在恶劣环境中，钢筋受到侵蚀容易导致建筑结构的耐久性下降，造成经济损失[1]。为了有效解决钢筋侵蚀问题，研究人员不断生产高性能钢筋，同时研发新型材料。相对普通钢筋，玻璃纤维增强塑料(GFRP)筋在恶劣环境下具有更好的耐侵蚀性，从而提高混凝土的耐久性[2]。GFRP筋因成本优势而应用广泛，目前，国内外关于GFRP筋在侵蚀环境中的加速老化，主要研究在侵蚀前后其力学性能的劣化规律。研究表明：温度、侵蚀周期、溶液类型对GFRP筋的力学性能产生重要影响[3-5]。朱德举等[6]对不同温度处理的GFRP筋进行试验。结果表明：随着温度的升高，GFRP筋的拉伸强度及剪切强度先上升后下降，通过热重分析解释了退化机理。Lu等[7]研究表明：GFRP筋在水和碱性溶液中的抗拉强度较玄武岩纤维增强塑料(BFRP)筋和碳纤维增强塑料(CFRP)筋衰退明显。宣广宇等[8]研究不同环境对GFRP筋拉伸性能的影响。结果表明：GFRP筋在碱溶液中退化最明显，强度退化的主要原因是纤维与树脂基体黏结性能降低。Fergani等[9]研究了GFRP筋在潮湿混凝土、碱性溶液和自来水中，承受不同水平持续荷载时的拉伸性能。结果表明：较高的温度和持续应力加速了强度的退化。目前，国内外大部分研究均采用人工配置的碱溶液模拟混凝土孔隙溶液环境，或者在盐溶液以及酸性环境下进行加速老化试验，研究GFRP筋的力学性能及耐久性[10]。大部分研究者仅选取单一侵蚀环境因素，结合浸泡时间、浓度和温度开展对比分析。已有研究侧重分析GFRP筋在单一侵蚀环境下的拉伸性能，而针对其受压性能的研究相对较少[11]。本实验选取滇池入湖河流之一柴河入湖口处的水环境，该水环境成分复杂多样，通过试验模拟不同浓度、浸泡周期下GFRP筋的力学性能。在试验研究的基础上，开展柴河水环境下自然侵蚀与加速侵蚀的相关性及加速性分析，为GFRP筋在土木工程尤其在复杂离子混合侵蚀环境下的推广应用，提供一定的试验基础。1实验部分1.1主要原料无碱玻璃纤维增强塑料筋（GFRP筋），直径12 mm，基体材料为乙烯基树脂，河北森仁复合材料公司。自然浓度每升柴河水中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、NO3-、SO42-、HCO3-含量均值分别为2.5、5.4、38.8、13.0、18.63、19.86、16.91、199.86 mg，pH值为6.54~7.44[12]。1.2仪器与设备微机控制电液伺服万能试验机，HUT206A，深圳万测；扫描电子显微镜(SEM)，Nova Nano SEM 450，FEI公司。1.3样品制备加速实验环境选用多重化学离子配置的浓度为5倍、10倍、20倍模拟自然浓度加速侵蚀溶液，浸泡周期为30、60、90、180 d。根据已知文献[13]，模拟自然溶液1 L水中NaCl、NaNO3、Na2SO4、KNO3、KHCO3的含量分别为99.1、73.9、87.0、8.4、546.5 mg。将GFRP筋两端用环氧树脂密封防止端头侵蚀，置于不同浓度溶液中浸泡不同周期进行试验。1.4性能测试与表征抗拉强度测试：拉伸试验根据规范ACI440.1R-06进行，拉伸试件制作时端头套有内径15 mm的镀锌钢管，钢管与筋材间隙内填充碳纤维浸渍胶，锚固端长度为120 mm，试件测试长度400 mm，加载速率5 mm/min，并使用标距50 mm的电子引伸计测量GFRP筋的变形，研究弹性模量变化规律。抗压强度测试：压缩试验根据规范ACI440.1R-06进行，采用20 mm深的空心钢帽套在压缩试件端部，试件测试长度30 mm，加载位移2 mm/min。表1为试验主要参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.011.T001表1试件主要参数Tab.1Main parameters of specimen溶液类型测试类别时间/d试样每次测试试件个数（拉伸/压缩）参考拉伸/压缩0M0D05/3自然溶液浓度拉伸/压缩30M1D305/360M1D605/390M1D905/3180M1D1805/35倍自然溶液浓度拉伸/压缩30M5D305/360M5D605/390M5D905/3180M5D1805/310倍自然溶液浓度拉伸/压缩30M10D305/360M10D605/390M10D905/3180M10D1805/320倍自然溶液浓度拉伸/压缩30M20D305/360M20D605/390M20D905/3180M20D1805/3注：M20=20倍自然溶液浓度；D30=浸泡30 d。