FRP筋海水海砂混凝土研究现状综述_王寅.pdf

144王 寅 FRP 筋海水海砂混凝土研究现状综述作者简介：王寅，中级工程师，本科，研究方向：建筑材料检测。FRP 筋海水海砂混凝土研究现状综述王 寅（北京市建设工程质量第一检测所有限责任公司，北京 100039）摘要：海砂混凝土和纤维增强复合材料筋（FRP 筋）的组合应用是避免传统钢筋混凝土结构锈蚀破坏的有效途径。该文介绍了 FRP 筋、海砂混凝土、海水海砂混凝土和 FRP 筋海水海砂混凝土的研究现状和应用情况，指出 FRP 筋海水海砂混凝土尚需研究的问题。FRP 筋海水海砂混凝土的研究和应用，能为我国沿海建筑用砂紧缺和岛礁建筑等海洋开发提供新的建设思路。关键词：FRP 筋；海砂；混凝土；海水中图分类号：TU 528.572 Research Summary on FRP Reinforced Seawater Sea-sand ConcreteWANG Yin(Beijing Construction Engineering Quality First Testing Institute Co.,Ltd,Beijing 100039,China)Abstract:The combined application of sea-sand concrete and fi ber reinforced polymer(FRP)bar is an eff ective way to avoid the corrosion damage of traditional reinforced concrete structures.This paper reviews the research status and application of FRP bars,sea-sand concrete,seawater sea-sand concrete and FRP reinforced seawater sea-sand concrete,and points out the problems that need to be studied on FRP reinforced seawater sea-sand concrete.The research and application of FRP reinforced sea-sand concrete can provide new construction ideas for coastal building sand shortage and ocean development such as island building.Key words:fi ber reinforced polymer bar;sea-sand;concrete;seawater钢筋混凝土结构在我国应用广泛，但其存在较为突出的易腐蚀与耐久性差等问题，限制了其进一步发展。为从根本上解决锈蚀难题，最有效的手段就是采取材料替换。对于钢材，可考虑替换为纤维增强复合材料（fiber reinforced polymer，FRP），同时以海砂混凝土取代普通混凝土，两者结合既可从根源上避免腐蚀问题，也能直接使用海水、海砂，实现淡水资源节约。FRP 筋海砂混凝土具有非常大的优势，既解决了沿海地区砂石紧缺的问题，又解决沿海和岛礁建筑钢筋耐久性问题1。因此，新型 FRP 筋海砂混凝土的研究与应用符合国家节约自然资源、节能减排的发展方向，具有重大经济效益和社会效益。1 FRP 筋的研究现状FRP 筋由高强纤维与树脂基材复合而成，在市政盾构井、地下墙等工程中大量应用，可作为钢筋的优良替代材料。FRP 筋中的纤维增强体占比 55%80%，树脂为 20%45%。FRP 筋比强度大，质量仅为常规钢筋的20%，但强度是后者的 6 倍，兼具抗腐蚀、低松弛等特性，将其作为普通钢筋的替代品能避免钢筋锈胀问题，保障结构安全，降低维护成本。