任何環(huán)境都有一定的腐蝕性，腐蝕會導(dǎo)致自然資源的損耗，社會財富的浪費，甚至危及人類生命安全。根據(jù)美國國會委托美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的調(diào)查結(jié)果，1975年美國腐蝕和防腐蝕費用為700億美元[1]。國外調(diào)查結(jié)果估計，在有色金屬、化工、造紙等部門，由于環(huán)境中侵蝕介質(zhì)引起的破損占工業(yè)建筑固定資產(chǎn)值的10％以上[2]。國內(nèi)有關(guān)調(diào)查表明，20~70％的構(gòu)筑物受到腐蝕侵害，經(jīng)濟(jì)損失占國民收入的1．25％，我國每年因腐蝕造成經(jīng)濟(jì)損失至少達(dá)200億元[3]。由此可以看出腐蝕引起耐久性問題的嚴(yán)重性。
新建土木工程，尤其是混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，在近幾年已經(jīng)引起了人們的高度重視[4]。另一方面， 改造和加固工程在建筑業(yè)中的地位越來越重要。上個世紀(jì)末興起的外貼FRP加固方法，由于材料本身線膨脹系數(shù)與混凝土接近、輕質(zhì)高強(qiáng)、施工方便、對原結(jié)構(gòu)影響小和造價較低等諸多優(yōu)點，大有逐步取代傳統(tǒng)的加大截面法、外包鋼套法以及粘剛法等的趨勢。但是，在采用這種新穎的加固方法的同時，必須注意這種加固方法本身也存在耐久性問題。值得指出，在復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題中主要包括復(fù)合材料基體(樹脂)、復(fù)合材料增強(qiáng)纖維(如玻璃纖維和碳纖維)以及混凝土基層的耐久性。本文將嘗試對復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性展開分析，并首先就復(fù)合材料自身的耐久性問題進(jìn)行模酸堿腐蝕的耐久性試驗研究。
2 復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題
2．1 腐蝕介質(zhì)
考慮到復(fù)合材料加固混凝土工程所處環(huán)境的不同和復(fù)合材料本身的特點，一般要考慮在潮濕(水)、
海水(鹽水)、酸堿、高溫、紫外線以及凍融循環(huán)等環(huán)境下的物理性能和力學(xué)性能的變化。曹雙寅[4]建議的結(jié)構(gòu)腐蝕大體分類見表1

表1 結(jié)構(gòu)腐蝕分類
結(jié)構(gòu)環(huán)境 腐蝕方式
惡劣氣候 凍融剝蝕和干濕效應(yīng)
海洋環(huán)境 海浪沖擊、流水融蝕、化學(xué)腐蝕
地下結(jié)構(gòu) 微生物的侵化剝蝕
混凝土本身的堿性 骨料作用、大氣碳化作用

方坦納和格林[1]提出如圖1所示的腐蝕模型，A為全溶于水的酸液，B為受腐物形成表面保護(hù)模浸析模型。從表1中可以看出，介質(zhì)濃度過高，由于電離程度減小，腐蝕率反而下降。Uhlig[5]介紹了如圖2所示的不同介質(zhì)腐蝕率與時間的關(guān)系曲線，介質(zhì)由下至上依次是：1—PH值為4的酸，2—PH值為7的水，3—PH值為2的酸，4—PH值為1的酸，5—5％硫酸，6—3％硫酸。從圖2中可以看出。不同的介質(zhì)在經(jīng)歷相同的時間后，腐蝕程度是不同的。相比較而言，3％硫酸介質(zhì)的腐蝕速率最大。