2结果与讨论2.1破坏现象图1为侵蚀前后GFRP筋表观形貌。从图1可以看出，将试件取出干燥后，从宏观上看，筋材表面可见小孔凹陷、点蚀现象，能够清晰看到筋材外表面残留的盐渍。试件局部出现泛白现象，主要原因是溶液中离子渗透到GFRP筋内部，并在表面黏稠附着。随着浓度升高，GFRP筋表面的点蚀现象略微明显，在20倍自然浓度下，试样表面的点蚀范围有所扩大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.011.F001图1侵蚀前后GFRP筋表观形貌Fig.1Apparent morphology of GFRP bars before and after erosion图2为试件破坏形态。拉伸荷载加载初期，试件产生脆裂的声音，随后逐渐消失。继续加载，响声再次出现，直至最大破坏荷载。随后荷载呈下降趋势，玻璃纤维不断被撕裂直至破坏。压缩试验时，当试验设备加载到试件所能承受的最大破坏荷载时，试件突然破坏并发出剧烈声响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.011.F002图2试件破坏形态Fig.2Failure mode of specimen2.2抗拉试验结果分析图3为GFRP筋抗拉强度保留率拟合曲线。从图3可以看出，在相同浓度下，随着浸泡时间的延长，GFRP筋的抗拉强度基本呈线性下降。在相同浸泡周期下，随着模拟加速浓度的提高，GFRP筋的抗拉强度保留率下降。图4为GFRP筋抗拉强损失率变化情况。从图4可以看出，自然环境中浸泡30、60、90、180 d，试件的抗拉强度损失率依次为0.2%、0.5%、1.5%、2.8%。5倍自然环境中浸泡30、60、90、180 d，试件的抗拉强度损失率依次为1.8%、2.2%，3.1%，4.2%。10倍自然浓度侵蚀环境下30、60、90、180 d下试件的抗拉强度损失率依次为2.2%、3.2%，4.3%，7.2%。20倍自然浓度侵蚀环境下30、60、90、180 d下试件的抗拉强度损失率依次为4.6%、5.9%，7.3%，9.5%。在浸泡30、60、90 d时，浓度提高到5倍与延长浸泡时间30 d对试件的抗拉强度影响基本一致。自然柴河水溶液下浸泡30 d与60 d时，试件的抗拉强度损失率相差0.3%，5倍自然溶液浓度下浸泡30 d与60 d时，试件抗拉强度损失率相差0.4%，自然柴河水溶液下浸泡60 d与90 d时，试件的抗拉强度损失率相差1.0%，5倍自然溶液浓度下浸泡60 d与90 d时，试件抗拉强度损失率相差0.9%。随着溶液浓度的提高，相比于延长浸泡时间30 d，浓度对抗拉强度的影响更大。10倍自然溶液浓度下浸泡30 d与60 d时，试件抗拉强度损失率相差1.0%；10倍自然溶液浓度下浸泡60 d与90 d时，试件抗拉强度损失率相差1.1%。20倍自然溶液浓度下浸泡30 d与60 d时，试件抗拉强度损失率相差1.3%；20倍自然溶液浓度下浸泡60 d与90 d时，试件抗拉强度损失率相差1.4%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.011.F003图3GFRP筋抗拉强度保留率拟合曲线Fig.3Fitting curves of tensile strength retention rate of GFRP bars10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.011.F004图4GFRP筋抗拉强损失率变化情况Fig.4Change of tensile strength loss rate of GFRP bars在浸泡90 d、180 d时，提高溶液浓度到5倍与浸泡时间的延长90 d作用效应基本一致，自然溶液浓度下90 d与180 d的抗拉强度损失率相差1.3%；5倍溶液浓度下90 d与180 d的抗拉强度损失率相差1.1%，随着浓度的提高，相比于延长浸泡时间90 d，浓度对抗拉强度的影响较大；10倍自然溶液浓度下90 d与180 d的抗拉强度损失率相差2.9%，20倍自然溶液浓度下90 d与180 d的抗拉强度损失率相差2.2%。