玻璃纤维增强筋于海陵岛某防波堤的前期研究

来源:用户上传      作者: 徐沛丰

　　摘 要：通过海陵岛某防波堤项目，对玻璃纤维增强筋的适用性进行前期研究。
　　关键词：玻璃纤维增强筋；防波堤
　　前言
　　玻璃纤维增强筋（以下简称GFRP筋）是一种以树脂为基体浸润玻璃纤维，加上表面喷砂处理以提高粘结能力的增强复合材料。由于国内相关研究较少，本文对目前与GFRP筋耐久性相关的国外刊登文献进行了汇总评述。耐久性研究包括水分的吸收、碱离子作用下玻璃纤维的降解、基体树脂的降解、纤维与基体之间的离析、高温（玻璃熔点以上）时的热熔性及破坏、较差的防火性能、蠕变及松弛。研究结果表明当GFRP筋暴露于高温的碱性环境中，会发生物理性能特别是抗拉强度和粘结强度的降低。此类暴露环境通常导致加速GFRP的老化，但此类环境属于极端状况，与实际的暴露环境有很大不同。
　　本文表明，除较差的防火性能以外，没有任何技术因素可以阻碍GFRP筋的应用。GFRP筋可以克服海洋环境中的钢筋因为腐蚀而产生混凝土裂缝和整体破坏的风险，是可选择的材料之一。
　　1 工程概况
　　海陵岛某酒店项目根据规划须设置一长度约1公里的景观道路，其单侧面临南海，需设置防波堤，设计使用年限为75年。本文拟采用乙烯基树脂为基体的GFRP筋，研究包括以下内容：
　　a.环境条件；b.混凝土性能，裂缝控制及GFRP筋的保护层要求；c.与普通钢筋混凝土设计在混凝土质量要求方面的对比；d.混凝土浇筑过程中水化热及其对GFRP筋的影响；e.结构性能（包括筋材的强度及其与混凝土的粘结强度）降低的风险评估；f.设计年限预期；g.风险评估；h.GFRP筋的优点。
　　2 GFRP筋的性能研究
　　2.1 GFRP筋在混凝土中的应用
　　GFRP筋在混凝土中的应用越来越被人重视，主要因为它与钢筋相比具有抗腐蚀和高强度的优点。材料的相关描述在ACI Committee 440R-96 《State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Plastic （FRP） Reinforcement for Concrete Structures》里面有详尽的阐述，此外还有ACI Committee 440.1R-03 《Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP》亦有阐述。我国亦于2013年发布JG/T406-2013《土木工程用玻璃纤维增强筋》对GFRP筋的应用做出规范。GFRP筋混凝土与传统钢筋混凝土相比，由于缺乏相应的的追踪纪录，对其工程性能和耐久性仍存有疑问。项目前期，我司对GFRP耐久性领域的一些国外文献进行了研究。
　　2.2 GFRP筋的文献回顾
　　国内对GFRP筋的性能和耐久性研究相对较少，而在国外许多理论研究和实际工程研究中都有所涉及，例如：
　　Uomoto et al （2002） 概括了FRP的特性和应用。其著作指出，玻璃纤维在碱性环境中耐久性较差以及FRP在高温环境中性能表现较差，因此当需要考虑防火要求的时候，其应用应受到限制。当玻璃纤维暴露在碱性环境中时，设计会对抗拉强度进行折减。然而实际上纤维并非直接暴露在混凝土中，而是在树脂基体的包裹下会获得保护。
　　Benmokrane et al （2002） 对在三种碱性环境中，承受恒定的30%极限强度的拉伸荷载作用的20种GFRP筋进行了测试。试件涵括了多种由乙烯基树脂基体包裹E-glass纤维的不同直径不同制作方法的筋材。研究发现含E-glass的GFRP容易受到碱性侵蚀，特别是树脂未完全固化的时候。乙烯基树脂被证实比聚酯树脂更能抵抗侵蚀和降解。测量发现，筋材的残余抗拉强度变化不定，在模拟毛细水环境中和埋入混凝土中的变化范围分别达到17%和16%。Benmokrane et al （2002） 建议GFRP筋在恒定荷载作用下的应力大小应小于25%的设计保证强度。
　　Karbhari et al （2003） 对FRP的认识进行了研究，其中涉及到玻璃纤维在碱性环境中的降解问题。他的研究指出，在纤维受到基体保护的同时，碱性条件可能加快复合材料的降解及其与混凝土之间粘结力的降低。当复合材料不能完全固化的时候必须特别注意这一点。Karbhari et al （2003） 建议（比起聚酯树脂）优先使用环氧树脂和乙烯基树脂以增加基体的保护能力，限制恒定荷载作用下的应力应小于25%的设计保证强度，树脂未完全固化时应注意防止蠕变破坏，应充分考虑FRP在高温条件和防火要求下较差的性能表现，以及对FRP疲劳破坏的不完全认识。
