摘要 本文总结了FRP纤维，FRP筋的基本性能和FRP筋在各种环境条件下耐久性能的已有研究成果，研究表明CFRP筋在各种环境下均具有良好的耐久性能，强碱和高温环境对GFRP的耐久性有一定的影响，但通过对基体材料的改进可以有效提高GFRP在这两种环境下的耐久性能。最后分析比较了用FRP筋代替钢筋的可行性，指出了FRP筋的应用前景。
关键词 耐久性；FRP筋；锈蚀；侵蚀；退化
中图分类号：TU377. 9+1 文章识别码：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
钢筋锈蚀是降低混凝土结构耐久性的因素之一。在美国，1994年全美混凝土结构物由于钢筋锈蚀所造成的损失为280亿美元，由钢筋锈蚀而导致的公路桥维修费为900亿美元[1]。美国50年代前建造的桥梁大部分因钢筋锈蚀而破坏严重，目前近60万座桥梁中,有近10万座钢筋腐蚀严重，现在美国平均每年因钢筋腐蚀造成的损失高达700亿美元[2]~[4]。在英国，1972至1989年间由于钢筋锈蚀引起的英格兰岛中环线全长21公里的高架桥开裂的维修费为4480万英镑，是建设费用的1.6倍[5]；其在海洋及含氯化物介质的环境中的钢筋混凝土结构因钢筋锈蚀需要重建或更换钢筋的占三分之一以上[3]。在日本，由钢筋锈蚀引起的混凝土结构物损伤问题占了21.4%[6]。我国的钢筋混凝土结构物钢筋锈蚀问题也十分严重。1984年对浙江镇海的22座中小型海工建筑物的调查表明，967 根构件中由于钢筋锈蚀导致顺筋开裂破坏的有538 根，占构件总数的56 %[3]；1996年交通部四航局科研所对1986年后建成的华南地区的C港和E港的20个泊位的调查显示E港大部分纵、横钢筋的锈蚀年限均不足10年和5年，在码头建成一年后即发现大量锈蚀裂缝[7]；北京西直门立交桥由于钢筋的大量锈蚀于1999年重建，其使用期还不到19年[8]。由此可见，钢筋锈蚀已经成为钢筋混凝土耐久性的重要影响因素，给国民经济带来了巨大的经济损失。
钢筋锈蚀主要是由于酸性、盐溶液（特别是氯离子）渗入结构物，破坏了钢筋表层的钝化膜使钢筋不断的进行电解反应被氧化而造成的。钢筋锈蚀对钢筋本身以及锈蚀产生的“红锈”（体积扩大四倍）对混凝土结构会产生很大的损伤。针对与此，国内外学者研究出多种保护方法[9]~[13]，主要可以归结为两个方向：1）针对混凝土，其目的是阻止有害离子进入混凝土内部，比如在混凝土外涂刷保护层等；2）针对于钢筋，其目的是避免钢筋进行电解反应或者作为阳极，比如在钢筋外部喷涂环氧保护层，在混凝土加入防锈剂等。虽然这些方法经实践证明都是有效的，但是多半需要复杂的技术以及长期的维护花费，而用FRP材料代替钢筋则解决了这个问题 [14]~[18]。早在80年代中期，欧美及日本就开始使用FRP筋来代替钢筋，目前仅在日本，应用FRP作为配筋材料的工程就超过了500个，并取得了不错的效果。
1 FRP筋材基本材性
FRP（纤维增强复合材料，fiber reinforced polymer/plastic），是由纤维材料与基体材料按一定比例混合并经过一定工艺复合形成的高性能新型材料。该材料由于轻质高强等优点，自20世纪40年代问世以来被广泛应用到各个方面。
1.1 纤维性能
纤维是FRP中的主要受力材料。主要纤维品种有芳族聚酰胺、凝胶纺丝高性能聚乙烯纤维、熔体纺丝全芳族聚酯纤维、芳香族俄罗斯纤维、高相对分子质量聚乙烯固态挤出纤维、碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维等等[19]。目前结构工程中主要应用的是碳纤维和玻璃纤维。同时，碳纤维和玻璃纤维又根据生产方式的不同带有不同基，每种基纤维的性能有所差异。并且，由于各个厂家的生产技术的不同，即使是带有同种基的纤维机械性能也有所不同。但是总体来看，碳纤维和玻璃纤维的比强度（抗拉强度/比重）和比模量均优于钢、铝等传统材料，轻质高强的性能十分突出。