圖1 腐蝕率—介質(zhì)濃度模型

圖2 不同介質(zhì)腐蝕率—時間關(guān)系
2．2 耐久性問題
目前應(yīng)用于加固混凝土結(jié)構(gòu)的纖維主要有玻璃纖維，碳纖維和復(fù)合纖維等。玻璃纖維主要包括E玻璃纖維(電絕緣性)、C玻璃纖維(耐化學(xué)腐蝕性)、S或N玻璃纖維(高強(qiáng)度)、M玻璃纖維(高模量)和AR玻璃纖維(耐堿玻璃)。雖然這些纖維能夠在表面形成SiO2保護(hù)膜，但仍普遍溶解于熱酸液和HF中，故仍存在耐久性問題[8]。而粘結(jié)性樹脂是上個世紀(jì)50年代研制成功的，目前主要品種有環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂(UP)、酚醛樹脂、聚氨酯樹脂及其它熱固性和熱塑性樹脂。有機(jī)高分子化合物結(jié)合鍵的不穩(wěn)定性使得它在不同環(huán)境條件下的老化和劣化成為必然。艾紅軍和趙永康[6]的研究表明，結(jié)構(gòu)性樹脂在4~60℃情況下，性能比較穩(wěn)定，通過適當(dāng)填加無機(jī)填料可以改善其耐久性能。蔡光汀和陳君球[7]通過試驗證明，在飽和Ca(OH)2溶液中浸泡2年，結(jié)構(gòu)樹脂的抗壓強(qiáng)度下降了36.5％；在水中浸泡2.5年，樹脂的抗壓強(qiáng)度下降了37.4％；通過紅外線譜測試方法，發(fā)現(xiàn)膠體中的環(huán)氧鍵、C—H鍵和酰胺鍵都比較穩(wěn)定；而C—H、C—O鍵區(qū)的變化很大，官能團(tuán)中的C—H、C—O鍵區(qū)也有變化。在骨架中，C—H健斷裂主要影響結(jié)構(gòu)膠與基體粘結(jié)
H H H
C—O—H或 —C—C—C一
H H H