　　Debaiky et al （2007） 测量了GFRP筋暴露于碱性环境下、承受恒定荷载的水中和高温条件下的残余抗拉强度。筋材采用乙烯基树脂基体浸润E-glass纤维的表面喷砂GFRP。试件龄期分别为高温条件下1-4个月和普通温度下的1-14个月不等，其暴露的条件比起在混凝土结构中的实际暴露条件更加恶劣。此研究表明筋材的弹性模量没有明显降低；这对于设计观点来说是一个重要参考，因为GFRP初始的弹性模量比普通钢筋要低（大约40-45 GPa比205 GPa）；最大的抗拉强度折减量为11%；不论残余抗拉强度还是极限应变都满足ACI110.1R-03的限制。从而得出结论：现行设计规范的环境折减系数十分保守，但由于缺乏目前产品的各项数据，此系数还是十分合理和有用的。
　　同时，以上所述的研究不少都涵括了GFRP筋在加速的或模拟的暴露环境中的表现，但尚存的问题依然是FRP筋在实际的混凝土建筑物中会怎样？Benmokrane et at （2005； 2006） 和Mufti et al （2005a； b； 2007） 对GFRP配筋混凝土结构进行了现场试验。试验的核心试件分别取自四座桥梁和一个码头，采用了多种方法来分析GFRP筋的实际状况，包括电子扫描、光学显微镜观察、X光散射分析、热量微分扫描测量及傅立叶红外光谱分析等。结果表明，GFRP筋连续工作5-8年后，并没有出现任何化学方面的降解（Benmokrane et al （2005） and Mufti et al （2005a； b； 2007））。同时，显微镜研究表明，纤维和树脂的界面仍非常好地粘结。 　　Benmokrane et al （2006） 对一座使用GFRP筋配筋的桥面板进行了调查。桥梁装置了各种仪器来测量GFRP筋混凝土面板的内部温度和应变，亦进行了动力和静荷载试验。结果显示：筋材的最大拉伸应变小于极限应变的0.19%，亦小于混凝土的开裂应变；桥面板和底板的挠度都满足AASHTO的规定。长期监测及现场超声波查勘表明GFRP筋依然良好工作。
　　2.3 前期研究结论
　　以上的研究文献可以说明：采用乙烯基树脂制造的筋材，比起采用聚酯树脂的筋材更持久；E-glass纤维的抗碱性比AR glass （抗碱纤维）要差，但只要乙烯基树脂基体保持完整，纤维丝就不会直接暴露到碱离子中；虽然GFRP筋的长期监测数据有限，但目前的相关直接研究表明其性能令人满意。
　　3 针对本项目的应用研究
　　3.1 环境条件
　　本项目的防波堤处于恶劣的海洋环境且部分浸没。位于持续湿润及干湿循环的那部分混凝土中的GFRP筋存在因水分吸收而更迅速地降解的可能性，但其预期的耐久性仍优于普通钢筋配筋。Mufti et al （2005a； b） 对GFRP筋性能的实际工程研究包括在码头的桩帽和部分面板，该码头承受海水的飞溅和潮汐作用，该研究表明没有发现任何结构破坏的迹象。
　　3.2 GFRP筋的裂缝控制和保护层厚度要求
　　《土木工程用玻璃纤维增强筋》要求筋体保护层厚度不少于1倍筋材直径，但不能超过75mm，一般主筋的保护层厚度为50mm；而其对裂缝控制没有明确。参考美国规范ACI 440.1R-03指出当配筋材料的腐蚀是导致裂缝的主要原因时，GFRP配筋的最大裂缝宽度可以放宽。但是，当同时使用钢筋配筋的时候，裂缝控制应根据钢筋的要求来取值；ACI 440.1R-03对GFRP配筋的最大容许裂缝宽度为：暴露于室外环境时0.5mm，暴露于室内环境时0.7mm；ACI 440.1R-03在章节"收缩和温度配筋"中阐述了裂缝宽度控制，并且推荐FRP配筋的保护层厚度应不小于筋材直径；该规范也对修正系数进行了论述。Nanni （2003） 对设计指引进行了深入探讨。
　　3.3 与传统设计在混凝土质量要求和保护层方面的对比
　　传统的钢筋混凝土设计需考虑防止氯化物进入及碳酸化作用，GFRP筋代替钢筋的那部分混凝土的质量要求可以放宽，但仍需保证混凝土能够防止那些不会造成加强筋腐蚀的其它物质所造成的破坏，譬如硫酸盐的侵蚀。Ceroni et al （2006） 的研究建议，由于GFRP筋的热膨胀系数与混凝土不同，可能需要增加保护层厚度。ACI 440.1R-03对FRP筋的热膨胀系数及其各向异性有注释，但并未提及需要因此而增加保护层厚度。但是根据防火要求，保护层厚度比起普通钢筋仍需要增加。
