摘要 本文總結了FRP纖維，FRP筋的基本性能和FRP筋在各種環境條件下耐久性能的已有研究成果，研究表明CFRP筋在各種環境下均具有良好的耐久性能，強堿和高溫環境對GFRP的耐久性有一定的影響，但通過對基體材料的改進可以有效提高GFRP在這兩種環境下的耐久性能。最后分析比較了用FRP筋代替鋼筋的可行性，指出了FRP筋的應用前景。
關鍵詞 耐久性；FRP筋；銹蝕；侵蝕；退化
中圖分類號：TU377. 9+1 文章識別碼：A
Summarization of Investigation on the Durability of FRP Rods
Abstract This paper summarizes properties of fibres and FRP rods and some research on the resistance of FRP rods in the corrosion environment. The result shows that CFRP displayed excellent durability performance. For GFRP bars, alkali solution and high temperature can result in degradation of its mechanics properties. But this degradation can be avoided throughout the changing of matrix materials. An analysis of the feasibility about FRP rods replace steel bars and the application future of FRP rods in the civil engineering are give in the end.
Keywords Durability; FRP rods; Rust; Corrosion; Degradation
前言
鋼筋銹蝕是降低混凝土結構耐久性的因素之一。在美國，1994年全美混凝土結構物由于鋼筋銹蝕所造成的損失為280億美元，由鋼筋銹蝕而導致的公路橋維修費為900億美元[1]。美國50年代前建造的橋梁大部分因鋼筋銹蝕而破壞嚴重，目前近60萬座橋梁中,有近10萬座鋼筋腐蝕嚴重，現在美國平均每年因鋼筋腐蝕造成的損失高達700億美元[2]~[4]。在英國，1972至1989年間由于鋼筋銹蝕引起的英格蘭島中環線全長21公里的高架橋開裂的維修費為4480萬英鎊，是建設費用的1.6倍[5]；其在海洋及含氯化物介質的環境中的鋼筋混凝土結構因鋼筋銹蝕需要重建或更換鋼筋的占三分之一以上[3]。在日本，由鋼筋銹蝕引起的混凝土結構物損傷問題占了21.4%[6]。我國的鋼筋混凝土結構物鋼筋銹蝕問題也十分嚴重。1984年對浙江鎮海的22座中小型海工建筑物的調查表明，967 根構件中由于鋼筋銹蝕導致順筋開裂破壞的有538 根，占構件總數的56 %[3]；1996年交通部四航局科研所對1986年后建成的華南地區的C港和E港的20個泊位的調查顯示E港大部分縱、橫鋼筋的銹蝕年限均不足10年和5年，在碼頭建成一年后即發現大量銹蝕裂縫[7]；北京西直門立交橋由于鋼筋的大量銹蝕于1999年重建，其使用期還不到19年[8]。由此可見，鋼筋銹蝕已經成為鋼筋混凝土耐久性的重要影響因素，給國民經濟帶來了巨大的經濟損失。
鋼筋銹蝕主要是由于酸性、鹽溶液（特別是氯離子）滲入結構物，破壞了鋼筋表層的鈍化膜使鋼筋不斷的進行電解反應被氧化而造成的。鋼筋銹蝕對鋼筋本身以及銹蝕產生的“紅銹”（體積擴大四倍）對混凝土結構會產生很大的損傷。針對與此，國內外學者研究出多種保護方法[9]~[13]，主要可以歸結為兩個方向：1）針對混凝土，其目的是阻止有害離子進入混凝土內部，比如在混凝土外涂刷保護層等；2）針對于鋼筋，其目的是避免鋼筋進行電解反應或者作為陽極，比如在鋼筋外部噴涂環氧保護層，在混凝土加入防銹劑等。雖然這些方法經實踐證明都是有效的，但是多半需要復雜的技術以及長期的維護花費，而用FRP材料代替鋼筋則解決了這個問題 [14]~[18]。早在80年代中期，歐美及日本就開始使用FRP筋來代替鋼筋，目前僅在日本，應用FRP作為配筋材料的工程就超過了500個，并取得了不錯的效果。