界面的粘結(jié)力；C—O鍵斷裂則使大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分子變小，樹脂強(qiáng)度降低。由以上分析可以看出，復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題是由復(fù)合材料自身的特點和性質(zhì)決定的，必須引起重視。
李永德和朱明[2]通過凍融循環(huán)、濕熱老化及水浸老化的試驗研究，對比了有、無摻加增韌劑對基體材料耐久性的影響，發(fā)現(xiàn)這三種老化方式對樹脂的拉伸強(qiáng)度影響很小，特別是在經(jīng)歷了凍融循環(huán)后，拉伸強(qiáng)度反而提高了。這主要是因為高溫能夠進(jìn)一步促進(jìn)固化反應(yīng)的進(jìn)行，提高了固化物的拉伸強(qiáng)度和模量。從剪切強(qiáng)度老化性能來看，摻加增韌劑后的膠體經(jīng)過老化后剪切強(qiáng)度的確有所降低，其中濕熱老化和水浸老化的剪切強(qiáng)度均大致降低20％左右。不過從強(qiáng)度的絕對值上看，老化后的固化物剪切強(qiáng)度還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未加增韌劑的固化物。
國外在復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面研究地較早。Kajorncheappunngam[9]等人研究了在四種不同腐蝕介質(zhì)(純水，30g／l00ml的NaCl溶液，5mol的NaOH溶液，Imol的鹽酸)作用下，在室溫及60℃存放一定時期后玻璃纖維增強(qiáng)樹脂的耐久性。研究表明在高溫和酸堿性介質(zhì)作用下，樹脂基體和復(fù)合材料的力學(xué)性能有很大衰減(室溫下鹽酸介質(zhì)和60℃時NaOH介質(zhì)，強(qiáng)度降低70％)，純水情況下衰減幅度較小。Sen[10]等人將12根用芳綸纖維復(fù)合材料加固的混凝土梁放入兩個海水箱中存放33個月，觀察裂縫發(fā)展及力學(xué)指標(biāo)的變化，結(jié)果表明。21個月后試件喪失了43-52％的承載力，海水的影響比溫度更大。
Steckel等人[11]通過對3種E玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料系統(tǒng)和4種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料系統(tǒng)在100％濕度、鹽水、堿溶液、柴油、紫外線、高溫(60-140℃)以及凍融循環(huán)的試驗研究，得出了如下主要結(jié)論：大多數(shù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在經(jīng)過10000h的試驗后，耐久性能良好。但是其中有一組碳纖維復(fù)合材料在耐潮濕性能試驗中，加固短梁的抗剪承載能力降低50％以上，而且玻璃化溫度隨著濕氣的吸收亦有明顯降低。玻璃化溫度的降低會導(dǎo)致復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度在50%時就大幅度地降低。E玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料系統(tǒng)暴露于潮濕環(huán)境時，更容易導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度和極限應(yīng)變的衰減。對大多數(shù)此類復(fù)合材料和環(huán)境而言，在經(jīng)歷10000h后，這種衰減會小于20％。同時也發(fā)現(xiàn)有一組E玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合系統(tǒng)在100％濕度和38℃溫度環(huán)境中，10000h后的抗拉強(qiáng)度損失達(dá)35％。但在鹽水和PH=9.5的堿性溶液中，E玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料系統(tǒng)的耐久性能無明顯降低?？上驳氖?，無論是碳纖維還是玻璃纖維增強(qiáng)系統(tǒng)在經(jīng)過耐久性試驗后，彈性模量沒有明顯地降低。
2．3 解決途徑
2．3．1 材料方面
合理提高復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，首要的工作是如何提高復(fù)合材料自身的耐久性。在研究耐環(huán)境腐蝕的纖維和結(jié)構(gòu)樹脂，如耐堿纖維、改性樹脂等方面展開工作。由于基體與纖維的粘結(jié)性能取決于下列因素：①基體分子在纖維外表面的吸附；②基體官能團(tuán)與纖維活性點及纖維官能團(tuán)之間化學(xué)鍵的形成；③機(jī)械嵌入(即基體滲入纖維表面的坑或裂縫)。因此在制備復(fù)合材料時，纖維與基體間的粘結(jié)性能可以在浸漬工序之前，采用適當(dāng)?shù)睦w維表面處理而得到改善。處理可以采用氧化(如在空氣中的高溫氧化(HTO)，用原子氧進(jìn)行低溫氧化(IJO)，在高錳酸鉀、硝酸、雙氧水等的水溶液中氧化以及陽極氧化)，也可采用非氧化(如抽絲和熱解沉淀)法處理。纖維表面處理能提高復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度。另外，可以采用適當(dāng)摻加增韌劑(比如HT—T220增韌劑)來提高基體樹脂的耐久性。
2．3．2 結(jié)構(gòu)方面
一方面，應(yīng)在大量加速試驗的基礎(chǔ)上，獲取合理的力學(xué)性能折減設(shè)計參數(shù)；另一方面，在結(jié)構(gòu)加固設(shè)計時，要有綜合的設(shè)計概念，既要對需加固部位進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)，也要充分顧及材料強(qiáng)度劣化和失效后的結(jié)構(gòu)變形或破壞特點。相對混凝土而言，復(fù)合材料具有一定的腐蝕環(huán)境敏感性，結(jié)構(gòu)設(shè)計要因環(huán)境不同而有所差異。
2．3．3 施工方面
施工的合理順序和施工質(zhì)量將是實現(xiàn)復(fù)合材料加固記凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要保障。如基層混凝土要去脂和去除疏松層；有裂縫處必須適當(dāng)鑿去裂縫周圍混凝土，用環(huán)氧膠填補(bǔ)；有垂直轉(zhuǎn)角處必須做成大于20mm的圓角；底膠要飽滿；固化前要進(jìn)行檢查，有空鼓處需灌膠補(bǔ)滿；纖維布條一般搭接長度不小于150mm。復(fù)合纖維在施工過程中要注意保護(hù)，尤其是碳纖維，不能有刻痕和其他損傷；樹脂的級配要嚴(yán)格，操作時間要恰當(dāng)。施工后的良好養(yǎng)護(hù)也是影響復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要環(huán)節(jié)。另外，復(fù)合材料外要做耐久性覆蓋層，包括防水、防腐蝕和防火覆蓋層等。
2．3．4 維修管理方面
如同新建混凝土結(jié)構(gòu)一樣，復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)耐久性也與維修管理密切相關(guān)。定期的維修，如油漆、粉刷、覆蓋層裂縫封閉、防火涂料等可以有效地延長加固壽命。定期的檢測是必要的，可采用激振器[8]來判斷粘結(jié)的缺陷情況，測試裝裝置示意如圖3所示。

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文章來源： 永年加固公司
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