　　3.4 混凝土浇筑过程中的水化热及其对GFRP筋的影响
　　混凝土浇筑过程中的水化热受多种因素影响，包括配合比、添加剂、浇筑体积、模板的隔热性能及周围的环境温度。如果GFRP筋所处的温度超过了玻璃的熔点，其机械性能会降低。目前规范没有明确GFRP筋的熔点，但一般的基体熔点其大小应在～100-130℃之间，高于预期的混凝土水化热温度。因此，水化热产生的高温是短期的，不会对GFRP筋的性能产生长期影响。Mufti et al （2005a； b） 的研究指出，树脂甚至可能凭借水泥固化产生的水化热发生对其有利的后固化现象。
　　3.5 结构性能（包括强度和与粘结强度）降低的风险评估
　　在极端环境下的加速老化试验表明GFRP筋的拉伸强度和粘结强度会有所降低。但是，这些试验并不能必然代表实际条件。而且，设计规范含有环境折减系数，能够降低使用GFRP筋的风险。最大的风险来自于使用未完全固化的或者不合格的GFRP筋，此类筋材可能更容易导致水分及碱离子侵蚀树脂并随之破环纤维丝。因此，工作的重点在于执行合适的质量控制及检查方法以防止不合格品被应用于结构中。参考国标《土木工程用玻璃纤维增强筋》及美标ACI 440.1R-03涵括的处理及存储要求汇总如下：
　　a.GFRP筋应储存在空气干燥、流通的库房内；b.GFRP筋应该存放在地面以上的平台或垫子上；c.FRP筋应防止高温、紫外线照射及化学物质的伤害；应防止暴露在50摄氏度以上的环境中；d.GFRP筋应防止一切有可能影响其粘结性能的污染物或其他物质的玷污；e.应防止起吊过程中的过度弯曲；f.GFRP筋的切割应使用高速切割机或金刚锯，不应剪断。
　　3.6 设计年限预期
　　GFRP筋的预期寿命应当使用高温环境下的试验来对长期性能进行预测。Nkurunziza （2005） 评述了预期寿命的模型并推导了经验公式。目前要预测任何精确度的设计寿命都十分困难，但是没有任何研究表明GFRP筋在服务75年后不能再继续使用。
　　3.7 满足设计年限的风险评估
　　GFRP筋的设计年限可能会因某些因素而缩短，包括：设计失当；处理或存储不正确；安装过程中受到损伤；树脂未完全固化；加强筋含有微细裂缝、暴露的玻璃纤维丝或其他缺陷；暴露于极端高温 （譬如：火烧）环境中。
　　保证合理的设计（包括采用折减系数）、保证对筋材的质量控制及检查、保证施工现场的管理和落实防火措施，可以减少上述意外的风险。
　　3.8 GFRP配筋的优点
　　GFRP配筋的主要优势在于不会发生由于混凝土的氯化物侵入或碳酸化作用而导致的腐蚀。GFRP筋比钢筋更轻，在施工中更容易操作。
　　4 结论及工程建议
　　通过上述论证，GFRP筋适用于防波堤的应用。国外公开刊登的关于GFRP的加速老化试验指出其拉伸强度和粘结强度会损失，但这些试验的条件都十分恶劣并不能绝对代表实际暴露状况。对暴露在混凝土建筑物中5-8年的GFRP筋的试验结果证明，GFRP筋没有出现降解的迹象；对桥面板的GFRP筋的现场试验同样表现出令人满意的性能。除了GFRP筋较差的防火性能以外，没有任何技术因素阻碍GFRP筋在本项目的应用。 　　设计及施工必须根据JG/T406-2013《土木工程用玻璃纤维增强筋》来进行，须考虑GFRP强度降低的潜在可能性以及其他特性。必须注意采取适当的质量控制和检查措施，以保证未完全固化的筋材或不合格品不被使用，筋材依据适当的方法来处理和存储以防损伤和污染。
　　参考文献
　　[1]JG/T406-2013《土木工程用玻璃纤维增强筋》
　　[2]Benmokrane， B. and Cousin， P. University of Sherbrooke GFRP Durability Study Report， Project 5.17， April 2005.
　　[3]Benmokrane， B. El-Salakawy， E. El-Ragaby， A. and Lackey， T. Designing and Testing of Concrete Bridge Decks Reinforced with Glass FRP Bars， Journal of Bridge Engineering， Vol. 11， No. 2， pp. 217-229， 2006.