1 FRP筋材基本材性
FRP（纖維增強復合材料，fiber reinforced polymer/plastic），是由纖維材料與基體材料按一定比例混合并經過一定工藝復合形成的高性能新型材料。該材料由于輕質高強等優點，自20世紀40年代問世以來被廣泛應用到各個方面。
1.1 纖維性能
纖維是FRP中的主要受力材料。主要纖維品種有芳族聚酰胺、凝膠紡絲高性能聚乙烯纖維、熔體紡絲全芳族聚酯纖維、芳香族俄羅斯纖維、高相對分子質量聚乙烯固態擠出纖維、碳纖維、玻璃纖維、陶瓷纖維等等[19]。目前結構工程中主要應用的是碳纖維和玻璃纖維。同時，碳纖維和玻璃纖維又根據生產方式的不同帶有不同基，每種基纖維的性能有所差異。并且，由于各個廠家的生產技術的不同，即使是帶有同種基的纖維機械性能也有所不同。但是總體來看，碳纖維和玻璃纖維的比強度（抗拉強度/比重）和比模量均優于鋼、鋁等傳統材料，輕質高強的性能十分突出。
1.2 FRP筋性能
FRP筋由相應類型的纖維和基體材料兩部分組成。一般常用的基體材料主要有聚酰胺樹脂、聚乙烯樹脂和環氧樹脂三種。在三種基體材料中，聚乙烯樹脂具有更好耐腐蝕能力和更容易的生產過程，環氧樹脂具有更高的強度、更好的粘聚力、較強的抗徐變性能、良好的導電性、較高的穩定型和適應性[21]。FRP筋的生產通過多股連續纖維浸于熱硬性樹脂中膠合后，經過特制的模具擠壓、拉拔成型，然后再根據需要對成型光圓筋表面進行噴砂、纏絲、勒痕等處理。在FRP筋中，纖維含量一般為60％～80％。因而與純纖維相比，FRP筋的強度和彈性模量有所下降。 
2.1 腐蝕條件下FRP筋的耐久性能
2003年意大利Lecce大學的Francesco Micelli和美國Missouri–Rolla大學的Antonio Nanni[24]選取了3種不同類型的CFRP筋和2種不同類型的GFRP筋進行耐久性測試。實驗用PH值13.0的堿性溶液、-18~4℃的凍融循環、60%~100%的濕度、16~49℃的高溫循環以及紫外線照射來模擬FRP筋在混凝土堿性條件下和自然環境下的耐久性問題。實驗數據表明，經42天的堿性浸泡，基體為聚酯樹脂的GFRP筋抗拉強度下降了40%，基體為熱塑樹脂的GFRP筋和其余三種CFRP筋都沒有受到影響；而在各種自然環境組合條件作用下，GFRP和CFRP筋沒有發生退化。
同年，英國倫敦Queen Mary大學的Abdolkarim Abbasi，Paul J. Hogg[25]研究了溫度和堿性溶液對GFRP筋的影響。實驗將三種GFRP筋經過30、120和240天的60℃的PH值13的NaOH溶液浸泡后，然后在25、80、120℃的溫度條件下對其拉伸強度和彈性模量測試。實驗結果顯示GFRP筋的拉伸強度和彈性模量隨著浸泡時間的增長和測試溫度的增高而降低。經過電子顯微鏡對破壞試件的觀察，筋體在堿性溶液和高溫作用下性能產生退化主要是因為基體材料受到了影響，使各個纖維之間的粘結性能變差，每根纖維之間的協調性能降低，不能均勻分擔荷載，從而逐漸導致筋體的破壞。
2004年美國California大學的Wellington Chu，Lixin Wu，Vistasp M.Karbhari[26]將乙烯基酯樹脂GFRP筋分別浸入23~80℃的去離子水和PH值11.5的堿性溶液，75周后對其進行各項性能測試。實驗結果表明堿性溶液對GFRP的侵蝕強于水，并且隨著溶液溫度的提高，侵蝕作用越強，原因是較高的溫度加快了溶液離子的運動。
