海洋环境下玄武岩纤维布增强混凝土桥墩的耐久性试验研究.pdf

桥梁建设2 0 1 4年第 4 4卷第 1 期 ( 总第 2 2 4 期 ) Br i d g e Co n s t r u c t i o n，Vo 1 4 4 ，No 1 ，2 0 1 4( To t a l l y No 2 2 4 ) 7 5 文 章编 号 ： 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 0 7 5 一O 6 海洋环境下玄武岩纤维布增强混凝土 桥墩 的耐久性试验研究 郭范波 ， 徐 岳 ， 金 辉 ， 姜风 华 ( 1 长 安大 学公路 学 院 ， 陕西 西安 7 1 0 0 6 4 ； 2 台州 学院建 筑工程 学 院 ， 浙江 台州 3 1 8 0 0 0 ) 摘 要：为研究海洋环境下玄武岩纤维布对混凝土桥墩耐久性 的影响， 用混凝土 圆柱试件模 拟桥 墩 ， 对其进 行抗 压试 验 。制作 未 包裹 、 3条 带玄武 岩 纤维布 包裹 的和全 包裹 的 3种 圆柱 体 混凝 土试件， 将试件和玄武岩纤维浸泡在 5倍浓度海水 中， 每隔 4 5 d对试件进行抗压试验 ， 并观察玄武 岩纤维的表 面形态。试验结果表明 ： 相 同腐蚀时间下， 玄武岩纤维布包裹的试件的抗压强度 比未包 裹的大， 且玄武岩纤维布全包裹的试件的防腐蚀性能优 于 3条带包裹的试件 ； 在腐蚀初期 ， 玄武岩 纤维布包裹的试件的抗压强度降低率较小， 随着腐蚀 时间的增长， 抗压强度降低率显著增 大； 玄武 岩 纤 维布 包裹 的试件 呈脆 性破 坏 ； 玄 武岩 纤 维在 浸 泡约 9 0 d出现 腐 蚀 ； 包裹 玄 武岩 纤 维布 能有 效 提 高混凝 土的 耐久性 能 。 关 键词 ： 桥 墩 ； 海 洋环境 ； 混凝 土 ； 玄 武岩 纤维 布 ； 加 固； 抗 压 强度 ； 耐久性 中图分 类 号 ： U4 4 3 2 2 ； U4 4 5 5 7 文 献标 志码 ： A Te s t S t u d y o f Du r a b i l i t y o f Co n c r e t e Pi e r S t r e ng t h e n wi t h BFRP S h e e t s i n M a r i n e En v i r o n m e nt GUO Fan b o ，XU Y ue ，dI N Hui ，JI ANG Fe n g h u a。 (1 Sc h o ol of H i g hwa y，Ch a ng an Uni ve r s i t y，Xi a n 7 1 006 4，Ch i n a；2 S e ho o1 of Ci v i l En g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ，Ta i z h o u Un i v e r s i t y，Ta i z h o u 3 1 8 0 0 0，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：To s t ud y t he e f f e c t o f t he ba s a l t f i be r r e i nf o r c e d po l y m e r( BFRP)s he e t s on t he du r a bi l i t y o f c on c r e t e pi e r i n m a r i ne e n vi r o n m e n t ，t he s p e c i m e ns o f c o nc r e t e c yl i nde r s we r e US e d t o s i mul a t e t h e pi e r a n d t h e c o mpr e s s i v e t e s t s f o r t he c yl i n de r s we r e m a d e 3 t y p e s o f t h e s p e c i me n s 0f t h e c o nc r e t e c yl i nde r s t h a t we r e no t wr a p pe d wi t h t he BFRP s he e t ，wr a p pe d wi t h o nl v 3 p i e c e s o f t h e BFRP s he e t s a nd f u l l y wr a pp e d wi t h t h e BFRP s h e e t we r e p r e p a r e d a nd t he s pe c i me ns a nd t he BFRP s he e t s we r e d i pp e d i n t he s e a wa t e r o f 5 t i me s c o nc e n t r a t i o n The e o m p r e s s i v e t e s t s f or t he s pe c i me ns we r e m a de e