FRP材料型桥梁隧道结构抗老化控制及抗腐蚀性研究

潘子叶

摘 要：为解决桥梁隧道随使用时间的延长，出现的严重老化及被腐蚀的问题，针对FRP材料型桥梁隧道结构的抗老化控制及抗腐蚀性研究。根据结构化方程，确定桥梁隧道主体的老化周期及特性，并以此为基础，建立有限元抗老化控制模型，完成FRP材料型桥梁隧道结构的抗老化控制。通过检测桥梁尺寸和结构材料的方式，计算腐蚀性离子的含量水平，并且按照配合比设计指标的实际数值结果，实现针对FRP材料型桥梁隧道结构的抗腐蚀特性分析。实例分析结果表明，在力学载荷作用强度相同的情况下，增大混凝土段长度的同时，缩小水胶比数值，是避免桥梁隧道出现严重老化及被腐蚀问题，并最大化延长其使用时间的有效方法。

关键词：FRP材料;桥梁隧道结构;抗老化;抗腐蚀性;有限元模型;离子含量

中图分类号：U441 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）12-0192-05

Research on Anti-aging Control and Corrosion Resistance of FRP Bridge Tunnel Structure

Pan Ziye

（Henan Transportation Development Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract：With the extension of service time， bridge tunnel has serious aging and corrosion problems， thus it is necessary to study the anti-aging control and corrosion resistance of FRP bridge tunnel structure. First of all， structured equation is used to determine the aging period and characteristics of the main body of bridge tunnel. And on this basis， a finite element anti-aging control model is established to complete the anti-aging control of the FRP bridge tunnel structure. Then， the size of the bridge and the structural material are detected to calculate the content level of corrosive ions， and the corrosion resistance characteristics of the FRP bridge tunnel structure are analyzed according to the actual numerical results of mix ratio design index. Finally， the case analysis results show that under the same strength of mechanical load， increasing the length of the concrete section and reducing the value of the water-binder ratio are the effective method to avoid serious aging and corrosion problems of bridge tunnels， and to maximize their service time.

Key words：FRP material， bridge tunnel structure， anti-aging， corrosion resistance， finite element model， ion content

0 引言

FRP材料的中文全称为纤维增强型复合材料，其包含芳纶纤维、碳纤维、玻璃纤维等多种组成物质。在实际应用过程中，FRP材料可与基体材料相互缠绕，并且经过一系列的拉挤与模压处理，形成多种不同的复合类应用物质[1-2]。根据增强材料种类的不同，纤维增強型复合材料可分为芳纶纤维增强复合材料（AFRP）、碳纤维增强复合材料（CFRP）[3]、玻璃纤维增强复合材料（GFRP）等多种形式。大多数FRP材料同时具有强度高、比模量大、抗腐蚀性和耐久性能强、材料性能可设计等多项应用优势，由于其热膨胀系数水平与混凝土结构极为接近，因此，这些材料大多被应用于轻质高强的现代化建筑结构当中，既可以满足建筑施工的工业化发展的需求，也能够使建筑结构的物化性能在恶劣条件下保持稳定。

交通运输网络的建设，能够在一定程度上决定经济及社会的发展水平，而各类大大小小的桥梁，恰好成为了组成不同交通运输线路的咽喉结构。随着社会的不断发展，人们在建设桥梁的过程中，除了追求最基本的美观与实用性之外，也越来越注重桥梁主体的抗老化与防腐蚀特性[4]。桥梁抗老化是指利用特殊手段延缓桥体结构的衰老程度，从而使其使用时间得以大幅的延长[5]。而防腐蚀则是指通过改变混凝土水胶比数值的方式，使桥梁结构能够较好抵御外界的腐蚀作用。近年来，FRP材料应用技术的快速成熟，使得FRP材料型桥梁逐渐成为一种主流的交通建筑结构，为最大化延长桥体使用年限，针对FRP材料型桥梁隧道结构抗老化控制及抗腐蚀特性展开如下研究。

