尹 超， 胡哲釧， 張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

GFRP被稱作玻璃纖維增強(qiáng)聚合物，是一種由玻璃纖維和樹脂合成的新型材料[1]。隨著GFRP新型材料的研究和GFRP錨桿的推廣應(yīng)用，采用GFRP錨桿替代普通鋼筋錨桿是大勢所趨。在邊坡支護(hù)工程中，由于巖土體中的環(huán)境復(fù)雜，無法從根本上解決金屬錨桿腐蝕的問題，嚴(yán)重影響工程的耐久性。而GFRP錨桿與普通金屬錨桿相比，具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點[2]。

目前對于GFRP錨桿性能已經(jīng)開展了相關(guān)研究, 孫奇[3]分析了10種GFRP筋的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)錨具能大大影響GFRP筋的極限承載力。高磊[4]提出了GFRP加固預(yù)應(yīng)力混凝土梁的統(tǒng)一彎曲設(shè)計方法，給出了彎曲強(qiáng)度的計算公式和強(qiáng)度折減系數(shù)的推薦值。呂西林等[5]將GFRP筋置于高溫環(huán)境中，研究得到混凝土構(gòu)件在不同抗火等級要求下的耐火極限時間。楊振茂等[6]進(jìn)行了玻璃鋼錨桿的拉伸試 驗和錨尾性能試驗。馬念杰等[7]在綜合分析國內(nèi)外FRP錨桿發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型的鋸齒形金屬套管錨尾玻璃纖維錨固結(jié)構(gòu)。

然而，將GFRP錨桿應(yīng)用于邊坡支護(hù)的先決條件是需要明確其基本力學(xué)性能及其極限指標(biāo)，需要明確GFRP錨桿受不同的化學(xué)物質(zhì)(酸、堿、鹽)腐蝕后的耐久性能[8]。鑒于此，論文對GFRP錨桿耐久性能展開研究，為后續(xù)的研究提供依據(jù)。

1 GFRP復(fù)合材料腐蝕機(jī)理

GFRP復(fù)合材料的組成部分中，玻璃纖維起增強(qiáng)作用，承擔(dān)大部分荷載，因此GFRP復(fù)合材料的剛度和拉伸強(qiáng)度較大。環(huán)氧樹脂和玻璃纖維結(jié)合在一起，通過界面將荷載從環(huán)氧樹脂轉(zhuǎn)移到玻璃纖維上，這不僅充分發(fā)揮了玻璃纖維的高拉伸強(qiáng)度，而且使載荷分布均勻，避免了應(yīng)力薄弱區(qū)和早期損傷的發(fā)生。

因此，有2種方式使得GFRP復(fù)合材料破壞。第一種方式，讓玻璃纖維或環(huán)氧樹脂中的1種或2種材料受損；第二種方式，使玻璃纖維與環(huán)氧樹脂的連接界面受損。圖1表示GFRP復(fù)合材料失效原因及過程。

圖1 GFRP復(fù)合材料失效原因及過程

其中，GFRP復(fù)合材料腐蝕的主要原因是環(huán)境介質(zhì)對界面的腐蝕。界面存在大量空隙，水分子在毛細(xì)作用下沿界面迅速擴(kuò)散，造成GFRP復(fù)合材料濕熱老化。水對界面的破壞是主要因素。一方面，侵入的水分子溶解了玻璃纖維表面的可溶性成分，使其沿玻璃纖維表面的微裂紋迅速擴(kuò)散，促進(jìn)了微裂紋的傳播，破壞了玻璃纖維的表面結(jié)構(gòu)；另一方面，對于環(huán)氧樹脂來說，水是溶脹、降解的輔助劑，水的存在會破壞環(huán)氧樹脂的結(jié)構(gòu)。水對GFRP復(fù)合材料的侵蝕將不可避免地影響到整個界面相的狀態(tài)。

GFRP復(fù)合材料腐蝕的主要形式有3種：

(1)化學(xué)裂解。在活性介質(zhì)的作用下，滲透到GFRP復(fù)合材料中的介質(zhì)分子可以與基體樹脂大分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞大分子主價鍵。