v e r y 45 d a n d t h e s u r f a c e p a t t e r s o f t he BFRP s h e e t s we r e o bs e r v e d Th e r e s ul t s of t he t e s t s s h ow t h a t i n t he s a me c or r o s i o n t i m e，t he c o mpr e s s i ve s t r e n gt h of t he s pe c i me ns wr a ppe d wi t h t he BFRP s he e t s i s gr e a t e r t h a n t ha t o f t he s pe c i me n no t wr a ppe d wi t h t h e BFRP s he e t a n d t he a nt i c or r o s i on c a pa c i t y o f t he s p e c i m e n f ul l y wr a pp e d wi t h t h e BFRP s he e t i s s up e r i o r t o t ha t o f t h e s p e c i m e n wr a pp e d wi t h 3 p i e c e s o f t he BFRP s he e t s I n t he i n i t i a 1 t i me O f c o r r o s i o n，t h e r e d u c t i o n r a t e s o f t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e s p e c i me n s wr a p p e d wi t h BFRP s h e e t s a r e l i t t l e ，h o we v e r ，wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e c o r r o s i o n t i me ，t h e r e d u c t i o n r a t e s o f t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h r e ma r k a b l y i n c r e a s e ，t h e s p e c i me n s wr a p p e d wi t h B FRP s h e e t s p r e s e n t t he b r i t t l e f a i l ur e a nd t he BFRP s he e t s b e c ome c or r o de d a b ou t 9 0 d a f t e r t he y ha ve b e e n di ppe d i n t he s e a wa t e r By wr a p pi ng wi t h t h e BFRP s he e t s，t h e du r a bi l i t y p e r f o r ma nc e o f t he c on c r e t e c a n 收稿 E t 期 ： 2 0 1 3 0 5 2 3 作者简介 ： 郭范波 ， 讲师 ， E - ma il ： f e i y a n 5 2 0 0 1 6 3 c o r n 。研究方向 ： 桥梁结构设计理论及 新材料 应用 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 6 桥梁建设B r i d g e C o n s t r u c t i o n b e e f f e c t i v e l y i m p r ov e d Ke y wo r d s： p i e r ； ma r i n e e n vi r o n m e n t ； c on c r e t e； s t r e n gt he n i ng；c o m p r e s s i v e s t r e ng t h；dur a b i l i t y 1 引 言 随着 桥 梁使 用 年 限 的增 长 ， 混凝 土 桥 梁 的 耐久 性问题 日益突出， 对于海洋环境下的混凝土结构 ， 其 破坏的主要原因是氯盐侵蚀和钢筋锈蚀作用等化学 腐 蚀 。为提 高海 洋 环境 下 混 凝 土 的耐 久 性 ， 需 要 降 低混凝土的渗透性 ， 措施包括提高混凝土密实性 、 防 止混凝土出现裂缝和提高钢筋保护层厚度等。但上 述 措施 主要 是针 对新建 结构 ， 对 于 已建 结构 ， 则需 要 对混凝土表面进行处理 ， 常用 的处理措施是在混凝 土表面 缠绕 耐腐蚀 性能 良好 的高 性能纤 维 。玄武 岩 纤维增强复合材料( 由玄武 岩岩石经过熔融抽丝而 成 ) 耐化学腐蚀性能较好 ， 具有高强、 适应于各种 环 境下 使用 等 优 异 性 能 ， 且 性 价 比好 。 