2005年美國West Virginia大學的Yi Chen，Julio F. Davalos，Indrajit Ray和韓國建筑科技研究所的Hyeong-Yeol Kim[27]進行了加速老化實驗用以研究FRP筋在各種環境條件作用下的耐久性問題。實驗將CFRP筋和兩種GFRP筋浸入五種不同的溶液中：水（用于模擬潮濕環境對纖維筋的影響），PH值13.6含有NaOH、KOH和Ca(OH)2的堿性溶液（用于模擬普通混凝土環境），含有同樣成份但PH值為12.6的堿性溶液（用于模擬高性能混凝土環境），含有NaCl、Na2SO4的鹽溶液（用于模擬海水環境）以及PH值13.0含有NaCl、KOH的鹽堿組合溶液（用于模擬氯離子侵入的混凝土環境）。溶液的溫度分別提高到40℃和60℃來加速模擬環境對材料的侵蝕過程。經過70天的浸泡后，處于60℃堿性溶液中的GFRP筋拉伸強度下降了36%到50％，CFRP筋沒有受到影響；處于40℃堿性溶液中的GFRP和CFRP筋都沒有發生退化。處于其它溶液中的試件也表現出同樣的現象，但是GFRP筋拉伸強度的降低程度要比在堿性溶液中小，只有20%左右。試件的剪切強度在經過45天的溶液浸泡后均沒有發現明顯的退化。為了模擬FRP筋在組合環境下的耐久性能，作者又進行了干濕循環和凍融循環實驗。干濕循環實驗將試件放入前四種溶液中，在60℃的溫度下浸泡四天，20℃的溫度下風干四天，循環9次。凍融實驗將試件放入溶液1和5中，在20℃的溫度下浸泡30分鐘，然后在90分鐘的時間內降至-20℃，在-20℃的溫度下保持30分鐘，同樣用90分鐘將溫度升至20℃，循環300次。實驗結果表明干濕循環和凍融循環對GFRP和CFRP筋的性能幾乎沒有影響。
2007年韓國建筑科技研究所的Hyeong-Yeol Kim，Young-Hwan Park，Young-Jun You和Pukyoung國立大學的Chang-Kwon Moon[28]研究了各種環境條件下的GFRP筋的耐久性能。為估計GFRP筋的耐久性，實驗將兩種類型的乙烯基酯樹脂GFRP筋分別經過了30、60、90、132天的溫度為25、40、80℃的自來水和3% NaCl溶液浸泡；30、60、75天的溫度為25、40、80℃的堿性溶液（PH值為13）浸泡以及110次的溫度變化為-25~30℃的凍融循環。之后，分別測試了其拉伸強度、彈性模量和剪切強度。實驗結果表明GFRP筋性能在堿性溶液中退化較明顯，退化程度在溶液25、40℃時保持穩定，但在80℃時加劇。為了在微觀上研究GFRP筋的退化，作者又用直徑0.7mm的試件進行了耐久性測試。通過電子顯微鏡對破壞后的試件觀察發現，GFRP筋在潮濕環境和堿性溶液中發生退化因為潮氣和堿性溶液不僅會使玻璃纖維和基體材料產生退化，而且還會削弱纖維和基體材料連接面的粘結力。
2.2 FRP筋與混凝土粘結力的耐久性
文獻[25]在對GFRP筋本身耐久性進行測試的同時，也對GFRP筋同混凝土之間粘結性的耐久性進行了測試。實驗將180個試件放入室溫下的自來水和PH值12.5的堿性溶液中。分別在30、120和240天后對其進行拔出實驗。拔出實驗采用100kN Schenck測試機，分別在20~25、40、60、80、100或120℃的溫度下進行。實驗結果顯示GFRP筋與混凝土的粘結強度經過溶液的浸泡后有增強的趨勢，在20~60℃溫度下進行的拔出實驗，經過240天浸泡后的試件的粘結強度比30天浸泡的試件增加了40%；在較高溫度下，80~120℃，粘結強度增長10~30%；而在同種條件下堿溶液中的試件粘結強度的增長幅度比自來水中的試件小。實驗現象說明GFRP與混凝土之間的粘結強度受溫度影響較敏感。作者分析，受影響的原因主要是基體材料在較高溫度下產生了損壞，從而削弱了纖維之間的粘結力。