1.2 FRP筋性能
FRP筋由相应类型的纤维和基体材料两部分组成。一般常用的基体材料主要有聚酰胺树脂、聚乙烯树脂和环氧树脂三种。在三种基体材料中，聚乙烯树脂具有更好耐腐蚀能力和更容易的生产过程，环氧树脂具有更高的强度、更好的粘聚力、较强的抗徐变性能、良好的导电性、较高的稳定型和适应性[21]。FRP筋的生产通过多股连续纤维浸于热硬性树脂中胶合后，经过特制的模具挤压、拉拔成型，然后再根据需要对成型光圆筋表面进行喷砂、缠丝、勒痕等处理。在FRP筋中，纤维含量一般为60％～80％。因而与纯纤维相比，FRP筋的强度和弹性模量有所下降。 
2.1 腐蚀条件下FRP筋的耐久性能
2003年意大利Lecce大学的Francesco Micelli和美国Missouri–Rolla大学的Antonio Nanni[24]选取了3种不同类型的CFRP筋和2种不同类型的GFRP筋进行耐久性测试。实验用PH值13.0的碱性溶液、-18~4℃的冻融循环、60%~100%的湿度、16~49℃的高温循环以及紫外线照射来模拟FRP筋在混凝土碱性条件下和自然环境下的耐久性问题。实验数据表明，经42天的碱性浸泡，基体为聚酯树脂的GFRP筋抗拉强度下降了40%，基体为热塑树脂的GFRP筋和其余三种CFRP筋都没有受到影响；而在各种自然环境组合条件作用下，GFRP和CFRP筋没有发生退化。
同年，英国伦敦Queen Mary大学的Abdolkarim Abbasi，Paul J. Hogg[25]研究了温度和碱性溶液对GFRP筋的影响。实验将三种GFRP筋经过30、120和240天的60℃的PH值13的NaOH溶液浸泡后，然后在25、80、120℃的温度条件下对其拉伸强度和弹性模量测试。实验结果显示GFRP筋的拉伸强度和弹性模量随着浸泡时间的增长和测试温度的增高而降低。经过电子显微镜对破坏试件的观察，筋体在碱性溶液和高温作用下性能产生退化主要是因为基体材料受到了影响，使各个纤维之间的粘结性能变差，每根纤维之间的协调性能降低，不能均匀分担荷载，从而逐渐导致筋体的破坏。
2004年美国California大学的Wellington Chu，Lixin Wu，Vistasp M.Karbhari[26]将乙烯基酯树脂GFRP筋分别浸入23~80℃的去离子水和PH值11.5的碱性溶液，75周后对其进行各项性能测试。实验结果表明碱性溶液对GFRP的侵蚀强于水，并且随着溶液温度的提高，侵蚀作用越强，原因是较高的温度加快了溶液离子的运动。
2005年美国West Virginia大学的Yi Chen，Julio F. Davalos，Indrajit Ray和韩国建筑科技研究所的Hyeong-Yeol Kim[27]进行了加速老化实验用以研究FRP筋在各种环境条件作用下的耐久性问题。实验将CFRP筋和两种GFRP筋浸入五种不同的溶液中：水（用于模拟潮湿环境对纤维筋的影响），PH值13.6含有NaOH、KOH和Ca(OH)2的碱性溶液（用于模拟普通混凝土环境），含有同样成份但PH值为12.6的碱性溶液（用于模拟高性能混凝土环境），含有NaCl、Na2SO4的盐溶液（用于模拟海水环境）以及PH值13.0含有NaCl、KOH的盐碱组合溶液（用于模拟氯离子侵入的混凝土环境）。溶液的温度分别提高到40℃和60℃来加速模拟环境对材料的侵蚀过程。