目前 已有 的玄武岩纤维增强混凝土方面的研究主要侧重于提 高结构承载力、 改善结构 的力学性能等方面， E y t h o r T h o r h a l l s s o n。 和 R S i n g a r a v a d i v e l a n _ 4 等 研究 了玄 武岩纤维布增强混凝土圆柱体试件的抗压性能 ； 孙 衍英等 研究 了玄 武岩 纤维 布加 固钢筋 混凝 土 梁 的 受力性能； 李志强等 进行 了玄武岩纤维布加 固钢 筋 混 凝 土梁 的抗剪 承 载 力试 验 ； 刘 永 胜等 研 究 了 圆柱形 玄武 岩纤 维 增 强混 凝 土 试 件 的力 学 性 能 ； 齐 建林 。 研究了玄武岩纤维布约束混凝土圆柱的轴心 抗压性能 。在玄武 岩纤维增强混凝 土耐腐蚀性方 面 ， 刘 华 挺 等 研 究 了短切 玄 武 岩纤 维 混 凝 土构 件 的抗氯盐侵蚀性能； 胡海涛等 叩研究了紫外线对玄 武岩纤 维 布加 固钢筋 混凝 土 柱性 能 的 影 响 ； 郭 旗 研究 了玄武岩纤维布增强混凝土试件在冻融一盐溶 条件下 的耐久性问题 ； 杨勇新等 进行 了玄武岩纤 维加 固混 凝 土 梁 在 自然 环 境 和 盐 雾 环 境 下 的老 化 试验 。 从 已有的研究可 以看 出， 专 门针对海洋环境下 玄武 岩材 料增强 混凝 土耐 久性 的研究 很少 。桥 梁结 构中的桥墩一般处于气、 液体的复杂环境中， 尤其处 于海水中时其耐久性问题更 为突 出， 因此有必要进 行海洋环境下玄武岩纤维布增强混凝土桥墩的耐久 性研 究 。本文 将玄 武岩纤 维 布作 为混凝 土桥 墩 防护 体系的组成部分， 为模拟海洋环境下的桥墩 ， 制作未 包裹 的和玄武岩纤维布包裹的混凝土 圆柱试件， 将 其 浸泡 在 5 倍 浓 度海 水 中 ， 按 规 定 时 问对 试 件 进 行 抗压试验， 研究玄武岩纤维布增强混凝土桥墩 的防 腐蚀性能和强度性能。 2试 验概 况 根据我 国东海 的平 均 海 水 成 分 ( 平 均 盐 度 约 为 3 5 0 o ) ， 配置 5 倍浓度 的试验用人工海水 。 试验 用 玄 武 岩 纤 维 布 的 抗 拉 强 度 标 准 值 为 3 0 0 0 3 5 0 0 MP a ， 弹性模 量 为 9 O 1 1 0 G P a ， 破 坏 伸长率 为 3 2 ； 粘结胶 的受拉 弹性模 量为 3 2 7 4 MP a ， 抗 拉 强 度 为 4 8 9 MP a ， 抗 压 强 度 为 9 0 6 MP a ， 抗弯强度为 5 8 3 MP a ， 伸长率为 1 7 。 采用 C 3 0混凝 土制 作 直径 1 0 0 mm、 高 2 0 0 mm 的 圆柱试件 ， 共 3 6个 试件 。试 件成 型 2 4 h后 拆模 ， 标 准养 护 2 8 d后 ， 置 于通 风 干燥 处 3 0 d ， 然后 将 1 2 个 试 件用 3条带 玄武 岩纤 维 布环 向包 裹 ( 1层 ， 3 4 2 0 mm4 0 mm， 编号为 B H一 1 ) ， 将另 l 2个试件用 玄武 岩纤维 布 环 向全包 裹 ( 1层 ， 1 4 2 0 mm2 0 0 mm， 编号为 B H一 2 ) ， 剩余 1 2个试 件未包裹 玄武岩 纤 维 布 ( 编 号 为 H一 1 ) 。H一 1试 件 的 两 端 和 B H l 、 B H一 2 试 件 中未包 裹玄 武 岩 纤 维 布 的部 位 预 先 采 用 防腐涂料进行处理。将处理后的试件静置于通风干 燥 处 ， 5 d后放入 人工 海 水 中 ， 进 行 浸 泡 腐 蚀 。每 隔 4 5 d从每种试件 中任意取出 3个试件， 用清水将试 件表 面洗 净 ， 置 于通 风处 ， 试件 干燥 后进 行抗 压强 度 试 验 。抗压 强 度 试 验 采 用 2 0 0 t液 压 式 压 力 试 验 机， 加载过程依据 普通混凝土力学性能试验方法标 准 ( G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ) 进行 。 3试 验 结果及 分析 3 1抗压 强度 抗压 强度 试 验 结 果 见 表 1 。分 析 表 1结 果 可 知 ， 在 未浸 泡 腐 蚀 前 ， B H一 1和 B H一 2试 件 的抗 压 强 度分 别是 H 1的 l 1 5 和 1 3 6 ； 经 过 1 3 5 d的腐 蚀 后 ， BH 1和 B H一 2试件 的抗 压强度分 别是 H l的 1 2 6 和 1 4 9 9 6 。分析表 明， 相同腐 蚀时 间下 ， 与未 采用玄武岩纤维布包裹 的混凝土试件相 比， 经过玄 武岩纤 维 布 包裹 的混凝 土试 件 的抗 压 强 度提 高 显 著 。 3 1 1 腐蚀时间的影响 为了便于分析 比较 ， 考察腐蚀时间对抗压强度 的影响 ， 引用文献 1 3 、 1 4 中的混凝土耐蚀 系数 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 海洋环境下 玄武岩纤维布增强混凝 土桥墩 的耐久性试 验研究 郭范波 ， 徐岳 ， 金辉 ， 姜风华 7 7 表 1 抗压 强度试 验结果 Ta b 1 Re s u l t s o f Co mpr e s s i v e St r e n gt h Te s t s K 和抗压强度降低率 刁 ， 计算公式为 ： K 一 ( 1 一 务 ) l O 0 式中， 为腐蚀 t天后试件 的抗 压强度 ， t 为腐蚀时 间， 分别为 0 ， 4 5 ， 9 0 ， 1 3 5 d ； f o 为未浸泡腐蚀 时试件 的抗 压强 度 。 