1 FRP材料型桥梁隧道结构的抗老化控制

FRP材料型桥梁隧道结构的抗老化控制主要包含结构化方程、老化周期和特性、有限元抗老化模型3方面研究内容。

1.1 结构化方程

根据FRP材料型桥梁隧道结构的物化特性可知，质点在老化过程中将具有不同的演变速度，可引入各质点相应的老化表现程度和平均老化特征，从而将桥梁隧道结构的使用年限问题转化为结构的瞬时使用问题[6-7]。

首先对各个质点的老化表现程度进行离散化处理，用单元节点老化表现向量表示结构单元中任意点的老化特征，即

式中，表示与FRP材料型桥梁隧道结构相关的形函数矩阵;e表示平均老化速度;T 表示既定时间节点。同理

式中，为任意隧道结构点的老化速度;为单元节点的老化速度向量;为任意隧道结构点的老化表现程度;为单元节点的老化表现程度向量。

联合FRP材料型桥梁隧道结构的物化特性向量K，可将结构化方程表示为：

区别于使用年限问题，FRP材料型桥梁隧道结构瞬时使用问题在数值计算方面的要求更为宽泛，除了必要特征参量以外，不对其他系数指标进行严格要求。

1.2 老化周期和特性

老化周期是指FRP材料型桥梁隧道结构在力学载荷作用下，所表现出来的老化演变趋势的表现时间，从出现老化特征开始，到完全老化为止的整个阶段性时长，均被称为桥梁隧道结构的老化周期[8-9]。在图1所示的FRP材料型桥梁隧道的结构中，随着力学载荷作用强度的增大，主墩会出现一定程度的物理形变，在此情况下，隧道受到来自外界的挤压作用，并最终呈现向内偏移的变化形式，从而使得隧道中部的空隙区间逐渐减小[10]。

抗老化特性则是与老化周期相对的指标参量，对于FRP材料型桥梁隧道结构而言，其老化周期的取值结果越大，与之对应的抗老化特性也就越明显。设c、m表示两个不同的力学载荷系数;xc、xm分别表示与载荷系数相关的力学作用条件;表示xc与xm的平均取值结果;ω表示桥梁隧道结构的抗老化表现指征向量;表示老化周期的单位表现时长。在上述物理量的支持下，联立公式（4），可将FRP材料型桥梁隧道结构的抗老化特性定义为：

在已知结构化方程的前提下，可以根据老化周期及其特性表现条件，对FRP材料型桥梁隧道结构的抗老化能力进行预测。

1.3 有限元抗老化模型

有限元抗老化模型可用来衡量FRP材料型桥梁隧道结构是否具有抵御外界老化作用的能力。一般来说，随着桥梁使用年限的延长，外界老化作用的表现强度也会不断增大。设 λ 代表既定的有限元系数参量;、表示两个不同的FRP材料选型系数，联立公式（5），可将桥梁隧道结构的有限元抗性作用表示为：

规范的桥梁隧道结构抗老化特性受到多项外界条件的影响，因此，为获得较为理想化的有限元抗老化模型，应对外界老化作用强度进行定向划分。按照既定认知的标准，一般将不能造成明显形变的老化作用定义为Ⅰ级影响，将造成轻微形变的老化作用定义为Ⅱ级影响，以此类推。老化作用的形变等级越高，其影响级别也就相对越高。设s、a表示两个不同的老化作用形变等级条件，且在实际应用的过程中，的不等式条件恒成立，联立公式（6），可将FRP材料型桥梁隧道结构的有限元抗老化模型定义为：

式中，ε 表示老化作用强度的定向划分系数; f  表示抗性特征值;表示FRP材料型桥梁隧道结构在老化作用下所表现出来的单位形变量。对于FRP材料型桥梁隧道结构而言，有限元抗老化模型反映了桥体结构的局限性，可作为保障桥梁应用稳定性的重要参考条件。