经过70天的浸泡后，处于60℃碱性溶液中的GFRP筋拉伸强度下降了36%到50％，CFRP筋没有受到影响；处于40℃碱性溶液中的GFRP和CFRP筋都没有发生退化。处于其它溶液中的试件也表现出同样的现象，但是GFRP筋拉伸强度的降低程度要比在碱性溶液中小，只有20%左右。试件的剪切强度在经过45天的溶液浸泡后均没有发现明显的退化。为了模拟FRP筋在组合环境下的耐久性能，作者又进行了干湿循环和冻融循环实验。干湿循环实验将试件放入前四种溶液中，在60℃的温度下浸泡四天，20℃的温度下风干四天，循环9次。冻融实验将试件放入溶液1和5中，在20℃的温度下浸泡30分钟，然后在90分钟的时间内降至-20℃，在-20℃的温度下保持30分钟，同样用90分钟将温度升至20℃，循环300次。实验结果表明干湿循环和冻融循环对GFRP和CFRP筋的性能几乎没有影响。
2007年韩国建筑科技研究所的Hyeong-Yeol Kim，Young-Hwan Park，Young-Jun You和Pukyoung国立大学的Chang-Kwon Moon[28]研究了各种环境条件下的GFRP筋的耐久性能。为估计GFRP筋的耐久性，实验将两种类型的乙烯基酯树脂GFRP筋分别经过了30、60、90、132天的温度为25、40、80℃的自来水和3% NaCl溶液浸泡；30、60、75天的温度为25、40、80℃的碱性溶液（PH值为13）浸泡以及110次的温度变化为-25~30℃的冻融循环。之后，分别测试了其拉伸强度、弹性模量和剪切强度。实验结果表明GFRP筋性能在碱性溶液中退化较明显，退化程度在溶液25、40℃时保持稳定，但在80℃时加剧。为了在微观上研究GFRP筋的退化，作者又用直径0.7mm的试件进行了耐久性测试。通过电子显微镜对破坏后的试件观察发现，GFRP筋在潮湿环境和碱性溶液中发生退化因为潮气和碱性溶液不仅会使玻璃纤维和基体材料产生退化，而且还会削弱纤维和基体材料连接面的粘结力。
2.2 FRP筋与混凝土粘结力的耐久性
文献[25]在对GFRP筋本身耐久性进行测试的同时，也对GFRP筋同混凝土之间粘结性的耐久性进行了测试。实验将180个试件放入室温下的自来水和PH值12.5的碱性溶液中。分别在30、120和240天后对其进行拔出实验。拔出实验采用100kN Schenck测试机，分别在20~25、40、60、80、100或120℃的温度下进行。实验结果显示GFRP筋与混凝土的粘结强度经过溶液的浸泡后有增强的趋势，在20~60℃温度下进行的拔出实验，经过240天浸泡后的试件的粘结强度比30天浸泡的试件增加了40%；在较高温度下，80~120℃，粘结强度增长10~30%；而在同种条件下碱溶液中的试件粘结强度的增长幅度比自来水中的试件小。实验现象说明GFRP与混凝土之间的粘结强度受温度影响较敏感。作者分析，受影响的原因主要是基体材料在较高温度下产生了损坏，从而削弱了纤维之间的粘结力。
文献[27]同样对FRP筋和混凝土之间的粘结力进行了耐久性测试。实验将GFRP筋分别包裹于直径152mm，高305mm的普通混凝土圆柱（NC，28天抗压强度20MPa）和高性能混凝土圆柱体中（HPC，28天抗压强度65MPa），浸泡在温度为60℃的PH值12.6的碱性溶液中60天，进行拔出实验，通过测试拔出力和拔出位移来研究粘结力变化情况。对HPC试件的拔出实验以混凝土破坏而告终，因而测得的拉拔力不能代表筋体与混凝土之间的粘结力，但是这说明了GFRP筋与HPC的粘结性能非常好，没有受到碱性溶液的侵蚀。NC试件的实验以筋体的拔出而终结。试验结果显示，温度的提高和碱性溶液环境加速了GFRP筋与混凝土之间粘结性能的退化，与参考试件相比，经过60天60℃碱性溶液的浸泡，粘结力下将了20%。考虑到同时对FRP筋的耐久性测试，FRP筋与混凝土的粘结性能的耐久性应与FRP筋本身的耐久性有关。另外，通过对拔出位移的测试，HPC试件的拔出位移小于NC试件，但是拔出力却远远大于NC试件，因而粘结性能与混凝土的性能也有一定的关系。