(2)溶脹和降解。溶劑分子滲透到GFRP復(fù)合材料中，破壞了大分子間的二次鍵，溶脹、降解了基體樹脂，使其強(qiáng)度降低。

(3)應(yīng)力脆裂。在應(yīng)力和某些介質(zhì)的作用下，材料有時會發(fā)生裂紋并發(fā)展成裂縫，直至發(fā)生脆性斷裂。

有研究人員通過SEM電鏡分析發(fā)現(xiàn)，隨著腐蝕程度的加深，環(huán)氧樹脂表面的裂紋和空洞增多，腐蝕表面的溝槽變大，最終出現(xiàn)裂紋。由于這些空洞和裂縫的存在，基體樹脂材料和玻璃纖維脫落。在長期的環(huán)境效應(yīng)下，GFRP復(fù)合材料的力學(xué)性能下降，導(dǎo)致材料失效。這從微觀的角度上證明了上述觀點。

2 GFRP螺紋筋在酸、堿、鹽溶液環(huán)境下的耐久性能試驗

2.1 試驗準(zhǔn)備

為了在試樣中部發(fā)生破壞，將大直徑材料加工成小直徑啞鈴形試樣，試驗樣本如圖2、圖3所示。為了防止試樣在試驗過程中受到局部損傷，銅線纏繞在凹槽內(nèi)以填充凹槽，這可以有效地避免試樣端部的表面滑移。應(yīng)變片對稱貼在試樣中部。

圖2 GFRP錨桿拉伸實驗試樣示意

圖3 GFRP錨桿試驗試樣

用鋼套管加固試樣端部，采用樹脂粘結(jié)劑連接鋼套管和GFRP筋。試驗在拉壓試驗機(jī)上進(jìn)行，用電子引伸計測量應(yīng)變。試驗裝置見圖4。

圖4 試驗加載裝置

試驗采用φ22 mm的GFRP螺紋筋276根，每根長度1 m。按常溫浸泡狀態(tài)的不同，共分為5組，具體情況如表1所示。

表1 試驗前試樣準(zhǔn)備情況

將浸泡后的GFRP螺紋筋取出后，用清水將表面洗凈。浸泡完后的GFRP筋試樣如圖5所示。待完全干燥后用環(huán)氧樹脂和玻璃纖維對其兩端進(jìn)行包扎。完全固化后，在SANS電液伺服萬能試驗機(jī)(1 000 kN)上進(jìn)行拉伸試驗。

圖5 浸泡后試樣

2.2 耐酸、耐堿試驗結(jié)果

拉伸試驗于室溫30 ℃，濕度55%的環(huán)境下進(jìn)行。拉伸試驗試樣共168根，其中152根拉斷，16根端頭拉脫。每組工況拱設(shè)置18組測試試樣，最終取算術(shù)平均值得到最終結(jié)果。拉伸試驗結(jié)果如表2、圖6所示。

圖6 拉伸強(qiáng)度-浸泡時間關(guān)系

表2 耐酸、堿拉伸試驗結(jié)果(30d)

從試驗數(shù)據(jù)我們可以看出，當(dāng)GFRP錨桿處于強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性環(huán)境下，其力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)-拉伸強(qiáng)度、彈性模量和拉拔力都有降低。然而，對比浸泡30天、60天、90天的試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的降低幅度極小，約0.1%～5%，這對GFRP錨桿的影響甚微。說明了GFRP錨桿具有良好的抵抗酸、堿溶侵蝕的性能。

2.3 耐鹽試驗結(jié)果

拉伸試驗于室溫30 ℃，濕度55%的環(huán)境下進(jìn)行。拉伸試驗試樣共108根，其中101根拉斷，7根端頭拉脫。每組工況共設(shè)置18組測試試樣，最終取算術(shù)平均值得到最終結(jié)果。拉伸試驗結(jié)果如表3、圖7所示。

表3 耐鹽拉伸試驗結(jié)果(30d)

GFRP螺紋筋經(jīng)過6%的NaCl溶液浸泡30天、60天、90天后，拉伸強(qiáng)度由634 MPa下降到631.6 MPa、627.6 MPa、624.5 MPa，下降幅度為1.53%，基本保持不變；彈性模量由45.25 GPa下降到44.83 GPa、44.63 GPa、44.27 GPa，基本無變化。

GFRP螺紋筋經(jīng)過飽和的NaCl溶液浸泡30天、60天、90天后，拉伸強(qiáng)度由634 MPa下降到630.8 MPa、626.6 MPa、624.2 MPa，下降幅度為1.54%，基本保持不變；彈性模量由45.25 GPa下降到44.25 GPa、44.27 GPa、44.27 GPa基本無變化。

從試驗數(shù)據(jù)我們可以看出，GFRP螺紋筋在NaCl溶液中浸泡30天、60天、90天后，拉伸性能方面并沒有明顯的下降，說明GFRP材料耐Cl-1離子的能力還是比較理想的。