在 FRP 筋组成中，作为增强体的纤维种类主要有碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维及芳纶纤维等，而树脂基材一般包括环氧树脂、聚酯等。在目前的实践应用中，作为加固补强的 FRP 筋使用较多，主要如 CFRP（碳纤维增强复合材料）、GFRP（玻璃纤维增强复合材料）、BFRP（玄武岩纤维增强复合材料）以及 AFRP（芳纶纤维增强复合材料）等，其中，玻璃纤维增强筋最为常见，然后是碳纤维增强筋，而芳纶纤维筋因费用高较少使用。在 20 世纪 70 年代，FRP 筋开始被欧美等国研究，最早是关注其与混凝土结合后在受载时的力学性能方面，未涉及耐久性研究，即 FRP 筋在不良环境条件下维持相应良好特性的能力。直至 20 世纪 90 年代后，FRP 筋的耐久性开始被相关学者着手研究，且获得了一定成果。1998 年徐新生等2对 FRP 筋的结构性能及应用进行了介绍，近 20 年，我国也掀起了 FRP 的研究应用高潮。FRP 筋综合性能突出，具有轻质高强、抗疲劳、施工轻便及耐腐蚀等诸多特性，属于高性能材料，在我国路桥、房建及市政等土木领域中的应用前景广阔，作为传统建材的有效补充，FRP 筋将有效提升我国工程建设的综合效益。2 海砂混凝土的研究现状海砂受海洋环境的影响，其最大缺点是含有大量的氯盐、重金属盐、贝壳和有机物杂质，会对混凝土和砂浆的耐久性造成不良影响。混凝土中的氯离子主要来源有两部分：一是由混凝土组成材料拌和水、水泥、细骨料、粗骨料、矿物掺和料以及各种外加剂等带进；DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.023合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期145二是外界环境中的 Cl-，通过混凝土保护层渗透进入混凝土内部。氯离子对钢筋混凝土结构的腐蚀过程，首先是使钢筋表面的钝化膜破坏，然后是阳极表面二次化学反应，最终导致钢筋的锈蚀破坏。在相关反应中，Cl-本身虽然并未构成最终的腐蚀产物，在腐蚀中也不消耗，但在整个腐蚀过程进行中，Cl-起到了加速催化的作用。因此当混凝土中 Cl-的浓度大于 600g/m3时，就会加剧钢筋的腐蚀，并会导致混凝土开裂甚至脱落；而随着开裂混凝土的进一步发展，又会加剧钢筋的腐蚀，从而形成恶性循环，最终导致混凝土结构破坏3。陈裕佳4研究得出，未净化的海砂对混凝土有降低其强度的作用，降低幅度普遍在 5%30%之间。混凝土中的氯离子含量也随之上升，并且未净化海砂成为了主要的提供者。混凝土中的氯离子含量对钢筋具有腐蚀作用，对混凝土的耐久性有着负面的影响。刘伟等5通过试验认为，珠江口海砂及盐田海砂均归为中砂一类，是级配良好的混凝土细集料，海砂中所含的氯离子和少量的贝壳并不影响混凝土的工作性、抗压强度、抗折强度及弹性模量，不考虑氯离子对混凝土钢筋的腐蚀时，未经淡化的海砂大致等同于河砂。刘军等6研究得出采用NaCl 溶液浸泡河砂来模拟海砂的试验方法是可行的，试验还发现海砂型与掺入型的氯离子结合形式、传输方式各不相同，前者存在一个从砂子表面向混凝土内部扩散的过程。3 海水海砂混凝土的研究现状李田雨等7对海水海砂混凝土的力学性能开展研究，发现相比河水河砂，海水海砂可以使水化更充分，加速水化使混凝土具备较高的早期强度；海水海砂混凝土自收缩量降低了 15%，收缩结束时间提前，减少了混凝土裂缝的产生；海水海砂混凝土黏度值为 7590MPas，流动度为 182mm，降低了混凝土的黏度增加了流动度，使混凝土更易于泵送，降低了施工难度。28d 抗压抗折强度比使用河水河砂制备的混凝土分别降低了 8.6%和25.4%；热水养护可以提高海水海砂混凝土的力学性能，其抗压、抗折强度分别提高了 22.8%和 23.1%。肖建庄等8研究发现，海水、原状海砂和再生粗骨料可同时运用于配制 C20C50 之间不同强度等级的混凝土。海水海砂再生混凝土的立方体压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度随着养护龄期延长而增加，且长期强度趋于稳定；与普通混凝土相比，7d 抗压强度提高 13%52%，180d抗压强度降低 18%29%。