2 FRP材料型桥梁隧道结构的抗腐蚀性分析

在抗老化控制思想的基础上，按照桥梁尺寸和结构材料检测、离子含量确定以及配合比设计参数计算的处理流程，实现分析FRP材料型桥梁隧道结构的抗腐蚀特性。

2.1 桥梁尺寸和结构材料的检测

为使隧道结构的抗腐蚀能力得到大幅地提升，针对FRP材料型桥梁尺寸的检测，应包含如下几个实施流程。

（1）利用检定过的数显卡尺、钢卷尺等操作工具，对FRP材料型桥梁构件的特定尺寸信息进行量测。在实施量测处理时，应选取不少于3个断面作为实测对象，且为了保证测量数据的合理性，应以多个数据参量的平均值代替桥梁部件的实测尺寸。

（2）对于FRP材料型桥梁而言，由于组成构件大都具有相对稳定的物化性质，所以随着使用年限时间的延长，关联构件也总是保持相同的老化程度[11]。在此情况下，为保证桥梁主体隧道结构具有较强的抗腐蚀性能力，应注重对混凝土材料水胶比数值的精准控制。

（3）一般来说，为保证桥梁主体的绝对稳定性[12]，隧道结構大都存在于两个支点之间，此时应注重对于支点与桥面材料的同步保护。

结构材料检测也叫对FRP材料型桥梁隧道结构抗腐蚀性能力的检测，一般来说，随着桥梁跨度的增大，隧道结构所需承担的被腐蚀风险会不断增大。设表示FRP材料型桥梁的跨度系数; l 表示桥梁结构的水平长度; ρ 代表混凝土材料的水胶比均值; y 表示桥梁隧道的结构化系数。联立上述物理量，可将FRP材料型桥梁隧道结构的抗腐蚀性检测条件表示为：

根据公式（8）可知，在实际应用过程中，混凝土材料的水胶比数值越小，隧道结构在抗腐蚀方面的表现能力也就越强。

2.2 离子含量

混凝土作为FRP材料型桥梁隧道结构的主要组成物质，其中包含大量的粗骨料、细骨料、添加纤维等颗粒状产物。而离子含量检测则是探究FRP材料型桥梁隧道结构抗腐蚀特性的关键执行环节，可在完全过滤悬浮性颗粒物质的同时，对混合溶液中Ca2+、Mg2+、Cu2+、Fe2+、Fe3+、Cl-、SO42-等金属与非金属离子含量的实时检测。在建设FRP材料型桥梁隧道结构的过程中，为增强混凝土物质的凝固度与硬度水平，在原有基础上，添加大量的金属与非金属离子，一方面能够对原有物质的物化性质进行巩固[13-14];另一方面可实现提升隧道结构整体抗腐蚀性能力。设r1代表一种金属类离子，r2代表一种非金属类离子，联立公式（8），可将其含量表达式分别定义为：

式中，β1表示金属离子的抗腐蚀特征;β2表示非金属离子的抗腐蚀特征;I1表示金属离子在单位时间内的抗腐蚀表现作用强度;I2表示非金属离子在单位时间内的抗腐蚀表现作用强度;W1表示与金属离子相关的抗腐蚀抵御作用能力;W2表示与非金属离子相关的抗腐蚀抵御作用能力。根据金属离子、非金属离子在混凝土原料中的具体含量水平，可以继续求解FRP材料型桥梁隧道结构的水胶比数值。

2.3 配合比设计参数

配合比设计参数描述了混凝土材料中，金属离子与非金属离子之间的混合配比关系。对于FRP材料型桥梁隧道结构来说，随着使用年限的延长，外界老化作用的表现强度也在不断增大，在此情况下，只有合理分配混凝土材料中的金属离子与非金属离子配比关系，才能实现对水胶比数值的有效控制，即使隧道结构具有最强的抗腐蚀性能力[15]。在已知金属离子、非金属离子含量的前提下，可根据FRP材料型桥梁隧道结构的质量水平，对配合比设计参数值进行计算，从而使得整个桥梁结构体的抗腐蚀能力得以大幅提升。设G表示FRP材料型桥梁隧道结构的自身质量;η表示配比标准;θ 表示金属离子与非金属离子之间的配比系数。联立公式（9），可将配合比设计参数表达式定义为：

