2018, Vol. 39
2. 武汉理工大学 交通学院, 湖北 武汉 430063
2. School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China
目前，我国高速铁路及客运专线建设中轨枕、轨道板和预应力简支梁体等均采用工期较短的蒸养混凝土预制构件，蒸养混凝土预制构件在高铁建设中不但用量极大，并且对确保高铁工程的建设速度、工程质量与工程安全问题都起着至关重要的作用。然而，不同养护制度下混凝土性能研究表明[1-6]，采用高温高湿度的蒸汽养护时，混凝土的碱性将增强、内部产生附加应力、表面裂缝及孔隙率都将增大，这都将直接引起更严重的内部筋材的腐蚀及工程安全与经济问题。因此，蒸养混凝土中应用耐久性优越的玻璃纤维材料(glassfiber reinforced plastic，GFRP)筋更具工程意义[7-10]。
然而，蒸养养护过程中高温高湿度环境同样对GFRP筋存在着一定的损伤[8-16]，明确损伤程度可对GFRP筋应用于不同养护制度下的混凝土结构中提供更可靠的依据。而建立不同试验条件下GFRP筋抗拉强度的差异性模型是对试验结果最直接的延伸与应用。尽管近年来美国混凝土协会(ACI)以及美国标准试验协会(ASTM)分别颁布了试验方法指南和标准试验方法，但是大部分研究工作的前提条件皆有所不同，如所采用的GFRP筋直径、试验方法[17-18]等，从而导致试验结果无法按定量的方法进行比较分析。
因此，本文通过同时考虑不同养护制度、不同GFRP筋直径及不同试验方法，分别从微观与宏观角度对GFRP筋的微观结构及抗拉性能进行研究，并建立其研究条件下的差异性模型。
1 试验设计 1.1 试验材料本试验中采用无碱玻璃纤维与乙烯基树脂通过拉挤成型制作而成的玻璃纤维筋(GFRP筋)研究对象，外观呈乳白色，表面采用螺旋状喷砂处理方式(图 1)。其中直径分别取10、16与22 mm，长度1 100 mm，混凝土包裹试件时保护层厚度取25 mm。
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| 图 1 GFRP筋 Fig. 1 GFRP bar | |
目前，混凝土结构采用的养护制度分别为标准养护制度(以下简称标养)及蒸养养护制度(以下简称蒸养)。试验过程中分别依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》[19]及《高速铁路桥涵工程施工质量验收标准制度》[20]规定两种养护制度。其中由蒸养养护制度相关研究可见[21-22]：蒸养养护过程中升温速率、降温速率及恒温温度等对混凝土及内部材料均存在不同程度的影响，恒温时间及温度影响最为明显。因此，本试验过程中蒸养升温速率及降温速率均控制在10 ℃/h，蒸养养护最高温分别采用40 ℃、60 ℃与80 ℃，温差控制在±5 ℃内，恒温8 h，蒸养养护完成后放入标准养护室内达28 d龄期后进行试验。
依据本试验目标，试验试件主要分为两批：无混凝土包裹的GFRP筋裸筋、混凝土包裹的GFRP筋。相关试件参数见表 1，每组设置5根试件。
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表 1 试验试件 Tab.1 Test specimens |
为研究养护制度对混凝土中GFRP筋的影响，试验过程中不仅设置了裸筋环境与不同养护制度下混凝土环境作为对比分析，并且分别从微观结构及宏观角度对不同直径的GFRP筋性能进行研究。
1) 微观结构形貌。
试验中利用JSM-5610LV扫描电子显微镜(SEM)对标养与60 ℃蒸养养护制度下裸筋和混凝土中GFRP筋的微观结构变化进行观测，以横纵面作为观测对象。观测前需对试件表面进行清理，以免表面残渣影响观测结果。
2) 抗拉性能。