海水海砂再生混凝土的静力弹性模量比普通混凝土略有降低，降低幅度为 2%14%。通过干湿交替加速养护强度试验，采用海水海砂配制的混凝土没有出现明显的强度下降。掺加掺合料后的海水海砂混凝土的后期强度下降趋势明显延缓，其中掺加矿渣的海水海砂混凝土后期强度增长趋势最为明显，而掺加粉煤灰的海水海砂混凝土后期强度增长量是最大的。传统阻锈剂的作用机理一般分为电化学机理和物理化学机理9。电化学机理分为阳极抑制型阻锈剂钝化膜理论、阴极阻锈剂成膜理论、混合型阻锈剂阻滞阴、阳极过程理论；物理化学机理分为氧化膜吸附理论、沉淀膜吸附理论和离子、分子吸附理论。周俊龙等10研究表明，复掺 20%偏高岭土和 1.5%三乙醇胺可以显著提高海水海砂混凝土的护筋性；张航等11基于硬软酸碱理论制得一种复合型阻锈剂，并对其作用机理进行研究，发现该阻锈剂能延缓海水海砂混凝土中的钢筋腐蚀，使钢筋钝化膜趋于稳定。4 FRP 筋海水海砂混凝土的研究现状为解决钢筋锈蚀的问题，同时突破海水海砂混凝土应用的限制，部分学者提出采用 FRP 筋替代钢筋是解决钢筋锈蚀问题的有效途径。Serbescu 等学者12研究了BFRP 筋在碱溶液和 20、40、60 下的长期性能，并估计在 100 年后 BFRP 筋的拉伸强度保持率约为 70%。陆中宇等13研究在实验室加速环境下（室温、40 以及60 水溶液及模拟海水溶液），不同海水海砂混凝土砂浆包裹厚度（0、10、20 mm）BFRP 筋的耐久性，测试了不同浸泡时间后 BFRP 筋的拉伸强度，用扫描电子显微镜（SEM）对拉伸断面进行了观察。邹桐等14将抗拉强度 900MPa 的 GFRP 筋应用于洋山四期工程综合管廊结构中，实现结构重载、防磁设计要求。项目中对 GFRP 筋开展了加速老化试验，研究了筋材在恶劣条件下的抗拉性能情况，发现换算为正常使用条件下，GFRP 筋的强度保证率为 0.7，该数值近似为规范中考虑强度折减系数的保证率，验证了系数设置的合理性。研究发现，FRP 筋弯折后的截面形态发生改变，强度大幅下降，故用于箍筋时应考虑弯钩设计的削弱效应，并避免使弯折区处于受力较大位置，配筋遵循“小直径、密布”原则。冯鹏等15提出了面向海洋的新型FRP 海砂混凝土组合结构，其柱体设计为外部 FRP 管+内部 FRP 拉挤型材+中间海砂混凝土填充的形式，梁体体系则由拉挤 FRP 梁与多孔 FRP 板装配而成，该结构设计灵活，在岛礁等建造时便于就地取材，具有可重复利用、耐海水腐蚀等优势。5 FRP 筋海水海砂混凝土尚需解决的问题对于当前工程建设中面临的河砂紧缺问题，实现海砂的资源化利用是重要的解决方案。将海砂用于海砂混凝土配制时，如采用普通钢筋，则需要严格控制海砂中的氯离子含量；而将 FRP 筋替换普通钢筋后，则将不存在钢筋锈蚀的隐患，且海砂与 FRP 筋组合的方式已取得较好的应用成效，发展前景良好16。但 FRP 筋海水海砂混凝土的耐久性问题目前尚缺乏关注，如何提高该组合结构的耐久性还需要开展很多研究工作。（1）深入开展 FRP 筋的耐久性研究工作，特别是FRP 筋的抗腐时长预测模型开发，及 FRP 筋在荷载作用下的耐久性研究。（2）FRP 筋由人工合成，为各向异性材料，虽具备优异的抗拉能力，但抗剪强度较低，同时弯折后的FRP筋，其抗拉强度降幅甚至达 4/5。另外，FRP 筋抗剪强度以及破坏机理仍有待研究。（3）海砂与碳化、应力、外界氯盐环境等因素复合作用，海砂混凝土的微观分析。（4）对于服役中的海砂建筑，尚需寻求有效的腐蚀检测手段及对应的防治对策。（5）在实际条件下，FRP 筋海砂混凝土结构的耐146王 寅 FRP 筋海水海砂混凝土研究现状综述久性由多种因素决定，如温湿度、冻融、盐度等，多因素条件下的相互作用机理与耐久性影响关系需要进一步探讨。（6）不同的环境、温度和湿度等因素对海水海砂水泥砂浆水化过程影响的研究。6 结语钢筋混凝土结构工艺成熟、受力合理，是我国工程建设中最基本的结构形式之一，但不可