通过以上两组实验的实验现象以及实验者的分析，FRP筋与混凝土粘结性能会受到碱性条件和高温的影响，但是其耐久性能还是表现良好的。尤其是文献[25]的实验表明，在长期的碱性溶液浸泡下，粘结力还会上升。文献[29]~[33]对纤维筋和混凝土粘结机理的研究可以解释这一点。FRP筋与混凝土之间的粘结主要靠二者之间的咬合力实现，因而混凝土的抗压强度和FRP筋本身的性能都对粘结性能有很大的影响。长期的溶液浸泡使FRP筋的体积增加，同时混凝土的强度也会随着龄期的增长而增强，因而无论是经过水或者碱溶液长时间的浸泡都增加了两者之间的压力，从而增大了二者之间的咬合力。对于碱溶液和温度的提高对粘结力的削弱现象，文献[25]和[27]的作者也给出了一致观点，主要是两种因素都对基体材料有损坏作用，因而造成了粘结性能的削弱。但比起钢筋锈蚀和钢筋环氧涂层防锈处理对钢筋与混凝土粘结力造成的减退[34]，FRP筋粘结性能在腐蚀条件下保持良好。
2.3 其它
从以上对FRP筋以及对FRP筋同混凝土粘结性的耐久性能测试来看，CFRP筋是种非常优秀的材料，几乎不受任何环境的侵蚀。GFRP筋会受到一定程度上的碱性溶液和温度的影响，但是因受到侵蚀影响产生的性能退化相对于钢筋对自然环境侵蚀的微弱抵抗力[35][36]以及因此而导致混凝土结构寿命缩短而言是微不足道的。并且，GFRP在碱性和温度作用下性能的退化程度主要取决于基体材料对碱性溶液的抵抗能力和对温度的敏感性，因而通过改进基体材料化学成份便能很容易的提高GFRP筋对碱性环境和高温环境的抵抗能力，提高GFRP筋混凝土结构的耐久性。对于FRP筋结构在火灾中的生存能力，2005年英国曼彻斯特大学的Y.C. Wang a，P.M.H. Wong和美国密歇根州大学的V. Kodur[37]；英国伦敦大学的A. Abbasi，P.J. Hogg[38]针对FRP筋、FRP筋混凝土梁做了高温耐火性能专项测试。文献[37]的实验结果表明，FRP筋在温度到达临界温度（350℃）之前，筋体的机械性能几乎保持不变，当温度升高到临界温度后，筋体的机械性能随温度升高呈线性衰退，但是某些筋体仍能保持较高的强度和弹性模量；文献[38]的实验结果表明，FRP筋混凝土梁在火中的承载能力保持时间最高可以达到128分钟，最低94分钟，均在安全要求的90分钟以上。
3 结语
经过国内外学者多年的研究，用FRP筋材料代替钢筋来解决钢筋锈蚀致使结构寿命缩短的方法，从技术方面讲是可行的；从经济学的角度来看，FRP筋的较高价格以及专用配套设施所造成的工程造价问题似乎成了其大规模使用的阻碍因素。但是FRP筋的比重只有钢筋的1/7，强度却可以达到钢筋的4倍，要达到同等尺寸钢筋所提供的强度，只需要1/28同等重量的FRP筋即可，进一步考虑到FRP结构，不仅仅局限于FRP筋结构，在使用期限内维护费用的节省和提高结构寿命所带来的收益，建设FRP材料结构的费用远远低于同类钢筋混凝土结构。另外，考虑到钢筋是非可再生资源性材料，其未来价格趋势的竞争力远远小于作为人工合成材料的FRP筋。尽管FRP筋中GFRP筋在耐碱和耐高温性能还较欠缺，但通过加强基体材料的性能可大力改善，FRP筋在以后的工程中必将得以更加广泛的应用。