　　[4]Benmokrane， B. Wang， P. Ton-That， T.M. Rahman， H.， Robert， J-F. Durability of Glass Fiber-Reinforced Polymer Reinforcing Bars in Concrete Environment， Journal of Composites for Construction， Vol. 10， No. 3， pp. 143-153， 2006.
　　[5]Debaiky， A.S. Nkurunziza， G. Benmokrane， B. and Cousin， P. Residual Tensile Properties of GFRP Reinforcing Bars after Loading in Severe Environments， Journal of Composites for Construction， Vol. 10， No. 5， pp. 370-380， 2006.
　　[6]Karbhari， V.M. Chin， J.W. Hunstons， D. Benmokrane， B. Juska， T. Morgan， R. Lesko， J.J. Sorathia， U. and Reynaud， D. Durability Gap Analysis for Fiber-Reinforced Polymer Composites in Civil Infrastructure， Journal of Composites for Construction， Vol. 7， No. 3， pp. 238-247， 2003.
　　[7]Karbhari， V.M. and Chu， W. Degradation Kinetics of Pultruded E-Glass/Vinyl Ester in Alkaline Media， ACI Materials Journal， Vol. 102， No. 1， pp. 34-41， 2005.
　　[8]Mufti， A. Banthia， N. Benmokrane， B. Boulfiza， M. and Newhook， J. Durability of GFRP Composite Rods， Concrete International， Vol. 29， No. 2， 2007.
　　[9]Mufti， A. Onofrei， M. Benmokrane， B. Banthia， N.， Boulfiza， M.， Newhook， J. Bakht， B. Tadros， G. and Brett， P. Field Study on Durability of GFRP Reinforcement， International Bridge Deck Workshop， Winnipeg， April 14-15， 2005.
　　[10]Mufti， A. Onofrei， M. Benmokrane， B. Banthia， N. Boulfiza， M. Newhook， J. Bakht， B. Tadros， G. and Brett， P. Durability of GFRP Reinforced Concrete in Field Structures， Seventh International Symposium on Fibre Reinforced Polymer Reinforcement for Reinforced Concrete Structures， New Orleans， November 7-10， 2005.
　　[11]Uomoto， T. Mutsuyoshi， H. Katsuki， F. Misra， S. Use of Fiber Reinforced Polymer Composites as Reinforcing Material for Concrete， Journal of Materials in Civil Engineering， Vol. 14， No 3， pp. 191-209， 2002.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-7800439.htm