参照配合比设计参数的实值结果，对混凝土材料中的金属离子与非金属离子进行按需混合，在有效控制FRP材料型桥梁隧道结构所承担老化作用强度的同时，实现对其抗腐蚀性能力的最大化提升。

3 实例分析

在实际应用过程中，抗老化能力、抗腐蚀能力均能反映桥梁隧道的可使用年限时长，一般来说，抗老化能力与抗腐蚀能力越强，桥梁隧道的可使用年限时间也就越长。

混凝土段长度能够反映FRP材料型桥梁隧道结构所具备的抗老化能力。已知FRP材料型桥梁隧道结构的抗老化能力表达式为：

式中，f 表示力学载荷作用强度; L 表示混凝土段长度数值。根据公式（11），可提出假设（1）：在力学载荷作用强度保持稳定的情况下，混凝土段长度越大，FRP材料型桥梁隧道结构所具备的抗老化能力也就越强。

混凝土水胶比数值则能够反映FRP材料型桥梁隧道结构所具备的抗腐蚀性能力。已知FRP材料型桥梁隧道结构的抗腐蚀性能力表达式为：

式中，φ表示混凝土材料的配比条件;μ表示混凝土水胶比数值。根据公式（12），可提出假设（2）：在力学载荷作用强度保持稳定的情况下，混凝土水胶比数值越小，FRP材料型桥梁隧道结构所具备的抗老化能力也就越强。

建立如图2所示的FRP材料型桥梁隧道结构示意图，通过人工模拟的方式，使桥体所承担的力学载荷作用强度与理想数值保持一致。在该力学载荷作用强度下，多次更改混凝土段长度与水胶比数值，并根据具体的实验数值，对FRP材料型桥梁隧道结构的抗老化及抗腐蚀能力进行预测。

图3反映了不同混凝土段长度条件下，FRP材料型桥梁隧道结构所具备的抗老化能力的数值变化情况。

由图3可知，随着实验时间的延长，FRP材料型桥梁隧道結构所具备的抗老化能力全部呈现不断下降的数值变化趋势。当混凝土段长度取值为18 cm时，FRP材料型桥梁隧道结构所具备的抗老化能力最大值为56.2%;当混凝土段长度取值为19 cm时，FRP材料型桥梁隧道结构所具备的抗老化能力最大值为68.1%;当混凝土段长度取值为20 cm时，FRP材料型桥梁隧道结构所具备的抗老化能力最大值为69.4%;当混凝土段长度取值为21 cm时， FRP材料型桥梁隧道结构所具备的抗老化能力最大值为74.8%。综上可知，假设（1）成立。

表1记录了不同混凝土水胶比数值条件下，FRP材料型桥梁隧道结构所具备的抗腐蚀能力的数值变化情况。

由表1可知，随着实验时间的延长，FRP材料型桥梁隧道结构所具备的抗腐蚀能力呈现不断下降的变化趋势。当混凝土水胶比数值等于10、8、5、3时，FRP材料型桥梁隧道结构所具备的抗腐蚀能力均值水平逐渐升高，与假设（2）的猜想结果相符合。综上可知，在力学载荷作用强度相同的情况下，增大混凝土段长度并适当缩小水胶比数值，能够同时提升FRP材料型桥梁隧道结构所具备的抗老化能力与抗腐蚀能力，对于延长桥梁隧道的使用时间，可以到一定的促进性作用。

4 结语

对于FRP材料型桥梁隧道的结构而言，抗老化控制应从增大混凝土段长度的角度着手，在结构化方程的基础上，计算主体结构的老化周期与特性，从而建立更加完善的有限元抗老化模型。而在抗腐蚀性研究方面，则应该注重有效控制水胶比的数值，一方面注重金属与非金属离子之间的配比关系;另一方面计算配合比设计指标的具体数值。

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