如图所示8.．

按百分比计算，最大松弛发生在试样和传感器1和5的锚固端（分别从85和58MPa到49和34MPa），如图所示8..两条曲线显示出相似的趋势。图8.显示了由传感器2、3和4监测的杆自由中心截面的松弛（分别从156、154和155MPa到135、136和124MPa）显示了相似的曲线趋势，显示了试样两个截面的一致模式。该趋势归因于试样中的应力分布。锚固和自由截面中的平均应力变化也如图所示绘制9根据FBG传感器1和5以及传感器2、3和4计算应力值平均值。锚固段和自由段的平均松弛百分比分别为42%和13.7%。

4.3.应力和酸碱环境的综合影响

单独而言，暴露在潮湿或腐蚀环境中的试样和暴露在拉力下的试样都会受到各自状态的典型影响。在这种情况下，试样都会受到应力并暴露在危险环境中。当这些试样受到应力时，预计杆件表面会出现微裂纹，thus有助于液体进入棒材，使其能够穿透玻璃纤维。只有当轴向力足够大，足以导致微裂纹时，才会发生这种情况。然而，持续应力和液体或水环境的联合作用可能导致显著的强度损失、界面降解和脆性[24］.

然而，值得注意的是，据作者所知，在酸性环境中暴露GFRP棒的文献并不十分普遍。酸对棒材本身的耐久性并没有太大的威胁。在压力的作用下，这种效应会导致酸对基质的渗透，然后酸会与纤维发生不利的反应。众所周知，碱本身对玻璃纤维和某些类型的基质有不利影响。在我们的实验中，酸/碱和持续应力的协同作用一定是实验中观察到的应力松弛的一个因素。由于酸/碱以水的形式存在，并完全吞没了样品，这种环境中有过量的高流动性离子，这在典型的野外条件下通常不会出现。数字10显示了在室温下，应力值为90kN时，应力腐蚀对松弛的影响。

不幸的是，其他材料参数（如钢筋的残余抗拉强度）尚未进行，因此得出的所有结论都基于应力松弛。试验在室温下进行。必须进行更多不同应力水平、pH值和温度的试验，以提供更多数据，这些数据可以作为进行分析，以便更好地了解这些条件。

4.4.锚固效应和钢筋流变特性

GFRP筋是部分聚合物，在长期荷载和各种环境条件下，预计会表现出一定的粘弹性。由于其流变特性，弹性模量是时间的函数，与钢不同，这使得FRP随时间变化的变形分析更加复杂通过将载荷除以杆的横截面积，从称重传感器获得应力值，从而计算酸性试样中心区域的弹性模量（参见(1.))，并计算变化的弹性模量，如所示(2.): 绘制了3个中心FBG传感器（2、3和4）的E（t），如图所示11．

这是从图中观察到的11（a）弹性模量在整个实验过程中变化很小，均在42 ~ 49 MPa范围内。这可能意味着松弛在很大程度上可能是由于锚固装置无法适当地约束试件、拉伸框架设置中的变形以及荷载和水溶液的协同作用，而不是由于杆本身的流变特性。如图所示的相对线性的应力应变曲线也体现了这一现象11 (b)．

5.结论

两根大直径的BGFRP棒用FBG传感器测量，应力约为90 kN，每根棒都暴露在塑料罐中的酸碱水溶液中。目的是观察张力和模拟环境对杆件松弛的综合影响。通过对数据和试验结果的分析，结合试验时间和条件，得出以下结论:（a）正如预期的那样，浸没在碱中的试样的松弛度高于浸没在酸中的试样（b）结果还表明，尽管酸对FRP的腐蚀性不如碱，但由于从试验中获得的高松弛值，它仍可能带来问题（c）由于酸/碱的渗入，测试也可能显示出高弛缓性，特别是在酸的情况下，由于裂纹可能在棒的表面蔓延，酸可能需要帮助进入棒（d）酸性试样的弹性模量几乎没有变化，这表明大部分松弛是由于锚固装置无法适当抑制钢筋、拉伸框架变形和模拟环境，而不是其流变特性(e)需要对锚固区的应力松弛过程进行进一步分析，以便更好地了解灌浆对钢筋试样施加的压力的影响(f)虽然钢套锚固方法已被证明是有效的，但在不同应用场合的锚固用浆液的选择方面还需要进行更多的试验。这可以通过测试钢套内不同的膨胀剂来实现，并提出更好的替代方案

试验仅持续了7个月。由于液体扩散到试样中需要一些时间，因此该时间不足以获得预期结果。因此，建议延长试验时间以获得更准确的结果。试验还表明，在水环境中，过量的移动离子会导致松弛这将有助于模拟实际现场条件的进一步试验。

数据可用性

所使用的所有资料均可获得，并存放在通讯作者处，他可根据要求提供。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者对中国国家自然科学基金（项目41472240号和41602352号）、中央大学基础研究经费（2015B25514和2015B17214）、广东省政府和中国教育部的财政支持表示感谢。（项目编号2009B09060011）。

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