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在自然环境下,海洋是最苛刻的腐蚀环境之一,海工结构要经受海水、海洋大气或更为严酷的飞溅区、潮差区的腐蚀,而普通钢材在海洋环境中极易腐蚀,很短的服役期内将丧失使用功能。采用FRP筋替代普通钢筋被认为是能够彻底解决混凝土结构中钢筋锈蚀的方法之一。与钢筋一样,FRP筋与混凝土良好的界面黏结性能是两者协同工作的基础。在海洋环境作用下,FRP筋与混凝土界面可能产生黏结退化,其退化机理与服役寿命是决定FRP筋能否成功应用到海工混凝土结构中的关键。 基于此,本文设计制作并测试了153个拉拔试件,试验对象包括乙烯基酯树脂玄武岩纤维增强复合筋(BV筋)、乙烯基酯树脂无碱玻璃纤维增强复合筋(GV筋)、环氧树脂玄武岩纤维增强复合筋(BE筋)和环氧树脂国产碳纤维增强复合筋(CE筋)。依据ACI和ASTM规范配置相应的碱溶液和人工海水溶液,通过两种试验方法进行研究:FRP筋经碱溶液环境腐蚀后与混凝土黏结性能试验;海水浸泡环境下FRP筋混凝土拉拔试件黏结性能试验。研究相应环境腐蚀后FRP筋与混凝土黏结-滑移曲线,并分析了试件破坏形态、黏结-滑移曲线各阶段特点、受力过程和黏结破坏机理,以及FRP筋经腐蚀后与混凝土的极限黏结强度以及自由端发生0.05mm、0.10mm和0.25mm所对应的黏结强度值随溶液浸泡腐蚀龄期的变化。 通过FRP筋碱溶液环境腐蚀后黏结性能试验研究,获得如下结论:对于同等直径、相同肋参数的四种FRP筋,在各个龄期下,BE筋与CE筋具备更高的极限黏结强度,且CE筋的极限黏结强度在四种筋材中最高;经历40℃碱溶液环境的浸泡腐蚀后,CE筋与混凝土的界面黏结强度未见退化,甚至出现了上升趋势,BV筋的极限黏结强度有缓慢的退化趋势,BE筋和GV筋与混凝土的极限黏结强度几乎不发生变化;统计各个拉拔试件自由端发生0.05mm、0.10mm和0.25mm对应的黏结强度值,发现四种FRP筋在自由端发生0.25mm以下滑移量对应的黏结强度值均未发生退化,说明碱溶液腐蚀仅影响FRP筋与混凝土的极限黏结强度,对于较小滑移量下FRP筋与混凝土的黏结强度的影响不大。 海水浸泡环境下FRP筋混凝土黏结性能试验研究,重点考虑了筋材种类、环境温度、腐蚀龄期、表面处理等影响参数。结果表明: 1)在FRP筋、钢筋与混凝土黏结力的组成中,均包括化学胶着力、摩擦力和机械咬合力,FRP筋与混凝土的黏结强度组成中还存在由于FRP筋吸湿膨胀引起的强度增长。 2)经过人工海水长期浸泡后,BV筋和GV筋出现黏结强度降低的趋势,在40℃环境经历60天腐蚀后,BV筋的极限黏结强度保留率为90.93%,GV筋的为92.92%。 3)对于BV筋,提高环境温度会加快其极限黏结强度的降低。 4)相同条件下CE和BE筋与混凝土的黏结表现出良好的耐腐蚀性能。 5)在40℃人工海水浸泡下,FRP筋与混凝土拉拔试件自由端发生0.05mm、0.10mm和0.25mm对应的黏结强度同样不随腐蚀龄期的增长而降低。 6)在FRP筋发生较小滑移情况下,本文中BV筋和CE筋黏结强度均较GV筋高。 比较两种试验方法所得结果,结合海水浸泡环境下混凝土强度试验、扫描电子显微镜(SEM)观察手段,配合已有针对FRP筋本身性能破坏机理研究,综合分析了海洋环境下FRP筋与混凝土黏结退化的机理,并利用基于Arrhenius退化模型提出的FHWA-Ⅰ、FHWA-Ⅱ以及STF寿命预测法分别针对试验中出现退化的BV筋混凝土界面黏结性能进行了寿命预测。由于环境对FRP筋的腐蚀作用由外向内,外层FRP筋力学性能的破坏将对其与混凝土界面的黏结性能产生影响,因此FRP筋耐碱性能是保证其在混凝土结构中成功应用的关键问题。