文獻[27]同樣對FRP筋和混凝土之間的粘結力進行了耐久性測試。實驗將GFRP筋分別包裹于直徑152mm，高305mm的普通混凝土圓柱（NC，28天抗壓強度20MPa）和高性能混凝土圓柱體中（HPC，28天抗壓強度65MPa），浸泡在溫度為60℃的PH值12.6的堿性溶液中60天，進行拔出實驗，通過測試拔出力和拔出位移來研究粘結力變化情況。對HPC試件的拔出實驗以混凝土破壞而告終，因而測得的拉拔力不能代表筋體與混凝土之間的粘結力，但是這說明了GFRP筋與HPC的粘結性能非常好，沒有受到堿性溶液的侵蝕。NC試件的實驗以筋體的拔出而終結。試驗結果顯示，溫度的提高和堿性溶液環境加速了GFRP筋與混凝土之間粘結性能的退化，與參考試件相比，經過60天60℃堿性溶液的浸泡，粘結力下將了20%?？紤]到同時對FRP筋的耐久性測試，FRP筋與混凝土的粘結性能的耐久性應與FRP筋本身的耐久性有關。另外，通過對拔出位移的測試，HPC試件的拔出位移小于NC試件，但是拔出力卻遠遠大于NC試件，因而粘結性能與混凝土的性能也有一定的關系。
通過以上兩組實驗的實驗現象以及實驗者的分析，FRP筋與混凝土粘結性能會受到堿性條件和高溫的影響，但是其耐久性能還是表現良好的。尤其是文獻[25]的實驗表明，在長期的堿性溶液浸泡下，粘結力還會上升。文獻[29]~[33]對纖維筋和混凝土粘結機理的研究可以解釋這一點。FRP筋與混凝土之間的粘結主要靠二者之間的咬合力實現，因而混凝土的抗壓強度和FRP筋本身的性能都對粘結性能有很大的影響。長期的溶液浸泡使FRP筋的體積增加，同時混凝土的強度也會隨著齡期的增長而增強，因而無論是經過水或者堿溶液長時間的浸泡都增加了兩者之間的壓力，從而增大了二者之間的咬合力。對于堿溶液和溫度的提高對粘結力的削弱現象，文獻[25]和[27]的作者也給出了一致觀點，主要是兩種因素都對基體材料有損壞作用，因而造成了粘結性能的削弱。但比起鋼筋銹蝕和鋼筋環氧涂層防銹處理對鋼筋與混凝土粘結力造成的減退[34]，FRP筋粘結性能在腐蝕條件下保持良好。
2.3 其它
從以上對FRP筋以及對FRP筋同混凝土粘結性的耐久性能測試來看，CFRP筋是種非常優秀的材料，幾乎不受任何環境的侵蝕。GFRP筋會受到一定程度上的堿性溶液和溫度的影響，但是因受到侵蝕影響產生的性能退化相對于鋼筋對自然環境侵蝕的微弱抵抗力[35][36]以及因此而導致混凝土結構壽命縮短而言是微不足道的。并且，GFRP在堿性和溫度作用下性能的退化程度主要取決于基體材料對堿性溶液的抵抗能力和對溫度的敏感性，因而通過改進基體材料化學成份便能很容易的提高GFRP筋對堿性環境和高溫環境的抵抗能力，提高GFRP筋混凝土結構的耐久性。對于FRP筋結構在火災中的生存能力，2005年英國曼徹斯特大學的Y.C. Wang a，P.M.H. Wong和美國密歇根州大學的V. Kodur[37]；英國倫敦大學的A. Abbasi，P.J. Hogg[38]針對FRP筋、FRP筋混凝土梁做了高溫耐火性能專項測試。文獻[37]的實驗結果表明，FRP筋在溫度到達臨界溫度（350℃）之前，筋體的機械性能幾乎保持不變，當溫度升高到臨界溫度后，筋體的機械性能隨溫度升高呈線性衰退，但是某些筋體仍能保持較高的強度和彈性模量；文獻[38]的實驗結果表明，FRP筋混凝土梁在火中的承載能力保持時間最高可以達到128分鐘，最低94分鐘，均在安全要求的90分鐘以上。
3 結語
經過國內外學者多年的研究，用FRP筋材料代替鋼筋來解決鋼筋銹蝕致使結構壽命縮短的方法，從技術方面講是可行的；從經濟學的角度來看，FRP筋的較高價格以及專用配套設施所造成的工程造價問題似乎成了其大規模使用的阻礙因素。但是FRP筋的比重只有鋼筋的1/7，強度卻可以達到鋼筋的4倍，要達到同等尺寸鋼筋所提供的強度，只需要1/28同等重量的FRP筋即可，進一步考慮到FRP結構，不僅僅局限于FRP筋結構，在使用期限內維護費用的節省和提高結構壽命所帶來的收益，建設FRP材料結構的費用遠遠低于同類鋼筋混凝土結構。另外，考慮到鋼筋是非可再生資源性材料，其未來價格趨勢的競爭力遠遠小于作為人工合成材料的FRP筋。盡管FRP筋中GFRP筋在耐堿和耐高溫性能還較欠缺，但通過加強基體材料的性能可大力改善，FRP筋在以后的工程中必將得以更加廣泛的應用。