由此得出，浓度对于GFRP筋拉伸强度的影响较小，整体的强度损失率在10%之内。浸泡90 d、180 d时，提高溶液浓度到5倍与浸泡时间的延长90 d作用效应基本一致，自然浓度下90 d与180 d的抗拉强度损失率相差1.3%；5倍浓度下90 d、180 d的抗拉强度损失率相差1.1%，随着浓度的提高，相比延长浸泡时间90 d，浓度对抗拉强度的影响较大；10倍自然浓度下90 d、180 d的抗拉强度损失率相差2.9%，20倍自然浓度下90 d与180 d的抗拉强度损失率相差2.2%，从图3和图4可以看出，浓度对于GFRP筋拉伸强度的影响较小，整体的强度损失率在10%之内。图5为GFRP筋弹性模量保留率变化曲线。从图5可以看出，随着浓度的增长，GFRP筋的弹性模量均呈现一定的衰减趋势[14]。自然浓度下浸泡90 d、180 d，试件弹性模量损失5.3%、2.3%。10倍浓度自然柴河水环境下浸泡90 d、180 d，试件弹性模量损失11.5%、7.5%。随着溶液浓度的提高与浸泡时间的延长，由介质引起纤维和树脂的破坏从表面的渗透区域扩散至内部。20倍浓度水环境下浸泡30、90、180 d，试件的弹性模量损失10.7%、11.3%、8.8%。溶液类型还是浸泡的时间均没有对弹性模量产生较大影响，弹性模量最大损失11.5%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.011.F005图5GFRP筋弹性模量保留率变化曲线Fig.5Curves of elastic modulus retention rate of GFRP bars单向纤维增强塑料(FRP)复合材料沿增强纤维方向的弹性模量的计算公式为：Ec=EmVm+EfVf （1）式（1）中：Ec、Em、Ef分别为FRP复合材料、树脂基体和增强纤维的弹性模量，MPa；Vm、Vf分别为复合材料内部树脂基体和增强纤维的体积分数，%。GFRP筋的弹性模量远高于乙烯基树脂。单向FRP筋的模量主要取决于纤维的模量。提高溶液浓度对玻璃纤维本身的降解不明显，因此GFRP筋的弹性模量在侵蚀后没有明显变化。2.3抗压试验结果分析图6为GFRP筋抗压强度保留率拟合曲线。从图6可以看出，随着浸泡时间的提高，抗压强度保留率呈线性下降。在相同浸泡周期下，随着模拟加速浓度的提高，抗压强度保留率也在下降。图7为GFRP筋抗压强度损失率变化情况。从图7可以看出，自然溶液浓度下浸泡30、60、90、180 d时，试件的抗压强度损失率依次为0.4%、8.8%、19.4%、38%。5倍自然浓度侵蚀环境下浸泡30、60、90、180 d时，试件的抗压强度损失率依次为11.3%%、34.5%、41.5%、48.6%。10倍自然浓度下浸泡30、60、90、180 d时，试件的抗压强度损失率依次为25.7%、44.7%、48.6%、50.2%。20倍自然浓度下浸泡30、60、90、180 d时，试件的抗压强度损失率依次为35.6%、45.1%、47.9%、53.2%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.011.F006图6GFRP筋抗压强度保留率拟合曲线Fig.6Curves of compressive strength retention rate of GFRP bars10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.011.F007图7GFRP筋抗压强度损失率变化情况Fig.7Change of compressive strength loss rate of GFRP bars在5倍自然浓度中，浸泡60 d的抗压强度损失率相比自然浸泡环境60 d内抗压强度损失率提高25.7%；而在浸泡180 d时，抗拉强度损失率相比自然浸泡环境180 d时的抗压强度损失率仅提高10.6%。