试件耐蚀系数和抗压强度降低率见表 2 。从 表 2可以看出： 随着腐蚀时间的增加， 3种试件的耐蚀 系数减小 ， 抗压强度降低率增大 ； 相 同腐蚀时间下 ， 与未包裹的试件相 比， 玄武岩纤维布包裹的试件的 耐蚀系数明显较大 ， 抗压 强度 降低率明显较小。主 要原 因为玄武岩纤维布包裹试件后 ， 纤维布能减小 有害介质的运输通道， 粘结胶体除了粘接作用还起 到隔绝作用 ， 而纤维布本身具有优异 的耐腐蚀和力 学性能 ， 能增强结构强度并对粘结胶提供一定的保 护作用 ， 阻碍 了腐蚀的发生与发展 ， 使混凝土强度降 低较小 ， 从而提高了结构的耐久性和承载能力 。 表 2试件耐蚀系数和抗压强度 降低率 Ta b 2 Ant i - Co r r o s i o n Co e f f i c i e n t s an d Re du c t i on Ra t e s o f Co mpr e s s i v e S t r e n g t h o f Sp e c i me n s 试件 类型 H一 1 BH一 1 BH一 2 耐蚀系数 抗 压强度 降低率 K n 1 O O 1 O 0 1 O O 叩 l 3 5 1 3 2 O 5 4 9 4 5 2 3 1 2 加 固处 理方 式 的影 响 不同加固处理方式对试件抗压强度降低率的影 响见图 1 。由图 1可以看 出， 随着腐蚀 时间的增长 ， 3种试件的抗压强度降低率增大； 相 同腐蚀时问下 ， BH一 2 试件的强度降低率低于 B H一 1试件的， 但两者 的强度降低率远远低 于 H- 1 试件 的， 这反映 了玄武 岩纤维布具有 良好的耐海水腐蚀性能 。 对于 H一 1试件 ， 其变化趋 势近似直线 ， 这是 由 于 混 凝 土 表 面 没 有 任 何 防 护 ， 海 水 中 的 Na 、 Mg 抖 、 C 1 一、 S O ； 一等离子从试件浸入海水时就开始 渗入混凝土 内部 ， 并与其发生化学反应 ， 如碱集料反 腐蚀时间 d 图 1 不 同加 固处理方式对试件抗压强 度降低 率的影 响 Fi g 1 Ef f e c t o f Di f f e r e nt S t r e ng t h e ni ng W a y s o n Re d uc t i o n Ra t e s of Co mpr e s s i v e St r e n g t h o f S pe c i me n s 应等。随着腐蚀的进一 步进行 ， 混凝土 内部的毛细 孔隙不断被难溶性物质填充， 直至被充满 ， 从而导致 混凝土内部产生内应力， 随着内应力的增大， 孔结构 遭到破坏， 混凝土内部开始出现微裂缝 ， 微裂缝不断 发展 ， 从而导致混凝土的强度不断下降口 。 对于玄武岩纤维布包裹的混凝土试件， 在腐蚀 时间为 0 4 5 d时， B H一 1和 B H一 2试件的抗压强度 降低率基本相同， 抗压强度下降程度较低 ， 这是 由于 粘结胶和玄武岩纤维布屏蔽了绝大部分的侵蚀性介 质 ； 在腐蚀时间为 4 5 9 0 d时， 抗压强度下降程 度 增大 ， 主要是 由于粘结胶随着海水腐蚀时间的增 长 而逐步失效 ； 在腐蚀时间为 9 0 1 3 5 d时， 虽然粘结 胶和玄武岩纤维布被进一步腐蚀 ， 但 B H一 1 和 BH一 2 试件的抗压强度下降程度有所缓和， 原 因是 由于海 水中的各种离子开始浸入混凝土表面或是内部 ， 但 由于渗入量小 ， 将混凝土 内部 毛细空 隙填满需要一 个较长的时 间。相 同腐蚀 时间下， B H- 2试件 的抗 压强度降低率低于 B H- 1试件的， 这是因为全包裹 玄武岩纤维布的加固面积大于条带包裹的面积 。总 体来看 ， 玄武岩纤维布包裹的混凝土抗压强度 降低 率较 小 。 在实际工程 中， 需要针对桥墩的实际使用环境 和使用条件 ， 对加 固方式进行调整 ， 以达到更好 的加 固效果 。 3 1 3 与碳 纤维 加 固试件 的结 果 的对 比 与文献 1 4 中的碳纤维加 固的试件结果相 比， 本试验试件 4 5 d的抗压强度降低率( 条带包裹的为 0 9 6 、 全包裹的为 0 9 2 ) 与 C 4 0碳纤维布试件 6 0 d 的( 条带包裹的为 1 6 9 、 全包裹 的为 0 8 7 ) 相 比， 条 带包裹 的相差较大 ， 全包裹的大致相同； 本试验试件 1 3 5 d的抗压强度降低率( 条带包裹 的为5 4 9 、 全包 M 挖 加 8 6 4 2 一 一9 4 3 8 6 2 一 一 O O O 一 侣 一 眠 一 3 2 8 蛐一 4 9 6 K 一 帖 1 O O K 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m