玄武岩-碳混杂 FRP 筋在海洋环境中的时变性能研究与应用

摘要
随着海洋工程的发展，混凝土结构在海水海砂环境中长期服役，面临严峻的耐久性挑战。传统的玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）筋虽然具备较好的耐腐蚀性，但在高温及海水环境下仍存在吸湿性高、拉伸性能下降的问题。本文通过拉伸试验、吸湿性测试及微观分析，系统研究了玄武岩-碳混杂 FRP（HFRP）筋在模拟海水海砂混凝土环境中的时变性能及影响机制，探讨了碳纤维体积分数对耐腐蚀性和力学性能的优化作用，并分析了混杂界面对筋材失效模式的影响，为海洋环境混凝土结构设计提供技术参考。

1. 引言

海洋环境对混凝土结构的侵蚀主要来源于海水中氯离子和高湿高盐环境，这对钢筋及非金属纤维增强筋材的耐久性提出了更高要求。近年来，FRP（Fiber Reinforced Polymer，纤维增强聚合物）筋由于其高强度、耐腐蚀和轻量化优势，被广泛应用于桥梁、码头及沿海建筑中。然而，单一纤维材料仍存在局限性，例如 BFRP 筋在高温和碱性环境下易吸水，导致力学性能下降。

混杂 FRP 筋，即将碳纤维（CFRP）和玄武岩纤维（BFRP）复合，可以有效改善材料的吸湿性、耐腐蚀性和抗拉性能。本研究旨在通过系统实验与微观分析，揭示 HFRP 筋在海水海砂混凝土环境中的时变性能规律。

2. 实验材料与方法

2.1 HFRP 筋制备

HFRP 筋采用 BFRP 作为主纤维，碳纤维以不同体积分数（φ(CF)）混杂，制备不同类型样品，体积分数包括 0%、10%、25% 等。纤维通过环氧树脂基体结合，确保力学性能和耐久性。

2.2 环境模拟

实验采用 3.5% NaCl 水溶液模拟海水，温度控制在 25℃、40℃、55℃，并设置不同浸泡周期（30d、60d、90d），以考察高温及碱性环境对 HFRP 筋时变性能的影响。

2.3 测试方法

1. 拉伸性能测试：使用电子万能试验机进行单向拉伸试验，测量极限拉力、断裂伸长率及抗拉强度保持率。

2. 吸湿性测试：测定不同体积分数 HFRP 筋在不同环境下的吸水率，分析碳纤维含量对吸湿性的影响。

3. 微观分析：通过扫描电子显微镜（SEM）观察纤维-基体界面变化及裂纹扩展情况，揭示失效模式。

3. 结果与分析

3.1 拉伸性能随时间的变化

实验结果显示：

• 随着浸泡时间增加，所有样品抗拉强度均有所下降，但 HFRP 筋降幅明显低于单一 BFRP 筋。

• 碳纤维体积分数 φ(CF) 提高，抗拉强度保持率增加。例如，当 φ(CF)=25% 时，HFRP 筋在 55℃孔溶液中浸泡 90d 后，抗拉强度保持率超过 43%，显著高于 BFRP 筋。

分析：碳纤维具有优异的力学性能和耐腐蚀性，降低了整体吸湿性，从而减缓环境诱导的劣化。

3.2 吸湿性影响

吸湿性实验表明：

• 单一 BFRP 筋吸水率高，水分渗入纤维基体界面，导致微裂纹生成。

• HFRP 筋吸水率随 φ(CF) 增加显著降低，说明碳纤维混杂可以有效阻碍水分扩散。

3.3 微观界面分析

通过 SEM 观察：

• 纤维-基体界面是 HFRP 筋的薄弱环节。

• 随着碳纤维比例提高，界面结合性增强，裂纹扩展受到抑制。

• 混杂界面在高温高碱条件下仍可能出现局部失效，但整体性能保持良好。

3.4 失效模式

HFRP 筋失效模式不仅受 φ(CF) 的影响，还与两种纤维混杂界面相关：

• 低 φ(CF)：断裂多发生在 BFRP 主体纤维，界面脱粘严重。

• 高 φ(CF)：碳纤维承载比例增加，断裂沿纤维拉断为主，整体力学性能提高。

4. 表格示例（拉伸性能保持率）

5. 应用与设计意义

5.1 海洋混凝土结构应用

HFRP 筋在海水海砂混凝土中可显著提高耐久性，适用于：

• 海上风电平台基础

• 港口码头结构

• 沿海桥梁及防波堤

5.2 设计优化建议

• 碳纤维体积分数应根据使用环境温度和盐浓度选择，通常 φ(CF)=25% 可在高温高盐环境中保持较好性能。

• 注意纤维混杂界面的处理，提升界面结合力，可进一步提高筋材寿命。

• 高温或长期服役情况下，应定期检测吸湿性和抗拉强度，防止界面劣化导致结构失效。

6. 结论

1. 碳纤维混杂显著降低了 HFRP 筋的吸湿性，提高耐腐蚀性和抗拉性能。

2. 温度和碱性环境对拉伸性能有显著影响，增加 φ(CF) 可有效缓解劣化。

3. HFRP 筋失效模式受碳纤维比例和混杂界面影响，优化界面设计可提升整体性能。

4. HFRP 筋适合海洋环境混凝土结构应用，为设计与工程提供可靠材料基础。