依据ACI440.3R-04规范[23]对GFRP筋锚固长度进行预估，确保锚固粘结强度大于拉伸应力，最后取两端锚固长度l=300 mm。抗拉试验由微机控制电液伺服万能试验机SHT4106-G来实现，中部夹持标距长度为50 mm的夹式引伸计。试验加载方式采用位移控制方式，加载速率2 mm/min，直至试件破坏，采用自动数据采集系统采集试验数据。
2 试验结果分析 2.1 GFRP筋微观结构形貌由图 2(a)、(b)可见，标养混凝土环境中的GFRP筋纵断面松散及散落树脂现象相对较为明显；裸筋试验方法中，GFRP筋纵断面纤维则较为光滑，基本没有坑蚀点出现。这说明采用不同的试验方法时，GFRP筋受环境影响的程度会有所不同，而在标养条件下，两者不同的主要原因在于混凝土碱性环境的劣化影响。然而，由图 2中蒸养养护条件下的微观形貌图可见，混凝土中GFRP筋的劣化程度与裸筋的相差相对较小，并且相差程度随直径的增大而减小。这主要是由于混凝土对GFRP筋不但具有碱性劣化影响，同时还存在着高温高湿度隔离的保护作用，并且直径不同，侵蚀介质到达玻璃纤维的难易程度也有所不同。
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| 图 2 GFRP筋微观结构形貌(×1 000倍) Fig. 2 Microstructure morphology of GFRP bars(×1 000) | |
GFRP筋由玻璃纤维和聚合物基体组成。长期服役过程中，GFRP筋抗拉强度是有关时间的函数，这主要是由于潮湿或侵蚀溶液的存在导致玻璃纤维被侵蚀，侵蚀率随温度的升高而提高[24]，同等外界环境条件下，侵蚀比例随时间的增长而增大。当GFRP筋处于潮湿环境中，水分首先扩散进入聚合物基体，通过基体到达玻璃纤维[25]。可见，不同温度的蒸汽养护制度下，外界介质进入GFRP筋内部的难易程度将有所不同，其抗拉性能的变化规律也将有所不同。
2.2.1 破坏形态GFRP筋拉伸试验过程中一般可分为平稳期、剥离期、破坏期三个阶段：平稳期(加载初期至极限荷载25%~30%以下)，GFRP筋受荷载时未发生任何反应；剥离期(加载中期至极限荷载60%~70%)，GFRP筋受荷载时伴随纤维断裂与纤维树脂剥离声音；破坏期(加载末期约极限荷载80%)，GFRP筋进入破坏阶段，纤维发生剥离声音密集，并最终纤维束散开，宣告破坏。试验过程中GFRP筋的最终破坏形态存在三种：散射式破坏、劈裂式破坏与端部脱锚式破坏，如图 3。由于GFRP筋拉伸试验过程中主要由两端锚管直接受力，再通过粘结树脂传递到GFRP筋，因此，试验过程中灌浆不均等操作原因将导致锚管与GFRP筋粘结性能不足，最终出现GFRP筋脱锚现象，此现象试件的破坏视为无效破坏，分析结果中不做考虑。
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| 图 3 GFRP筋破坏形态 Fig. 3 Failure modes of GFRP bars | |
拉伸试验测试中极限抗拉应力即表示GFRP筋的极限抗拉强度。PATEL H H等[3]研究发现GFRP筋的抗拉强度不仅与直径有关，与其环境因素也存在着较大的关系，如温度、湿度、碱性溶液等。分析过程中以抗拉强度保留率Y作为材料性能变化的特征参数：
| $ Y = {f_{ft}}/{f_{fo}} \times 100\% $ | (1) |
式中：fft为养护后混凝土中筋材抗拉强度，ffo为初始抗拉强度。
由图 4可见，不同条件下GFRP筋抗拉强度保留率变化规律存在一定的差异。蒸养养护混凝土环境中使GFRP筋直接处于高温碱性溶液中，因此，蒸养混凝土中GFRP筋的抗拉强度损失明显大于标养混凝土，并且随蒸养养护温度的升高，混凝土中GFRP筋抗拉强度的保留率不断下降。但标养与蒸养养护制度相差比例相对较小，这主要是由于蒸养养护制度28 d的养护龄期中蒸养高温时间相对较小，对GFRP筋造成的影响相对较小。若延长蒸养时间或升高蒸养恒温温度，对GFRP筋抗拉强度的损伤将加大，因此，养护过程中温度及高温时间等的选取对GFRP筋的性能损伤存在着较大的影响。针对不同试验方法可见，其中养护温度相对较低时，混凝土中GFRP筋抗拉强度退化相对较为明显，而随养护温度的升高，裸筋的损伤逐渐显现，当养护温度为80 ℃时，裸筋GFRP筋抗拉强度损伤率达到混凝土中GFRP筋的1.6倍。然而，不论是养护制度的影响还是试验方法的影响，都随直径的增大而有所降低。可见，任何研究因素前提下，直径对GFRP筋抗拉强度的影响研究都十分必要。