在10倍自然浓度中，浸泡60 d的抗拉强度损失率相比自然浸泡环境60 d内抗压强度损失率提高35.9%；而在浸泡180 d时，抗拉强度损失率相比自然浸泡环境180 d时的抗压强度损失率仅提高12.2%。在20倍浓度溶液中，浸泡60 d的抗拉强度损失率相比自然浸泡环境60 d内抗压强度损失率提高36.3%；而在浸泡180 d时，抗拉强度损失率相比自然浸泡环境180 d时的抗压强度损失率仅提高15.2%。相同浸泡浓度下，随着浸泡时间的增加，相比自然浓度下抗压强度损失率逐渐增加。浸泡30 d下，相比自然浸泡环境，溶液浓度为5倍时抗压强度损失率提高10.9%。浸泡30 d下，相比5倍浓度浸泡环境，溶液浓度为10倍的抗压强度损失率提高14.4%。浸泡30 d下，相比10倍浓度浸泡环境，溶液浓度为20倍的试件抗压强度损失率提高9.9%。浸泡30 d时，提高溶液浓度到5倍、10倍，GFRP筋的抗压强度损失率下降较快，而当溶液浓度提高到20倍时，下降变缓，这与相同浸泡浓度下延长浸泡时间作用效应基本一致。2.4SEM分析利用扫描电镜(SEM)观察不同浓度溶液对试样表面形貌的影响，研究试样被侵蚀的机理，图8为观察结果。从图8a可以看出，纤维保持完整排列，树脂饱满未见明显的侵蚀损伤，纤维与树脂基体黏结紧密。从图8b可以看出，试样表面出现了较小的孔洞，界面出现细微裂纹。从图8c可以看出，试样表面孔洞较明显，露出单个纤维，但空隙率较低。从图8d可以看出，相比图8c样品空隙较大，部分纤维周围受到损伤，直径有所减小。从图8e可以看出，试样表面出现了较大的孔洞，侵蚀情况较严重。玻璃纤维与基体黏结性明显变差，纤维周围的聚合物基体几乎丧失了对纤维的保护和黏结作用，且纤维之间存在较多的空隙并逐渐连成一片，单独露出的玻璃纤维受到更严重的损伤。由此导致GFRP筋拉伸强度的退化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.011.F008图8GFRP筋横截面SEM照片Fig.8SEM images of GFRP bars cross section形成孔洞主要原因一方面是溶液中的自由离子状态存在于GFRP筋纤维和树脂间的孔隙中，从而在纤维与树脂交界面处产生内应力，导致在纤维树脂界面处产生微裂缝，降低结构的致密性，这与文献[15]分析一致。另一方面乙烯基树脂聚合物的酯键通常在水分子的作用下发生水解反应，引起乙烯基树脂膨胀开裂，造成树脂与纤维界面脱黏，降低GFRP筋力学性能[16]。2.5自然老化与加速侵蚀的关系评价灰色关联分析是根据不完全的信息，通过恰当的数据处理研究各因素之间的关联性，得到主要因素；再根据因素之间发展趋势的相似或相异限度衡量因素间接近的程度[17]。计算时将自然侵蚀试验结果数据序列作为参考序列x0(k)，室内加速侵蚀试验结果数据序列作为比较序列xi(k)。灰色关联系数γ(x0(k), xi(k))和灰色关联度γi计算公式分别为：γ(x0(k), xi(k))=miniminkx0(k)-xi(k)+ρmaximaxkx0(k)-xi(k)x0(k)-xi(k)+ρmaximaxkx0(k)-xi(k) （2）γi=1/n∑k=1nr(x0(k), xi(k)) （3）式（2）和式（3）中：ρ为分辨系数，当ρ=0.5时，一般认为关联度大于0.6，为满意，相关性较好。由式（2）可以得到各加速侵蚀与柴河水自然侵蚀工况下的关联系数，表2为测试结果。表3为GFRP筋加速老化工况与自然老化工况的关联度。灰色关联度γi≤1，当求出的灰色关联度越接近1时，表明两者之间的相关程度越好。从表2可以看出，5倍、10倍浓度工况下加速侵蚀环境下抗拉强度关联度较大，20倍加速侵蚀条件下抗拉强度关联度小于0.6，相关程度较差。