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| 图 4 不同条件下GFRP筋拉伸试验结果 Fig. 4 Tensile test results of GFRP bar under different conditions | |
通过建立不同养护制度及不同直径条件下裸筋与混凝土环境中GFRP筋抗拉强度的差异性，可采用裸筋试验数据得到相应混凝土环境中GFRP筋的抗拉性能，这较大程度地减小了GFRP筋混凝土结构工程设计、预测及后期检测的难度。
图 5显示了不同试验方法中抗拉强度衰减率随温度及直径的变化差异性规律，其中将混凝土包裹与裸筋条件下GFRP筋抗拉强度衰减率的比值系数定义为两种试验方法结果的差异性系数。由拟合曲线分析可见，不同试验方法条件下衰减率的差异性随温度或直径的增大而逐渐明显，并呈现对数变化规律，对变化规律曲线拟合可得
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| 图 5 不同试验方法中抗拉强度衰减率变化差异性 Fig. 5 Difference of degradation rate of tensile strength in different test methods | |
| $ T = 20.75 - 67.11\ln \left( {{\delta _T} - 0.23} \right) $ | (2) |
| $ D = - 3.73 - 25.18\ln \left( {{\delta _D} - 0.22} \right) $ | (3) |
式中：δT、δD分别表示不同温度或不同直径条件下的差异性系数；D表示GFRP筋直径；T表示养护温度，℃。
拟合分析过程中拟合曲线平方差均达0.99，可认为拟合曲线变化规律与实际试验结果较为吻合。因此，可将公式进行整合，得到与养护温度、直径同时相关的差异性系数δ：
| $ \delta = {\delta _T}{\delta _D}/0.8 = 0.23 + \frac{4}{{5{\rm{e}}\left( {\frac{{T - 20.75}}{{67.11}}} \right){\rm{e}}\left( {\frac{{D - 3.73}}{{25.18}}} \right)}} $ | (4) |
由试验分析可见，当GFRP筋混凝土构件养护过程中采用高温高湿度的养护过程，其设计抗拉强度、环境折减系数及粘结锚固长度确定等都需要充分考虑养护制度及直径对GFRP筋微观结构及抗拉性能的影响，并可采用差异性系数δ对规范中折减系数进行一定的修正。
4 结论1) 基于微观结构及抗拉性能试验研究可见，蒸养混凝土中GFRP筋的微观结构与抗拉强度均存在着不同的劣化程度，并且劣化程度随养护温度的提高而不断增大；然而其劣化程度与裸筋试验条件下有所不同，其中养护温度相对较低时，混凝土中GFRP筋抗拉强度退化相对较为明显，而随养护温度的升高，裸筋的损伤则更大。
2) 不论是养护制度的影响还是试验方法的影响，都随直径的增大而有所降低。
3) 基于裸筋与混凝土中GFRP筋抗拉强度衰减率变化规律，建立了与养护温度、直径同时相关的差异性系数，这不但可以延伸前人的研究成果，而且降低了混凝土中GFRP筋抗拉强度测试的工作难度。
然而，混凝土构件养护过程中静停段、升温段、恒温段及降温段的温度与控制时间都将直接影响混凝土中GFRP筋的抗拉性能，因此，还需考虑更全面的养护制度变化参数对混凝土中GFRP筋抗拉性能的影响。
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