抗压强度5倍、10倍、20倍加速侵蚀条件下关联度均大于0.6，与柴河水自然侵蚀环境下的抗压强度相关程度较好。从表3可以看出，5倍自然侵蚀浓度下与自然侵蚀环境下的关联度最大，此工况下以抗拉强度保留率、抗压强度保留率为参量计算的两者之间的关联度高达0.984、0.838。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.011.T002表2GFRP筋加速老化与自然老化工况的关联系数Tab.2Correlation coefficient between accelerated aging and natural aging conditions of GFRP bars项目浸泡周期/d浸泡溶液浓度5倍10倍20倍拉伸关联系数300.9790.7910.625600.9690.7860.541900.9860.7830.5241801.0000.6190.478抗压关联系数300.9870.6590.536600.6530.5300.526900.7110.6040.6141801.0000.9470.86210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.011.T003表3GFRP筋加速老化工况与自然老化工况的关联度Tab.3Correlation between accelerated aging condition and natural aging condition of GFRP bars项目浸泡溶液浓度5倍10倍20倍抗拉强度的关联度0.9840.7450.542抗压强度的关联度0.8380.6850.635加速转换因子ASF表示在任意老化时刻，加速老化相对自然老化的加速速率[18]。结合图4中拟合公式，得到不同强度保留率下ASF随时间t的变化规律，即ASF=f(t)。图9为浸泡液不同浓度下GFRP筋ASF拟合情况。从图9可以看出，GFRP筋在5倍、10倍、20倍浓度环境下，ASF随着加速老化时间的增大而逐渐减小，数值介于1.1~9.3。以抗拉强度保留率50%为例，结合线性回归方程得到：10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.011.F009图9浸泡液不同浓度下GFRP筋ASF拟合情况Fig.9ASF fitting conditions of GFRP bars under different concentrations of soaking solutionASF(5倍, Y)=-0.428Y-98.735+1.168 （4）式（4）中：Y为抗拉强度保留率，%。自然条件与5倍浓度加速条件下所需时间的比值为1.2，即加速转化因子ASF为1.2。3结论（1）随着溶液浓度的提高，抗拉强度损失率也逐渐增加。在浸泡30、60、90 d时，浓度提高到5倍与延长浸泡时间30 d对试件的抗拉强度影响基本一致。随着浓度的提高，相比于延长浸泡时间30 d，浓度对抗拉强度的影响更大。（2）相同周期30 d下，提高溶液浓度5倍、10倍、20倍抗压强度损失率依次为11.3%、25.7%、35.6%。180 d下提高溶液浓度5倍、10倍、20倍抗压强度损失率依次为48.6%、50.2%、53.2%。相同浸泡浓度下，随着浸泡时间的增加，相比自然浓度下的抗压强度损失率增加量呈先增大后减缓趋势。（3）抗拉强度下降主要是树脂纤维界面脱黏，纤维局部范围出现直径减小现象，但完整性较好。界面黏结力下降是因为碳酸氢根水解产生的OH-以及水分子作用使树脂基体水解，另一方面是渗入树脂的水分使树脂溶胀且破坏树脂与纤维间的键合，从而造成界面脱黏，进一步造成强度下降。（4）提出一种采用提高溶液浓度对加速试验进行简化的模拟方法。经初步对比分析，5倍浓度下对自然老化抗拉、抗压强度保留的关联度分别为0.984、0.838。通过GFRP筋在5倍、10倍、20倍浓度环境下拟合方程得出ASF随着时间的增大而逐渐减小。